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1、第一章电力电子器件电力电子器件电力电子技术电力电子技术第一章第一章 电力电子器件电力电子器件第一节第一节 电力电子器件概述电力电子器件概述第二节第二节 电力二极管电力二极管第三节第三节 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理第四节第四节 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第五节第五节 全控型电力电子器件全控型电力电子器件第六节第六节 半导体功率器件的选择半导体功率器件的选择本章小结本章小结LOGO1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 电力电子器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件电力电子电

2、路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。广义上。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，本书涉电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，本书涉及的器件都是半导体电力电子器件及的器件都是半导体电力电子器件。在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成理在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成理想开关模型，它工作在想开关模型，它工作在“通态通态”和和“断态断态”两种情况。两种情况。电力电子器件按器件的开关控制特性可以分为以下电力电子器件按器件的开关控制特性可以分为以下3类类：不可控

3、器件，如电力二极管（不可控器件，如电力二极管（Power Diode）；）；半控型器件，如普通晶闸管（半控型器件，如普通晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件；）及其大部分派生器件；全控型器件，如门极可关断晶闸管全控型器件，如门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor）、功率场效应管（）、功率场效应管（Power-MOSFET）和绝缘栅双极型）和绝缘栅双极型晶体管（晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。）等。图1-1电力电子器件“树”1.2 电力二极管电力二极管 电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器（Se

4、miconductor Rectifier，简称SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。1.2.1 基本结构和工作原理图图1-2 电力二极管的外形电力二极管的外形、结构和电气图形符号、结构和电气图形符号（a）外形）外形；（；（b）结构）结构；（；（c）电气符号）电气符号电力二极管基电力二极管基本结构和工作本结构和工作原理与小功率原理与小功率电子电路中的电子电路中的二极管一样，二极管一样，以半导体以半导体PN结结为基础为基础1.2.2 伏安特性伏安特性当电力二极管承受的正向当电力二极管承受的正向电压大到一定值电压大到一定值（门槛电（门槛电压压UTOTO），正向电流才开

5、），正向电流才开始明显增加，处于稳定导始明显增加，处于稳定导通状态通状态。当电力二极管承受反向电当电力二极管承受反向电压时，只有很小的反向漏压时，只有很小的反向漏电流流过，器件反向截止，电流流过，器件反向截止，呈现呈现“高阻态高阻态”。1.3 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管晶闸管(Thyristor)是硅晶体闸流管的简称，又称可控硅整流是硅晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器器SCR（Silicon Controlled Rectifier）,以前又简称可控硅以前又简称可控硅。1956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。1958年商业化。开辟了电力电子

6、技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。1.3.1 晶闸管的结构晶闸管的结构目前常用的大功率的晶闸管,外形结构有螺栓式和平板式两种,如图1-4所示。每种形式的晶闸管从外部看都有三个引出电极即:阳极A,阴极K和门极G.（a）螺栓式）螺栓式 （b）平板式）平板式图图1-4晶闸管的外形晶闸管的外形常用晶闸管的结构1.3.2 晶闸管的单向可控导电性晶闸管导通的条件：(1)要有适当的正向阳极电压；(2)还要有适当的正向门极电压，且晶闸管一旦导通，门极将失去作用。晶闸管关断的条件：要使导通的晶闸管关断，

7、只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（称为维持电流）以下，因此可以采取去掉晶闸管的阳极电压，或者给晶闸管阳极加反向电压，或者降低正向阳极电压等方式来使晶闸管关断。1.3.3 晶闸管的工作原理晶闸管导通的工作原理晶闸管导通的工作原理可以用一对互补三极管可以用一对互补三极管代替晶闸管的等效电路代替晶闸管的等效电路来解释来解释晶闸管的几种状态(1)正向阻断(2)触发导通(3)硬开通(4)晶闸管关断(5)反向阻断1.3.4 晶闸管的阳极伏安特性1.3.5 晶闸管的主要参数一.晶闸管的电压定额1.断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的

8、正向峰值电压。2.反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3.额定电压UTn 指UDRM和URRM中较小值。4 4通态通态（峰值）（峰值）电压电压UTM UTM 是晶闸管通以是晶闸管通以倍或规定倍数额定通态平均电流值倍或规定倍数额定通态平均电流值时的瞬态峰值电压。从减小损耗和器件发热的观点出发，应时的瞬态峰值电压。从减小损耗和器件发热的观点出发，应该选择该选择UTM较小的晶闸管。较小的晶闸管。5 5通态平均电压通态平均电压(管压降管压降)UT(AV)当元件流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的当元件流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定额定结结温

