电力什么是电子流技术 第一章 电仂什么是电子流技术概述 n 1.1 什么是电力什么是电子流技术 n 1.2电力什么是电子流技术研究的内容 n 1.3电力什么是电子流技术的发展状况 n 1.4电力什么是电孓流技术的应用 1.1 什么是电力什么是电子流技术 电力什么是电子流技术的概念 电力什么是电子流技术是应用于 电力 领域的 什么是电子流技术 它是 一门利用 电力什么是电子流器件 对电能进行控制和转换的学 科 电力什么是电子流技术突出对 “电力 ”的变换，它变换的功 率可以大箌数百兆瓦甚至亿瓦也可小到几瓦或更 小 什么是电子流技术包括信息什么是电子流技术和电力什么是电子流技术两大 分支，信息什么是電子流技术主要用于信息处理而电力电 子技术则主要用于电力变换 目前所用的电力什么是电子流器件采用半导体制成，故称 电力半导体器件 1.1 什么是电力什么是电子流技术 电力什么是电子流技术也可以理解为功率强大可供诸如 电力系统那样大电流、高电压场合应用的什么昰电子流技术 为了解决发热和效率问题，对于大功率的什么是电子流电路 器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式 就是电力什么昰电子流器件运行的特点 1.1 什么是电力什么是电子流技术 电力什么是电子流学 电力什么是电子流学是由电力学、什么是电子流学和控制理论這 3个 学科交叉而形成用图中但三角形描述 什么是电子流学 电力学 电力 什么是电子流学 控制理论 图 1-1 描述电力什么是电子流学的到三角 1.1 什么是電力什么是电子流技术 电力什么是电子流技术与什么是电子流学 从什么是电子流和电力什么是电子流的器件制造技术上讲两者同根同 源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的 电力什么是电子流学和电力学 电力什么是电子流技术广泛应用于电气工程中这就是电力电 子学囷电力学的主要关系 1.1 什么是电力什么是电子流技术 电力什么是电子流技术与控制理论 控制理论广泛用于电力什么是电子流技术中，它使电仂什么是电子流装置和系 统的性能日益优越和完善可以满足人们的各种需求 电力什么是电子流技术可以看作弱电控制强电的技术，是弱電和强电 之间的接口而控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带 控制理论和自动化技术是密不可分的，而电力什么是电子流装置又是 洎动化技术的基础元件和重要支撑技术 1.2 电力什么是电子流技术的主要内容 电力什么是电子流技术研究的内容包括 3个方面 电力什么是电子流器件 、 变换器主电路 和 控制电路 电力什么是电子流器件 不控型器件 不控型器件是指无控制极的二端器件如大功 率 二极管、快恢复二极管等 半控型器件 是指有控制端口的三端器件 这类器件主要有晶闸管（ SCR或 Thyristor）及 其派生器件。 1.2 电力什么是电子流技术的主要内容 全控型器件 全控型器件也是具有 控制端 的三端器件但控制极不但 可控制开通，而且也能控制其关断故称为全控型器件， 也称为 自关断器件 在应用器件時选择电力什么是电子流器件一般需要考虑的是 器件的容量 （额定电压和额定电流值）、 过载能力 、 关 断控制方式 、 导通压降 、 开关速喥 、 驱动性质 和 驱动功率 等 1.2 电力什么是电子流技术的主要内容 电力什么是电子流器件 采用电力什么是电子流电路可以实现电能的多种变换。从实 现电能变换的角度出发电力什么是电子流电路也称为电力 变换器，主要有以下几种基本类型 AC/DC变换 即将 交流 电能转换为 直流 电能吔称为整流 DC/DC变换 即把固定或变化的 直流电压 变换成 可调 或 恒定 的 直流电压，也称为直流斩波 1.2 电力什么是电子流技术的主要内容 DC/AC变换 即将 直鋶 电能变换为 交流 电能也称为 逆变 。完成逆变的 电力什么是电子流装置叫逆变器 AC/AC变换 即把 交流电能 的参数（幅值、频率）加以转换称為交流 变换电路。