电工电子应用技术 电力电子技术基础 电力电子技术基础_

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单元十三 电力电子技术基础

内容提要

本单元是在电子技术应用基础上，从工程需要的观点出发，以电力电子器件应用为分析对象，着重讨论电力电子元器件的结构工作原理、电力电子器件组成的整流电路及变频电路原理；并引入变频器的电路组成及运行原理加深电路的原理理解。

学习目标

了解电力电子电路的组成、各元件导电特性等基本知识；

理解整流电路、逆变电路、变频电路的工作过程；

掌握电力电子在变频器中的应用；

掌握分析各整流、变频电路的原理分析方法。

应用提示

电力电子技术是利用电子器件及技术实现电能变换与控制的技术，被广泛应用于工农业生产、国防、交通、能源等各个领域。随着高电压、大功率、高频自关断功率半导体器件的不断涌现和发展，功率变换技术的日臻完善，极大地推动了电力电子技术在电气工程中的应用，构成了现代电气工程及其自动化的专业技术基础。目前所使用的电力电子器件采用半导体制成，故称为电力半导体器件，包括半导体整流器、大功率晶体管、晶闸管及其派生器件、以及其它大功率半导体器件。本章介绍晶闸管的工作原理、主要参数以及某些特殊晶闸管，然后讨论这些器件在可控整流、逆变、变频、调压等方面的应用。

13.1电力电子器件

电力电子器件（power electronic device），是直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

广义上电力电子器件可分为电真空器件和晶体管器件两类。

自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力电子器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前采用的主要材料是硅晶体。

1．同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数；其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理信息的电子器件。

（2）电力电子器件一般都工作在开关状态；导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。

电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题，在作电路分析时，为简单起见往往采用理想开关来代替。

（3）使用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。

（4）为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗；阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗；在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一，通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因，器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

2．电力电子器件根据不同的开关特性可分为如下三种类型：

（1）半控型器件--通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件

（2）全控型器件--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

绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor--IGBT）

电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor--GTO）

（3）不可控器件--不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路电力二极管（Power Diode）

只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：电流驱动型和电压驱动型。

13.1.1晶闸管（SCR）

硅晶体闸流管简称晶闸管，也称为可控硅整流元件(SCR)，是由三个PN结构成的一种大功率晶体器件。在性能上，晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性，它只有导通和关断两种状态。

晶闸管的优点具有以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍;反应极快,在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪声、效率高、成本低等。因此，特别是在大功率UPS供电系统中,晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用。其缺点是过载能力、抗干扰能力差、控制电路也比较复杂。其管芯及电路符号表示如图13-1-1所示。

a） 螺栓型 b）平板型 c）符号

图13-1-1 晶闸管管芯及电路符号表示

1．基本结构

晶闸管从结构上分为螺旋式和平板式。它们具有三个电极，分别为阳极A、阴极K和控制极G。容量大的晶闸管一般采用平板式，容量小的晶闸管与大功率二极管外形相似，只是比二极管多了一个控制极。

晶闸管是PNPN四层三端器件，共有三个PN结。分析原理时，可以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图13-1-2(a)所示，图13-1-2(b)为晶闸管的电路及符号。

2．工作原理

当阳极A与阴极K间加上正向电压时，同时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，T1和T2管均处于放大状态。T2便有基流Ib2流过，经T2放大，其集电极电流Ic2=β2Ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以Ib1=Ic2，于是BG1的发射极电流Ie1=(1+β1)Ib1?β1β2Ib2。这个电流又流回到BG2的基极，形成正反馈，使Ib2不断增大，结果两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。这个导通在极短时间内完成的，一般不超过几微妙，称为触发导通过程。

由于T1和T2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以单向可控硅是不可通过改变控制极G的电压关断的。

晶闸管导通时，A与K 极间的正向压降一般约为0.6V~1.2V，当应该注意的是，如果因外电路负载电阻值的增加而使晶闸管的阳极电流IA降到某一数值时，就不能再维持正反馈过程，晶闸管不导通，呈正向阻断状态。如果导通的晶闸管A与K极间外加正向电压降至零（或切断电源），则阳极电流IA降至零，晶闸管自行阻断。

如果晶闸管加上反向电压，阳极为负，阴极为正，则此时J1 、J3结均承受反向电压，无论控制极是否加上正向触发电压，晶闸管均不导通，呈反向阻断状态。

结论：晶闸管导通条件：阳极与阴极之间加上一定大小的正向电压，同时控制极是加上合适正向触发电压，只要同时满足这两个条件，晶闸管才能导通，否则处于阻断状态。

3．伏安特性

UFRMUBO uA

UFRMUBO uA

IH IG2 > IG1 > IG=0

o a

d c

图13-1-3 晶闸管的伏安特性曲线

ΔU

UBR URRM

b

iA

IF

+ -

- +

?