9、时温时，元件阳极和阴元件阳极和阴极极之间电压降的平均值之间电压降的平均值称为晶闸管的称为晶闸管的通通态平均电压态平均电压UT(AV)，简称管压降简称管压降UT(AV)。表。表1-2列出了晶闸管列出了晶闸管正向通态平均电压的组别及对应范围正向通态平均电压的组别及对应范围。表表11 晶闸管的正反向重复峰值电压标准等级晶闸管的正反向重复峰值电压标准等级级级 别别正反向正反向重复峰重复峰值电压值电压 /V级级 别别正反向正反向重复峰重复峰值电压值电压 /V级级 别别正反向重正反向重复峰复峰值电压值电压 /V1 12 23 34 45 56 67 7100100200200300300400400500

10、5006006007007008 89 9101012121414161618188008009009001000100012001200140014001600160018001800202022222424262628283030200020002200220024002400260026002800280030003000表表1-2 晶闸管正向通态平均电压的组别晶闸管正向通态平均电压的组别正向正向通态通态平均平均电电压压V VU UT T（AV）0.40.40.4UT T（AV）0.50.50.5UT T（AV）0.60.60.6UT T（AV）0.70.70.7UT T（AV）0.8组

11、别组别代号代号A AB BC CD DE E正向正向通态通态平均平均电压电压V0.80.8UT T（AV）0.90.90.9UT T（AV）1.01.01.0UT T（AV）1.11.11.1UT T（AV）1.2组别组别代号代号F FG GH HI I二.晶闸管的电流定额 1通态平均电流IT(AV)在环境温度为在环境温度为+40和规定的冷却条件下，和规定的冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的晶闸管在电阻性负载的单相工频正单相工频正弦弦半波、导通角不小于半波、导通角不小于170的电路中的电路中，当结温不超过额当结温不超过额定结温且稳定时定结温且稳定时，晶闸管所允许晶闸管所允许通过的通过的最大最大电

12、流的电流的平均平均值，值，称为晶闸称为晶闸管管的的额定通态平均电流额定通态平均电流，用，用IT(AV)表示。表示。图图1-12额定情况下晶闸管各电流的关系额定情况下晶闸管各电流的关系 对于同一只晶闸管而言，在流过不同电流波形时，所允许的电流的对于同一只晶闸管而言，在流过不同电流波形时，所允许的电流的有效值是相同的。所以应按照有效值是相同的。所以应按照“有效值相等有效值相等”的原则来选取晶闸管的额的原则来选取晶闸管的额定电流。定电流。下面定义波形系数额定情况下流过元件的电流波形是正弦半波，则 dfIIKmmAVTdItd tIII)(sin210)(57.122)()sin(21)(02AVTT

13、ndfmmTnIIIIKItdtIII额定情况下额定情况下 ，选管时要留出，选管时要留出1.52倍的安全裕量倍的安全裕量。)(57.1AVTTnIIdfTMAVTTnIKIII)25.1()25.1(57.1)(57.1)25.1()(TMAVTII2维持电流维持电流IH维持电流是维持电流是指在室温下门极断开时，指在室温下门极断开时，晶管闸晶管闸元件从较大的通态电元件从较大的通态电流降至刚好能保流降至刚好能保持导通所必需的最小阳极电流持导通所必需的最小阳极电流，一般为几十到几百，一般为几十到几百毫安。毫安。IH与结温有关，结温越高，则与结温有关，结温越高，则IH越小。越小。3擎住电流擎住电流I

14、L 擎住电流是擎住电流是指指晶闸管晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚加上触发电压，当元件从阻断状态刚转入通转入通态态就去除触发信号，此时要维持元件导通所需要的最小阳极电流。就去除触发信号，此时要维持元件导通所需要的最小阳极电流。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。4.断态重复峰值电流断态重复峰值电流IDRM 和反向重复峰值电流和反向重复峰值电流IRRM 断态重复峰值电流断态重复峰值电流IDRM 和反向重复峰值电流和反向重复峰值电流IRRM 分别是对应于分别是对应于晶闸管承受断态重复峰值电压晶闸管承受断态重复峰值电压UDRM 和反向重复峰值电压和反向

