《电力电子技术》项目2-电力电子器件教学课件.ppt

1、项目项目2 电力电子器件电力电子器件任务任务2.1 电力电子器件介绍电力电子器件介绍1任务任务2.2 电力二极管电力二极管2任务任务2.3 晶闸管晶闸管3任务任务2.4 全控型器件全控型器件4任务任务2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件5任务任务2.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护61项目导读 电力电子器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力。先进的电力电子器件与计算机控制技术相结合，在各行各业发挥了重要的作用。了解各类电力电子器件的工作原理和特性，才能更好地学习和运用电力电子技术。2项目目标 v 知识目标知识目标 熟悉电力二极管、电力晶体管、普通晶闸管、逆导晶

2、闸管、光熟悉电力二极管、电力晶体管、普通晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管、门极可关断晶闸管、控晶闸管、双向晶闸管、门极可关断晶闸管、MOSFET，IGBT等电力电子器件的工作原理、特性及应用；等电力电子器件的工作原理、特性及应用；v 能力目标能力目标 1.了解电力电子器件的常用驱动电路；了解电力电子器件的常用驱动电路；2.能够对常用电力电子器件的参数进行测试。能够对常用电力电子器件的参数进行测试。3任务任务2.1 电力电子器件介绍电力电子器件介绍2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.按器件的开关控制特性可以分为以下三类：(1)不可控器件(2)半控型器件(3)全控型器件2

3、.按控制信号的性质不同可分为两类：(1)电流控制型器件(2)电压控制型器件3.按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：(1)单极型器件(2)双极型器件(3)复合型器件4任务任务2.2 电力二极管电力二极管2.2.1 电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。电力二极管的基本结构是半导体PN结，PN结具有单向导电性。5任务任务2.2 电力二极管电力二极管2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力二极管的电流与外加电压的关系曲线称为电力二极管的伏安特性。1.电力二极管的伏安电力二极管的伏安特性特性 图2.2 电力二极管的伏安特性6

4、任务任务2.2 电力二极管电力二极管电力二极管的工作状态在通态和断态之间转换时的特性称为电力二极管的开关特性。2.电力二极管的开关电力二极管的开关特性特性(a)(b)UFPu,iIFUFtfrt02VIFtFtdiFdtUFt0trrtdtft1t2diRdtIRPURPUR图2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形7任务任务2.2 电力二极管电力二极管1正向平均电流IF(AV)额定电流 指电力二极管长期运行在规定的管壳温度和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。在实际使用时，按照工作中实际波形的电流与工频正弦半波平均电流所造成的发热效应相等(即有效值相等)的原则来选取电力二极

5、管的额定电流，并应留有1.52倍的裕量。2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2反向重复峰值电压URRM额定电压 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常为其击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电力二极管实际可能承受的反向峰值电压的2倍来选取。8任务任务2.2 电力二极管电力二极管3正向压降UF 指电力二极管在规定温度下，流过某一稳定的正向电流时，管子两端的正向平均电压，又称管压降。有时其参数表中也给出在规定温度下，流过某一瞬态正向大电流时电力二极管的最大瞬时正向压降。4反向漏电流IRR 指电力二极管对应于反向重复峰值电压时的反向电流。2.2.3 电力二极管的主要参数

6、电力二极管的主要参数9任务任务2.2 电力二极管电力二极管5最高工作结温TjM 结温指管芯PN结的平均温度，用Tj表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。6浪涌电流IFSM 指电力二极管能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。该值比二极管的额定电流要大得多，实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数10任务任务2.2 电力二极管电力二极管1普通二极管 普通二极管的反向恢复时间较长，一般在5s以上，但其正向电流定额和反向电压定额却可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2快恢复二极管 反向恢复时间很短(一般

