1、第1章 電力電子器件,1.1 整流器件的應(yīng)用 1.2 晶閘管(SCR) 1.3 電力晶體管和電力場效應(yīng)晶體管 1.4 絕緣柵雙極型晶體管 1.5 其他電力電子器件 習(xí)題與思考題,1.1 整流器件的應(yīng)用,1.1.1 功率二極管的基本特性 功率二極管又稱為電力二極管，可以承受高電壓大電流且具有較大的耗散功率，是由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成的，引出的兩個電極分別稱為陽極A和陰極K。功率二極管與中小功率二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性相似。圖11所示為功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號。當(dāng)二極管處于正向電壓作用下，管子兩端正偏壓很?。s為1 V左右）時，PN結(jié)導(dǎo)通，正向管壓降（正向平均電壓UF，約

2、為0.451 V左右）很??；反之，若二極管處于反向電壓作用下（應(yīng)小于擊穿電壓），PN反向，二極管處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的可忽略的漏電流流過。 由于二極管的導(dǎo)通速度和反向恢復(fù)時間相對于電力電路的暫態(tài)變化過程快得多， 因此，可以把二極管看成是理想開關(guān)。,圖11 功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號,功率二極管主要參數(shù)的選擇原則與普通二極管有所不同。 在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件允許長時間連續(xù)流過50 Hz正弦半波的電流平均值，將此電流值取規(guī)定系列的電流等級，作為元件的額定正向平均電流IF，簡稱額定電流。其有效值應(yīng)大于管子在工作中可能流過的最大電流有效值IDM?？紤]到元件的過載能力較小，因此選擇時一

3、般選擇1.52倍的安全裕量，即按照,（1-1）,取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。,在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM，將URRM值取規(guī)定的電壓等級作為該元件的額定電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM 的選擇原則應(yīng)為管子所工作的電路中可能承受到的最大反向瞬時值電壓UDM 23倍，即,（1-2）,取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。,1. 整流二極管 整流二極管的特點是通態(tài)正向壓降很低，反向阻斷電壓和工作電流可以高達(dá)幾千伏和幾千安，但反向恢復(fù)時間較長。 整流二極管多用于開關(guān)頻率不高的場合，一般開關(guān)頻率在1 kHz以下使用。 2. 快速恢復(fù)二極管 快速恢復(fù)二極管的特點是恢復(fù)時

4、間短，尤其是反向恢復(fù)時間短，一般在5 s以內(nèi)，多用于與可控開關(guān)配合的高頻電路中。,3. 肖特基二極管 肖特基二極管是以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管，其反向恢復(fù)時間更短，一般為幾十ns。它適用于較低輸出電壓和要求較低正向管壓降（典型值為0.3 V）的換流電路中。,1.1.2 二極管的基本應(yīng)用 1 續(xù)流 如圖12(a)所示，為防止在開關(guān)器件S切斷電感電路時， 電感產(chǎn)生的反向電勢與電源疊加很大而對開關(guān)器件造成損壞， 特接入二極管，給電感電流提供一個繼續(xù)流動的回路，以保證開關(guān)管S在關(guān)斷時其兩端電壓不超過電源電壓US，從而有效地避免因電感關(guān)斷而在開關(guān)器件兩端出現(xiàn)的高壓。,2限幅 如圖1-2（

5、b）所示，當(dāng)輸入信號US變化范圍很大時，利用二極管可以使信號電壓的幅值限制在某個范圍之內(nèi)。設(shè)二極管的閾值電壓為Uth，當(dāng)US Uth時二極管導(dǎo)通，二極管被限制為正向?qū)妷?。硅管的?dǎo)通電壓為0.7V，鍺管的導(dǎo)通電壓為0.3V。通過把幾個二極管串聯(lián)起來就可以得到不同的限副值。,3鉗位 如圖1-2（c）所示，當(dāng)負(fù)載RL改變時，只要二極管處于正偏導(dǎo)通時，則輸出電壓將UO等于電源電壓Us和二極管UF的壓降之和，與負(fù)載RL無關(guān)。即被鉗位到。當(dāng)二極管反偏截止，將隨RL的改變而改變，鉗位電路失去作用。 4穩(wěn)壓 穩(wěn)壓管的正常工作區(qū)是在反向擊穿區(qū)，當(dāng)二極管被反向擊穿后，反向端電壓基本不變。如圖1-2（d）所示，