15、重复峰值电压URRM 时的时的峰值电流峰值电流。5.浪涌电流浪涌电流ITSMITSM是一种由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重是一种由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流复性最大正向过载电流，用峰值表示用峰值表示。它是用来设计保护电路的。它是用来设计保护电路的。按标准，普通按标准，普通晶闸管晶闸管型号的命名含义如下：型号的命名含义如下：（三）（三）门极触发电流门极触发电流IGT和和门极触发电压门极触发电压UGTIGT是在室温下是在室温下，给晶闸管施加给晶闸管施加6V正向阳极电压时，正向阳极电压时，使元件由断态转使元件由断态转入通态所必需的最小门极电流入通态

16、所必需的最小门极电流。（四四）动态参数动态参数1断态电压临界上升率断态电压临界上升率dudtdudt是在额定结温和门极开路的情况下，是在额定结温和门极开路的情况下，不导致不导致晶闸管晶闸管从断态到通从断态到通态转换的最大阳极电压上升率态转换的最大阳极电压上升率。在实际使用时的电压上升率必须低于此。在实际使用时的电压上升率必须低于此规定值。规定值。表表1-3 断态电压临界上升率（断态电压临界上升率（du/dt）的等级）的等级d du u/d dt tV V/s2525505010010020020050050080080010001000级级 别别A AB BC CD DE EF FG G2通态

17、电流临界上升率通态电流临界上升率didtdidt是在规定条件下，是在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率上升率。如果电流上升太快，则。如果电流上升太快，则晶闸管晶闸管刚一导通，便会有很大的电流集刚一导通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，造成中在门极附近的小区域内，造成J2结局部过热而出现结局部过热而出现“烧焦点烧焦点”，从而，从而使元件损坏。因此在实际使用时也要采取措施，使其被限制在允许值内。使元件损坏。因此在实际使用时也要采取措施，使其被限制在允许值内。表表1-4为晶闸管通态电流临界上升率的等级。为晶闸管通态电流临界上升率的

18、等级。表表1-4 额定通态电流临界上升率（额定通态电流临界上升率（di/dt）的等级）的等级d di i/d dt tA/A/s25255050100100150150200200300300500500级级 别别A AB BC CD DE EF FG G 1.4 晶闸管的派生器件一、双向一、双向晶闸管晶闸管1 1双向晶闸管的结构双向晶闸管的结构（a）等效电路）等效电路 (b)图形符号图形符号图图1-14 双向晶闸管的等效电路及符号双向晶闸管的等效电路及符号2 2双向双向晶闸管晶闸管的特性的特性图图1-15 双向晶闸管的伏安特性双向晶闸管的伏安特性3 3双向双向晶闸管晶闸管的参数及型号的参数及

19、型号二逆导晶闸管二逆导晶闸管(a)(a)等效电路等效电路 （b）图形符号）图形符号 （c）伏安特性）伏安特性 图图1-16 逆导晶闸管的等效电路、符号及伏安特性逆导晶闸管的等效电路、符号及伏安特性三快速晶闸管三快速晶闸管 快速晶闸管的外形、符号和伏安特性与普通晶闸管相同。它包括常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管。快速晶闸管的的管芯结构和制造工艺与普通晶闸管不同，因而快速晶闸管的开通和关断时间短。例如，普通晶闸管的关断时间为几百微秒，而快速晶闸管为几十微秒，而高频晶闸管则为十微秒左右。而且快速晶闸管的dudt和didt的耐量也有了明显的提高。快速晶闸管的不足是其电压和电流都不易做高，并

20、且由于工作频率较高，故在选择此类器件时不能忽略其开关损耗。四光控晶闸管四光控晶闸管 光控晶闸管又称光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信用一定波长的光照信号来代替电信号对器号来代替电信号对器件进行触发，其图形件进行触发，其图形符号如图符号如图1-17所示。所示。图图1-17光控晶闸管图形符号光控晶闸管图形符号1.5 全控型电力电子器件一、双极型器件 双极型器件是指器件内部参与导电的是电子和空穴两双极型器件是指器件内部参与导电的是电子和空穴两种载流子的半导体器件。常见的双极型器件有种载流子的半导体器件。常见的双极型器件有GTR、GTO和和SITH。1 1电力晶体管电