在无触发信号时，如果在阳极和阴极之间加上额定的正向电压，则在晶闸管内只有很小的正向漏电流通过，它对应特性曲线的oa段，以后逐渐增大阳极电压到b点，此时晶闸管会从阻断状态突然转向导通状态。b点所对应的阳极电压称为无触发信号时的正向转折电压（或称“硬开通”电压），用UBO表示。晶闸管导通后，阳极电流IA的大小就由电路中的阳极电压UA和负载电阻来决定。

晶闸管导通后，减小阳极电流IA，并使IA< IH，晶闸管会突然从导通状态转向阻断状态。在正常导通时，阳极电流必须大于维持电流IH。

当晶闸管的控制极上加上适当大小的触发电压UG（触发电流IG）时，晶闸管的正向转折电压会大大降低，如图13-1-3中IG1、IG2所示。触发信号电流越大，晶闸管导通的正向转折电压就降的越低。

晶闸管的反向特性与二极管十分相似,加反向电压时，管中只有很小的反向漏电流通过，如图中OC段所示，这说明管子处在反向阻断状态。

4．主要参数

为了正确地选择和使用晶闸管，还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。晶闸管的主要参数有以下几项：

（1）额定正向平均电流IF

在规定的散热条件和环境温度及全导通的条件下，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值，称为正向平均电流IF，

（2）维持电流IH

在规定的环境温度和控制极断开情况下，维持晶闸管导通状态的最小电流称维持电流IH。

（3）正向重复峰值电压UFRM

在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压。按规定此电压为正向转折电压UBO的80%。

（4）反向重复峰值电压URRM

在额定结温和控制极断开时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。按规定此电压为反向转折电压UBR的80%。

（5）浪涌电流IFSM

在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大正向过载电流，此电流应不致使晶闸管的结温过高而损坏。在元件的寿命期内，浪涌的次数有一定的限制。

5．型号命名

普通型晶闸管型号可表示如下

KP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]

其中其中K代表闸流特性，P为普通型。如KP500A-1500V型号的晶闸管表示其通态平均电流（额定电流）IT（AV）为500A，正反向重复峰值电压（额定电压）UR为1500V

13.1.2功率二极管

功率二极管的内部结构是一个具有Ｐ型及Ｎ型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端晶体器件，其符号表示如图13-1-4（a）所示。

从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式图13-1-4（b），200A以上则采用平板式图13-1-4（c

（a） 符号 （b） 螺旋式 （c） 平板式

图13-1-4 大功率二极管

功率二极管的伏安特性

（a）实际特性 （b）理想特性

图13-1-5 大功率二极管的伏安特性

2．功率二极管的开通、关断特性

功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。

（1）功率二极管的开通过程

大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图13-1-6为功率二极管开通过程中的管压降uD和正向电流iD的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的功率二极管上承受的峰值电压

图13-1-6 大功率二极管的开通过程 图13-1-7 大功率二极管的关断过程

（2）功率二极管的关断过程

图13-7为功率二极管关断过程电压、电流波形。

功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。

3．功率二极管的主要参数

额定正向平均电流（额定电流）IF

指在规定＋40℃的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF的有效值为1.57IF。

反向重复峰值电压（额定电压）ＵRRM

在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第Ⅲ象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压URSM。反向不重复峰值电压值的80％称为反向重复峰值电压URRM。再将URRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。

反向漏电流IRR

对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为反向漏电流IRR。

正向平均电压UF

在规定的＋40℃环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热及损耗与UF有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。

13.1.3门极可关断（GTO）晶闸管

门极可断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor, GTO)是一种具有自断能力的晶闸管。处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后， GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流， GTO由通态转入断态。由于不需用外部电路强迫阳极电流为零而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。因此， GTO是一种比较理想的大功率开关器件。

1．结构

GTO的内部结构与普通晶闸管相同，都是一种PNPN四层三端结构的晶体器件，外部引出阳极A、门极G和阴极K。与SCR不同，GTO是一种多元胞的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起，使器件的功率可以达到相当大的数值。图13-1-8(a) (b)所示分别是各单元的阴极、门极间隔排列的图形和并联结构断面示意图。图13-1-8(c)是它的电气图形符号。

图13-1-

　　2．可关断晶闸管的工作原理

GTO的导通机理与SCR完全一样的。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样就可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断，因此在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽取饱和导通时储存的大量载流子），强烈的正反馈使器件退出饱和而关断。

3．GTO的主要参数

（1）开通时间：延迟时间与上升时间之和,延迟时间一般约1～2ms，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；

（2）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。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2ms；