6、當(dāng)電源電壓改變時，通過穩(wěn)壓二極管的反向電流改變，使串聯(lián)電阻R上的壓降改變，而使負(fù)載電壓UO基本不變。,圖12 二極管的續(xù)流、限幅、鉗位、穩(wěn)壓應(yīng)用 (a) 續(xù)流； (b) 限幅； (c) 鉗位； (d) 穩(wěn)壓,圖1-3 半波整流電路,圖1-4 半波整流電路波形圖,圖1-5所示為二極管所組成的橋式整流電路，通常有三種畫法。在u2正半周時，VD1、VD2導(dǎo)通，VD3、VD4截止，而在u2負(fù)半周時，VD1、VD2截止，VD3、VD4導(dǎo)通，電路各處電流、電壓波形如圖1-6所示。由波形可知，其輸出電壓為，流過二極管的電流為,二極管承受的最大反向電壓仍為變壓器二次電壓的峰值，即,圖15 單相橋式整流電路,圖

7、16 橋式整流電路波形圖,6 倍壓整流電路 半波整流電路或橋式整流電路無法得到高壓直流電源，而采用倍壓整流電路則可以獲得。它是利用二極管的整流和導(dǎo)引作用，把較低的直流電壓分別存于多個電容器上，然后把它們按照相同的極性串聯(lián)起來，從而得到較高的直流電壓。如圖1-7所示為二倍壓整流電路。當(dāng)u2正半周時，VD1導(dǎo)通，VD2截止，u2向C1充電，充電至，極性如圖中所示。當(dāng)u2為負(fù)半周時，VD2導(dǎo)通，VD1截止，u2向C2充電，充電至，極性如圖中所示。負(fù)載RL電壓為C1、C2電壓之和為，因輸出電壓可以達(dá)到電容濾波輸出電壓的二倍，所以該電路稱為二倍壓整流電路。,圖17 二倍壓整流電路,根據(jù)同樣的原理，只要把

8、更多的電容串聯(lián)起來，并且增加相應(yīng)的充電二極管，則可以組成多倍壓整流電路。圖18所示為六倍壓整流電路。實際上由于存在電容的放電，使電容電壓不可能始終保持最大值，而且由于電容的充放電，將使電容電壓產(chǎn)生波動，因此存在脈動成分。負(fù)載阻抗越小，電容充放電就越快， 以電壓脈動成分也就越大。所以，倍壓整流電路僅適用于要求輸出電壓較高、 負(fù)載電流較小的場合。,圖1-8 多倍壓整流電路,1.2 晶閘管（SCR）,1.2.1 晶閘管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 晶閘管的外形及符號如圖19所示。晶閘管的外形大致有三種： 塑封形、螺栓形和平板形。額定電流10 以下的多為塑封形， 在10 以上至200 以下的為螺栓形，200

9、以上的為平板形。晶閘管的外形是為便于安裝散熱器而設(shè)計的，這是因為器件工作時，因損耗而產(chǎn)生熱量，需要通過散熱器來降低管芯溫度。,圖19 晶閘管的外形及符號 (a) 塑封形； (b)、 (c) 螺栓形； (d) 平板形,如圖1.10所示為晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路。晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層（1122）三端（、）器件，由最外的P1層和N2層引出兩個電極，分別為陽極A和陰極K，由中間P2層引出的電極是門極G（也稱控制極）。晶閘管內(nèi)部具有三個結(jié)，即1、2、3，它的結(jié)構(gòu)又可以等效為兩個互補(bǔ)連接的三極管，其中1和2區(qū)既是一個三極管的集電極同時又是另一個管子的基極。 我們通過圖1-11所示的實驗線路來說明