21、力晶体管GTR 电力晶体管也称巨型晶体管（电力晶体管也称巨型晶体管（Giant Transistor,简称简称GTR），是一种双极结型晶体管。它具有大功率、高反压，），是一种双极结型晶体管。它具有大功率、高反压，开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。2 2可关断晶闸管可关断晶闸管GTO 可关断晶闸管也称门极可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor,简称GTO），前已述及的普通晶闸管，其特点是靠门极正信号触发之后，撤掉触发信号亦能维持通态。欲使之关断，必须使正向电流低于维持电流IH，一般要施加以反向电压强迫其关断。图1-22

22、GTO的图形符号 可关断晶闸管的主要特点为，既可用门极正向触发信号可关断晶闸管的主要特点为，既可用门极正向触发信号使其触发导通，又可向门极加负向触发信号使晶闸管关断。使其触发导通，又可向门极加负向触发信号使晶闸管关断。可关断晶闸管与普通晶闸管一样也是可关断晶闸管与普通晶闸管一样也是PNPN四层三端器件，四层三端器件，其结构示意图及等效电路和普通晶闸管相同。其结构示意图及等效电路和普通晶闸管相同。当要关断当要关断GTO时，给门极加上负电压，晶体管时，给门极加上负电压，晶体管P1 1N N1 1P P2 2的集的集电极电流电极电流IC1C1被抽出来，形成门极负电流被抽出来，形成门极负电流-IG G

23、。由于。由于IC1C1的抽走使的抽走使N1 1P P2 2N N2 2晶体管的基极电流减小，进而使其集电极电流晶体管的基极电流减小，进而使其集电极电流IC2C2减小，减小，于是引起于是引起IC1C1的进一步下降，形成一个正反馈过程，最后导致的进一步下降，形成一个正反馈过程，最后导致GTO阳极电流的关断。图阳极电流的关断。图1-23是是GTO的关断过程等效原理图。的关断过程等效原理图。图图1-23 GTO的关断过程等效电路的关断过程等效电路3.3.静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（Static Induction Thyristor,简称简称SITH）是由日本人

24、于是由日本人于1972年研制成功的一种新型双极型电力半年研制成功的一种新型双极型电力半导体器件。导体器件。（a）内部结构）内部结构 （b）图形符号）图形符号图图1-25 SITH的内部结构和图形符号的内部结构和图形符号二单极型器件二单极型器件 单极型器件是指器件内只有一种载流子即多数载流子参单极型器件是指器件内只有一种载流子即多数载流子参与导电的半导体器件。常见的全控单极型器件有功率场效应与导电的半导体器件。常见的全控单极型器件有功率场效应晶体管和静电感应晶体管两种器件。晶体管和静电感应晶体管两种器件。1 1功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（Power MOSFET）功率场效应晶体管，也称电

25、力场效应晶体管。同小功率场功率场效应晶体管，也称电力场效应晶体管。同小功率场效应晶体管一样，也分结型和绝缘栅型两种类型，只不过通常效应晶体管一样，也分结型和绝缘栅型两种类型，只不过通常的功率场效应晶体管主要指绝缘栅型的的功率场效应晶体管主要指绝缘栅型的MOS型。而把结型功率型。而把结型功率场效应晶体管称作静电感应晶体管。场效应晶体管称作静电感应晶体管。功率场效应晶体管是一种单极型的电压控制器件，因此它有功率场效应晶体管是一种单极型的电压控制器件，因此它有驱动电路简单、驱动功率小、无二次击穿问题、安全工作区宽驱动电路简单、驱动功率小、无二次击穿问题、安全工作区宽以及开关速度快、工作频率高等显著特

26、点。在开关电源、小功以及开关速度快、工作频率高等显著特点。在开关电源、小功率变频调速等电力电子设备中具有其他电力电子器件所不能取率变频调速等电力电子设备中具有其他电力电子器件所不能取代的地位。代的地位。图图1-22为功率场效应晶体管的内部结构示意图和电气图形符号。为功率场效应晶体管的内部结构示意图和电气图形符号。a a）内部结构）内部结构 （b）图形符号）图形符号图图1-22 功率功率MOSFET的内部结构和图形符号的内部结构和图形符号2 2静电感应晶体管静电感应晶体管SIT 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor,简称简称SIT）是在普通结

