1、電力半導(dǎo)體器件第1頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四電力電子器件的基本模型定義：電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的半導(dǎo)體電子器件稱(chēng)為電力電子器件（Power Electronic Device）。在對(duì)電能的變換和控制過(guò)程中，電力電子器件可以抽象成下圖所示的理想開(kāi)關(guān)模型，它有三個(gè)電極，其中A和B代表開(kāi)關(guān)的兩個(gè)主電極，K是控制開(kāi)關(guān)通斷的控制極。它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況，在通態(tài)時(shí)其電阻為零，斷態(tài)時(shí)其電阻無(wú)窮大。第2頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四電力電子器件的基本特性（1）電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。（2）電力電子器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

2、由（驅(qū)動(dòng)電路）外電路來(lái)控制。（3）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開(kāi)關(guān)損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。注：很重要，一定記住。第3頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四電力電子器件的分類(lèi)按器件的開(kāi)關(guān)控制特性可以分為以下三類(lèi)： 不可控器件：器件本身沒(méi)有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱(chēng)為不可控器件。 如：電力二極管（Power Diode）；半控型器件：通過(guò)控制信號(hào)只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱(chēng)為半控型器件。 如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等；全控

3、型器件：通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷的器件，稱(chēng)為全控型器件。 如：門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型 晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。 第4頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四電力電子器件的分類(lèi)前面已經(jīng)將電力電子器件分為不可控型、半控型和全控型。按控制信號(hào)的性質(zhì)不同又可分為兩種： 電流控制型器件： 此類(lèi)器件采用電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。如：晶閘管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等； 電壓控制半導(dǎo)體器件： 這類(lèi)器

4、件采用電壓控制（場(chǎng)控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流過(guò)控制電流信號(hào)，用小功率信號(hào)就可驅(qū)動(dòng)它工作。如：代表性器件為MOSFET管和IGBT管。第5頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率二極管 功率二極管（Power Diode）也稱(chēng)為半導(dǎo)體整流器（Semiconductor Rectifier，簡(jiǎn)稱(chēng)SR），屬不可控電力電子器件，是20世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力電子器件。在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場(chǎng)合發(fā)揮著積極的作用, 具有不可替代的地位。 基本結(jié)構(gòu)和工作、原理與信息電子電路中的二極管一樣。 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。第6頁(yè)，共96頁(yè)，2022

5、年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率二極管 a）結(jié)構(gòu) b）外形 c）電氣圖形伏安特性曲線第7頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率二極管的開(kāi)關(guān)特性 （1）關(guān)斷特性：電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)過(guò)程。 須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。 反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf（2）開(kāi)通特性： 電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過(guò)程。電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tf

6、r。第8頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率二極管的主要參數(shù) （1）額定正向平均電流IF(AV)：在指定的管殼溫（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 （2）反向重復(fù)峰值電壓RRM：指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓），此電壓通常為擊穿電壓U的2/3。（3） 正向壓降F：指規(guī)定條件下，流過(guò)穩(wěn)定的額定電流時(shí)，器件兩端的正向平均電壓(又稱(chēng)管壓降)。（4） 反向漏電流RR： 指器件對(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時(shí)的反向電流。最高工作結(jié)溫jM：指器件中結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。jM通常在125175范圍內(nèi)。第9頁(yè)，

7、共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率二極管的主要類(lèi)型 （1）普通二極管：普通二極管又稱(chēng)整流管（Rectifier Diode），多用于開(kāi)關(guān)頻率在KHZ以下的整流電路中，其反向恢復(fù)時(shí)間在us以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。 （2）快恢復(fù)二極管：反向恢復(fù)時(shí)間在us以下的稱(chēng)為快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode簡(jiǎn)稱(chēng)FDR）?？旎謴?fù)二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒以上，后者則在100ns以下，其容量可達(dá)1200V/200A的水平, 多用于高頻整流和逆變電路中。 （3）肖特基二極管：肖特基二極管是一種金屬同半導(dǎo)

8、體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為0.40.6V，而且它的反向恢復(fù)時(shí)間短，為幾十納秒。但反向耐壓在200以下。它常被用于高頻低壓開(kāi)關(guān)電路或高頻低壓整流電路中。第10頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管 晶閘管(Thyristor)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT) 、可關(guān)斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。 普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛, 在無(wú)特別說(shuō)明的情況下,本書(shū)所說(shuō)的晶閘管都為普通晶閘管。 普通晶閘管：也稱(chēng)可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier),

