电力电子器件教材课件

第第1 1页页1.1.主电路和电力电子器件的基本概念。主电路和电力电子器件的基本概念。2.2.电力电子器件的分类和电气图形符号。电力电子器件的分类和电气图形符号。3.3.晶闸管、电力晶体管和晶闸管、电力晶体管和IGBTIGBT的工作原理、开关特的工作原理、开关特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。l重点重点第一章第一章电力电子器件电力电子器件第1页主电路和电力电子器件的基本概念。重点第一章电力电子第第2 2页页1.1电力电子器件概述电力电子器件概述（一）基本概念（一）基本概念主电路主电路(PowerCircuit):电力电子器件电力电子器件(PowerElectronicDevice):在可直接用于处理电能的在可直接用于处理电能的主电路中主电路中,实现电能的实现电能的变换或控制的电子器件。变换或控制的电子器件。在电气设备或电力系统中在电气设备或电力系统中,直接直接承担电能的变承担电能的变换或控制任务的电路。换或控制任务的电路。第2页1.1电力电子器件概述（一）基本概念主电路(Po第第3 3页页a.能处理电功率的能力，一般远大于处理信能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。息的电子器件。（二）同处理信息的电子器件相比的一般特征（二）同处理信息的电子器件相比的一般特征1.1电力电子器件概述电力电子器件概述b.电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件一般都工作在开关状态。c.电力电子器件往往需要由信息电子电电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。路来控制。d.电力电子器件自身的功率损耗远大于信电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。息电子器件，一般都要安装散热器。第3页能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。（二第第4 4页页图图1.1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2保护保护电路电路在主电路在主电路和控制电和控制电路中附加路中附加一些电路，一些电路，以保证电以保证电力电子器力电子器件和整个件和整个系统正常系统正常可靠运行可靠运行电气隔离电气隔离控制电路控制电路(三三)应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成1.1电力电子器件概述电力电子器件概述第4页图1.1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路第第5 5页页（四）电力电子器件的分类（四）电力电子器件的分类1.按照电力电子器件能够按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程被控制电路信号所控制的程度度，可以将电力电子器件分为以下，可以将电力电子器件分为以下3类类:不可控型器件不可控型器件不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。1.1电力电子器件概述电力电子器件概述半控型器件半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。能控制其关断。全控型器件全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。控制其关断，又称自关断器件。第5页（四）电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路第第6 6页页（1 1）按照驱动电路信号的性质来分）按照驱动电路信号的性质来分 电流驱动型电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。（2 2）按照功率等级来分）按照功率等级来分 微功率器件微功率器件 小功率器件小功率器件 大功率器件大功率器件（3 3）按照导电机理来分）按照导电机理来分 双极型双极型 单极型单极型 混合型混合型2.其它分类方法其它分类方法:1.1电力电子器件概述电力电子器件概述第6页（1）按照驱动电路信号的性质来分其它分类方法:1.1第第7 7页页从使用角度出发，主要可从以下从使用角度出发，主要可从以下5 5个方面考查电力电子个方面考查电力电子器件的使用特点：器件的使用特点：a.a.导通压降导通压降电力电子器件的管耗与导通压降成正比，电力电子器件的管耗与导通压降成正比，应尽量选择低导通压降的器件应尽量选择低导通压降的器件 b.b.运行频率运行频率器件的开关时间越短，器件可运行的频率器件的开关时间越短，器件可运行的频率越高越高 c.c.器件容量器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数耗等参数 d.d.耐冲击能力耐冲击能力主要是指器件短时间内承受过电流的能主要是指器件短时间内承受过电流的能力力 e.e.可靠性可靠性主要是指器件防止误导通的能力主要是指器件防止误导通的能力(五五)电力电子器件的使用特点电力电子器件的使用特点1.1电力电子器件概述电力电子器件概述第7页从使用角度出发，主要可从以下5个方面考只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。(3)结温较高，漏电流增大。在晶闸管从导通到阻断过程中，由于晶闸管反向电流突变会因线路电感在器件两端感应出的过电压。在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。30GTR的一种驱动电路1）脉冲形成与放大主要用N沟道、增强型、绝缘栅型。电流的波形系数各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I与平均值Id之比，称为这个电流的波形系数，用Kf表示。晶闸管变流装置的过电流保护最大集电极电流Icp、最大集射极间电压UCES和最大允许电压上升率duCE/dt确定。C5组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。晶闸管的结构和工作原理B、利用非线性过电压保护元件保护(3)开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，经过放大区。指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。