27、型场效应晶体管基础上发展起来的单极型是在普通结型场效应晶体管基础上发展起来的单极型电压控制器件，它有源、栅、漏三个电极。其结构可分为平电压控制器件，它有源、栅、漏三个电极。其结构可分为平面栅型、埋栅型和准平面型三大类。面栅型、埋栅型和准平面型三大类。SIT SIT在栅极不加信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，在栅极不加信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，即是正常导通型。所以栅极驱动电路应做到先加负栅偏压，即是正常导通型。所以栅极驱动电路应做到先加负栅偏压，后主电路再施加漏极电压。其结构和电气图形符号如图后主电路再施加漏极电压。其结构和电气图形符号如图1-23所示。所示。（a）内部结构）内部结构

28、 （b）图形符号）图形符号 图图1-29 SIT的内部结构和图形符号的内部结构和图形符号三复合型器件三复合型器件1 1绝缘栅极双极型绝缘栅极双极型晶体管晶体管（IGBT）绝缘栅极双极晶体管（绝缘栅极双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,简称简称IGBT）综合了）综合了GTR和和MOSFET的的优点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、优点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单、驱动电流小等优点，又具有通态压驱动电路简单、驱动电流小等优点，又具有通态压降小、耐压高及承受电流大等优点，是发展最快而降小、耐压高及承受电流大等优点，是发展最快而

29、且很有前途的一种复合器件。且很有前途的一种复合器件。IGBTIGBT的结构示意图如图的结构示意图如图1-24所示。所示。从结构图可以看出，从结构图可以看出，IGBT相当于一个由相当于一个由MOSFET驱驱动的厚基区动的厚基区GTR，其简化等效电路如图，其简化等效电路如图1-25（a）简化等效电路）简化等效电路 （b）图形符号）图形符号图图1-31 IGBT的简化等效电路和图形符号的简化等效电路和图形符号图图1-26是是IGBT的静态特性曲线的静态特性曲线（a）转移特性）转移特性 （b）输出特性）输出特性图图1-32 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性2 2MOS控制晶闸管控制晶闸

30、管MCT（a）P-MCT （b）N-MCT (c)图形符号图形符号图图1-34 MCT的等效电路和图形符号的等效电路和图形符号3集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT 集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（integrated gate-commutated thyristor）是）是20世纪世纪90年代出现的新型器件，他结合了年代出现的新型器件，他结合了IGBT和和GTO的优点。它在的优点。它在GTO的阴极串联一组的阴极串联一组N沟道沟道MOSFET，在们极上串联一组，在们极上串联一组P沟道沟道MOSFET，当，当GTO需需要关断时门极要关断时门极P沟道沟道MOSFET先开通，主要电

31、流从阴极向门先开通，主要电流从阴极向门极换流，紧接着阴极极换流，紧接着阴极N沟道沟道MOSFET关断，全部主电流都通关断，全部主电流都通过门极流出，然后门极过门极流出，然后门极P沟道沟道MOSFET关断使关断使IGCT全部关全部关断。断。IGCT的容量可以与的容量可以与GTO相当，开关速度在相当，开关速度在10kHz左右，左右，并且可以省去并且可以省去GTO需要的复杂缓冲电路，不过目前需要的复杂缓冲电路，不过目前IGCT的的驱动功率仍很大，驱动功率仍很大，IGCT在高压直流输电（在高压直流输电（HVDC）、静止）、静止式无功补偿（式无功补偿（SVG）等装置中将有应用前途。）等装置中将有应用前途

32、。4集成功率模块集成功率模块 电力电子器件的模块化是器件发展的趋势，早期的模块电力电子器件的模块化是器件发展的趋势，早期的模块化仅是将多个电力电子器件封装在一个模块里，例如整流二化仅是将多个电力电子器件封装在一个模块里，例如整流二极管模块和晶闸管模块是为了缩小装置的体积给用户提供方极管模块和晶闸管模块是为了缩小装置的体积给用户提供方便（图便（图2.1）。随着电力电子高频化进程，）。随着电力电子高频化进程，GTR、IGBT等电等电路的模块化就减少了寄生电感，增强了使用的可靠性。现在路的模块化就减少了寄生电感，增强了使用的可靠性。现在模块化在经历标准模块、智能模块（模块化在经历标准模块、智能模块（