10、晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷條件。在該電路中，由主電源EA、白熾燈、晶閘管的陽極和陰極，通過雙刀開關(guān)1組成晶閘管主電路；門極電路由門極電源EG、晶閘管的門極和陰極，通過雙刀開關(guān)2組成，又叫控制電路，也稱為觸發(fā)電路。,圖110 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)、 (c) 互補(bǔ)三極管等效示意圖,圖111 晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷實驗電路,通過以上實驗結(jié)果，可得到如下結(jié)論： （） 晶閘管的導(dǎo)通條件：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適當(dāng)?shù)恼螂妷海?兩者缺一不可。 （） 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，此時可以把門極電壓撤去。因此，門極電壓不需保持直流電壓，常采

11、用脈沖電壓。晶閘管從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過程稱為觸發(fā)導(dǎo)通，一般門極的觸發(fā)電流只有幾十毫安到幾百毫安，而晶閘管導(dǎo)通后， 卻可以通過幾百、幾千安的電流。所以說，通過晶閘管實現(xiàn)了弱電對強(qiáng)電的控制。,（)晶閘管的關(guān)斷條件：使流過晶閘管的陽極電流小于維持電流。維持電流是保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。由于門極只能控制晶閘管的導(dǎo)通，卻無法控制其關(guān)斷，所以又稱晶閘管為半控型器件。晶閘管為什么有以上的導(dǎo)通關(guān)斷特性呢？我們通過圖1-12來說明。設(shè)1和2分別是1和V2的電流放大系數(shù)。當(dāng)晶閘管陽極承受正向電壓，門極也加正向電壓時，晶體管V2處于正向偏置，EG產(chǎn)生的控制極電流IG就是2的基極電流IB2，V2的集電極電流IC2 （

12、=2 IG）又是晶體管1的基極電流IB1，1的集電極電流IC1（=1IC2 =12 IG）又流入V2的基極，再一次放大2的基極電流IB2。這樣循環(huán)下去，形成了強(qiáng)烈的正反饋，使兩個晶體管很快達(dá)到飽和導(dǎo)通，這就是晶閘管的導(dǎo)通過程。導(dǎo)通后，晶閘管上的壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上，晶閘管中流過的電流即負(fù)載電流與外加電壓和負(fù)載有關(guān)。,圖1-12晶閘管工作原理示意圖,1.2.2 晶閘管的伏安特性 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。其伏安特性曲線如圖1-13所示。 圖中位于第一象限的是正向特性，位于第三象限的是反向特性，其主要特性表現(xiàn)如下：,圖1-13 晶閘管的陽極伏

13、安特性,圖中位于第一象限的是正向特性，位于第三象限的是反向特性，其主要特性表現(xiàn)如下： （1）在正向偏置下，當(dāng)G時，如果在晶閘管兩端所加正向電壓末增到正向轉(zhuǎn)折電壓O時，元件都處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流。當(dāng)=O時，發(fā)生轉(zhuǎn)折，漏電流急劇增大，器件由阻斷狀態(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，正向電壓降低，其特性和二極管的正向伏安特性相仿。這種由電壓引起的導(dǎo)通稱為電壓觸發(fā)導(dǎo)通，是一種硬開通，多次這樣會造成晶閘管的損壞，所以通常不允許采用。,（2）當(dāng)采用門極觸發(fā)導(dǎo)通方式時，門極觸發(fā)電流G越大，正向轉(zhuǎn)折電壓O就越低。而當(dāng)IG足夠大時，管子就導(dǎo)通了，此時的晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓O很小，壓降也很小。晶閘管正向?qū)ǖ姆蔡?/p>

14、性與二極管的正向特性類似。晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，即使去掉門極信號，器件仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)不變。所以，晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。 （3）導(dǎo)通之后，只要逐步減小陽極電流IA，使IA下降到小于維持電流IH，器件又可恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。這種關(guān)斷方式稱為自然關(guān)斷，除此之外，還可采用加反偏電壓的方法進(jìn)行強(qiáng)迫關(guān)斷。,（4）在反向偏置下，其伏安特性和整流管的反向伏安特性相似。處于反向阻斷狀態(tài)時，只有很小的反向漏電流，當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓O后，反向漏電流急劇增大，造成晶閘管反向擊穿而損壞。,1.2.3 晶閘管主要參數(shù) 1電壓參數(shù) (1)額定電壓Tn 在門極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可重復(fù)加在晶閘管