9、 簡(jiǎn)稱(chēng)SCR。 它電流容量大,電壓耐量高以及開(kāi)通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域, 成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。第11頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào) (a) 外形； (b) 結(jié)構(gòu)； (c) 圖形符號(hào)第12頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的工作原理 IA=Ic1+Ic2+ICO= 1 IA + 2 IK +ICO （2-1） IK=IA+IG （2-2）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICO是流過(guò)J2結(jié)

10、的反向漏電流。由以上兩式可得 （2-3）第13頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的阻斷狀態(tài)與正向轉(zhuǎn)折 阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。正向陽(yáng)極電壓uAK在一定范圍內(nèi)可視為IA=IK=IC0。 正向轉(zhuǎn)折：若增大uAK電流IC0隨之增加，導(dǎo)致1、2上升。當(dāng)（ 1+2 ）1時(shí)，IA急劇上升，晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為正向?qū)顟B(tài)，稱(chēng)為正向轉(zhuǎn)折。 晶閘管發(fā)生正向轉(zhuǎn)折后，陽(yáng)極電流IA決定于外電路參數(shù)，屬于失控狀態(tài)，應(yīng)于避免。 反向陽(yáng)極電壓uAK在一定范圍內(nèi)時(shí)，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。反向陽(yáng)極電壓超限會(huì)導(dǎo)致晶閘管反向擊穿，造成永久損壞。第14頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，1

11、7點(diǎn)43分，星期四晶閘管的門(mén)極開(kāi)通原理 晶閘管陽(yáng)極施加正向電壓時(shí), 若給門(mén)極G也加正向電壓UG,門(mén)極電流IG經(jīng)三極管V2放大后成為集電極電流IC2， IC2又是三極管V1的基極電流, 放大后的集電極電流IC1進(jìn)一步使IG增大且又作為V2的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋過(guò)程，兩個(gè)三極管V1 、 V2都快速進(jìn)入飽和狀態(tài),使晶閘管陽(yáng)極A與陰極K之間導(dǎo)通。此時(shí)若撤除UG, V1 、 V2內(nèi)部電流仍維持原來(lái)的方向,只要滿足陽(yáng)極正偏的條件,晶閘管就一直導(dǎo)通。第15頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的關(guān)斷 在晶閘管導(dǎo)通之后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋?zhàn)饔脕?lái)維持， 即使控

12、制極電流消失，晶閘管仍將處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此， 控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，導(dǎo)通之后，控制極就失去了控制作用。 要想關(guān)斷晶閘管， 最根本的方法就是必須將陽(yáng)極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，也就是將晶閘管的陽(yáng)極電流減小到小于維持電流。 可采用的方法有： 將陽(yáng)極電源斷開(kāi)； 改變晶閘管的陽(yáng)極電壓的方向， 即在陽(yáng)極和陰極間加反向電壓。第16頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四幾點(diǎn)結(jié)論（非常重要） 1.晶閘管具有單向?qū)щ姾涂煽亻_(kāi)通的開(kāi)關(guān)特性。 2.晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，應(yīng)具備兩個(gè)條件：從主電路看，晶閘管應(yīng)承受正向陽(yáng)極電壓；從控制回路看，應(yīng)有符合要求的正向門(mén)極電流

13、。 3.晶閘管導(dǎo)通后，只要具備維持導(dǎo)通的主回路條件，晶閘管就維持導(dǎo)通狀態(tài)，門(mén)極便失去控制作用，其陽(yáng)極電流由外電路決定。 4.欲使晶閘管關(guān)斷，必須從主電路采取措施，使晶閘管陽(yáng)極電流下降至維持電流之下，通常還要施加一定時(shí)間的反向陽(yáng)極電壓。第17頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的陽(yáng)極伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性IG2IG1IG第18頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通

14、。隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱(chēng)為維持電流。第19頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的反向特性晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。第20頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管

15、的動(dòng)態(tài)特性第21頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時(shí)為0.51.5s，上升時(shí)間為0.53s。第22頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向