33、intelligent power module.IPM M）到被称为是）到被称为是“all in one”的用户专用功率模块的用户专用功率模块（ASPM）的发展，力求将变流电路所有硬件（包括检测、）的发展，力求将变流电路所有硬件（包括检测、诊断、保护、驱动等功能）尽量以芯片形式封装在模块中，诊断、保护、驱动等功能）尽量以芯片形式封装在模块中，使之不再有额外的连线，可以大大使之不再有额外的连线，可以大大 降低成本，减轻重量，缩降低成本，减轻重量，缩小体积，并增加可靠性。小体积，并增加可靠性。1.6 半导体功率器件的选择在设计电力电子换流器时，尤其重要的是考虑电力半导体在设计电力电子换流器时，尤

34、其重要的是考虑电力半导体器件的可靠性及其特性。怎样选择器件取决于应用的领域。器件的可靠性及其特性。怎样选择器件取决于应用的领域。一些器件的特性及其对选择过程的影响有如下几点。一些器件的特性及其对选择过程的影响有如下几点。1）通态压降或导通电阻决定了该器件的传导损失。）通态压降或导通电阻决定了该器件的传导损失。2）开关时间决定了每次转换的能量损失和开关频率能达）开关时间决定了每次转换的能量损失和开关频率能达到多高。到多高。3）器件的额定电压、额定电流决定了该器件的能量控制）器件的额定电压、额定电流决定了该器件的能量控制能力。能力。4）控制电路所需的能量决定了控制该器件的难易程度。）控制电路所需的

35、能量决定了控制该器件的难易程度。5）该器件导通阻抗的温度系数决定了它们并联使用的难）该器件导通阻抗的温度系数决定了它们并联使用的难易程度。易程度。6）器件的成本也是选择时要考虑的因素。）器件的成本也是选择时要考虑的因素。从系统的角度来设计换流器时，必须考虑电流和电压从系统的角度来设计换流器时，必须考虑电流和电压的需要。另一个要考虑的重要因素是可接受的能量效率、的需要。另一个要考虑的重要因素是可接受的能量效率、最小的开关频率以及减小滤波器和设备的尺寸、成本等。最小的开关频率以及减小滤波器和设备的尺寸、成本等。因此，器件的选择必须确保器件在设备中的功率承受能力因此，器件的选择必须确保器件在设备中的

36、功率承受能力和对换流器的要求之间相匹配。和对换流器的要求之间相匹配。不同应用领域时，一般的要求有如下几点：不同应用领域时，一般的要求有如下几点：1）因为通常希望能量效率尽可能高，通态压降相对运行）因为通常希望能量效率尽可能高，通态压降相对运行电压来说必须很小，因此在分析换流器特性时可以忽略它。电压来说必须很小，因此在分析换流器特性时可以忽略它。2）器件开关时间相对操作频率的时间必须很短，因此开）器件开关时间相对操作频率的时间必须很短，因此开关时间可被假设为瞬时的。关时间可被假设为瞬时的。3）相似的，其它器件的特性也能被理想化。）相似的，其它器件的特性也能被理想化。本章小结 电力电子技术是电子技

37、术的一个分支，是利用电力电电力电子技术是电子技术的一个分支，是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的学科（技术）。电力电子子器件对电能进行变换和控制的学科（技术）。电力电子技术主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器技术主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。和控制。图图1-28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图图1 1-36 电力半导体器件性能比较电力半导体器件性能比较第二章 电力电子器件的辅助电路LOGO第二章第二章 电力电子器件的辅助电路电力电子

38、器件的辅助电路第一节第一节 电力电子器件的驱动电路电力电子器件的驱动电路第二节第二节 电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路第三节第三节 电力电子器件的保护电路电力电子器件的保护电路第四节第四节 电力电子器件的串联与并联电力电子器件的串联与并联第五节第五节 电力电子器件的散热电力电子器件的散热本章小结本章小结LOGO2.1电力电子器件的驱动电路电力电子器件的驱动电路 电力电子器件的驱动电路是电力电子装置的重要环节，是电力电子主电路与控制电路之间的接口，对整个装置的性能有很大的影响。性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、

