第二章變頻器常用電力電子器件

2.1功率二極管（D）功率二極管的內(nèi)部是P-N或P-I-N結(jié)構(gòu)，圖示為功率二極管的電路符號和外形。

a)b)c)圖2-1功率二極管的符號和外形a)功率二極管的符號b)螺旋式二極管的外形c)平板式二極管的外形

2.伏安特性

功率二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性，其伏安特性曲線如圖所示。正向特性：當從零逐漸增大正向電壓時，開始陽極電流很小，當正向電壓大于0.5V時，正向陽極電流急劇上升，管子正向?qū)ā?/p>

反向特性：當二極管加上反向電壓時，起始段的反向漏電流也很小，而且隨著反向電壓增加，反向漏電流只略有增大，但當反向電壓增加到反向不重復峰值電壓值時，反向漏電流開始急劇增加。

2.2.2電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V電力二極管的動態(tài)過程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置■動態(tài)特性◆因為結(jié)電容的存在，電壓—電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。◆由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置

?電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(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沖。?延遲時間：td=t1-t0

電流下降時間：tf=t2-t1

反向恢復時間：trr=td+tf

恢復特性的軟度：

tf

/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時刻t1:反向電流達最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻重點

2.1.2主要參數(shù)

1.額定正向平均電流IF

在規(guī)定的環(huán)境溫度和標準散熱條件下，元件所允許長時間連續(xù)流過50Hz正弦半波的電流平均值。

2.反向重復峰值電壓URRM

在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復峰值電壓URRM。

3.正向平均電壓UF

在規(guī)定環(huán)境溫度和標準散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均電流時，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值

2.1.3功率二極管的選用

1.選擇額定正向平均電流IF

的原則

IDn=1.57IF=(1.5～2)IDM2.選擇額定電壓URRM

的原則

URRM

=（2～3）UDM

2.1.4功率二極管的分類

功率二極管一般分為三類：(1)標準或慢速恢復二極管；

(2)快速恢復二極管；

(3)自特基二極管。

2.2晶閘管（SCR）

2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖所示。

a)b)c)圖2-3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路

a)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)b)以三個PN結(jié)等效c)以互補三極管等效

晶閘管的外形及符號

a)b)c)圖2-4晶閘管的外形及符號

a)晶閘管的符號b）螺栓式外形b）帶有散熱器平板式外形

2.2.2晶閘管的導通和關(guān)斷控制晶閘管的導通控制：

在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時在它的門極和陰極間也加正向電壓形成觸發(fā)電流，即可使晶閘管導通。導通的晶閘管的關(guān)斷控制：令門極電流為零，且將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下。

2.2.3晶閘管的陽極伏安特性

晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。

圖2-5晶閘管的陽極伏安特性

2.2.4晶閘管的參數(shù)

1.正向斷態(tài)重復峰值電壓ＵDRM2.反向重復峰值電壓ＵRRM

3.通態(tài)平均電壓ＵT(AV)

4.晶閘管的額定電流ＩT(Ａv)

5.維持電流ＩH

6.擎住電流ＩL

2.2.5晶閘管的門極伏安特性及主要參數(shù)

1.門極伏安特性

門極伏安特性是指門極電壓與電流的關(guān)系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個PN結(jié)，所以電壓與電流的關(guān)系和普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特性曲線如圖2-6所示。

圖2-6

2.門極主要參數(shù)

（1）門極不觸發(fā)電壓ＵGD和門極不觸發(fā)電流ＩGD（2）門極觸發(fā)電壓ＵGT和門極觸發(fā)電流ＩGT（3）門極正向峰值電壓ＵGM、門極正向峰值電流ＩGM和門極峰值功率ＰGM

2.2.6晶閘管觸發(fā)電路

1.晶閘管對觸發(fā)電路的要求

①觸發(fā)脈沖應具有足夠的功率和一定的寬度；②觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步；③觸發(fā)脈沖的移相范圍應滿足變流裝置提出的要求。2.觸發(fā)電路的分類依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。