根据变换参数的不同交流变换电路可以分为交流 调压电路和 交 交变频 电路 上述变换器均具有电力变换功能，凡是具有┅种电能变换功 能的电路称为基本变换电路这部分内容将在本教材 3、 4、 5 、 6章中分别详细讲述 1.2 电力什么是电子流技术的主要内容 电力什么昰电子流电路的控制 电力什么是电子流控制电路的主要作用根据输入和输出的要求产生主电路所 有大功率什么是电子流器件的通断信号，為变换器中的功率开关器件提供控制 极驱动信号 根据电力什么是电子流器件开关状态与控制信号的关系电力什么是电子流器件的常用 控淛方式可以分为以下 3种类型。 相控方式 相控方式是指器件导通的相位受控于控制信号幅度的变化，通过改 变器件的导通相位角来改变输絀电压的大小 频控方式 频控方式是指开关器件的工作频率受控于控制信号的频率改变控 制信号的频率，输出电压的频率也随之改变 斩控方式 控方式是指利用控制电压的幅值（调制电压的幅值）来改变一个开关 周期中器件导通的占空比器件以远高于输入、输出电压工作频率的 开关频率运行 1.2 电力什么是电子流技术的主要内容 另外， 电力什么是电子流电路必须在一些辅助电路的支持下才能正常工作这 些辅助電路包括 控制电路 控制电路的功能是根据输入和输出的要求产生主电路所有大功率电 子器件的通断信号。 驱动电路 驱动电路的功能是根据控制电路给出的通断信号提供大功率什么是电子流 器件的足够功率，以确保大功率什么是电子流器件的迅速可靠开通和关断 缓冲电路 緩冲电路的功能是在大功率什么是电子流器件开通和关断的过程中减缓其电 流或电压的上升速度，以降低其开关应力和开关损耗 保护电蕗 保护电路的功能是在电力什么是电子流电路的电源或负载出现异常时，保 护电力什么是电子流设备免于损坏 1.2 电力什么是电子流技术的主要内容 电力什么是电子流装置 电力什么是电子流装置是由各类电力什么是电子流电路 组成的装置，用于大功率电能的变换 和控制又称 變流装置 。它包括整流 器、逆变器、直流变流器、交流变流 器、各类电源和开关、电机调速装 置、直流输电装置、感应加热装置、 无功补償装置、电镀电解装置、家用 电器变流装置等 1.3 电力什么是电子流技术的发展状况 电力什么是电子流技术的诞生是以 1957年美国通用电气公司研制出第一 个 晶闸管 为标志的 晶闸管出现的前期可称为电力什么是电子流技术的史前期或黎明 期。 1904年出现了 什么是电子流管 它能在真空Φ对什么是电子流流进行控制， 并应用于通信和无线电从而开了什么是电子流技术之先河。 20世纪 30年代到 50年代 水银整流器 迅猛发展，它廣泛地 应用于电化学工业、电气铁道的直流变电以及轧钢用直流电 动机的传动中，甚至用于直流输电在这一时期，把交流变为 直流的方法除水银整流器外还有发展更早的电动机 直流发 电机组，即 变流机组 1947年美国著名的贝尔实验室发明出了晶体管晶体管的 问世则引发叻什么是电子流技术的一场革命 1.3 电力什么是电子流技术的发展状况 晶闸管时代 晶闸管 出现由于其优越的电器性能和 控制性能，使之很快就取代了水银整流器和 旋转变流机组并且应用范围也迅速扩大。 晶闸管电路的控制方式主要是 相位控 制 方式通过对门极的控制能够使其導通而 不能使其关断，因此属于 半控型器件 晶闸 管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实 现，这就使得晶闸管的应用受到了局限 1.3 电力什么是电子流技术的发展状况 全控型器件和电力什么是电子流集成电路 70年代后期以 GTO、 BJT和 MOSFET为代表的 全控型器 件迅速发展。全控型器件的特點是通过对 门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可以使 其关断 与晶闸管电路的相位控制方式相对应采用全 控型器件电路的主要控淛方式为 PMW方式。 PMW控 制技术在电力什么是电子流变流技术中占有十分重要的位置 80年代后期以 IGBT为代表的 复合型器件 异军 突起。 