电力MOSFET的主要参数42阻容过电压保护的连接方法晶闸管变流装置触发电路3各种器件寿命的周期曲线主要用N沟道、增强型、绝缘栅型。第第8 8页页图图1.2电力电子器件的种类和发展历史电力电子器件的种类和发展历史（六）电力电子器件的现状和发展趋势（六）电力电子器件的现状和发展趋势1.1电力电子器件概述电力电子器件概述只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。第第9 9页页图图1.3各种器件寿命的周期曲线各种器件寿命的周期曲线1.1电力电子器件概述电力电子器件概述第9页图1.3各种器件寿命的周期曲线1.1电力电总的来说，由于场控制件的导电机理，IGBT的驱动电路比GTR的驱动电路简单。典型全控型器件驱动电路充放电型RCD缓冲电路及波形1电力电子器件概述电力电子器件的并联运行可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。（4）驱动电路损耗要小，电路尽可能简单可靠，便于集成。（2）GTR导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证GTR处于饱和导通状态，使GTR的饱和压降较低，以保证低的导通损耗。图1.在阻容保护中选择合适的电阻。GTR对驱动电路的基本要求：31UAA4002原理框图并加反偏截止电压，使集电极电流迅速下降以减小下降时间tf。负偏压-UGE使IGBT关断，且能抑制集电极脉冲浪涌电流，避免发生动态擎住现象。MOSFET开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是常用电力电子器件中最高的；由一个面积较大的PN结和两端引线及封装组成。电力MOSFET的主要参数关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。第第1010页页1.2电力二极管电力二极管u电电力力二二极极管管（Power Power DiodeDiode）结结构构和和原原理理简简单单，工工作可靠，自作可靠，自2020世纪世纪5050年代初期就获得应用。年代初期就获得应用。u快快恢恢复复二二极极管管和和肖肖特特基基二二极极管管，分分别别在在中中、高高频频整整流流和和逆逆变变，以以及及低低压压高高频频整整流流的的场场合合，具具有有不不可替代的地位。可替代的地位。整流二极管及模块总的来说，由于场控制件的导电机理，IGBT的驱动电路比GTR第第1111页页结构、工作原理和基本特性结构、工作原理和基本特性图图1.4a)外形外形b)结构结构c)电气图形符号电气图形符号v基基本本结结构构和和工工作作原原理理与与微微电电子子电电路路中中的的二二极极管管一一样。样。v由由一一个个面面积积较较大大的的PNPN结结和和两两端端引引线及封装组成。线及封装组成。v外外形形螺螺栓栓型型和和平板型两种封装。平板型两种封装。第11页结构、工作原理和基本特性图1.4a)外形第第1212页页u额定电流在在指指定定的的管管壳壳温温度度和和散散热热条条件件下下，其其允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波电流的平均值。波电流的平均值。uIF(AV)是是按按照照电电流流的的发发热热效效应应来来定定义义的的，使使用用时时应应按按有有效效值值相相等等的的原原则则来来选选取取电电流流定额，并应留有一定的裕量。定额，并应留有一定的裕量。电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1)正向平均电流正向平均电流IF(AV)第12页电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)第第1313页页在在指指定定温温度度下下，流流过过某某一一指指定定的的稳稳态态正正向向电电流流时时对对应应的正向压降。的正向压降。3）反向重复峰值电压URRMu对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。u使用时，应当留有两倍的裕量。使用时，应当留有两倍的裕量。4）反向恢复时间trrtrr=td+tf电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UF第13页电力二极管的主要参数2）正向压降UF第第1414页页u结温是指管芯是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。uTJM是是指指在在PN结结不不致致损损坏坏的的前前提提下下所所能能承承受受的的最最高高平均温度。平均温度。uTJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。6)浪涌电流IFSM指指电电力力二二极极管管所所能能承承受受最最大大的的连连续续一一个个或或几几个个工工频频周周期的过电流。期的过电流。电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高工作结温最高工作结温TJM第14页电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM第第1515页页电力二极管的品种电力二极管的品种1.标准工频型（普通型）标准工频型（普通型）又称整流二极管（又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路以下）的整流电路其反向恢复时间较长其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高正向电流定额和反向电压定额可以达到很高,可可以达到数千安或数千伏以上以达到数千安或数千伏以上第15页电力二极管的品种1.标准工频型（普通型）又称整流二极第第1616页页2.快速恢复二极管（快速恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）简称快速二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复简称快速二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在过程很短（一般在5 5 s s以下）。以下）。从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等级。两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns100ns以下，甚至达到以下，甚至达到202030ns30ns。电力二极管的品种电力二极管的品种第16页2.快速恢复二极管（FastRecoveryD第第1717页页3.肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）(a)(a)反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（101040ns40ns）。）。(b)(b)正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。(c)(c)反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。(d)(d)效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。(a)(a)反向耐压提高时正向压降会提高，多用于反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V200V以下。以下。(b)(b)反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。(c)(c)容量小、漏电流大。容量小、漏电流大。肖特基二极管的缺点肖特基二极管的缺点肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点电力二极管的品种电力二极管的品种第17页3.肖特基势垒二极管（SchottkyBarri第第1818页页1.3晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件晶闸管晶闸管（ThyristorThyristor）：晶体闸流管，可控硅整流）：晶体闸流管，可控硅整流器（器（Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled RectifierSCRSCR）1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年年商商业业化化，开开辟辟了了电电力力电电子子技技术术迅迅速速发发展展和和广广泛泛应应用的崭新时代。用的崭新时代。20世纪世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。能能承承受受的的电电压压和和电电流流容容量量最最高高，工工作作可可靠靠，在在大大容容量量的的场合具有重要地位。场合具有重要地位。第18页1.3晶闸管及其派生器件晶闸管（Thyristo第第1919页页AAGGKKa)G图图1.5晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的结构晶闸管的结构外形外形螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装。两种封装。联接端联接端三个。三个。螺栓型螺栓型螺栓是阳极，与散热器紧密联接且安装方便。螺栓是阳极，与散热器紧密联接且安装方便。平板型平板型由两个散热器将其夹在中间。由两个散热器将其夹在中间。第19页AAGGKKa)G图1.5晶闸管的外形、结构和电第第2020页页螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理第20页螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构晶闸管的第第2121页页2.晶闸管的工作原理 图图1.6晶闸管的工作条件的实验电路晶闸管的工作条件的实验电路 承受反向阳极电压承受反向阳极电压,处于关断处于关断状态，与门极无关，状态，与门极无关，有反向阻断有反向阻断能力能力。晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理要使晶闸管关断要使晶闸管关断,必须去掉阳极正向电压必须去掉阳极正向电压,或给阳极加反向或给阳极加反向电压电压,或降低正向阳极电压或降低正向阳极电压,使通过晶闸管的电流小于使通过晶闸管的电流小于维持电维持电流流(即保持晶闸管导通的最小阳极电流即保持晶闸管导通的最小阳极电流)。承受正向阳极电压时承受正向阳极电压时,若门极若门极不施加电压不施加电压,晶闸管也处于关断晶闸管也处于关断状态状态,有正向阻断能力有正向阻断能力。承受正向阳极电压承受正向阳极电压,同时加门同时加门极施正向电压，晶闸管由阻断变极施正向电压，晶闸管由阻断变为导通。晶闸管一旦导通，门极为导通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。就失去控制作用。单向导电性单向导电性。第21页2.晶闸管的工作原理图1.6晶闸管的工作条3)栅源电压UGSUGS20V将导致绝缘层击穿。原因财产安全和人身安全6电力电子器件的驱动典型全控型器件驱动电路晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值，也称通态平均电流。（四）电力电子器件的分类选用参数和特性尽量一致的器件。正向阻断恢复时间Tgr29比较理想的基极驱动电流波形包括快速晶闸管和高频晶闸管，分别应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。电流的波形系数各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I与平均值Id之比，称为这个电流的波形系数，用Kf表示。反向电流大，控制复杂、控制功率较大。正弦半波电流平均值IT(AV)、电流有效值IT和电流最大值Im三者的关系：主电路和电力电子器件的基本概念。22a)转移特性b)输出特性1)漏源额定电压UDS电力MOSFET电压定额外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因根据实际电流波形求出电流波形系数，算得晶闸管允许的实际电流平均值为:tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）开关速度快，工作频率高。第第2222页页晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 图图1.7晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理IGIC2IAKAGV2V1IKIC13)栅源电压UGSUGS20V将导致绝缘层击穿第第2323页页(1)(1)阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。其它几种可能导通的情况：其它几种可能导通的情况：晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。(2)(2)阳极电压上升率阳极电压上升率du/dtdu/dt过高，中间结电容产生位移电流。