2.觸發(fā)電路的分類

觸發(fā)電路可按不同的方式分類，依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。

2.2.7晶閘管的保護

1.晶閘管的過電流保護

1)快速熔斷器保護(見下圖）2）過電流繼電器保護。過電流繼電器可安裝在交流側(cè)或直流側(cè)。3）限流與脈沖移相保護。

2.晶閘管過電壓保護

晶閘管過電壓產(chǎn)生的原因主要有：關(guān)斷過電壓、操作過電壓和浪涌過電壓等。對過電壓的保護方式主要是接入阻容吸收電路、硒堆或壓敏電阻等。圖2-8為交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法。硒堆或壓敏電阻的聯(lián)結(jié)方法與此相同。

交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法

圖2-8

2.3門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

2.3.1GTO的結(jié)構(gòu)

GTO的結(jié)構(gòu)也是四層三端器件

a)

b)

圖2-9GTO的結(jié)構(gòu)與符號

a)GTO的結(jié)構(gòu)剖面b)圖形符號

2.3.2GTO的主要參數(shù)1.最大可關(guān)斷陽極電流ＩＡTO

通常將最大可關(guān)斷陽極電流ＩＡTO作為GTO的額定電流。2.關(guān)斷增益βoff關(guān)斷增益βoff為最大可關(guān)斷陽極電流ＩATO與門極負電流最大值ＩGM之比，其表達式為

βoff＝ＩATO/│ＩGM│βoff比晶體管的電流放大系數(shù)β小得多，一般只有５左右。

2.3.3GTO的門極控制

GTO橋式門極驅(qū)動電路的工作原理是：當V1與V2飽和導通時，形成門極正向觸發(fā)電流，使GTO導通；當觸發(fā)VT1、VT2這兩只普通晶閘管導通時，形成較大的門極反向電流，使GTO關(guān)斷。

GTO橋式門極驅(qū)動電路

2.3.4GTO的緩沖電路

圖2-13GTO斬波器及其保護電路圖中R、L為負載，VD為續(xù)流二極管，LA是GTO導通瞬間限制di／dt的電感。RsCs和VDs組成了緩沖電路。GTO的陽極電路串聯(lián)一定數(shù)值的電感LＡ來限制di／dt。

2.4功率晶體管（GTR）2.4.1GTR的結(jié)構(gòu)a)b)c)圖2-14GTR摸塊a)GTR的結(jié)構(gòu)示意圖b)GTR摸塊的外形c)GTR摸塊的等效電路

2.4.2GTR的參數(shù)

(1)UCEO：既基極開路CE間能承受的電壓。

(2)最大電流額定值ICM：

(3)最大功耗額定值PCM

（4）開通時間ton：包括延遲時間td和上升時間tr。（5）關(guān)斷時間ｔoff：包括存儲時間ｔs和下降時間ｔf

。

2.4.3二次擊穿現(xiàn)象當集電極電壓UCE逐漸增加，到達某一數(shù)值時，如上述UCEO，IC劇增加，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。首先出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象稱為一次擊穿，這種擊穿是正常的雪崩擊穿。這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的辦法加以控制，只要適當限制晶體管的電流(或功耗)，流過結(jié)的反向電流不會太大，進入擊穿區(qū)的時間不長，一次擊穿具有可逆性，一般不會引起晶體管的特性變壞。但是，一次擊穿出現(xiàn)后若繼續(xù)增大偏壓UCE，而外接限流電阻又不變，反向電流IC將繼續(xù)增大，此時若GTR仍在工作，GTR的工作狀態(tài)將迅速出現(xiàn)大電流，并在極短的時間內(nèi)，使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點。電流急劇增長，此現(xiàn)象便稱為二次擊穿。一旦發(fā)生二次擊穿，輕者使GTR電壓降低、特性變差，重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通，使晶體管受到永久性損壞。

2.4.4GTR的驅(qū)動電路

抗飽和恒流驅(qū)動電路

圖2-16抗飽和恒流驅(qū)動電路

2.4.5GTR的緩沖電路緩沖電路也稱為吸收電路，它是指在GTR電極上附加的電路，通常由電阻、電容、電感及二極管組成，如圖2-17所示為緩沖電路之一。

圖2-17GTR的緩沖電路2.5電力場效應晶體管■分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點有：◆驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。