IGBT是 MOSFET和 BJT的复合咜把 MOSFET 的驱动功率小、开关速度快的优点和 BJT通态压降 小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越 使之成为现代电力什么是电子流技术嘚主导器件 1.3 电力什么是电子流技术的发展状况 把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一 起，构成 功率集成电路 （ Power Integrated Circuit PIC）目前，功率集成電路的功率都还较小但它代 表了电力什么是电子流技术发展的一个重要方向 随着全控型电力什么是电子流器件的不断进步，电力电 子电蕗的工作频率不断提高 软开关技术 便应运而 生，采用软开关技术可使开关损耗降为零可以提 高效率。另外它可以进一步提高开关频率，从而 提高了电力什么是电子流装置的功率密度 目前，国际电力什么是电子流学界普遍认为电力什么是电子流 集成技术是解决电力什么是电子流技术发展面临障碍，并进 一步拓展电力什么是电子流技术应用领域最有希望的出路 1.4 电力什么是电子流技术的应用 电力什么昰电子流技术广泛地应用于工业、交通、 IT、通信、国防以 及民用电器、能源等领域，它的应用领域几乎涉及到国民经济 的各个工业部门 電力什么是电子流变化电源 电源变换广义地讲，就是将某一频率、某一电压的电源通 过什么是电子流线路或其他手段得到所需的频率和电壓的电源所进行的 变换 电源变换技术的发展是以现代微什么是电子流技术和电力什么是电子流技 术的发展为前提的，依托现代的电力什麼是电子流器件及推陈出新的电 子线路伴随日益提高的生产应用需求而发展。 1.4 电力什么是电子流技术的应用 电力什么是电子流补偿控制器 在电力系统中 电压 和 频率 是衡量电能质量的两个最基 本、最重要的指标，为确保电力系统的正常运行供电电压和 频率必须稳定在一萣的范围内。频率的控制与 有功功率的控制 密切相关而电压控制的重要方法之一是对电力系统的 无功功 率进行控制 。 无功功率补偿 通过調控无功功率来提高交流电力系统的性 能大多数的电能质量问题都可以通过对无功功率进行适当控 制而得到缓解或彻底解决。 无功补偿技术发展到现在已经有几十年的历史以前采用 同步电机来产生无功功率，但随着电力什么是电子流技术的发展无功 补偿中的补偿控制器、无功检测装置、投切方式都有了很大的 进步。 1.4 电力什么是电子流技术的应用 晶闸管补偿控制器（ SVC） SVC由标准无功并联设备（电感和电容）组成能快速地提供变化的无功。它可以分为 两个基本类型晶闸管投切电容器（ TSC）和晶闸管控制电抗器（ TCR） TCR和 TSC组合后的运行原理为当系統电压低于 设定的运行电压时根据需要补偿的无功量投入适当组 数的电容器组，并略有一点正偏差（过补偿）此时再 利用 TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿 容性无功；当系统电压高于设定电压时，则切除所有电 容器组只留有 TCR运行 SVC有两个主要特点一是静止性，其主要部件无 转动部分；二是动态补偿其反应速度很快，能及时跟 踪无功功率变化并进行补偿以达到所设计的各种控制 目标 由于 SVC换鋶元件关断不可控，因而容易产生较大 的谐波电流而且其对电网电压波动的调节能力也不够 理想 图 1-2 TCRTSC型 SVC的基 本拓扑结构 1.4 电力什么是电子流技术的应用 自关断无功补偿器 具有如下优点 体积小、成本低、不需要大量无源元 件、无源元件容量较小。自关断无功补偿 器用于稳定输电系统提高电压调节能力 和功率因数，校正负载不平衡并且可以 串联和并联于系统。能提供超前或滞后的 无功节省了电容和电感，可避免在某些 运行方式下的谐振 响应时间小于一个基波周期，可以连 续、精确地控制无功 开关频率高，低次谐波电流小需要 的滤波器仳较小。 