过高，中间结电容产生位移电流。(4)光光触触发发光光触触发发可可以以保保证证控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的良良好好绝绝缘缘而而应应用用于于高高压压电电力力设设备备中中，称称为为光光控控晶晶闸闸管管（LightTriggeredThyristorLTT）。其它几种情况要尽量防止。）。其它几种情况要尽量防止。(3)(3)结温较高，漏电流增大。结温较高，漏电流增大。第23页(1)阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。其它几第第2424页页晶闸管的特性晶闸管的特性图图1.8晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性1.静态特性静态特性可靠触发区不可靠触发区第24页晶闸管的特性图1.8晶闸管的阳极伏安特性和门极伏第第2525页页2.动态特性图图1.9晶闸管的动态过程晶闸管的动态过程延迟时间延迟时间T Td d(0.51.5 s)开通过程开通过程晶闸管的特性晶闸管的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA上升时间上升时间Tr(0.53 s)开通时间开通时间Ton为以上两者之为以上两者之和，和，Ton=Td+Tr第25页2.动态特性图1.9晶闸管的动态过程延迟时第第2626页页反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间T Trrrr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间T Tgrgr电路换向关断时间电路换向关断时间T Toffoff为为以上两者之和以上两者之和T Tq q=T=Trrrr+T+Tgrgr普通晶闸管的关断时间普通晶闸管的关断时间约几百微秒约几百微秒图图1.9晶闸管的动态过程晶闸管的动态过程关断过程关断过程100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的特性晶闸管的特性第26页反向阻断恢复时间Trr图1.9晶闸管的动态过程第第2727页页通态损耗通态损耗 断态损耗断态损耗开通损耗开通损耗 关断损耗关断损耗图图1.10晶闸管的动态过程及相应损耗晶闸管的动态过程及相应损耗晶闸管的损耗晶闸管的损耗静态损耗静态损耗动态损耗动态损耗晶闸管的特性晶闸管的特性第27页图1.10晶闸管的动态过程及相应损耗晶闸管的第第2828页页1.额定电压UTN晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器件的额定电中较小的标值作为该器件的额定电压。压。实际选用时，额定电压要留有一定裕量实际选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为一般取额定电压为实际工作电路中可能承受到的正向阻断重复峰值电压实际工作电路中可能承受到的正向阻断重复峰值电压U UDRMDRM和反向和反向重复峰值电压重复峰值电压U URRMRRM的最大峰值电压的最大峰值电压,再取再取2 23 3倍的安全裕量倍的安全裕量.第28页1.额定电压UTN晶闸管的主要参数通常取晶闸晶闸管、电力晶体管和IGBT的工作原理、开关特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。第一章电力电子器件驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极间电压uGE决定。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。选用参数和特性尽量一致的器件。思考：非正弦电流波形，如何计算波形系数？33IGBT通态电压与栅极电压的关系关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。其它几种情况要尽量防止。5）最高工作结温TJM如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。(1)共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。电力电子器件一般都工作在开关状态。1电力电子器件概述7晶闸管变流装置的保护电路正向阻断恢复时间Tgr关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。典型全控型器件驱动电路第第2929页页晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，稳定和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值，也称电流的最大平均值，也称通态平均电流通态平均电流。2.额定电流额定电流IT(AV)（P19）额定电流的计算方法额定电流的计算方法晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 0 2图图1.11单相工频正弦半波电流单相工频正弦半波电流晶闸管、电力晶体管和IGBT的工作原理、开关特性、主要参数以典型全控型器件驱动电路16GTR的开通和关断过程电流波形图1-48关断时的负载线对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。22a是N沟道MOSFET与BJT组合N沟道IGBT。图1-21IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号快速恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）雷击过电压：由雷击所产生的大气干扰引起最大集电极电流Icp、最大集射极间电压UCES和最大允许电压上升率duCE/dt确定。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。典型全控型器件驱动电路一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT的结构和工作原理晶闸管变流装置触发电路缓冲电路可分为关断缓冲电路、开通缓冲电路和复合缓冲电路。优点耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等。在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。通常用于小型电机驱动及电话交换机用户电路等需要较高电压的地方。晶闸管变流装置触发电路第第3030页页3.