15、兩端的正向峰值電壓稱為正向重復(fù)峰值電壓UDRM。一般規(guī)定此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80%。同理，在門極斷路時，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。此電壓取反向擊穿電壓URO的80%。一般把UDRM和UDRM中較小的那個值按百位取整后作為該晶閘管的額定電壓值。晶閘管元件的耐壓會因散熱條件惡化和結(jié)溫升高而降低，因此選擇元件的額定電壓時應(yīng)注意留有充分的裕量，一般應(yīng)按工作電路中可能承受到的最大瞬時值電壓TM的23倍來選擇，即,Tn（）TM,(1-3),(2)通態(tài)平均電壓UT(AV) 當(dāng)流過正弦半波電流并達(dá)到穩(wěn)定的額定結(jié)溫時，晶閘管陽極與陰極之間電壓降的平均值，稱為通態(tài)平

16、均電壓。額定電流大小相同的管子,通態(tài)平均電壓越小,耗散功率就越小，管子質(zhì)量就越好。,2電流參數(shù) (1)額定電流T(AV) 晶閘管的額定電流用通態(tài)平均電流來表示。在環(huán)境溫度小于40和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管允許通過的工頻正弦半波電流平均值稱為通態(tài)平均電流T(AV)或正向平均電流，按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取值，稱為該晶閘管的額定電流。通常所說晶閘管是多少安就是指這個電流。如果正弦半波電流的最大值為Im，則,（1-4）,額定電流有效值為IT,（1-5）,但是在實際使用中，對于不同的電路、不同的負(fù)載、流過晶閘管的電流波形形狀、波形導(dǎo)通角并不是一定的，各種含有直流分量的電流波形都有一個電流平均值（一

17、個周期內(nèi)波形面積的平均值），也就有一個電流有效值（均方根值）。我們把某電流波形的有效值與平均值之比稱為該電流的波形系數(shù)，用Kf表示，即,(1-6),這說明額定電流IT(AV)=100 A的晶閘管，其額定電流有效值為。 在選用晶閘管的時候，首先要根據(jù)管子的額定電流求出元件允許流過的最大有效電流。不論流過晶閘管的電流波形如何，只要流過元件的實際電流最大有效值小于或等于管子的額定電流有效值，且散熱冷卻在規(guī)定的條件下，管芯的發(fā)熱就可以限制在允許范圍內(nèi)?？紤]到晶閘管的電流過載能力比一般電機(jī)、電器要小得多，因此在選用晶閘管額定電流時，要根據(jù)實際最大的電流計算后至少要乘以1.52的安全系數(shù)，即,(1-7),

18、2)維持電流H 在室溫和門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必需的最小電流稱為維持電流。它一般為十幾毫安到幾百毫安。維持電流與元件容量、結(jié)溫有關(guān)，元件的額定電流愈大，維持電流也愈大。而維持電流大的晶閘管更容易關(guān)斷。 3)掣住電流L 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)就去掉觸發(fā)信號，能使元件保持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱為掣住電流L。L為維持電流H的2-4倍。欲使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，必須使觸發(fā)脈沖保持到陽極電流上升到掣住電流以上，否則會造成晶閘管重新恢復(fù)阻斷狀態(tài)，因此觸發(fā)脈沖必須具有一定的寬度。,3其他參數(shù) (1)晶閘管的開通時間ton與關(guān)斷時間toff 晶閘管開通時間ton是指從門極觸發(fā)電壓前沿的1

19、0%到元件陽極電壓下降至10%所需的時間，普通晶閘管的ton約為6s。為了縮短開通時間，常采用實際觸發(fā)電流比規(guī)定觸發(fā)電流大35倍、前沿陡的窄脈沖來觸發(fā)。如果觸發(fā)脈沖不夠?qū)?，晶閘管就不可能觸發(fā)導(dǎo)通，為保證晶閘管可靠觸發(fā)，要求觸發(fā)脈沖的寬度稍大于ton 。 晶閘管的關(guān)斷時間toff是把晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復(fù)正向阻斷能力所需要的時間稱為關(guān)斷時間。晶閘管的關(guān)斷時間與元件結(jié)溫、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。普通晶閘管的toff約為幾十到幾百微秒。,(2)門極觸發(fā)電流GT和門極觸發(fā)電壓GT 在室溫下，對晶閘管加上6伏正向陽極電壓時，使元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必須的最小門極電流稱為門