7、在5s以下)，其容量可达1200V/200A的水平。3肖特基二极管 以金属和半导体相接触形成整流特性的二极管，其反向恢复时间很短(1040ns)。在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，肖特基二极管导通压降的典型值为0.40.6V。2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型11任务任务2.3 晶闸管晶闸管 晶闸管从外形封装上来分，有小电流塑封式、小电流螺栓式、大电流螺栓式和大电流平板式。2.3.1 晶闸管的结构晶闸管的结构12任务任务2.3 晶闸管晶闸管当加上正向阳极电压时管子还不能导通，必须同时加上正向门极电压，有足够的门极电流流入后才能使晶闸管正向导通。晶闸管的导通条件可定性地归

8、纳为阳极正偏和门极正偏。2.3.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理RNPNPNPAGSKEAT1T2IGEGIc1Ic2图2.5 晶闸管等效电路13任务任务2.3 晶闸管晶闸管 晶闸管导通后，即使撤掉门极电压，也不能使晶闸管关断。门极电压只能触发晶闸管开通，不能控制它的关断。若要使晶闸管关断，必须设法使流过晶闸管的电流减小到维持电流IH以下，使其内部已建立的正反馈无法维持，晶闸管才能恢复阻断状态。2.3.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理关断晶闸管的方法有：(1)晶闸管处在正向阳极电压下，设法使流过它的电流减小到零，使其关断；(2)去掉阳极所加的正向电压，迫使流过它的电流减小到零而使其关断

9、；(3)给原来处于导通状态的晶闸管两端加反向电压，使其阳极电压突然由正向变为反向，迫使电流迅速减小到零而关断。14任务任务2.3 晶闸管晶闸管晶闸管阳极与阴极之间的电压与阳极电流的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。2.3.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 图2.6 晶闸管的伏安特性O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UBOUDSMUDRM U RRMURSMURO15任务任务2.3 晶闸管晶闸管(1)开通特性 晶闸管的开通时间 tgt=td+tr (2.3.1)td 延迟时间 tr 上升时间 延迟时间随门极电流的增大而减小。上升时间除反映晶闸管本

10、身特性外，还受到外电路电感的影响。延迟时间和上升时间还与阳极电压的大小有关。提高阳极电压可以使晶闸管内部正反馈过程加速，延迟时间和上升时间都可显著缩短。2.3.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性 160.90.1uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiAIAIAIA图2.7 晶闸管的开通和关断过程中电压、电流波形17任务任务2.3 晶闸管晶闸管(2)关断特性 晶闸管的关断时间 tq=trr+tgr (2.3.2)trr 反向阻断恢复时间 tgr 正向阻断恢复时间 在正向阻断恢复时间内，如果重新给晶闸管加正向电压，晶闸管会不经门极触发而误导通。实际

11、应用中，应给晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复对正向电压的阻断能力，才能使其可靠工作。晶闸管的关断时间与关断前阳极电流的大小、外加反向电压的大小及器件结温等因素有关。18任务任务2.3 晶闸管晶闸管(1)重复峰值电压 门极断路且结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM。在门极断路且结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压为反向重复峰值电压URRM。晶闸管的额定电压，通常选取UDRM与URRM中的最小值。实际选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量，一般应比实际正常工作时晶闸管所承受的峰值电压大23倍。2.3.4 晶闸管的主要参数及型号晶闸管

12、的主要参数及型号1晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 19任务任务2.3 晶闸管晶闸管(2)通态平均电流 在环境温度为40和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时，晶闸管所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值称为通态平均电流IT(AV)。实际使用时，应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的额定电流，一般根据实际电流最大有效值计算后还要乘以1.52的安全系数，使其有一定的裕量。20任务任务2.3 晶闸管晶闸管(3)维持电流IH 指能维持晶闸管导通所必需的最小阳极电流，一般为几十到几百毫安。IH与元件容量、结温等因素有关。结温越髙，IH则越小。(

13、4)擎住电流IL 指晶闸管从断态转为通态并撤除门极触发信号后，能维持导通所需的最小阳极电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。(5)浪涌电流ITSM 指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。浪涌电流有上下限两个级，这个参数可用来作为设计保护电路的依据。21任务任务2.3 晶闸管晶闸管(6)通态平均电压UT(AV)在规定环境温度、标准散热条件下，晶闸管通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值称为通态平均电压(又称管压降)。(7)门极触发电流IGT和门极触发电压UGT 在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使其完全导通所必需的最小门极电流称 为门极