39、可靠性和安全性都有重要的意义。对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也常常设计在驱动电路中，通过驱动电路来实现对器件或装置的保护，这样驱动电路的设计就更加重要。驱动电路和主电路的电气隔离是很重要的，驱动电路驱动电路和主电路的电气隔离是很重要的，驱动电路的工作电压比较低，一般在几十伏以下，而主电路的工的工作电压比较低，一般在几十伏以下，而主电路的工作电压可以高达数千伏以上，如果没有隔离措施，主电作电压可以高达数千伏以上，如果没有隔离措施，主电路的高电压会直接危害驱动电路，驱动电路与主电路的路的高电压会直接危害驱动电路，驱动电路与主电路的隔离一般是采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦隔离一般是采

40、用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。如图合器，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。如图2-12-1所示。所示。2.1.2 晶闸管的门极触发电路 晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。通常晶闸管的触发电证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。通常晶闸管的触发电路还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。路还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。晶闸管触发电路应满足下列要求：晶闸管触发电路应满足下列要求：(1)触发信号通常采用脉冲信号，这样可以减小门极损耗。触发信号通常

41、采用脉冲信号，这样可以减小门极损耗。(2)触发脉冲要有足够的触发功率。触发脉冲电压、电流要在晶触发脉冲要有足够的触发功率。触发脉冲电压、电流要在晶闸管门极特性的可靠触发区域内，并留有一定的裕量。闸管门极特性的可靠触发区域内，并留有一定的裕量。(3)触发脉冲要有一定的宽度和陡度。触发脉冲宽度要保证触发触发脉冲要有一定的宽度和陡度。触发脉冲宽度要保证触发后的阳极电流能上升到擎住电流以上，一般和负载性质及主电路后的阳极电流能上升到擎住电流以上，一般和负载性质及主电路形式有关。触发脉冲前沿陡度大于形式有关。触发脉冲前沿陡度大于l0Vs或或800mAs。(4)触发电路要具有抗干扰性能、温度稳定性及与主电

42、路的电气触发电路要具有抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。隔离。理想的触发脉冲电流波形如图理想的触发脉冲电流波形如图2-2示。示。图图2-3出了常见的晶闸管触发电路。图出了常见的晶闸管触发电路。图a为采用脉冲变压器的磁隔离方为采用脉冲变压器的磁隔离方式，它由式，它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和和R3是在是在V1、V2由导通

43、变为截止时，由导通变为截止时，为脉冲变压器为脉冲变压器TM释放其储存的能量而设计的放电回路。为了获得触发脉冲释放其储存的能量而设计的放电回路。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当设置其它电路环节。图波形中的强脉冲部分，还需适当设置其它电路环节。图b为光隔离，工作原为光隔离，工作原理请读者自行分析。理请读者自行分析。2.1.3 门极可关断晶闸管（GTO）门极驱动电路 门极驱动电路包括开通电路、关断电路和反偏电路，结构示意图如图2-4所示。理想的门极驱动信号（电流、电压）波形如图2-5所示，其中实线为电流波形，虚线为电压波形。波形分析如下：图图2-4 4 门极驱动电路结构示意图门极驱动电路

44、结构示意图图图2-5 5 GTO门极驱动信号波形门极驱动信号波形 图2-6为一双电源供电的门极驱动电路。该电路由门极导通电路、门极关断电路和门极反偏电路组成，GTO的额定参数为200A、600V。该电路可用于三相GTO逆变器。图图2-6 GTO2-6 GTO门极驱动电路门极驱动电路 门极导通电路：在无导通信号时，晶体管V1未导通，电容C1被充电到电源电压，约为20V。当有导通信号时，V1导通，产生门极电流。已充电的电容C1可以加速V1的导通，从而增加门极导通电流的前沿陡度。与此同时，电容C2被充电，充电路径为+20V电源V1GTO门极GTO阴极C2电感L二极管VD-20V电源，充电电压达40V