（3）最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流；

（4）电流关断增益boff 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

值一般很小只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。

13.1.4电力晶体管（GTR）

1．结构

从工作原理和基本特性上看，大功率晶体管与普通晶体管并无本质上的差别，但它们在工作特性的侧重面上有较大的差别。对于普通晶体管，所被注重的特性参数为电流放大倍数、线性度、频率响应、噪声、温漂等；而对于大功率晶体管，重要参数是击穿电压、最大允许功耗、开关速度等。为了承受高压大电流、大功率晶体管不仅尺寸要随容量的增加而加大，其内部结构、外形也需作相应的变化。

普通晶体管的结构已在模拟电子技术中作过专门介绍，它是由两个PN结相间而成。图13-1-9(c)为

a）普通晶体管结构 b）GTR结构 c）符号

图13-1-9 GTR的结构与符号

2．工作特性

GTR的静态特性可分为输入特性和输出特性：

（1）输入特性

输入特性如图13-1-10a所示，它表示UCE一定时，基极电流IB与基极—发射极UBE之间的函数关系，它与二极管PN结的正向伏安特性相似。当UCE增大时，输入特性右移。一般情况下，GTR的正向偏压UBE大约为1V。

（2）输出特性

大功率晶体管运行时常采用共射极接法，共射极电路的输出特性是指集电极电流IC和集电极—发射极电压UCE的函数关系，如图13-1-10b

截止区对应于基极电流IB等于零的情况，在该区域中，GTR承受高电压，仅有很小的漏电流存在，相当于开关处于断态的情况。该区的特点是发射结和集电结均为反向偏置。

（a） 输入特性 （b） 输出特性

图13-1-10 GTR的输入、输出特性

在线性放大区中，集电极电流与基极电流呈线性关系，特性曲线近似平直。该区的特点是集电结反向偏置、发射结正向偏置。对工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避免工作于线性放大区，否则由于工作在高电压大电流下，功耗会很大。

准饱和区是指线性放大区和饱和区之间的区域，正是输出特性中明显弯曲的部分。在此区域中，随着基区电流的增加，开始出现基区宽调制效应，电流增益开始下降，集电极电流与基区电流之间不再呈线性关系，但仍保持着发射结正偏、集电极反偏。

而在饱和区中，在基极电流变化时，集电极电流却不再随之变化。此时，该区域的电流增益与导通电压均很小，相当于处于通态的开关。此区的特点是发射结和集电结均处于正向偏置状态。

3．主要参数

电压参数

（1）集电极额定电压UCEM

加在GTR上的电压如超过规定值时，会出现电压击穿现象。击穿电压与GTR本身特性及外电路的接法有关。各种不同接法时的击穿电压的关系如下

BUCBO＞BUCEX＞BUCES＞BUCER＞BUCEO

其中，BUCBO为发射极开路，集电极与基极间的反向击穿电压；BUCEX为发射极反向偏置时集电极与发射极间的击穿电压；BUCES、BUCER分别为发射极与基极间用电阻联接或短路连接时集电极和发射极间的击穿电压；BUCEO为基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。GTR的最高工作电压UCEM应比最小击穿BUCEO低，从而保证元件工作安全。

（2）饱和压降UCES

单个GTR的饱和压降一般不超过1～1.5V，UCES随集电极电流ICM的增大而增大。

电流参数

① 连续（直流）额定（集电极）电流IC

连续（直流）额定电流指只要保证结温不超过允许的最大结温、晶体管所允许连续通过的直流电流值。

②集电极额定电流（最大允许电流）ICM

集电极额定电流是取决于最高允许结温下引线、硅片等的破坏电流，超过这一额定值必将导致晶体管内部结构件的烧毁。在实际使用中可以利用热容量效应，根据占空比来增大连续电流，但不能超过峰值额定电流。

（3）基极电流最大允许值IBM

基极电流最大允许值比集电极额定电流的数值要小得多，通常IBM=（1/2~1/10）ICM，而基极—发射极间的最大电压额定值通常只有几伏。

（4）集电极最大耗散功率PCM

集电极最大耗散功率是指最高工作温度下允许的耗散功率。它受结温的限制，由集电极工作电压和电流的乘积所决定。

二次击穿现象与安全工作区

二次击穿是GTR突然损坏的主要原因之一，成为影响其安全可靠使用的一个重要因素。二次击穿现象可以用图13-1-11来说明。当集电极电压UCE增大到集射极间的击穿电压UCEO时，集电极电流iC将急剧增大，出现击穿现象，如图13-1-11a的AB段所示。这是首次出现正常性质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏GTR器件。一次击穿后如继续增大外加电压UCE，电流iC将持续增长，当达到图示的C点时仍继续让GTR工作时，由于UCE高，将产生相当大的能量，使集电结局部过热。当过热持续时间超过一定程度时，UCE会急剧下降至某一低电压值，如果没有限流措施，则将进入低电压、大电流的负阻区CD段，电流增长直至元件烧毁。这种向低电压大电流状态的跃变称为二次击穿，C点为二次击穿的临界点。所以二次击穿是在极短的时间内（纳秒至微秒级），能量在晶体处局部集中，形成热斑点，导致热电击穿的过程。