14、触发电流。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压。(8)断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态转为通态的最大阳极电压上升率。(9)通态电流临界上升率di/dt 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。22任务任务2.3 晶闸管晶闸管2晶闸管的型号晶闸管的型号 K P -通态平均电压组别(小于100A不标)正反向重复峰值电压等级(额定电压)通态平均电流等级(额定电流)普通反向阻断型K快速型 S双向型N逆导型 G可关断型表示闸流特性图2.9 晶闸管的型号23任务任务2.3 晶闸管晶闸管 给晶闸管门极提供触发信号的电路称为晶闸管的

15、触发电路，其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。对于触发电路输出的脉冲应满足如下要求：(1)触发脉冲应有足够的功率。(2)触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压保持同步。(3)触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。(4)触发脉冲要有一定的宽度，脉冲前沿要陡。2.3.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路24任务任务2.3 晶闸管晶闸管 由脉冲放大环节(晶体管T1、T2构成)和脉冲输出环节(脉冲变压器TM及附属电路构成)两部分组成。当T1、T2导通时，脉冲变压器TM输出电压经D2输出脉冲电流，给晶闸管的门极提供触发脉冲。D1和R3是为了T1、T2由导通变为截止时TM释放其

16、储能而设的。2.3.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路TMT2+E1+E2T1R1R3R2D1D2D3R4图2.11 带隔离变压器的晶闸管触发电路25任务任务2.3 晶闸管晶闸管 当控制系统发出驱动信号到光电耦合输入端时，光电耦合输出电路中R3上的电压产生脉冲电流IG触发晶闸管SCR导通。2.3.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路26任务任务2.3 晶闸管晶闸管1.快速晶闸管快速晶闸管 允许开关频率在400Hz以上的晶闸管称为快速晶闸管，开关频率在10kHz以上的称为高频晶闸管，可应用于斩波或逆变电路中。从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s

17、左右。2.3.6 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.双向晶闸管双向晶闸管 一对普通晶闸管反向并联连接构成，有两个主电极T1、T2和一个门极G。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第一和第三象限有对称的伏安特性。双向晶闸管的额定电流是用正弦电流有效值而不是用平均值标定。27任务任务2.3 晶闸管晶闸管3.逆导晶闸管逆导晶闸管 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，有阳极A、阴极K和门极G三个电极。逆导晶闸管反向击穿电压很低，只能适用于反向仅需承受很低电压的场合。逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管和二极管的额定电流表示。2.3.6 晶闸管的派生器件晶闸管的

18、派生器件4.光控晶闸管光控晶闸管 利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子，大功率光控晶闸管的门极带有光缆，光缆上装有发光二极管或半导体激光器作为触发光源。采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响。28任务任务2.4 全控型器件全控型器件 1.GTO的结构的结构 PNPN四层半导体结构，外部引出三个电极，分别是阳极A、阴极K和门极G。GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(a)(b)(c)AGKAGK

19、GGKN2P2N2N1P1图2.16 GTO的结构和电气符号29任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.GTO的工作原理的工作原理 GTO的导通过程与普通晶闸管一样，有同样的正反馈过程，只不过GTO导通时饱和程度较浅，接近于临界饱和。关断时给GTO门极加负脉冲，即从门极抽出电流，强烈的正反馈使器件退出饱和而关断。2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管30任务任务2.4 全控型器件全控型器件 3.GTO的特性的特性 GTO的伏安特性与普通晶闸管的伏安特性相同。2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管Ot0tiGiAIA0.9 IA0.1 IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t