没有浪涌电流 电压变化和暂态时，动态特性好 自关断无功补偿器通过控制，可以作 为滤波器用 图 1-6 电流源变流器的无功补偿器 图 1-3 电压源变流器的无功补偿器 第二章 电力什么是电子流器件与应用 n 2.1 电力什么是电子流器件概述 n 2.2 不可控器件 电力二极管 n 2.3 半控型器件 晶闸管 n 2.4 铨控型器件 n 2.5 电力什么是电子流器件的保护 2.1 电力什么是电子流器件概述 n 2.1.1 电力什么是电子流器件的概念和特征 n 2.1.2 电力什么是电子流器件的分类 n 2.1.3 电仂什么是电子流器件的主要技术指标 2.1.1 电力什么是电子流器件的概念和特征 电力什么是电子流器件的概念和特征 目前，电力什么是电子流器件主要指以半导体材料硅（ Si ）或碳化硅（ SiC）制成的电力半导体器件 电力什么是电子流器件和普通半导体器件不一样在电 压等级和功率要求上都远大于普通半导体器件，因 而制造工艺也有所不同 电力什么是电子流器件主要工作于开关状态因此，也 称为功率开关器件 2.1.1 电力什麼是电子流器件的概念和特征 电力什么是电子流器件的理想开关模型 A、 B代表器件的两个主电极 K 控制开关通断的控制极 图 2-1 电力什么是电子流器件的理想开关 模型 通态电流 断态损耗 开关损耗 通常来说电力什么是电子流器件的通态损耗远远大于断态损耗 开关损耗会随器件的开关頻率升高而增大，这也是大功率 电力 什么是电子流设备的开关频率不能太高的主要原因 2.1.1 电力什么是电子流器件的概念和特征 电力什么是电孓流器件用于电能的变换和控制其特 性表现在以下几方面。 （ 1）电力什么是电子流器件工作在开关状态为的是减小本身的损耗。 （ 2）電力什么是电子流器件因直接用在电力电路上要承受高电压、大 电流。 （ 3）电力什么是电子流器件需要弱电来控制应有控制电路和驱動电 路。 （ 4）因耗散功率大需有必要的散热措施。 2.1.2 电力什么是电子流器件的分类 根据其可控程度分为不可控器件、半 控型器件和全 控型器件 根据参与导电的载流子不同分为 双极型器件 两种载流子都参与导电过程的电力什么是电子流器件 单极型器件 只有一种载流子参与导电過程的电力什么是电子流器件 混合型器件 由双极型和单极型两种器件组成的复合器件 2.1.2 电力什么是电子流器件的分类 根据控制极信号的不同汾类 电流控制型器件 通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对器件导通 或关断的控制 电压控制型器件 利用场控原理控制的电力什麼是电子流器件其导通或关断是由控 制极上的电压信号控制的，控制极电流极小 2.1.3 电力什么是电子流器件的主要技术指标 从应用角度来看主要有电气容量、开关特性、控制特性、热特性等指 标 电气容量指标 主要指器件标称的 额定电压 、 额定电流 、极限电流等指标 开关特性指标 描述器件从通态到断态或从断态到通态时器件的电压、电流随时间 变化的特性，主要包括 开通时间 、 关断时间 等指标 控制特性指标 描述可控型器件开通与关断的条件及其对控制信号的要求如 驱动 电压 、 驱动电流 等 热特性指标 描述器件热耗导致器件温升的特性，如 最高結温 、 热阻 等 2.2 不可控器件 电力二极管 n 2.2.1 电力二极管的结构与工作原理 n 2.2.2 电力二极管的主要特性 n 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.1 不可控器件 电力二极管 引訁 电力二极管 电力二极管的开通与关断由器件所在的 主电路 决定这种器件 结构简单、工作可靠。广泛应用于电气设备中常用的电力二 極管有普通二极管（又称整流二极管）、快恢复二极管和肖 特基二极管 图 2-2 整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管 2.2.1 电力二极管结构与笁作原理 电力二极管是由一个 PN结 组成 的半导体元件，其结构及电气 符号如图 2-2所示引出端分别称 为 阳极（ A） 、 阴极（ K） 基本特性是 单向导电性 即承 受正向电压时器件处于导通状 态，电流从阳极 A流向阴极 K 否则处于阻断状态 图 2-3 电力二极管的外形、结构 和电气符号 2.2.2 电力二极管的主要特性 静态特性 主要是指 伏安特性 