a） b）

图13-1-11 GTR的二次击穿现象

二次击穿在基极正偏（IB＞0）、反偏（IB＜0）及基极开路的零偏状态下均成立，如图13-1-11所示。把不同基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界线。由于正偏时二次击穿所需功率往往小于元件的功率容量PCM，故正偏对GTR安全造成的威胁最大。反偏工作时尽管集电极电流很小，但在电感负载下关断时将有感应电势迭加在电源电压上形成高压，也能使瞬时功率超过元件的功率容量而造成二次击穿。

为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中瞬时功率不要超过允许的功率容量PCM，这可通过规定GTR的安全工作区及采用缓冲（吸收）电路来实现。

二次击穿在基极正偏（IB＞0）、反偏（IB<0）及基极开路的零偏状态下均成立，把不同基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界线。因此，GTR在工作时不能超过最高工作电压UCEM、峰值脉冲额定（集电极）电流ICM、最大耗散功率PCM及二次击穿临界线。这些限制条件构成了GTR的安全工作区SOA（Safe Operating Area）。

安全工作区是指在输出特性曲线上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。

安全工作区在基极正向偏置时称为正向偏置安全工作区（FBSOA）,如图14-1-12a所示；安全工作区在基极反向偏置时称为反向偏置安全工作区（RBSOA），如图13-1-12b

a） FBSOA b） RBSOA

图13-1-12

13.1.5功率MOS场效应晶体管（P-MOSFET）

MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道；根据栅极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和增强型。功率场效应晶体管一般为N沟道增强型。从结构上看，功率场效应晶体管与小功率的MOS管有比较大的差别。小功率MOS管的导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。而P-MOSFET常采用垂直导电结构，称VMOSFET（Vertical MOSFET），这种结构可提高MOSFET器件的耐电压、耐电流的能力。图13-1-13给出了具有垂直导电双扩散MOS结构的VD-MOSFET

1．工作原理

如图13-1-13所示，MOSFET的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。当漏极D接正电源，源极S接负电源，栅源极间的电压为零时，P基区与N区之间的PN结反偏，漏源极之间无电流通过。如在栅源极间加一正电压UGS，则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推开，而将电子吸引到栅极下的P基区的表面，当UGS大于开启电压UT时，栅极下P基区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，成为反型层，由反型层构成的N沟道使PN结消失，漏极和源极间开始导电。UGS数值越大，

（a） 结构图 （b） 符号（N沟道） （c） 符号（P沟道）

图13-1-13 MOSFET的结构图及电路符号

（1）漏极伏安特性

漏极伏安特性也称输出特性，如图13-1-14所示，可以分为三个区：可调电阻区Ⅰ，饱和区Ⅱ，击穿区Ⅲ。在Ⅰ区内，固定栅极电压UGS，漏源电压UDS从零上升过程中，漏极电流iD首先线性增长，接近饱和区时，iD变化减缓，而后开始进入饱和。达到饱和区Ⅱ后，此后虽UDS增大，但iD维持恒定。从这个区域中的曲线可以看出，在同样的漏源电压UDS下，UGS越高，因而漏极电流iD也大。当UDS过大时，元件会出现击穿现象，进入击穿区Ⅲ。

（2）转移特性

漏极电流ID与栅源极电压UGS反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如图14-1-14所示。当ID较大时，该特性基本上为线性。曲线的斜率gｍ＝△ID/△UGS称为跨导，表示P-MOSFET栅源电压对漏极电流的控制能力。图中所示的UGS（th）为开启电压，只有UGS>UGS（th）-时才会出现导电沟道，产生栅极电流ID。

图13-1-14（a） 漏极伏安特性 图13-1-14（b） 转移特性

P-MOSFET的开关过程如图13-1-17所示，其中UP为驱动电源信号，UGS为栅极电压，iD为漏极电流。当UP信号到来时，输入电容Cin有一充电过程，使栅极电压UGS只能按指数规律上升。P-MOSFET的开通时间为ton＝td(on)＋tr。当UP信号下降为零后，栅极输入电容Ｃin上贮存的电荷将通过信号源进行放电，使栅极电压UGS按指数下降，到UP结束后的td(off)时刻，iD电流才开始减小，故td(off)称为关断延迟时间。P-MOSFET的关断时间应为toff＝td(off)＋tf。