20、極觸發(fā)電流GT，相應(yīng)的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓GT。若觸發(fā)電流太小，容易受干擾而引起誤觸發(fā)；若觸發(fā)電流太大會造成控制電路功率的負(fù)擔(dān)，因此不同系列的晶閘管都規(guī)定了最大和最小觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓的范圍。因為受溫度影響很大，而元件銘牌上的數(shù)據(jù)是常溫下所測，所以實際工作時的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)視具體情況而定。,(3)斷態(tài)電壓臨界上升率和通態(tài)電流臨界上升率 在額定結(jié)溫和門極開路情況下，使元件從斷態(tài)到通態(tài)所需的最低陽極電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率。為防止晶閘管的誤導(dǎo)通，晶閘管使用中要求要求斷態(tài)下陽極電壓的上升速度要低于此值。可以通過在元件兩端并接阻容電路，利用電容兩端電壓不能突變的性質(zhì)來限制電壓上升率。

21、 在規(guī)定條件下，晶閘管在門極觸發(fā)開通時管子能夠承受而不致?lián)p壞的最大通態(tài)電流上升率稱為通態(tài)電流臨界上升率。為限制通態(tài)電流臨界上升率，可以在陽極回路中串入小電感，來對增長過快的電流進(jìn)行限制。,1.2.4 晶閘管的型號及簡單測試方法 1晶閘管的型號 晶閘管通常用兩種命名標(biāo)準(zhǔn)，一種為KP型，另一種為CT型。命名如下： KP額定電流等級-額定電壓等級通態(tài)平均電壓組別 3CT額定電流等級/額定電壓 其中K和3CT代表晶閘管，P代表類型為普通型，可以替換為S（雙向型），G（可關(guān)斷型），N（逆導(dǎo)型）。額定電壓值為額定電壓等級乘以100，當(dāng)額定電流小于100A時，通態(tài)平均電壓組別可以不標(biāo)。,例如：KP100-1

22、2G，表示額定電流為100A，額定電壓為1200V，通態(tài)平均電壓小于1V的普通型晶閘管。又如3CT50/500V，表示額定電流為50A，額定電壓為500V的普通型晶閘管。,例1 一晶閘管接在220V交流回路中，通過器件的電流有效值為50，額定電壓電流均考慮2倍的余量，問應(yīng)選擇多大的晶閘管？ 解：晶閘管額定電壓,按晶閘管參數(shù)系列取700V ，即7級。,晶閘管的額定電流,按晶閘管參數(shù)系列取100，所以選取晶閘管型號為KP100-7。 到目前為止，世界上普通晶閘管的最大額定電流可達(dá)4000A，最大額定電壓可達(dá)7000V，導(dǎo)通壓降在1000V額定電壓時為1.5V，在5000V額定電壓時僅為3V。,2晶

23、閘管的簡單測試方法 利用萬用表歐姆擋測試元件的三個電極之間的阻值的方法，可初步判斷管子是否完好。當(dāng)用萬用表R1k擋測量陽極A和陰極K之間電阻，若阻值在幾百千歐以上，且正、反向電阻相差很?。挥肦10或R100擋測量門極G和陰極K之間的阻值，其正向電阻應(yīng)小于或接近于反向電阻，這樣的晶閘管是好的，否則晶閘管已經(jīng)損壞。,1.2.5 晶閘管的派生器件 1 門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) 門極可關(guān)斷晶閘管具有普通晶閘管的全部特性，如耐壓高（工作電壓可高達(dá)6000 V）、電流大（電流可達(dá)6000A）以及造價便宜等。 GTO廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車的逆變器和大功率的直流斬波器中。GTO與普通晶閘管類似，都是PNPN四層