维持电流维持电流IH在室温与门极开路时在室温与门极开路时,使晶闸管维持导通所必需使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则结温越高，则IH越小。越小。4.擎住电流擎住电流IL晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍。倍。晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数典型全控型器件驱动电路第30页3.维持电流IH第第3131页页5.通态平均电压通态平均电压UT(AV)当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均值（值（1V左右）。左右）。晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数6.断态电压临界上升率断态电压临界上升率dudt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通电流足够大，就会使晶闸管误导通。第31页5.通态平均电压UT(AV)当晶闸管流过正第第3232页页7.通态电流临界上升率通态电流临界上升率didt8.门极触发电流门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。管损坏。IGT是指在室温且阳极电压为是指在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极电流。断到完全开通所必需的最小门极电流。UGT是对应于门极触发是对应于门极触发电流时的门极触发电压。电流时的门极触发电压。晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数9.额定结温额定结温Tjm晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（器件内部器件内部）。第32页7.通态电流临界上升率didt8.门极触发电流第第3333页页晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.快速晶闸管快速晶闸管(FastSwitchingThyristorFST)v包包括括快快速速晶晶闸闸管管和和高高频频晶晶闸闸管管，分分别别应应用用于于400Hz400Hz和和10kHz10kHz以上的斩波或逆变电路中。以上的斩波或逆变电路中。v开关时间以及开关时间以及d du u/d/dt t和和d di i/d/dt t耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。v普普通通晶晶闸闸管管关关断断时时间间数数百百微微秒秒，快快速速晶晶闸闸管管数数十十微微秒秒，高高频晶闸管频晶闸管1010 s s左右。左右。v高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。v由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。第33页晶闸管的派生器件1.快速晶闸管(FastSwitc第第3434页页2.双向晶闸管（双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或或Bidirectionaltriodethyristor）图图1.12 a)1.12 a)电气图形符号电气图形符号 b)b)伏安特性伏安特性v可可认认为为是是一一对对反反并并联联的的普通晶闸管的集成。普通晶闸管的集成。v两两个个主主电电极极T T1 1和和T T2 2，一一个个门极门极G G。v在在第第和和第第IIIIII象象限限有有对对称的伏安特性。称的伏安特性。v不不用用平平均均值值而而用用有有效效值值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第34页2.双向晶闸管（TriodeACSwitch逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀而导致器件的损坏。指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。挑选动态参数和特性尽量一致的器件。tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。41压敏电阻过电压保护的接法BUcboBUcexBUcesBUcerBUceo。3晶闸管及其派生器件晶闸管变流装置的过电流保护1电力电子器件概述充放电型RCD缓冲电路及波形RCT）晶闸管变流装置触发电路时刻由阻断转为导通。(3)结温较高，漏电流增大。晶闸管变流装置触发电路前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。36M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图9晶闸管的动态过程第第3535页页3.逆导晶闸管（逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT）图图1.13a)电气图形符号电气图形符号b)伏安特性伏安特性v将将晶晶闸闸管管反反并并联联一一个个二二极极管管制制作作在在同同一一管管芯上的功率集成器件。芯上的功率集成器件。v正正向向压压降降小小、关关断断时时间间短短、高高温温特特性性好好、额定结温高等优点。额定结温高等优点。晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件逆导晶闸管（ReverseConductingThyri第第3636页页4.光控晶闸管（光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）图图1.14a)电气图形符号电气图形符号b)伏安特性伏安特性v又又称称光光触触发发晶晶闸闸管管，是是利利用用一一定定波波长长的的光光照照信信号触发导通的晶闸管。号触发导通的晶闸管。v光光触触发发保保证证了了主主电电路路与与控控制制电电路路之之间间的的绝绝缘缘，且且可可避避免免电电磁磁干干扰扰的的影影响响。主主要要应应用用于于高高压压大大功率的场合。功率的场合。晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第36页4.光控晶闸管（LightTriggeredT第第3737页页1.4典型全控型器件典型全控型器件u2020世世纪纪8080年年代代以以来来，电电力力电电子子技技术术进进入入了了一一个崭新时代。个崭新时代。