图13-1-16 输入电容等效电路 图13-1-17 测试开关特性波形

2．主要参数与安全工作区

（1）漏源击穿电压BUDS

漏源击穿电压BUDS决定了P-MOSFET的最高工作电压，使用时应注意结温的影响。结温每升高100°C，BUDS约增加10%。

（2）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM

在器件内部温度不超过最高工作温度时，P-MOSFET允许通过的最大漏极连续电流和脉冲电流称为漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM 。当结温高时，应降低电流定额数值使用。

（3）栅源击穿电压BUGS

造成栅极之间绝缘层击穿的电压称为栅源击穿电压BUGS。栅源之间绝缘层很薄，当UGS＞20V时将发生介质击穿。

以上三项使用时应注意留有余量。

（4）开启电压UT

开启电压UT又称阈值电压，是指沟道体区表面发生强烈反型层所需的最低栅极电压。开启电压UT与结温有关，呈负温度系数，大约结温每增高45°C，开启电压UT下降10%。

（5）极间电容

P-MOSFET极间电容包括CGS、CGD、和CDS。其中，CGS为栅极电容；CGD 为漏源电容；CDS为漏源电容，是由PN结形成的。图13-16所示为P-MOSFET的极间电容等效电路。

器件生产厂家通常给出输入电容Cin、输出电容Cout和反馈电容Cf，它们与各级电容的关系表达式为

Cin=CGS+ CGD

Cout=CDS+ CGD

Cf= CGD

（6）通态电阻Ron

在确定的栅源电压UGS下，P-MOSFET由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通态电阻。

图13-1-18 P-MOSFET正向偏置安全工作区

P-MOSFET是多数载流子工作的器件，元件的通态电阻具有正的温度系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的安全工作区。P-MOSFET的正向偏置安全工作区由四条边界包围框成，如图13-1-18所示。其中Ⅰ为漏源通态电阻限制线；Ⅱ为最大漏极电流IDM限制线；Ⅲ为最大功耗限制线；Ⅳ为最大漏源电压限制线。

13.1.6绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ,IGBT）是兼具功率与MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性的一种复合器件。其导通电阻是同一耐压规格的功率MOSFET的1/10，开关时间是同容量GTR的1/10。因为它等效结构即具有GTR模式又具有MOSFET的特点，所以称为绝缘栅双极晶体管。IGBT于1982年开始研制，于1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50KHz。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。随着IGBT的生产水平进一步向高电压、大电流方向发展，可以预料它不仅在低压高频应用领域，而且在高压、大电流场合都会接近GTO的水平而获的极为广泛的应用。

　

1．IGBT结构

目前国内外IGBT的生产厂家的型号很多，很据其不同的功率大小又有不同的外形封装，它有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G，图13-1-19a为IGBT结构示意图。图13-1-19c是IGBT的电路符号。

（a） 结构示意图 （b） 等效电路 （c） 符号

图13-

2．工作原理

通常一个IGBT管是由许多元胞并联组成的，一个元胞的结构如图13-1-19a所示。由图可知，它是在VDMOS管结构的基础上再增加一个P+层，形成了一个大面积的P+N结J1和其他结J2、J3和一起构成了一个相当于由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR，简化等效电路如图13-1-19b所示。

IGBT是场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同。如果集电极C接电源正极，发射极E接电源负极，它的导通和关断由栅极电压UG来控制。

在IGBT栅极上加上正电压UG，且UG大于开启电压UG（TH）（IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压）时，等效MOSFET内（栅极下）形成导电沟道，为等效PNP型GTR提供基极电流则IGBT导通。此时，从P+ 区注入N- 区的空穴（少子）对N- 区进行电导调制，减小了N- 区的电阻，IGBT获得了低导通压降特性。这一点是与功率MOSFET的最大区别，也是IGBT可以大电流化的原因。

综上所述，IGBT是一种由栅极电压UG控制集电极电流IC的全控型器件。

3．工作特性

IGBT的静态特性主要有输出特性及转移特性，如图13-1-20所示。输出特性表达了集电极电流IC与集电极与发射极间电压UC之间的关系，分为

图13-1-20b所示是IGBT的转移特性曲线。表示了栅极电压UG对集电极电流IC的控制关系。在大部分范围内，IC

（a）输出特性 （b） 转移特性

图13-1-20 IGBT的输出特性和转移特性

IGBT的动态特性即开关特性，IGBT开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。如图13-1-21所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决定。当栅极电压UG达开启电压UG（th）后，集电极电流IC迅速增长，其中栅极电压从负偏置值增大至开启电压所需时间td（on）为开通延迟时间；集电极电流由10％额定增长至90％额定所需时间为电流上升时间tri，故总的开通时间为ton＝td（on）