16、電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?。?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。第23頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的電壓額定參數(shù)1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM : 門(mén)極斷開(kāi)(Ig=0), 元件處在額定結(jié)溫時(shí),正向陽(yáng)極電壓為正向阻斷不重復(fù)峰值電壓UDSM (此電壓不可連續(xù)施加)的80%所對(duì)應(yīng)的電壓(此電壓可重復(fù)施加,其重復(fù)頻率為50HZ，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms)。2）反向重復(fù)峰值電壓URRM : 元件承受反向電壓

17、時(shí),陽(yáng)極電壓為反向不重復(fù)峰值電壓URRM的80%所對(duì)應(yīng)的電壓。 3）晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓Ue通常取UDRM與URRM中的最小值, 選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。 即 Ue=（23）UM （2-7） UM為晶閘管實(shí)際承受的最大重復(fù)電壓。第24頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的電流額定參數(shù)1）維持電流：在室溫下門(mén)極斷開(kāi)時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流為維持電流H 。2）掣住電流L ：給晶閘管門(mén)極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)

18、極電流稱(chēng)掣住電流L。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，掣住電流L 要比維持電流H 大24倍。第25頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的電流額定參數(shù)3）通態(tài)平均電流額定電流ITa 在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下, 晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170的單相工頻正弦半波電路中, 當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以1.52的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。第26頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的電流額定參數(shù)4）通態(tài)平均電流額定電流ITa的計(jì)算方法 根據(jù)平均值、有效值的定義

19、對(duì)正弦半波電流有如下關(guān)系：從上兩式有：I=1.57ITa (2-10)晶閘管電流定額可按下式選擇，IVT為晶閘管實(shí)際通過(guò)電流的有效值。 （2-11）第27頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的動(dòng)態(tài)參數(shù)通態(tài)電流臨界上升率 di/dt定義：晶閘管能承受而沒(méi)有損害影響的最大通態(tài)電流上升率稱(chēng)通態(tài)電流臨界上升率 di/dt。影響：門(mén)極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開(kāi)始只在靠近門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到PN結(jié)的全部面積。如果陽(yáng)極電流上升得太快，則會(huì)導(dǎo)致門(mén)極附近的結(jié)因電流密度過(guò)大而燒毀，使晶閘管損壞。第28頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分

20、，星期四晶閘管的動(dòng)態(tài)參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt定義：把在規(guī)定條件下，不導(dǎo)致晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大陽(yáng)極電壓上升率，稱(chēng)為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。 影響：晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個(gè)電容，若突然加一正向陽(yáng)極電壓，便會(huì)有一個(gè)充電電流流過(guò)結(jié)面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的結(jié)時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，如果這個(gè)電流過(guò)大，將會(huì)使元件誤觸發(fā)導(dǎo)通。第29頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的型號(hào)第30頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的主要派生器件1. 快速晶閘管(Fast Switching ThyristorFST可允許開(kāi)關(guān)

21、頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱(chēng)為快速晶閘管(Fast Switching Thyrister，簡(jiǎn)稱(chēng)FST)，開(kāi)關(guān)頻率在10KHZ 以上的稱(chēng)為高頻晶閘管。 快速晶閘管為了提高開(kāi)關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在2000V以下。 快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時(shí)必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開(kāi)關(guān)頻率下的du/dt，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率升高時(shí)，du/dt 耐量會(huì)下降。第31頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的主要派生器件2.逆導(dǎo)晶閘管 (RCT)將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶

22、閘管具有正壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)； 根據(jù)逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；因此只能適用于反向不需承受電壓的場(chǎng)合； 逆導(dǎo)晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)； 逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示。a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性第32頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四晶閘管的主要派生器件3.雙向晶閘管(TRIAC)可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性。與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路

23、簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用多。 通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性第33頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào)與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。第34頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四可關(guān)斷晶閘管的開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)似，需經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和

24、上升時(shí)間tr。第35頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四可關(guān)斷晶閘管的關(guān)斷過(guò)程與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小下降時(shí)間tf 。殘存載流子復(fù)合尾部時(shí)間tt 。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts越短。門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間 。第36頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四可關(guān)斷晶閘管的開(kāi)關(guān)損耗GTO在通態(tài)和斷態(tài)時(shí)損耗較小，在開(kāi)通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程