u典典型型代代表表门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管、电电力力晶晶体体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。第37页1.4典型全控型器件第第3838页页电力晶体管电力晶体管(GTR)电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGiant TransistorGTRGTR，Bipolar Bipolar Junction TransistorJunction TransistorBJTBJT），也称为），也称为Power BJTPower BJT。优点优点耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等。和安全工作区宽等。缺点缺点二次击穿、驱动功率大等。二次击穿、驱动功率大等。应用应用2020世纪世纪8080年代以来，在中、小功率范围内取年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被代晶闸管，但目前又大多被IGBTIGBT和电力和电力MOSFETMOSFET取代。取代。第38页电力晶体管(GTR)电力晶体管（GiantTran第第3939页页1.基本工作原理基本工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。2.结构结构 通常采用至少由两个晶体管通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，按达林顿接法组成的单元结构，采用集成电路工艺将许多这种采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成单元并联而成 。电力晶体管电力晶体管(GTR)第39页1.基本工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一第第4040页页3.静态特性静态特性 (1)(1)共发射极接法时的典型输出特性：共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和和饱和区饱和区。(2)(2)电力电子电路中电力电子电路中GTRGTR工作在开关状态。工作在开关状态。(3)(3)开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，经过放大区。开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，经过放大区。图图1.15 GTR1.15 GTR内部结构和电气符号内部结构和电气符号共发射极接法时共发射极接法时GTRGTR的静态特性的静态特性NNPPPN第40页3.静态特性(1)共发射极接法时的典型输出特性：第第4141页页4.动态特性动态特性 开开通通过过程程延延迟迟时时间间td和和上上升升时时间间tr，二二者者之之和和为开通时间为开通时间ton。关关断断过过程程储储存存时时间间ts和和下下降降时时间间tf，二二者者之之和和为为关关断断时时间间toff。GTR的的开开关关时时间间在在几几微微秒秒以以内内，比比晶晶闸闸管和管和GTO都短很多。都短很多。图图1.16 GTR1.16 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd电力晶体管电力晶体管(GTR)第41页4.动态特性开通过程延迟时间td和上第第4242页页5.GTR的主要参数的主要参数(1)(1)最高工作电压（即额定电最高工作电压（即额定电压）压）(2)(2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcM(3)(3)集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcMGTR上电压超过规定值时会发生击穿。上电压超过规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcboBUcexBUcesBUcerBUceo。实际使用时，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。低得多。通通常常规规定定为为直直流流电电流流放放大大系系数数hFE下下降降到到规规定定值值的的1/21/3时时所所对对应的应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点。电力晶体管电力晶体管(GTR)第42页5.GTR的主要参数(1)最高工作电压（即额第第4343页页6.二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区(1)(1)一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，I Ic c迅速增大，出现雪崩击穿；迅速增大，出现雪崩击穿；只要只要I Ic c不超过限度，不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，工作特性也不变。(2)(2)二次击穿二次击穿一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则I Ic c继续增大，当继续增大，当达到某个临界点时，达到某个临界点时，U Ucece会突然降低至一个小值，同时导致会突然降低至一个小值，同时导致I Ic c急急剧上升，这种现象称为二次击穿。剧上升，这种现象称为二次击穿。二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏，必需避免。即导致器件的永久损坏，必需避免。电力晶体管电力晶体管(GTR)第43页6.二次击穿现象与安全工作区(1)一次击穿集电第第4444页页图图1.17GTR的安全工作区的安全工作区(3)(3)安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSafe Operating AreaSOASOA）最高电压最高电压U UceMceM、集电、集电极最大电流极最大电流I IcMcM、最大耗、最大耗散功率散功率P PcMcM、二次击穿临、二次击穿临界线界线P PSBSB限定。限定。电力晶体管电力晶体管(GTR)第44页图1.17GTR的安全工作区(3)安全工作区通常用于小型电机驱动及电话交换机用户电路等需要较高电压的地方。1电力电子器件概述复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿；相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路（3）触发脉冲的前沿应尽量陡些。