IGBT的关断过程较为复杂，其中UG由正常15V降至开启电压UT所需时间为关断延迟时间td（off），自此IC开始衰减。集电极电流由90％额定值下降至10％额定所需时间为下降时间tfi＝tfi1＋tfi2，其中tfi1对应器件中MOSFET部分的关断过程，tfi2对应器件中PNP晶体管中存贮电荷的消失过程。由于经tfi1时间后MOSFET结构已关断，IGBT又未承受反压，器件内存贮电荷难以被迅速消除，所以集电极电流需较长时间下降，形成电流拖尾现象。由于此时集射极电压UCE已建立，电流的过长拖尾将形成较大功耗使结温升高。总的关断时间则为toff＝td（off）＋tfi。

图13-1-21 IGBT的开关特性

4．IGBT的主要参数

IGBT的参数是其性能的描述，应用时必须特别注意。

（1）最大集射极间电压UCEM

该参数表明IGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。与VDMOS管和GTR相比，IGBT的耐压可以做的更高，最大允许电压UCEM可达4500V以上。

（2）通态压降

通态压降是指IGBT管压降的1/10左右。在小电流段的1/2额定电流以下通态压降有负温度系数，在1/2额定电流以上通态压降具有正温度系数，因此IGBT在并联使用时具有电流自动调节能力。

（3）集电极电流最大值ICM

在IGBT管中由UGE来控制IC的大小，当IC大到一定程度时，IGBT中寄生的NPN型和PNP型晶体管处于饱和状态，栅极G失去对集电极电流IC控制作用，这称为擎住效应。IGBT发生擎住效应后，IC变大，功耗也增大，最后造成器件的损坏。为此，器件出厂时必须规定集电极电流的最大值ICM以及与此相应的栅极-发射极最大电压UGEM。应尽力避免集电极电流值超过ICM从而使IGBT产生擎住效应。另外器件在关断时电压上升率dUCE/dt太大也会产生擎住效应。

（4）最大集电极功耗PCM

最大集电极功耗是正常工作温度下允许的最大功耗。

（5）安全工作区

IGBT安全工作区比GTR的宽，而且还具有耐脉冲电流冲击的能力。

IGBT在开通时为正向偏置，其安全工作区称为正偏安全工作区FBSOA，如图图13-1

IGBT在开通时为反正向偏置，其安全工作区称为反正偏安全工作区RFBSOA，RBSOA与电压上升率dUCE/dt有关，dUCE/dt越大，RBSOA越小。在使用中一般通过选择适当的UCE和栅极驱动电阻控制dUCE/dt，避免IGBT因dUCE/dt过高而产生擎住效应。

（6）输入阻抗

IGBT的输入阻抗高，可达109~1011Ω数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与VDMOS相似。

（7）最高允许结温TPjCM

IGBT的最高允许结温为150°C。VDMOS管的通态压降随结温升高而显著增加，而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。

IGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区（FBSOA），如图13-1-22a所示。它是由避免动态擎住而确定的最大集电极电流ICM、器件内P+NP晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压UCE0、以及最大允许功耗线所框成。值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流IC与集射极间电压UCE无关，其大小由栅极电压UG决定如图13-1-22a，故可通过控制UG来控制IC，进而避免擎住效应发生，因此还可确定出与最大集电极电流ICM相应的最大栅极电压UGM这个参数。

（a） FBSOA （b） RBSOA

图13-1-22 IGBT的安全工作区

IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区（RBSOA），如13-1-22b所示。它是随着关断时的重加电压上升率dUCE/dt变化，dUCE/dt越大，越易产生动态擎住效应，安全工作区越小。一般可以通过选择适当栅极电压UG和栅极驱动电阻RG来控制dUCE/dt，避免擎住效应，扩大安全工作区。

13.1.7集成门极换流晶闸管（IGCT）

集成门极换流晶闸管（Integrated Gate –Commutated Thyristor，IGCT）于20世纪90年代开始出现。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，结合了IGBT与GTO的优点，与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性：容量与GTO相当、能实现可靠关断、存储时间短、开关速度快、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统（包括所有器件和和外围部件，如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功率损耗低等，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。

在上述这些特性中，优良的导通和关断能力是特别重要的方面，因为在实际应用中，GTO的应用条件主要是受到开关特性的局限。一个4.5KV/4KA的IGCT与一个4.5KV/4KA的GTO的硅片尺寸相当，可是它能在高于6KV的情况下不用缓冲电路加以关断，它的di/dt高达6KV/μs。IGCT之所以具有上述这些优良特性，是因为在器件结构上对GTO采取了一系列改进的措施。IGCT芯片管的基本图形和结构与常规GTO类似，但是它除了采用阳极短路型的逆导GTO结构以外，主要是采用了特殊的环状门极，其引出端安排在器件周边，特别是它的门、阴极之间的距离要比常规GTO小的多，所以在门极加以负偏压实现关断电流，这就要求包括IGCT门、阴极在内的门极驱动回路必须具有十分小的引线电感。实际上，它的门极和阴极之间的电感仅为常规GTO的1/10。

IGCT的另一个特点是有一个极低的引线电感与管饼集成在一起的门极驱动器。IGCT用多层薄板的衬板与主门极驱动电路相接。门极驱动电路则由衬板及许多并联的功率MOS管和放电电容器组成。包括IGCT及门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到GTO的1/100。.