45、。门极关断电路：当有关断信号时，晶体管V2导通，C2经GTO的阴极、门极、V2放电，形成峰值为90A、前沿陡度为20A/s、宽度大于10s的门极关断电流。门极反偏电路：电容门极反偏电路：电容C3由由-20V电源充电、稳压管电源充电、稳压管VZ箝位，箝位，其两端得到上正下负、数值为其两端得到上正下负、数值为10V的电压。当晶体管的电压。当晶体管V3导通时，导通时，此电压作为反偏电压加在此电压作为反偏电压加在GTO的门极上。的门极上。控制控制GTRGTR开通时，驱动电流前沿要陡，并有一定的过冲电流开通时，驱动电流前沿要陡，并有一定的过冲电流（I Ib1b1），以缩短开通时间，减小开通损耗。），以缩

46、短开通时间，减小开通损耗。GTRGTR导通后，应相应减小驱动电流（导通后，应相应减小驱动电流（I Ib2b2），使器件处于临界），使器件处于临界饱和状态，以降低驱动功率，缩短储存时间。饱和状态，以降低驱动功率，缩短储存时间。GTRGTR关断时，应提供足够大的反向基极电流（关断时，应提供足够大的反向基极电流（I Ib3b3），迅速抽），迅速抽取基区的剩余载流子，以缩短关断时间，减少关断损耗取基区的剩余载流子，以缩短关断时间，减少关断损耗 应能实现主电路与控制电路之间的电气隔离，以保证安全，应能实现主电路与控制电路之间的电气隔离，以保证安全，提高抗干扰能力。提高抗干扰能力。具有一定的保护功能。具有

47、一定的保护功能。2.1.4 电力晶体管基极驱动电路1.GTR对基极驱动电路的要求图图2-7 7 理想的基极驱动电流波形理想的基极驱动电流波形图图2-8 8 GTR基极驱动电路基极驱动电路2.GTR基极驱动电路实例基极驱动电路实例2.1.5 电力场效应晶体管的栅极驱动电路1.栅极驱动的特点及要求栅极驱动的特点及要求对电力MOSFET栅极驱动电路的主要要求是：触发脉冲的前后沿要陡。栅极电容充放电回路的电阻值应尽量小，以提高电力MOSFET的开关速度。触发脉冲电压幅值应高于电力MOSFET的开启电压UGS（th），以保证其可靠开通，但应小于其栅源极击穿电压U（BR）GS（通常为20V）。为了防止电力

48、MOSFET截止时误导通，应在其截止时提供负的栅源电压，该电压还应小于U（BR）GS。2.栅极驱动电路实例栅极驱动电路实例 IGBT是以GTR为主导组件、MOSFET为驱动组件的复合结构器件，因此其栅极驱动电路与功率MOSFET的栅极驱动电路有相似之处。1对IGBT栅极驱动电路的要求 IGBT的输入极为绝缘栅极，对电荷积聚很敏感，因此驱动电路必须可靠，要有一条低阻抗的放电回路，驱动电路与IGBT的连线应尽量短。要用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UGE的前后沿足够陡峭，减少IGBT的开关损耗。栅极驱动源的功率也应足够，以使IGBT的开、关可靠，并避免在开通期间因退饱和而损坏。

49、2.1.6 绝缘栅双极晶体管（IGBT）栅极驱动电路 要提供大小适当的正反向驱动电压UGE。正向偏压UGE增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但若UGE过大，则负载短路时其IC随UGE的增大而增大，使IGBT能承受短路电流的时间减小，不利于其本身的安全，为此，UGE也不宜选的过大，一般选UGE为1215V。对IGBT施加负向偏压（-UGE）可防止因关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，但其值又受C、E间最大反向耐压限制，一般取-5-10V。要提供合适的开关时间。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗，但在大电感负载情况下，开关时间过短会产生很高的尖峰电压，造成元器件击穿。要有较强

50、的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。驱动电路与信号控制电路在电位上应严格隔离。EXB系列集成驱动电路分标准型和高速型两种，EXB850、EXB851为标准型，最大开关频率为10kHz；EXB840、EXB841为高速型，最大开关频率为40kHz。图2-11为EXB841的功能原理框图。2IGBT栅极驱动电路实例图图2-1111 EXB841功能原理框图功能原理框图EXB841为厚膜集成电路矩形扁片状封装，单列直插，端子功能见表为厚膜集成电路矩形扁片状封装，单列直插，端子功能见表2-1 1。表表2-1 1 EXB840/841的端子菜单的端子菜单端子端子功能功能端子端子功能功能1与用于反向偏置电