25、中損耗較大。在開(kāi)通過(guò)程中，最大瞬時(shí)損耗功率出現(xiàn)在上升時(shí)間tr內(nèi)，在不超過(guò)門(mén)極平均耗散功率的前提下，提高門(mén)極電流脈沖的幅值、寬度和前沿陡度可縮短開(kāi)通時(shí)間，降低開(kāi)通損耗。在關(guān)斷過(guò)程中，出現(xiàn)兩次峰值損耗功率。一次在下降時(shí)間tf內(nèi)，一次在尾部時(shí)間tt內(nèi)。提高門(mén)極關(guān)斷電流脈沖的幅值和前沿陡度，盡可能使負(fù)電壓脈沖后沿衰減緩慢，盡量減小主電路電感，合理設(shè)置吸收電路，可降低關(guān)斷損耗。第37頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTO的主要技術(shù)參數(shù)1.斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓Udsm。使用只絕對(duì)不允許超過(guò)。2.可關(guān)斷峰值電流ITGQM。它是GTO的額定電流。3.維持電流IH。導(dǎo)通狀態(tài)下的GTO陽(yáng)極

26、電流減小至開(kāi)始出現(xiàn)部分GTO元不能再維持導(dǎo)通狀態(tài)的陽(yáng)極電流值。4.掣住電流IL。GTO經(jīng)門(mén)極觸發(fā)后，陽(yáng)極電流上升到能夠保持所有GTO元導(dǎo)通的最低值。第38頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTO的主要技術(shù)參數(shù)5.開(kāi)通時(shí)間tgt 。延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。6.關(guān)斷時(shí)間tq。一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。7.電流關(guān)斷增益off。最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益。 off一般很小，只有5左右，這是GTO的

27、一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 第39頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTO的吸收電路設(shè)置吸收（緩沖）電路的目的是： (1) 減輕GTO在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的功耗。為了降低開(kāi)通時(shí)的功耗，必須抑制GTO開(kāi)通時(shí)陽(yáng)極電流上升率。GTO關(guān)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)擠流現(xiàn)象，即局部地區(qū)因電流密度過(guò)高導(dǎo)致瞬時(shí)溫度過(guò)高， 甚至使GTO無(wú)法關(guān)斷。為此必須在管子關(guān)斷時(shí)抑制電壓上升率。 (2) 抑制靜態(tài)電壓上升率，過(guò)高的電壓上升率會(huì)使GTO因位移電流產(chǎn)生誤導(dǎo)通。下圖 為GTO的阻容吸收電路，其電路形式和工作原理與普通晶閘管電路基本相似。圖（a）只能用于小電流電路；圖（b）

28、與圖（c）是較大容量GTO電路中常見(jiàn)的緩沖器，其二極管盡量選用快速型、接線短的二極管， 這將使緩沖器阻容效果更顯著。 第40頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTO的吸收電路第41頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四電力晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)GTR與普通雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。第42頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTR的開(kāi)關(guān)特性開(kāi)通過(guò)程：延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間to

29、n。td主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通過(guò)程 。第43頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTR的開(kāi)關(guān)特性關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff 。ts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以?xún)?nèi)，比晶閘管和GT

30、O都短很多 。第44頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTR的最大額定值1.最高工作電壓 UM。GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿，擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。2.集電極最大允許電流IcM。通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。3.最高結(jié)溫TjM。一般情況下，塑封硅管的TjM為125150，金屬封硅管的TjM為150170，高可靠平面管的 TjM為175200。 4.集電極最大耗散功率PcM。最高工作溫度下允許的耗散功率。第45頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)

31、43分，星期四GTR的二次擊穿一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。第46頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTR的二次擊穿一次擊穿、二次擊穿原理二次擊穿臨界線第47頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTR的安全工作區(qū)安全工作區(qū)SOA(Safe Operation Area)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流、電壓的極限

32、范圍。按基極偏置分類(lèi)可分為正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。第48頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTR的正偏安全工作區(qū)FBSOA 正偏安全工作區(qū)又叫開(kāi)通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域。第49頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTR的反偏安全工作區(qū)RBSOA 反偏安全工作區(qū)又稱(chēng)GTR的關(guān)斷安全工作區(qū)。它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR關(guān)斷過(guò)程中電壓UCE、電流 IC 限制界線所圍成的區(qū)域 。第50