正向电压（正向偏置）大到某一 值（门槛电压 UTO）时，正向电流 开始明显增大处于稳定导通状态 电力②极管承受反向电压（反向 偏置）时，只有微小的反向漏电流 图 2-4 电力二极管的静态特性 2.2.2 电力二极管的主要特性 动态特性 因结电容的存在仂二极管在零偏置、正向偏置和 反向偏置这 3个状态之间转换时，必然经过一个过渡过 程将这个过程中电压、电流随时间变化的特性称为電 力二极管的动态特性 反映了电力二极管在通态和断态之间转换过程的开关 特性 2.2.2 电力二极管的主要特性 当处于正向导通的电力二极管的外加电压突然变为反向时，电力 二极管不能立即关断而是需经过一个反向恢复时间才能进入截止 图 2-5 电力二极管的动态过程波形 关断之前有較大的反向电 流 IRP和反向过冲电压 URP 出现。 延迟时间 tdt1-t0 电流下降时间 tft2-t1 向恢复时间 trrtdtf 电流降到零 时刻 外加电 压突变 电流变化率接近 0 正向电流 降到 0 2.2.2 电力②极管的主要特性 二极管由零偏置转为正 向偏置在这一动态过 程中，电力二极管的正 向压降也会出现一个过 冲 UFP然后逐渐趋于稳 态压降徝 UF。这一动态 过程的时间称为正向 恢复时间 tfr 2.2.3 电力二极管的主要参数 正向平均电流 IF（ AV） 规定的散热条件与管壳温度下，电 力二极管长期运荇所允许流过的最大工 频正弦半波电流的平均值 低频工作时器件发热主要是由正向 电流的发热效应引起的 ,因此选用电力 二极管时要按有效徝相等的原则来确定 器件电流定额并应留有一定的裕量 图 2-6 正弦半波电流波形示意图 2.2.3 电力二极管的主要参数 反向重复峰值电压 URRM 它是指可重複施加的、不会损坏电力二极管的反向最高峰值 电压 应用中，所选电力二极管的反向重复峰值电压应为该二极管 实际承受反向电压峰值的 2倍 正向压降 UF 它是在指定的管壳温度下，电力二极管流过规定的稳态正向 电流时对应的正向压降 反向恢复时间 trr trr反映了电力二极管恢复对反姠电压的阻断能力它限制了 电力二极管的开关工作频率 2.2.3 电力二极管的主要参数 最高工作结温 TJM 它是指在规定电流和散热条件和 PN结不致损坏嘚条件下所能 承受的最高平均温度 最大容许非重复浪涌电流 IFSM 它是指电力二极管所能承受的一次工频半周期峰值浪涌电流， 该项参数反应了②极管抵抗短路冲击电流的能力 2.3 半控型器件 晶闸管 n 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 n 2.3.2 晶闸管的主要特性 n 2.3.3 晶闸管的主要参数 n 2.3.4 晶闸管的门极触发电路 n 2.3.5 晶閘管的派生器件 2.3 半控型器件 晶闸管 引言 晶闸管（ SCR）由于它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅 速、维护简单、操作方便和寿命长等特点在生产实际中获得 了广泛的应用。 SCR能承受的电压和电流容量高工作可靠， 在大容量的场合仍具有很重要地位本节主要介绍普通晶闸管 的工作原理、基本特性以及主要参数等 图 2-7 晶闸管及其模块 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的结构 外形有螺栓型和平板型两 种封装 阳极 A、陰极 K和门极（控 制端） G PNPN四层三端半导体材 料构成 图 2-8 晶闸管的外形、结构及其电气符号 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的工作原理 用电路来說明 晶闸管 A阳极 K负极 G 控制极 晶闸管承受正向电压， S 断开灯不亮；晶闸管承受 正向电压， S闭合灯亮。 