24、半導(dǎo)體器件，有陽極A、陰極K和門極G三個電極，但內(nèi)部包含著數(shù)百個共陽極的小GTO單元。它的結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號如圖114所示。,圖114 門極可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號,GTO的工作原理與普通晶閘管相似。GTO觸發(fā)導(dǎo)通的條件是：當(dāng)它的陽極與陰極之間承受正向電壓，門極與陰極間加正脈沖信號可以使元件導(dǎo)通。 普通晶閘管導(dǎo)通時處于深度飽和狀態(tài)，切斷門極電流無法使其關(guān)斷；但GTO采取了特殊工藝， 使管子導(dǎo)通后處于接近臨界飽和狀態(tài)，可用門極與陰極間加負(fù)脈沖信號破壞臨界狀態(tài)使其關(guān)斷。因此，GTO是全控型雙極型器件。GTO導(dǎo)通壓降較大，一般為23V，門極觸發(fā)電流較大，所以GTO的導(dǎo)通功耗與門極

25、功耗均較普通晶閘管大。,GTO的主要參數(shù)有最大可關(guān)斷陽極電流IATO和關(guān)斷增益q。IATO也就是管子的銘牌電流。GTO的陽極電流不能過大，在使用中必須小于最大可關(guān)斷陽極電流IATO，否則破壞GTO的臨界導(dǎo)通條件，導(dǎo)致門極關(guān)斷失敗。關(guān)斷增益q為最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IGM之比，即是用來反映GTO關(guān)斷能力的。q 一般較小，只有35，這是GTO的一個主要缺點。因為使GTO關(guān)斷的門極負(fù)電流比較大，約為陽極電流的1/5左右，所以要求觸發(fā)驅(qū)動電路要采用高幅值的窄脈沖以減少關(guān)斷所需的能量。圖1-15是GTO的門極驅(qū)動電路，（a）只能用于小容量電路；（b）和（c）適用于較大容量的電路。,

26、圖 1-15 GTO的驅(qū)動電路,為減輕GTO在開關(guān)過程中的功耗，對GTO需要設(shè)置緩沖電路。緩沖電路必須能抑制GTO開通時陽極電流上升率和關(guān)斷時的電壓上升率。圖1-16為GTO的阻容緩沖電路，（a）只能用于小電流電路；（b）與（c）是較大容量GTO電路中常見的緩沖器，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。,圖 1-16 GTO阻容緩沖電路,2快速晶閘管(FST) 快速晶閘管通常是指那些關(guān)斷時間toff50、響應(yīng)速度快的晶閘管。它的基本結(jié)構(gòu)、伏安特性和符號與普通晶閘管完全一樣；它的特點是：開通速度快，關(guān)斷時間短，一般開通時間約為12，關(guān)斷時間約為數(shù)微秒，比普通晶閘管

27、快一個數(shù)量級。通態(tài)壓降低，開關(guān)損耗小。有較高的通態(tài)電流臨界上升率山及斷態(tài)電壓臨界上升率。使用頻率范圍廣，幾十至幾千赫茲。這種快速晶閘管主要應(yīng)用于直流電源供電的逆變器的斬波器中?？焖倬чl管的型號用KK表示。,3逆導(dǎo)型晶閘管(RCT) 普通晶閘管表現(xiàn)為正向可控閘流特性，反向高阻特性， 稱為逆阻型器件。而逆導(dǎo)型晶閘管是一個反向?qū)ǖ木чl管， 是將一個晶閘管與一個續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上構(gòu)成的新器件，如圖117所示。逆導(dǎo)型晶閘管正向表現(xiàn)為晶閘管正向伏安特性，反向表現(xiàn)為二極管特性。與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)型晶閘管有如下特點：正向轉(zhuǎn)折電壓比普通晶閘管高，電流容量大，易于提高開關(guān)速度，高溫特性好(允許

28、結(jié)溫可達(dá)150以上)，減小了接線電感，縮小了裝置體積。逆導(dǎo)型晶閘管的型號用KN表示。,圖1-17 逆導(dǎo)晶閘管,4雙向晶閘管(TRIAC) 雙向晶閘管TRIAC是一個NPNPN五層三端器件，有兩個主電極T1、T2和一個門極G，觸發(fā)信號加在T1極和門極G之間，它在正反兩個方向電壓下均可用同一門極控制觸發(fā)導(dǎo)通。所以在結(jié)構(gòu)上可以看做是一對普通晶閘管的反并聯(lián)，其符號、等效電路和陽極伏安特性如圖1-18所示。其特性反映了反并聯(lián)晶閘管的組合效果，即在第一和第三象限具有對稱的陽極伏安特性。對雙向晶閘管在門極G和主電極T1之間送入正觸發(fā)脈沖電流(IG從G流入，從T1流出)或負(fù)脈沖電流(IG從T1流入，從G流出)