33、頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTR的保護(hù)與基流控制GTR的過(guò)電流保護(hù)只能采取快速封鎖驅(qū)動(dòng)電路的方式，快速檢測(cè)和快速響應(yīng)是影響保護(hù)性能的主要因素?；鶚O電流控制應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：1.開(kāi)通時(shí)應(yīng)保證有足夠的峰值，縮短開(kāi)通時(shí)間，降低開(kāi)通損耗。2.開(kāi)通后要維持GTR工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，避免進(jìn)入放大狀態(tài)。3.關(guān)斷時(shí)盡量提供較大的電流，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。第51頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET結(jié)構(gòu)與符號(hào)分為結(jié)型和絕緣柵型（類(lèi)似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（M

34、etal Oxide Semiconductor FET）第52頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四MOSFET的工作原理（1）截止：柵源電壓 UGS0 或 0UGSUT(UT為開(kāi)啟電壓，又叫閾值電壓)；（2）導(dǎo)通：UGSUT時(shí)，加至漏極電壓UDS0；（3）漏極電流ID ：VDMOS的漏極電流ID受控于柵壓UGS ；第53頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四MOSFET的主要參數(shù)1.漏源擊穿電壓BUDSSBUDSS決定了VDMOS的最高工作電壓，它是為了避免器件進(jìn)入雪崩區(qū)而設(shè)立的極限參數(shù)。2.最大漏極電流IDMIDM表征器件的電流容量。當(dāng)UGS=10

35、V，UDS為某一數(shù)值時(shí)，漏源間允許通過(guò)的最大電流稱(chēng)為最大漏極電流。3.柵源擊穿電壓BUGSBUGS是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過(guò)高而發(fā)生介電擊穿而設(shè)立的參數(shù)。一般BUGS =20V。4.通態(tài)電阻Ron 在確定的柵壓UGS下，VDMOS由可調(diào)電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)漏極至源極間的直流電阻稱(chēng)為通態(tài)電阻Ron 。 Ron是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。 在相同條件下，耐壓等級(jí)越高的器件其Ron值越大，另外Ron隨ID的增加而增加，隨UGS的升高而減小。第54頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四正偏安全工作區(qū)(FBSOA)：四條邊界極限：1）漏源通態(tài)電阻限制線I(由于通態(tài)電阻Ron大，

36、因此器件在低壓段工作時(shí)要受自身功耗的限制)；2）最大漏極電流限制線；3）最大功耗限制線；4）最大漏源電壓限制線；第55頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)(SSOA)開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)(SSOA)反應(yīng)VDMOS在關(guān)斷過(guò)程中的參數(shù)極限范圍；由最大峰值漏極電流IDM、最小漏源擊穿電壓BUDSS和最高結(jié)溫TJM所決定。第56頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四換向安全工作區(qū)(CSOA) 換向安全工作區(qū)(CSOA)是器件寄生二極管或集成二極管反向恢復(fù)性能所決定的極限工作范圍。在換向速度(寄生二極管反向電流變化率)一定時(shí)，CSOA由漏極正向電壓UDS

37、(即二極管反向電壓UR)和二極管的正向電流的安全運(yùn)行極限值IFM來(lái)決定。第57頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四MOSFET的特點(diǎn)1.開(kāi)關(guān)速度快，一般為10ns100ns。2.溫度穩(wěn)定性好，通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。3.輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小，因此驅(qū)動(dòng)電路也較簡(jiǎn)單。4.導(dǎo)通電阻大、通態(tài)壓降大，因此在大電流時(shí)通態(tài)損耗較大。第58頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四絕緣柵晶體管IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。兼具功率MOSFET高速開(kāi)關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性?xún)烧邇?yōu)

38、點(diǎn)的一種復(fù)合器件。結(jié)構(gòu)、等效電路、符號(hào)第59頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的工作原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻晶體管基區(qū)調(diào)制電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。第60頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的靜態(tài)特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性第61頁(yè)，共96頁(yè)