20、5t6图2.17 GTO的开关特性31任务任务2.4 全控型器件全控型器件 4.GTO的主要参数的主要参数（1）最大可关断阳极电流IATO 用来标称GTO额定电流的参数，不是一个固定不变的值，因条件变化而变化，如门极负脉冲电流波形、电流参数及工作条件等对它都会有一定的影响。（2）电流关断增益off最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益，它是表示GTO门极关断能力的参数。2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管32任务任务2.4 全控型器件全控型器件(3)开通时间 指延迟时间与上升时间之和，即 ton=td+tr (2.4.2)GTO的延迟时间一般为12s，上升时

21、间则随通态阳极电流值的增大而增大。(4)关断时间 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间，即 toff=ts+tf (2.4.3)GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管33任务任务2.4 全控型器件全控型器件 5.GTO的驱动电路的驱动电路2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 T导通时，由E1给门极提供正向驱动电流，使GTO导通。T关断而SCR导通时，GTO门极与阴极间流过E2提供的负电流而被关断。34任务任务2.4 全控型器件全控型器件 GTR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，同GTO一样采用

22、集成电路工艺将许多这种单元并联而成。单管的GTR结构与小功率晶体管是类似的，由三层半导体形成的两个PN结构成，分别引出基极B、集电极C和发射极E三个电极。2.4.2 电力晶体管电力晶体管1.GTR的结构和工作原理的结构和工作原理空穴流电子流(c)iBEBiC=iBiE=(1+)iBEC(a)BP基区N漂移区N+衬底BECP+P+N+(b)BEC图2.20 GTR的结构、电气符号和内部载流子的流动35任务任务2.4 全控型器件全控型器件 定义集电极电流与基极电流的比为GTR的电流放大系数，即 (2.4.4)反应了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流ICEO时，iC和i

23、B的关系为 (2.4.5)一般ICEO很小，可忽略不计。但当温度升高时，ICEO按指数规律增大，高温时就不能忽略ICEO了。2.4.2 电力晶体管电力晶体管CBiib=CBCEOiiIb=+36任务任务2.4 全控型器件全控型器件(1)GTR共射电路输出特性2.4.2 电力晶体管电力晶体管2.GTR的基本特性的基本特性截止区放大区饱和区OICIB1IB1 IB20，IC=IB饱和区：IBICS/，IC与IB之间不再呈线性关系，管压降UCES很小，类似于开关的通态。ICS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。2.4.2 电力晶体管电力晶体管38任务任务2.4 全控型器件全控型器件 GTR开通时需要

24、经过延迟时间td和上升时间tr，则开通时间 ton=td+tr 增大基极驱动电流iB的幅值，并增大diB/dt，可以缩短开通时间。关断时需要经过储存时间ts和下降时间tf，则关断时间 toff=ts+tf 减小导通时的饱和深度，或增大基极负电流IB2的幅值和负偏压，可以缩短储存时间，从而加快关断速度。2.4.2 电力晶体管电力晶体管(1)GTR的开关特性iBIB1IB2ICSiC000.9 IB10.1 IB10.9 ICS0.1 ICSt0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图2.22 GTR开关过程中电流的波形39任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.2 电力晶体

25、管电力晶体管3.GTR的主要参数的主要参数(1)最高工作电压 GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还和外电路的接法有关。BUCBO 发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压。BUCEO 基极开路时，集电极和发射极间的击穿电压。BUCER和BUCES 发射极与基极间用电阻连接或短路连接时，集电极和发射极间的击穿电压。BUCEX 发射结反向偏置时，集电极和发射极间的击穿电压。40任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.2 电力晶体管电力晶体管(2)集电极最大允许电流ICM 一般为值下降到规定值的1/21/3时所对应的集电极电流。实际使用时要留有

26、较大裕量，只能用到ICM的一半或稍多一点。(3)基极最大允许电流IBM 规定为内引线允许通过的最大电流，通常取 IBM(1/21/6)ICM(4)最高结温TjM 指GTR能正常工作的最高允许结温。结温过高时，将导致GTR热击穿而烧坏。TjM与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量等因素有关。41任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.2 电力晶体管电力晶体管(5)集电极最大耗散功率PCM 指在最髙工作温度下允许的耗散功率，主要由集电结工作电压与工作电流的乘积决定，它转化为热能使管温升高。PCM和散热条件以及工作环境温度有关，如果散热条件不好，GTR会因温度过高而迅速损坏。(6)饱和压降U