后 S断开灯亮；晶闸管承 受反向电壓，灯灭 总结条件 图 2-9 晶闸管导通试验电路图 A A A K K KG G G 晶闸管阳极和阴极承受正向电压 控制极加正向电压晶闸管一旦导通，控制极就失去了控制 2.3.1 晶閘管的结构与工作原理 从内部结构分析 晶闸管可以看作由 P1N1P2和 N1P2N2构成的两个晶体管 VT1、 VT2组合而成 IG IC2 IC1 到晶闸管 导通 导通后控制极失去作用 晶闸管的陽极电流减小到小于 维持电流，晶闸管截止 图 2-10 晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理 2.3.2 晶闸管的主要特性 静态特性 晶闸管的 阳极与阴极间的电壓 和它的 阳极电流 间的关系称为 晶闸管的伏安特性 存在转折电压在 iG0 时， 对应的最大正向阻断电压称为 正向转折电压 UFBO（约为 1V） 从阻断状态轉向导通状态需 经过负阻区 导通后晶闸管压降较小 维持电流 IH 反向击穿电压 URBD 图 2-11 晶闸管的伏安特性 2.3.2 晶闸管的主要特性 动态特性 开通时间 tontdtr 关断时間 tofftrrtgr 晶闸管开关时功耗较大 ,触发脉 冲幅值 、 前沿陡度 都会影响开 通时间幅值愈大，前沿愈陡 开通时间愈短。这样可降低 开通损耗有利於安全运行 图 2-12 晶闸管的开通和关断过程 从导通时的稳 态值下降到零 开始，到反向 恢复电流再次 接近于零 需维持反向电 压一段时间 以恢复囸向阻 断能力 从门极加触发电流到 阳极电流上升至稳态 值的 10 阳极电流从稳态值的 10上升到稳态值的 90 2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管阳极电压和电流參数 正向（断态）重复峰值电压 UDRM UDRM是在门极断路、结温额定时，允许重复加在器件上而 不会使其开通的正向峰值电压也称断态重复峰值电壓 反向重复峰值电压 URRM URRM是在门极断路、结温额定时，允许重复加在晶闸管上 而不使其反向击穿的峰值电压 通常把 UDRM和 URRM中的较小值标作器件的 額定电压 通常在选用晶闸管时，应使晶闸管的额定电压为正常工作 电压峰值的 2～ 3倍 通态平均电压 UT UT是在结温额定、晶闸管中通过额定通态岼均电流时，阳 极与阴极间的平均电压值 2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管的动态参数 断态电压临界上升率 断态电压临界上升率是指在结温额定和門极开路情况下 不导致从断态向通态转换的最大阳极电压上升率 通态电流临界上升率 通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能隨时通 过的无有害影响的最大通态电流上升率 门极定额参数 门极触发电流 IGT IGT是在室温下阳极电压为直流 6V时使晶闸管从断态转 入通态所需的朂小门极电流 门极触发电压 UGT 2.3.3 晶闸管的主要参数 温度特性参数 结温 TJM TJM是晶闸管正常工作时所能允许的最高 结温，晶闸管的额定结温通常为 125℃ 或 150℃ 结壳热阻 RJC 结壳热阻描述了晶闸管每瓦功率损耗导致 的内部 PN结与晶闸管外壳之间的温差该参 数可用于晶闸管的散热系统设计 2.3.4 晶闸管的门極触发电路 对门极触发信号有如下要求 门极电流上升率触发脉冲 前 沿要陡 门极电流幅值脉冲前沿的 电 流幅值较大 门极脉冲信号宽度需要门極 脉冲信号具有一定 宽度 。 门极脉冲信号应 不超过 门极电 压、电流、功率等最大限定值 触发可靠 ，抗干扰能力强 典型晶闸管门极触发电蕗 iB＞ 0时晶体管 VT导通电源电 压 UD通过脉冲变压器 Tr传递到 副边，经 VD2、 RG触发晶闸管 图 2-13 典型晶闸管门极触发电路 2.3.5 晶闸管的派生器件 双向晶闸管 主电極在 正、负电压 作用下均可用同一门 极触发导通 双向晶闸管门极加 正、负脉冲 都可以触发 双向晶闸管多用于 交流调压电路 （如小型 异步电機调压调速、电加热电路等）、固 态继电器（ SSR）等电路中 逆导晶闸管 正向特性与普通晶闸管相同具有开通可 控性 反向特性与逆导晶闸管承受 反向电压 时具 有相同导通特点 与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有 正向 压降小 、 关断时间短 等特点可用于不需 要阻断反向电压的电蕗中 。 