39、，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的工作原理 （1） IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線IGBT開(kāi)通：UGEUGE(TH)(開(kāi)啟電壓,一般為36V) ；其輸出電流Ic與驅(qū)動(dòng)電壓UGE基本呈線性關(guān)系； IGBT關(guān)斷：UGEUGE(TH)（2）IGBT的伏安特性（如前圖a) 反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流Ic的關(guān)系。 IGBT的伏安特性分為:截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。第62頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的動(dòng)態(tài)特性 ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2toff

40、tontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第63頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的開(kāi)通過(guò)程 與MOSFET的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行。開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10% ICM。 電流上升時(shí)間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。uCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作

41、的電壓下降過(guò)程。第64頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM 。電流下降時(shí)間iC從90%ICM下降至10%ICM 。 關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和。電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。第65頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的掣住效應(yīng) NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向

42、空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。 擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始逐漸解決。第66頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的安全工作區(qū) 正偏安全工作 區(qū)FBSOA：IGBT在開(kāi)通時(shí)為正向偏置時(shí)的安全工作區(qū)，如圖(a)所示。 反偏安全工作區(qū)RBSOA：IGBT在關(guān)斷時(shí)為反向偏置時(shí)的安全工作區(qū)，如圖(b) IGBT的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。 在使用中一般通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腢CE和柵極驅(qū)動(dòng)電阻控制 ，

43、避免IGBT因 過(guò)高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。第67頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的特點(diǎn) (1)開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。(2)相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。(3) 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。(4) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類(lèi)似。(5) 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。第68頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四MOS控制晶閘管（MCT）結(jié)構(gòu)

44、與符號(hào)MCT是在SCR結(jié)構(gòu)中集成一對(duì)MOSFET構(gòu)成的，通過(guò)MOSFET來(lái)控制SCR的導(dǎo)通和關(guān)斷。使MCT導(dǎo)通的MOSFET稱(chēng)為ON-FET，使MCT關(guān)斷的MOSFET稱(chēng)為OFF-FETMCT的元胞有兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，一種為N-MCT，另一種為P-MCT。三個(gè)電極稱(chēng)為柵極G、陽(yáng)極A和陰極K第69頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四MCT的特點(diǎn)MOSFET與晶閘管的復(fù)合 MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程。 晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)

45、通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。MCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來(lái)一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過(guò)十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。第70頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四集成門(mén)極換流晶閘管IGCT集成門(mén)極換流晶閘管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是1996年問(wèn)世的一種新型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。該器件是將門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路與門(mén)極換流晶閘管GCT集成于一個(gè)整體形成的。門(mén)極換流晶閘管GCT是基于GTO結(jié)構(gòu)的一種新

46、型電力半導(dǎo)體器件，它不僅有與GTO相同的阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開(kāi)關(guān)性能，即它是GTO與IGBT相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的結(jié)果，是一種較理想的兆瓦級(jí)、中壓開(kāi)關(guān)器件，目前單只容量可達(dá)到4500V/4000A。在實(shí)際應(yīng)用中，電壓較低時(shí)可選用IGBT，電壓較高時(shí)可選用IGCT。第71頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四集成門(mén)極換流晶閘管IGCT結(jié)構(gòu)圖的左側(cè)是GCT，右側(cè)是反并聯(lián)的二極管。第72頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四注入增強(qiáng)門(mén)極晶體管IEGT為了克服IGBT的缺點(diǎn)（正向壓降較大），日本東芝公司于1999年推出4500V注入增強(qiáng)門(mén)極晶體管

47、（IEGT），它屬于IGBT大類(lèi)，又不同于常規(guī)的IGBT。IEGT是一種兼顧GTO優(yōu)點(diǎn)與IGBT優(yōu)點(diǎn)于一體的新型特大功率半導(dǎo)體器件。它的設(shè)計(jì)思路是在IGBT的基礎(chǔ)上，使其內(nèi)部的載流子分布趨近于GTO的注入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而大大降低其正向壓降。在IEGT中，MOS柵極結(jié)構(gòu)的作用如同具有高電子注入效率的發(fā)射極，并實(shí)現(xiàn)在發(fā)射極的N型高阻基區(qū)層中存儲(chǔ)大量載流子，使IEGT獲得類(lèi)似于晶閘管的開(kāi)態(tài)特性和低的正向壓降。目前IEGT的容量可達(dá)1500A/4500V。第73頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IEGT與IGBT的I/V特性比較第74頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)4