27、CES GTR工作在饱和区时集电极和发射极间的电压值。UCES随IC增加而增加；当IC不变时，UCES随管壳温度TC的增加而增加。42任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.2 电力晶体管电力晶体管4.GTR的二次击穿与安全工作区的二次击穿与安全工作区(1)二次击穿 当GTR的集电极电压升髙至前面所述的击穿电压时，集电极电流迅速增大，这时首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。发生一次击穿后，如果有外接电阻限制电流IC增大，一般不会引起GTR特性变坏。如果不限制IC的增长，继续增高外接电压UCE，当IC增大到某个临界点时，UCE会突然下降，而IC迅速增大，这种现象称为二次击穿。GTR发

28、生二次击穿必须同时具备三个条件：高电压、大电流和持续时间。43任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.2 电力晶体管电力晶体管(2)安全工作区 GTR工作时不能超过最高电压UCEM、集电极最大电流ICM和最大耗散功率PCM，也不能超过二次击穿临界线，这些限制条件就规定了 GTR 的安全工作区。44任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.2 电力晶体管电力晶体管5.GTR的驱动电路的驱动电路 GTR基极驱动电路的作用是将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。GTR的基极驱动电路应有如下功能：(1)提供合适的正反向基极电流以保证GTR可靠导通与关断。(2)对主

29、电路和控制电路实行隔离。(3)具有自动保护功能，以便在故障发生时能快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。(4)电路简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。45任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.2 电力晶体管电力晶体管D1GTRVS+10V+15VT1D2D3D4T3T2T4T5T6R1R2R3R4R5C1C2图2.24 GTR的驱动电路46任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.电力电力MOSFET的结构的结构有三个电极，分别是栅极G、源极S和漏极D。电力MOSFET也是多元集成结构，一个器件由许多个小MOSFET元组成。47任务任务2.4

30、全控型器件全控型器件 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.电力电力MOSFET的工作原理的工作原理当栅源电压UGS0时，无导电沟道形成，漏极和源极间相当于两个反向串联的二极管。当0UT时，如果此时UDS0，则会产生漏极电流ID，电力MOSFET处于导通状态，且UDS越大，ID越大。48任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管3.电力电力MOSFET的基本特性的基本特性(1)静态输出特性 在不同的UGS下，漏极电流ID与漏极电压UDS间的关系曲线族称为电力MOSFET的输出特性曲线。图2.26 电力MOSFET的输出特性和转移特性102030

31、50400(a)1020305040饱和区非饱和区截止区UGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VUDS/VID/A010203050402468(b)UTUGS/VID/A49任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止区：UGSUT，ID=0，电力MOSFET处于关断状态。饱和区：UGSUT，UDSUGS-UT，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一常数。当用作线性放大时，电力MOSFET工作在该区。非饱和区：UGSUT，UDSUGE(TH)时，IGBT导通，其输出电流IC与驱动电压UGE基本呈

32、线性关系。当UGEUGE(TH)时，IGBT关断。59任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(3)开关特性IGBT具有开关特性好，开关速度快的特点，其开关时间是同容量GTR的1/10。tttIC0O0UGEtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)tr0.9UGEM0.1UGEMUGEM0.9ICM0.1ICMICMUCEUCEM图2.32 IGBT开关过程中电压、电流的波形60任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管4.IGBT的主要参数的主要参数(1)最大集射极间电压UC

33、EM 由IGBT内部的GTR所能承受的击穿电压所决定的。与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压可以更高，可达4500V以上。(2)开启电压UGE(TH)指IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(TH)随温度升高而略有下降，温度每升高1，其值下降5mV左右。在+25时，UGE(TH)的值一般为26V。(3)最大集电极电流ICM 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP61任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(4)最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。(5)输入阻抗 IGBT的输入阻抗高，可达1091011