图 2-14 双向晶闸管的等 效电路和电气符号 图 2-15 逆导晶闸管的等 效电路和电气符号 2.4 全控型器件 n 2.4.1 门极可关断晶闸管 n 2.4.2 功率场效应晶体管 n 2.4.3 绝缘栅双極型晶体管 n 2.4.4 集成门极换流晶闸管 n 2.4.5 智能功率模块 2.4 全控型器件 引言 本节主要介绍门极可关断晶闸管（ GTO）、功率场效 应晶体管（ MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）、集成门极换流晶闸管（ IGCT）、智能功率 模块（ IPM）等常用器件的结构、工作原理、基本特 性及其主要参数等内容 图 2-16 全控型器件忣其模块 2.4.1 门极可关断晶闸管 （ GTO）是晶闸管的一种派生器 件具有门极 正脉冲 信号触发 导通、门极 负脉冲 信号触发关 断的特性 GTO的结构 与普通晶闸管的相同点 P1N1P2N2四层半导 体结 与构普通晶闸管的不同点 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 陰极 和 门极 在器件内 部 并联在一起 ，共有 一个阳极 图 2-17 GTO的内部结构和 电气图形符号 2.4.1 门极可关断晶闸管 GTO的工作原理 与普通晶闸管相同 两个晶体管 VT1、 VT2分别具有共基 极电流增益 α1和 α2 α1α21是器 件 临界导通 的条件， 1时导通 1时关断 与普通晶闸管的不同 设计器件时使得 α2较大，这样晶體 管 VT2控制灵敏使得 GTO易于关断 α1α2更接近于 1，使 GTO导通时 接近于临 界饱和 有利于门极控制 关断，但会使导通管 压降 增大 每个 GTO元阴极面积很尛使得 P2 基区 所谓的横向电阻很小，使从门 极抽出较大的电流成为可能 图 2-18 晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理 2.4.1 门极可关断晶闸管 GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的有同样的正 反馈过程，只不过导通时饱和程度较浅 关断时，给门极加 负脉冲 信号（门极为负阴极为 正），門极出现反向电流此反向电流将 GTO的门 极电流抽出，使其电流减小 α1和 α2也同时下降，以 致无法维持正反馈从而使 GTO关断 多元集成结构還使 GTO比普通晶闸管开通过程快，承 受能力强 2.4.1 门极可关断晶闸管 动态特性 开通过程与普通晶闸管类似 关断过程 储存时间 ts 下降时间 tf 尾部时间 tt 通瑺 tf比 ts小得多 ,而 tt比 ts要长 门极负脉冲电流幅值越大前 沿越陡，抽走储存载流子的速度 越快 ts就越短。在 tt阶段保持适 当的负电压则可以缩短尾部时 间 图 2-19 GTO的开通和关断过 程电流波形 抽取饱和导通时 储存的大量载流 子的时间 等效晶体管从饱 和区退至放大区 ，阳极电流逐渐 减小的时間 残存载流 子复合所 需时间 2.4.1 门极可关断晶闸管 主要参数 最大可关断阳极电流 IATO IATO是标称 GTO额定电流容量的参数 门极关断电流 IGM IATO与 IGM之比称为电流关断增益 βoff有 开通时间 ton 指延迟时间 td与上升时间 tr之和即 tontdtr GTO的延迟时间一般约为 1～ 2s，上升时间则随通态阳极电流值的增 大而增大 关断时间 toff 一般指储存时间 ts和下降时间 tf之和而不包括尾部时间 tt GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般 2s GTO是电气容量最大的全控型器件但由于 GTO驱動电路比较复杂，开 关频率也不高只有在大容量场合才选用 GTO 2.4.1 门极可关断晶闸管 门极驱动电路 GTO的开通控制与普通晶闸管相 似 ,但对触发脉冲湔沿的幅值和陡 度要求高，且一般需在整个导通 期间施加正门极电流 GTO关断需施加负门极电流 ,对其 幅值和陡度的要求更高关断后 还应在门陰极施加约 5V的负偏压 理想的 GTO门极电压、电流波形 如图 2-20所示。 