48、3分，星期四IEGT的結(jié)構(gòu)與外形IEGT的結(jié)構(gòu)模壓封裝的IEGT外形第75頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率集成電路功率集成電路(PIC)是指將功率半導(dǎo)體器件及其驅(qū)動(dòng)電路等組合在同一個(gè)芯片或封裝中，即把更多功能的控制部分、功率部分或保護(hù)電路都組合在一個(gè)器件中。采用PIC可以提高電路的功率密度，簡(jiǎn)化安裝工藝，提高電力電子裝置性能。目前，PIC內(nèi)部使用的功率器件通常為MOSFET或IGBT。PIC自20世紀(jì)80年代問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展十分迅速，已成為電力電子技術(shù)的重要發(fā)展方向。PIC有很多品種，如智能功率模塊(intelligent Power Module簡(jiǎn)稱(chēng)IPM)、用戶(hù)

49、專(zhuān)用智能功率模塊(Application Specific IPM簡(jiǎn)稱(chēng)ASIPM)、簡(jiǎn)單PIC等。IPM就是將電力電子器件與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等組成在一個(gè)芯片或模塊內(nèi)，使裝置更趨小型化、智能化。目前，IPM中的功率器件一般由IGBT充當(dāng)，主要用于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制、家用電器等。IPM體積小、可靠性高、使用方便，得到了廣泛應(yīng)用。下面以IPM為例分析PIC的結(jié)構(gòu)、功能。第76頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率集成電路IPM內(nèi)部多采用IGBT作為功率器件。根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同，IPM內(nèi)部可集成多個(gè)IGBT單元，常用的IPM內(nèi)部封裝了一個(gè)、二個(gè)、六個(gè)或

50、七個(gè)IGBT。小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。典型的IPM功能框圖如下圖所示。IPM內(nèi)置驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，隔離接口電路需用戶(hù)自己設(shè)計(jì)。第77頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四功率集成電路IPM內(nèi)置有驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。驅(qū)動(dòng)電路與功率器件可以更好地匹配，這使得功率器件工作更可靠。保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中有一種保護(hù)電路的動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就合關(guān)斷門(mén)極電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)。(1)控制電壓欠壓保護(hù)：IPM使用單一電源供電，若供電電壓低于規(guī)定值且時(shí)間超過(guò)設(shè)定值，則發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)

51、動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。(2)過(guò)熱保護(hù)；在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)IPM溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過(guò)規(guī)定溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)熱保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。(3)過(guò)流保護(hù)：若流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)規(guī)定過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)規(guī)定值，則發(fā)生過(guò)流保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路便系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)能力。與普通的1GBT模塊相比，IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。第78頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四電力電子器件的驅(qū)動(dòng)概述驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間

52、的接口使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。第79頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四GTO的幾種驅(qū)動(dòng)電路第80頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路第81頁(yè)，共

53、96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四IGBT的一種驅(qū)動(dòng)電路第82頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期四過(guò)電壓保護(hù)措施電力電子裝置可能發(fā)生的過(guò)電壓有外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類(lèi)。外因過(guò)電壓主要由雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外部因素造成。雷擊過(guò)電壓指由雷電引起的過(guò)電壓。系統(tǒng)操作過(guò)電壓由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起。電力電子電路中通常含有變壓器、電感(包括線路等效電感)等器件。電路分間斷開(kāi)電路的過(guò)程中，因電感電流不能突變，會(huì)在變壓器、電感等元件中產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，這種電壓施加到電力電子器件上會(huì)形成操作過(guò)電壓。電路合閘瞬間，由于變壓器原、副邊分布電容的存在，高壓變壓器原邊電壓會(huì)直接傳遞到副邊，也會(huì)在電力電子器件上形成操作過(guò)電壓。內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程。(1)換相過(guò)電壓：品閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，不能立即恢復(fù)反向阻斷能力，在外部電源作用下會(huì)有較大反向電流流過(guò)二極管，使內(nèi)部載流子恢復(fù)，PN結(jié)空間電荷層由導(dǎo)通時(shí)的較薄逐漸變厚，在其恢復(fù)反向阻斷能力后，反向電流急劇減小，這時(shí)線路電感會(huì)在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。(2)關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件在高頻下工作，當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而內(nèi)線路電感在器件兩端感