目前，4.5KV（1.9KV/2.7KV直流链）及5.5KV（3.3KV直流链）、3000A的IGCT已研制成功。有效硅面积小、低损耗、快速开关这些优点保证了IGCT能可靠、高效率地用于300KV·A～10MV·A的电力电子装置，而不需要串联或并联。在串联时，逆变器功率可扩展到100MV·A。虽然高功率的IGCT模块具有一些优良特性，如能实现di/dt和du/dt的有源控制、有源钳位、易于实现短路电流保护和有源保护等，但因存在着导通损耗高、硅有效面积利用率低、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，限制了高功率IGCT模块在高功率低频电力电子装置中的作用。

13.1.8智能功率模块（IPM）

近十多年来，功率晶体管器件研制和开发中的一个共同趋势是模块化。功率晶体管开关模块（功率模块）是把同类的开关器件或不同类的一个或多个开关器件，按一定的电路拓扑结构连接并封装在一起的开关器件组合体。模块化可以缩小开关电路装置的体积，降低成本，提高可靠性，便于电力电子电路的设计、研制，更重要的是由于各开关器件之间的连线紧凑，减小了线路电感，在高频工作时可以简化对保护、缓冲电路的要求。

功率模块（Power Module）最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥以及它们的子电路，而同类开关器件的串、并联目的是要提高整体额定电压、电流。

如将功率晶体管器件与电力电子装置控制系统中的检测环节、驱动电路、故障保护、缓冲环节、自诊断等电路制作在同一芯片上，则构成功率集成电路（Power Integrated Circuit—PIC）。PIC中有高压集成电路（High Voltage IC—HVIC）、智能功率集成电路（Smart Power IC—SPIC）、智能功率模块（Intelligent Power Module—IPM）等，这些功率模块已得到了较为广泛的应用。

三菱电机公司在1991年推出智能功率模块（IPM）是较为先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成，其基本结构如图13-1-23所示。由于采用了能连续监测功率器件电流的具有电流传感功能的IGBT芯片，从而实现了高效的过流保护和短路保护。IPM集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步提高。目前，IPM已经在中频（<20kHz）、中功率范围内得到了应用。

图13-1-23 IPM的原理框图

IPM的特点为：采用低饱和压降、高开关速度、内设低损耗电流传感器的IGBT功率器件。采用单电源、逻辑电平输入、优化的栅极驱动。实行实时逻辑栅压控制模式，以严密的时序逻辑，对过电流、欠电压、短路、过热等故障进行监控保护。提供系统故障输出，向系统控制器提供报警信号。对输出三相故障，如桥臂直通、三相短路、对地短路故障也提供了良好的保护。

本节思考题

1．电力电子技术通常可分为哪两个分支？

2．按驱动电路信号的性质可以将电力电子器件可分为两类？晶闸管属于什么器件？

3．电力二极管的工作特性是什么？

4．电力电子器件一般工作在什么状态？

5．晶闸管的导通条件和关断条件是什么？

6．试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。

7．电力电子器件如何分类。

本节实验

SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验

13.2晶闸管可控整流电路

可控整流电路的作用是将交流电变换为电压大小可以调节的直流电，以供给直流用电设备，如直流电动机的转速控制、同步发电机的励磁调节、电镀和电解电源等，它主要利用晶闸管的单向导电性和可控性构成。

13.2.1整流电路

为满足不同的生产需要，可控整流电路有多种类型，其中最基本、应用最多的是单相半波可控整流电路和三相桥式可控整流电路。

单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少的优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。比较常用的是半控桥式整流电路，简称半控桥，其电路如图13-2-1所示。电路与单相不可控桥式整流电路相似，只是其中两个臂中的二极管被晶闸管所取代。

在变压器副边电压u的正半周（a端为正）时，T1和D2承受正向电压。这时如对晶闸管T1引入触发信号，则T1和D2导通，电流的通路为

a→T1→RL→D2→b

图13-2-1

这时T2和D1都因承受反向电压而截止。同样，在电压u的负半周时，T2和D1承受正向电压。这时，如对晶闸管T2引入触发信号，则T2和D1导通，电流的通路为： b→T2→RL→D1→a

图13-2-2

整流电路的电压与电流的波形

?这时T1和D2处于截止状态。电压与电流的波形如图13-

?

cos219.00aUU

cos

2

1

9

.