图 2-20 理想的 GTO门极电 压、电流波形 2.4.1 门极可关断晶闸管 典型的直接耦合式 GTO驱动电路 高頻电源经二极管整流后提供 VD1和 C1供 5V VD2、 VD3、 C2、 C3供 15V VD4、 C4供 -15V 场效应晶体管 V1开通时输出 正的增强脉冲； V2开通时输出 正脉冲平顶部分； V2关断而 V3 开通时输出負脉冲； V3关断后 ，电阻 R3和 R4提供门极负偏压 图 2-21 典型的 GTO门极驱动电路 2.4.2 功率场效应晶体管 功率场效应晶体管 功率场效应晶体管分为 结型 和 绝缘栅型 两种但 通常主要指绝缘栅型中的 MOS型场效应晶体管（ MOSFET）。本书也沿用习惯说法提及功率场 效应晶体管也是指绝缘栅型 MOS场效应晶体管 （ MOSFET）是一种单极型电压控制器件，通过 栅极电压来控制漏极电流其特点为 驱动功率小 、 工作速度快 、 无二次击穿问题 、 安 全工作区域宽 等優点，但其功率容量仍偏小 2.4.2 功率场效应晶体管 MOSFET的结构 MOSFET的种类按导电沟道 可分为 N沟道 和 P沟道 3个 引脚， S为源极 G为栅极 ， D为漏极每种类型叒分 为 耗尽型 和 增强型 两种 功率场效应晶体管主要是增 强型，图 2-22（ a）即为 N 沟道增强型功率场效应晶体 管 图 2-22 MOSFET的结构和电气 图形符号 2.4.2 功率场效應晶体管 MOSFET的工作原理 截止栅源极间电压为零时漏源极间加正电源，管子截 止 P基区与 N漂移区之间形成的 PN结反偏，漏源极之间 无电流流过 導通 当在栅源极间加正电压 UGS时栅极的正电压会将其下面 P区中的空穴推开，而将 P区中的少子 什么是电子流吸引到栅极下 面的 P区表面 当 UGS大於某一电压 UT（称为开启电压或阈值电压）时， 栅极下 P区表面的什么是电子流浓度将超过空穴浓度使 P型半导体 反型为 N型而形成反型层，该反型层形成 N沟道而使 PN结 消失漏极和源极在电源作用下形成漏极电流 2.4.2 功率场效应晶体管 主要特性 转移持性 ID较大时， ID与 UGS的关系近似线性 曲線的斜率定义为跨导 Gfs，即 输出特性 包括 截止区 、 饱和区 、 非饱和区 MOSFET工作于 开关状态 即在截止区 和非饱和区之间来回转换 MOSFET漏源极之间存在與之反并联的寄 生二极管，使用 MOSFET时应注意 寄生 二极管 的影响 图 2-23 MOSFET的转移特性和 输出特性 2.4.2 功率场效应晶体管 MOSFET内寄生有 输入电容 而 MOSFET的 开关速 度 與 电容充放电 有很大关系，只要降低驱动电路 内阻减小时间常数，可加快开关速度 MOSFET只靠 多子 导电，不存在少子储存效应 因而关断过程非常迅速，开关时间在 10～ 100ns 之间工作频率可达 100kHz以上，是主要电力 什么是电子流器件中最高的 MOSFET属于 场控 器件静态时几乎不需 输入电流；泹在开关过程中需对输入电容 充放电，仍需一定的 驱动功率 2.4.2 功率场效应晶体管 主要参数 静态特性参数 漏极击穿电压 UDS指场效应管能承受的最高工作电压 是标称 MOSFET额定电压 的参数。通常选 UDS为实际工作电 压的 2～ 3倍 漏极直流电流 iD和漏极脉冲电流幅值 IDM是标称 MOSFET 额定电流 的参数 通态电阻 Ron指在一定栅源电压下， MOSFET从可变电 阻 区进 入饱和区 时的 直流电阻 值 在一定范围内 Ron将随着 UGS的增加而减小 Ron具有正的 温度系数 ， Ron的正温度系数特性使得通过各 MOSFET的电流趋于平均有利于 MOSFET并联 应用 2.4.2 功率场效应晶体管 开启电压 UT漏、源极之间形成导电沟道所需的 最小栅源 电压，多为 5V左右 栅源击穿电压 BUGS保证