29、均能使雙向晶閘管導(dǎo)通。根據(jù)T1、T2間電壓極性的不同及門極信號極性的不同，雙向晶閘管有4種觸發(fā)和開通方式。雙向晶閘管符號、等效電路和伏安特性,(1) 主電極T1相對T2電位為正的情況下，門極G和T1之間加正觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時雙向晶閘管導(dǎo)通工作在第一象限，稱為I+觸發(fā)方式。 (2) 主電極T1相對T2電位為正的情況下，門極G和T1之間加負(fù)觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時雙向晶閘管導(dǎo)通工作在第一象限，稱為I觸發(fā)方式。 (3) 主電極T2相對T1電位為正的情況下，門極G和T1之間加正觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時雙向晶閘管導(dǎo)通工作在第三象限，稱為+觸發(fā)方式。 (4) 主電極T2相對T1電位為正的情況下，門極

30、G和T1之間加負(fù)觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時雙向晶閘管導(dǎo)通也工作在第三象限，稱為觸發(fā)方式。,I+、兩種觸發(fā)方式靈敏度很高，在實用中常被采用。雙向晶閘管主要應(yīng)用在交流調(diào)壓電路中采用，正、負(fù)半波都工作；所以通態(tài)時的額定電流不像二極管和晶閘管那樣按正弦半波電流平均值定義，而是用有效值來定義。由額定電流的定義可知：在交流電流中一只有效值為IT的雙向晶閘管能承載全波負(fù)載電流有效值為IT，半波負(fù)載電流為IT2；若用普通晶閘管，其額定電流應(yīng)為0.45IT,。因此，電流為IT的雙向晶閘管可代替兩只并聯(lián)的電流額定值為0.45IT的普通型晶閘管。雙向晶閘管的型號用KS表示。,圖1-18 雙向晶閘管,1.3 電力晶體管

31、和電力場效應(yīng)晶體管,1.3.1 電力晶體管（GTR）,1電力晶體管的結(jié)構(gòu) GTR與普通晶體管有著相似的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性，都是三層半導(dǎo)體兩個PN結(jié)的三端器件，也有PNP和NPN之分，但大多采用NPN型。圖1-19所示是NPN型晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大多數(shù)GTR是采用三重擴(kuò)散法制成的，或者是在集電極高摻雜的N+硅襯底上用外延生長法生長一層N漂移層，然后在上面擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散摻雜N+的發(fā)射區(qū)。,圖1-19 GTR的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2GTR的主要參數(shù) （1）最大電流額定值ICM和 IBM 一般將電流放大倍數(shù)下降到額定值的1/21/3 時集電極電流IC的值定為集電極最大電流ICM，使用時絕不能讓IC值

32、達(dá)到ICM，否則前面所說的三種物理效應(yīng)會使GTR的電氣性能變差，甚至于使器件損壞?；鶚O電流的最大額定值IBM規(guī)定為內(nèi)引線允許流過的最大基極電流，通常取IBM=(1/21/6) ICM。,（2）集電極的額定電壓UCEM 既集電極的最高工作電壓不可超過規(guī)定值，否則會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，它與GTR的本身特性及外電路的接法有關(guān)。常用BUCBO、BUCEO、BUCES、BUCER和BUCEX表示。BUCBO為發(fā)射結(jié)開路時集基極的擊穿電壓；BUCEO為發(fā)射結(jié)開路時集射極的擊穿電壓；BUCES為發(fā)射結(jié)短路時集射極的擊穿電壓；BUCER表示基射間并聯(lián)電阻時的基射擊穿電壓，隨并聯(lián)電阻的減小而增大；BUCEX表示基射極