◆開關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

2.5電力場效應晶體管■電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理◆電力MOSFET的種類

?按導電溝道可分為P溝道和N溝道。?當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型。

?對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為增強型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。

2.5電力場效應晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

?是單極型晶體管。?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，而目前電力MOSFET大都采用了垂直導電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。?按垂直導電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用

V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET

（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號2.5電力場效應晶體管◆電力MOSFET的工作原理?截止：當漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

?導通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。

√當UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導體反型成N型半導體，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導電。

√UT稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流ID越大。

■電力MOSFET的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性√指漏極電流ID和柵源間電壓

UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。

√ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為

MOSFET的跨導Gfs，即

2.5電力場效應晶體管圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性(2-11)√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。2.5電力場效應晶體管?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性。√截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和區(qū)）三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應增加。

√工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。?本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

b)輸出特性感性負載開關(guān)模型開通過程關(guān)斷過程◆動態(tài)特性

開通過程開通過程開通延遲階段，電源通過RGATE給CGS充電；門極電壓充到VTH，進入線性區(qū)，漏極電流隨VGS線性增大到最大值，而這時VDS不變；ID不變，VGS進入Miller平臺，保持基本不變，VDS開始下降，直到0。Miller平臺結(jié)束后，VGS繼續(xù)充電到電源電壓。關(guān)斷過程關(guān)斷過程2.5電力場效應晶體管?不存在少子儲存效應，因而其關(guān)斷過程是非常迅速的。?開關(guān)時間在10~100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。

2.5電力場效應晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)◆跨導Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時間參數(shù)?！袈O電壓UDS

?標稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)?！袈O直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

?標稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿。

◆極間電容

?

CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。

2.6絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆IGBT的結(jié)構(gòu)

?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。?由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實現(xiàn)對漂移區(qū)電導率進行調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流能力。?簡化等效電路表明，IGBT

是用GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，相當于一個由

MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。

圖2-23IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

2.6.2IGBT的基本特性

1)傳輸特性2)輸出特性

2.6.3IGBT的主要參數(shù)

1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES

2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES

3)額定集電極電流IC，

4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat)

5)開關(guān)頻率

2.6.4IGBT的驅(qū)動電路

1)驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電。3)驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。4)驅(qū)動電平+UGE的選擇必須綜合考慮。5)在關(guān)斷過程中，應施加一負偏壓UGE。6)在大電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以確保IGBT的安全。

7)驅(qū)動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離。

2.7集成門極換流晶閘管（IGCT）

2.7.1IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理1.結(jié)構(gòu)

a）b）圖2-25

GTO、GCT的結(jié)構(gòu)圖圖2-26IGCT的符號a）GTO的結(jié)構(gòu)圖b）GCT的結(jié)構(gòu)圖

2.IGCT的工作原理

IGCT的導通原理與GTO完全一樣，但關(guān)斷原理與GTO完全不同，在GCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個PNP晶體管以后再關(guān)斷，所以它不受外加電壓變化率du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制外加電壓變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下GCT的等效電路可認為是一個基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯(lián)電路。

2.7.2IGCT的特點

（1）緩沖層（2）透明陽極（3）逆導技術(shù)（4）門極驅(qū)動技術(shù)

2.8智能功率模塊(1PM)

2.8.1IPM的結(jié)構(gòu)

IPM智能功率模塊內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖

2.8.2IPM的主要特點

IPM內(nèi)含驅(qū)動電路，可以按最佳的IGBT驅(qū)動條件進行設(shè)定；IPM內(nèi)含過流（OC）保護、短路（SC）保護，使檢測功耗小、靈敏、準確；IPM內(nèi)含欠電壓（UV）保護，當控制電源電壓小于規(guī)定值時進行保護；IPM內(nèi)含過熱（OH）保護，可以防止IGBT和續(xù)流二極管過熱，在IGBT內(nèi)部的絕緣基板上設(shè)有溫度檢測元件，結(jié)溫過高時即輸出報警（ALM）信號，該信號送給變頻器的單片機，使系統(tǒng)顯