（a）串电阻均流（b）串电抗器均流（c）互感器均流内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。(1)共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。3晶闸管及其派生器件根据实际电流波形求出电流波形系数，算得晶闸管允许的实际电流平均值为:在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。已知晶闸管的额定电流，根据实际工作情况，计算晶闸管允许通过的平均电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。介绍了驱动电路的作用和常见器件的驱动电路。35IGBT的驱动电路第第4545页页电力场效应晶体管电力场效应晶体管特点特点用栅源电压来控制漏极电流用栅源电压来控制漏极电流u驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。u开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。u热稳定性优于热稳定性优于GTRGTR。u电电流流容容量量小小，耐耐压压低低，一一般般只只适适用用于于功功率率不不超超过过10kW10kW的电力电子装置的电力电子装置 。电力场效应晶体管电力场效应晶体管(Power MOSFET)(Power MOSFET)分为结型和绝分为结型和绝缘栅型。通常主要指绝缘栅型场效应晶体管。结型电缘栅型。通常主要指绝缘栅型场效应晶体管。结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Static Induction TransistorInduction TransistorSITSIT）通常用于小型电机驱动及电话交换机用户电路等需要较高电压的地方第第4646页页主要用主要用N N沟道沟道、增强型增强型、绝缘栅型绝缘栅型。和微电子里的和微电子里的MOSMOS管管导电机理导电机理相同。相同。和微电子里的和微电子里的区别区别：前者是：前者是一次扩散一次扩散而成，后者是而成，后者是二次二次扩散扩散而成，前者是而成，前者是横向导电型横向导电型，后者是，后者是垂直导电型垂直导电型。1.结构和工作原理结构和工作原理图图1.18a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图b)电气图形符号电气图形符号电力场效应晶体管电力场效应晶体管第46页主要用N沟道、增强型、绝缘栅型。1.结构和工作原理第第4747页页n按导电沟道可分为按导电沟道可分为P P沟道沟道和和N N沟道。沟道。n按按源源漏漏极极存存在在导导电电沟沟道道时时的的栅栅极极电电压压类类型型分分为为耗耗尽尽型型和和增增强强型。型。n耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。n增增强强型型对对于于N N（P P）沟沟道道器器件件，栅栅极极电电压压大大于于（小小于于）零时才存在导电沟道。零时才存在导电沟道。n电力电力MOSFETMOSFET主要是主要是N N沟道增强型沟道增强型。MOSFETMOSFET的种类的种类电力场效应晶体管电力场效应晶体管第47页按导电沟道可分为P沟道和N沟道。MOSFET的种类电第第4848页页2.静态特性静态特性(注意和注意和GTR的区别，特别是饱和区的的区别，特别是饱和区的位置不同位置不同)图图1.19a)转移特性转移特性010203050402468a)ID/AUTUGS/V漏极电流漏极电流I ID D和栅源间电压和栅源间电压U UGSGS的的关系称为关系称为MOSFETMOSFET的的转移特性转移特性。I ID D较大时，较大时，I ID D与与U UGSGS的关系近似的关系近似线性，曲线的斜率定义为线性，曲线的斜率定义为跨导跨导G Gfsfs。电力场效应晶体管电力场效应晶体管第48页2.静态特性(注意和GTR的区别，特别是饱和区的位置第第4949页页截止区截止区（GTRGTR的截止区）的截止区）饱和区饱和区（GTRGTR的放大区）的放大区）非饱和区非饱和区（GTRGTR的饱和区）的饱和区）工工作作在在开开关关状状态态，即即在在截截止止区区和和非饱和区之间来回转换。非饱和区之间来回转换。漏漏源源极极之之间间有有寄寄生生二二极极管管，漏漏源源极间加反向电压时器件导通。极间加反向电压时器件导通。通通态态电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数，对对器器件并联时的均流有利。件并联时的均流有利。10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图图1.19b)输出特性输出特性电力场效应晶体管电力场效应晶体管第49页截止区（GTR的截止区）10203050400b)1第第5050页页3.动态特性动态特性 图图1.20 a)1.20 a)测试电路测试电路 b)b)开关过程波形开关过程波形 RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfa)b)开开通通过过程程开开通通延延迟迟时时间间t td(on)d(on)和和上上升升时时间间t tr r之和为开通时间之和为开通时间t tonon关关断断过过程程关关断断延延迟迟时时间间t td(off)d(off)和和下下降降时时间间t tf f之和为关断时间之和为关断时间t toffoff电力场效应晶体管电力场效应晶体管第50页3.动态特性图1.20a)测试电路b)开第第5151页页 MOSFET MOSFET的开关速度和输入电容的开关速度和输入电容C Cinin的充放电有很大关系；的充放电有很大关系；使使用用者者无无法法降降低低C Cinin，但但可可降降低低驱驱动动电电路路内内阻阻R Rs s减减小小时时间间常常数，加快开关速度，所以选择数，加快开关速度，所以选择R RS S很关键（一般为几十欧姆）；很关键（一般为几十欧姆）；MOSFETMOSFET只只靠靠多多子子导导电电，不不存存在在少少子子储储存存效效应应，因因而而关关断断过过程非常迅速；程非常迅速；MOSFETMOSFET开开关关时时间间在在1010100ns100ns之之间间，工工作作频频率率可可达达100kHz100kHz以以上，是上，是常用电力电子器件中最高的常用电力电子器件中最高的；场场控控器器件件，静静态态时时几几乎乎不不需需输输入入电电流流。但但在在开开关关过过程程中中需需对对输输入入电电容容充充放放电电，仍仍需需一一定定的的驱驱动动功功率率。