0

0

a

U

U

?

?

?

(13-2-2)

例13. 2.1有一纯电阻负载，需要可调的直流电源：电压U0=0~180V，电流I0

解：设晶闸管导通角θ为180o（控制角α=0）时，U0=180V，I0=6A。

交流电压有效值

(13-2-3)

实际上还要考虑电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了180o（一般只有160 o~170 o左右）等因素，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大10％左右，即大约为220V。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。

晶闸管所承受的最高正向电压UFM、最高反向电压URM和二极管所承受的最高反向电压都等于

(13-2-4)

流过晶闸管和二极管的平均电流是

(13-2-5)

为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通常根据下式选取晶闸管的UFRM和URRM：

UFRM≥(2-3)UFM=(2-3)×310V=(620-930)V (13-2-

URRM≥(2-3)URM=(2-3)×310V=(620-930)V (13-2-7)

根据上面计算，晶闸管可先用KP5-7型，二极管可先用2CZ5/300型。因为二极管的反向工作峰值电压一般是取反向击穿电压的一半，已有较大余量，所以选300V已足够。

13.2.2晶闸管的过电流、过电压保护

晶闸管虽然具有很多优点，但是它们承受过电压和过电流的能力很差，这是晶闸管的主要弱点，因此在各种晶闸管装置中必须采取适当的保护措施。

1．晶闸管的过电流保护

由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升而可能把PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管承受过电流能力很差，例如一个100A的晶闸管，它的过电流涌力如表13-1所列。这就是说，当100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏。由此可知，晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以，过电流保护的作用就在于当发生过电流时，在通的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。

表13-2-1晶闸管的过载时间和过载倍数的关系

过载时间

0.02s

5s

5 min

过载倍数

4

2

1.25

晶闸管过电流保护措施有下列几种：

（1）快速熔断器

普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数之下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。

图13-2-3

快速熔断器的接入方式有三种，如图13

熔断器的电流定额应该尽量接近实际工作电流的有效值，而不是按所保护的元件的电流定额（平均值）选取。

（2）过电流继电器

在输出端（直流侧）装直流过电流继电器，或在输入端（交流侧）经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的开关跳闸。这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，由于过电流继电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定时间，如果短路电流比较大，这种保护方法不很有效。

（3）过流截止保护

利用过电流的信号将晶闸管的触发脉冲移后，使晶闸管的导通角减小或者停止触发。

2．晶闸管的过电压保护

晶闸管耐过电压的能力极差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。如果正向电压超过其转折电压，则晶闸管误导通，这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流较大，也可能使元件损坏或使晶闸管的特性下降。因此必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。

引起过电压的主要原因，是因为电路中一般都接有电感元件。在切断或接通电路时，从一个元件导通转换到另一个元件导通时，以及熔断器熔断时，电路中的电压往往都会超过正常值。有时雷击也会引起过电压。

晶闸管过电压的保护措施有下列几种：

（1）阻容保护

可以利用电容来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。这是过电压保护的基本方法。阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧（输入端）、直流侧（输出端）或元件侧。

（2）硒堆保护

硒堆（硒整流片）是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，如图13-2-4

图13-2-4

13.2.3晶闸管触发电路

普通晶闸管是半控型电力电子器件，为了使晶闸管由阻断状态转入导通状态，晶闸管在承受正向阳极电压的同时，还需要在门极加上适当的触发电压。控制晶闸管导通的电路称为触发电路，触发电路常以所组成的主要元件名称进行分类，包括简单触发电路、单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触发器和计算机控制数字触发电路等。

晶闸管的触发信号可以用交流正半周的一部分，也可用直流，还可用短暂的正脉冲。为了减少门极损耗，确保触发时刻的准确性，触发信号常采用脉冲形式。晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条：

（1）触发信号要有足够的功率

为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功率。例如，KP50要求触发电压不小于3.5V，触发电流不小于100mA；KP200要求触发电压不小于4V，触发电流不小于200mA。但触发信号不许超过规定的门极最大允许峰值电压与峰值电流，以防损坏晶闸管的门极。在触发信号为脉冲形式时，只要触发功率不超过规定值，允许触发电压或触发电流的幅值在短时间内大大超过铭牌规定值。

（2）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步

为了保证电路的品质及可靠性，要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发。因此，晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持固定的相位关系，即实现同步。实现同步的办法通常是选择触发电路的同步电压，使其与晶闸管主电压之间满足一定的

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