34、数量级，呈纯电容性，驱动功率小。(6)最高结温TjM IGBT的最高允许结温为150。(7)通态压降 指IGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。62任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管5.IGBT的擎住效应的擎住效应 IGBT是由UGE来控制IC的大小，当IC大到一定的程度时，IGBT内部的GTR处于饱和状态，栅极G失去对集电极电流IC的控制作用，这称为擎住效应或自锁效应。IGBT发生擎住效应后，IC变大，功耗也增大，最后造成器件损坏。63任务任务2.4 全控型器件全控型器

35、件 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管6.IGBT的的安全工作区安全工作区 uIGBT的安全工作区比GTR的宽，而且还具有耐脉冲电流冲击的能力。uIGBT的正偏安全工作区FBSOA根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗来确定参数极限范围。IGBT导通时间越长，发热越严重，FBSOA越小。uIGBT的反偏安全工作区RBSOA根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt可以确定参数极限范围。duCE/dt越大，RBSOA越小。64任务任务2.4 全控型器件全控型器件 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管7.IGBT的驱动电路的驱动电路 控制

36、脉冲ui经晶体管T放大后送到脉冲变压器TM，由TM耦合并经DZ1、D Z 2 稳 压 限 幅 后 驱 动IGBT。TM的一次侧并联了续流二极管D1，以防止晶体管T中可能出现的过压。由R1限制栅极驱动电流的大小，R1两端并联二极管D2可提高IGBT的开通速度。65任务任务2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.5.1 静电感应晶体管静电感应晶体管是一种结型场效应晶体管，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点。SIT是一种多子导电的单极型器件，有三个电极：栅极G、漏极D和源极S。SDGGN+NN+P+P+GDSGDSN沟道P沟道(a)(b)图2.34 S

37、IT的结构和电气符号66任务任务2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.5.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管在SIT的漏极层上增加一个P+层而形成的，SITH的三个电极为：阳极A、阴极K和栅极G。SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、电流大、损耗小等优点。图2.35 SITH的结构和电气符号KAGN+NP+P+GAK(a)(b)P+P+P+67任务任务2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.5.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管u 将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。u 一个MCT器件由数以万计的MCT 元组成，每个元包括：一个PNPN

38、晶闸管和两个MOSFET。u 主导元件是SCR，控制元件是MOSFET，通过两个MOSFET来分别控制SCR的导通和关断。uMCT的开关速度快，损耗小。68任务任务2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 20世纪90年代后期出现的新型大功率器件。IGCT 结合了IGBT与GTO的优点，其容量与GTO相当，但开关速度比GTO快10倍。IGCT能实现可靠关断、开通能力强和应用系统总的功率损耗低等，而且可以省去GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍很大。69任务任务2.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2.6.1 过

39、电压保护过电压保护 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：(1)操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压主要由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合而来。(2)雷击过电压：由雷击引起的过电压。70任务任务2.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：(1)换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，会

40、由线路电感在器件两端感应产生过电压。(2)关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应产生过电压。图2.36 过电压抑制措施SFRVRCDTDC0UMR1C1R2C2R3C3R4C4LBSDCC1271任务任务2.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2.6.1 过电压保护过电压保护72任务任务2.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2.6.1 过电压保护过电压保护73任务任务2.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2.6.2 过电流保护过电流保护过电流保护常采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等装置切断电流。74任务任务2.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2.6.3 缓冲电路缓冲电路 缓冲电路又称为吸收电路，其实质上是一种开关辅助电路，是为避免器件流过过大的电流和在其上出现过高的电压或为错开同时出现的电压电流的峰值区而设置的。其将开关损耗由器件本身转移至缓冲电路，减小器件在开关过程中产生的过电压、过电流、过热、du/dt和di/dt，以确保器件安全可靠运行。RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路L iVD iRSCSVDS图2.40 di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路75任务任务2.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2.6.3 缓冲电路缓冲电路76