开开关关频频率率越越高高，所需要的驱动功率越大。所需要的驱动功率越大。MOSFETMOSFET的开关特点：的开关特点：电力场效应晶体管电力场效应晶体管第51页MOSFET的开关速度和输入电容Cin的充放电有第第5252页页4.电力电力MOSFET的主要参数的主要参数1)1)漏源额定电压漏源额定电压U UDSDS 电力电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额2)2)漏极额定电流漏极额定电流I ID D和漏极峰值电流和漏极峰值电流I IDMDM电力电力MOSFETMOSFET电流定额电流定额3)3)栅源电压栅源电压U UGSGS U UGSGS 20V20V将导致绝缘层击穿。将导致绝缘层击穿。4)4)极间电容极间电容极间电容极间电容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS电力场效应晶体管电力场效应晶体管第52页4.电力MOSFET的主要参数1)漏源额定电压U第第5353页页绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 特点特点器件器件优点优点缺点缺点晶体管晶体管GTRGTR开关时间短、饱和压降低和开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽安全工作区宽 存在二次击穿、驱动功率较大、存在二次击穿、驱动功率较大、驱动电路复杂驱动电路复杂电力电力MOSFETMOSFET驱动电路简单、驱动功率小、驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、开关速度快、工作频率高、输入阻抗高、热稳定性优良、输入阻抗高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽无二次击穿、安全工作区宽 电流容量小，耐压低，通态电阻电流容量小，耐压低，通态电阻大，只适用于中小功率电力电子大，只适用于中小功率电力电子装置装置 绝绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管（Insulated-gate Insulated-gate Bipolar Bipolar TransistorTransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）集集二二者者的的优优点点于于一一身身。19861986年年投投入入市市场场，是是中中小小功功率率电电力力电电子子设设备备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。第53页绝缘栅双极晶体管特点晶体管开关时间短、饱和压降第第5454页页1.IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极三端器件：栅极G G、集电极、集电极C C和发射极和发射极E E绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图图1-21IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图b)简化等效电路简化等效电路c)电气图形符号电气图形符号E第54页1.IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集第第5555页页(1)(1)结构结构vIGBTIGBT相当于一个由相当于一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区BJTBJT。vR RN N为晶体管基区内的为晶体管基区内的扩展电阻扩展电阻。vIGBTIGBT是以是以BJTBJT为主导元件，为主导元件，MOSFETMOSFET为驱动元件的为驱动元件的达林顿结构器件达林顿结构器件。v图图1.22a1.22a是是N N沟道沟道MOSFETMOSFET与与BJTBJT组合组合N N沟道沟道IGBTIGBT。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管E图图1-21IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图b)简化等效电路简化等效电路c)电气图形符号电气图形符号第55页(1)结构IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚目的：多个器件串联以承担较大的电压。典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）集二者的优点于一身。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。在器件阳极串均流电抗器；IGBT对驱动电路的要求充放电型RCD缓冲电路及波形UAA4002的独特设计使它也非常适用于驱动电力场控器件，如电力MOSFET或IGBT。包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。外形螺栓型和平板型两种封装。1电力电子器件概述晶闸管、电力晶体管和IGBT的工作原理、开关特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。RCT）快速晶闸管(FastSwitchingThyristorFST)两种载流子导电、双极型，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。(3)结温较高，漏电流增大。通态电流临界上升率didt第第5656页页(2)(2)工作原理工作原理 驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFETMOSFET基基本本相相同同，场场控控器器件件，通通断断由由栅栅射射极极间电压间电压u uGEGE决定。决定。v导导通通：u uGEGE大大于于开开启启电电压压U UGE(th)GE(th)时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，为为晶晶体管提供基极电流，体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。v通态压降通态压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻R RN N减小，使通态压降减小。减小，使通态压降减小。v关关断断：栅栅射射极极间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，MOS