33、施加反偏電壓時的集射極擊穿電壓。一般情況下BUCEO BUCEXBUCESBUCERBUCEO，當(dāng)GTR的最高工作電壓UCEM應(yīng)比最小擊穿電壓BUCEO低，從而保證元器件的工作安全。,（3）飽和壓降UCES 單個GTR的飽和壓降一般不超過11.5V，UCES隨集電極電流的增大而增大。 （4）集電極最大耗散功率PCM PCM即GTR在最高允許結(jié)溫TjM時所對應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使GTR發(fā)熱，在使用中要特別注意GTR的散熱。 如果散熱條件不好，器件會因溫度過高而使迅速損壞。所以GTR使用時必須選配合適的散熱器。,3二次擊穿現(xiàn)象 二次擊穿是G

34、TR突然損壞的主要原因之一，是它在使用中最大的弱點。二次擊穿現(xiàn)象可以用圖1-20來說明。處于工作狀態(tài)的GTR，當(dāng)其集電極反偏電壓UCE逐漸增加到最大電壓BUCEO時，集電極電流IC急劇增大，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象,但此時集電結(jié)的電壓基本保持不變，這叫一次擊穿。這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的辦法加以控制，只要進(jìn)入擊穿區(qū)的時間不長，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，則當(dāng)IC上升到某一數(shù)值時，UCE突然下降，而IC繼續(xù)增大（負(fù)阻效應(yīng)），這時進(jìn)入低壓大電流段，在極短的時間內(nèi)，將使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點，導(dǎo)致管子被燒壞，這個現(xiàn)象稱為二次擊穿。為了防

35、止發(fā)生二次擊穿，重要的是保證GTR開關(guān)過程中的瞬時功率不要超過集電極最大耗散功率PCM。一般說來，工作在正常開關(guān)狀態(tài)的GTR是不會發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象的。,圖1-20 GTR的二次擊穿,4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能夠安全運行的電流電壓的極限范圍，它受到GTR的直流極限參數(shù)ICM、PCM、電壓容量BCEO及二次擊穿等問題的限制，并由這四條限制界線所圍成，如圖1-21所示，陰影部分即為SOA。,圖121 GTR安全工作區(qū),1.3.2 電力場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）,1PMOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理 MOSFET的類型很多，

36、按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道； 根據(jù)柵極電壓與導(dǎo)電溝道出現(xiàn)的關(guān)系可分為耗盡型和增強(qiáng)型， 電力場效應(yīng)晶體管一般為N溝道增強(qiáng)型。電力場效應(yīng)晶體管是多元集成結(jié)構(gòu)，即一個器件由多個MOSFET單元組成。MOSFET單元結(jié)構(gòu)如圖122所示，有三個引腳，分別為源極S、柵極G和漏極D。從結(jié)構(gòu)上看，PM與小功率MOS管有比較大的差別。小功率MOS管的三電極位于芯片的同一側(cè)，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，是橫向?qū)щ娖骷?。而PM為提高器件耐壓、電流的能力， 把漏極移到芯片的另一側(cè)表面上， 采用的是垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，稱為 VMOSFET。,其中源極的金屬電極將管子內(nèi)的N+區(qū)和P區(qū)連接在一起， 相當(dāng)于在源極漏極間形成了一個寄

37、生二極管。管子截止時，漏源間的反向電流就在此二極管內(nèi)流動，所以電力場效應(yīng)晶體管無反向阻斷能力。其管子符號和等效電路符號如圖123（a）、 （b）所示。PM元件在變流電路中常串接一個二極管 VD1，并在它的外面并接一個快速二極管 VD2，如圖123（c）所示，目的是避免電路中反向大電流流過元件內(nèi)的寄生二極管，對元件造成損壞。,圖1-22 MOSFET單元結(jié)構(gòu),圖1-23 P-MOSFET的圖形符號,當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負(fù)極，即UDS0，柵源之間電壓UGS0，型區(qū)和N-型漂移區(qū)之間的結(jié)反向，漏源之間無電流流過。如果在柵極和源極所加正向電壓UGSUT（UT為開啟電壓，又叫閾值電壓，典型值為2

38、4 V）時，不會有柵流，也沒有漏極電流ID出現(xiàn)，PM處于截止?fàn)顟B(tài)。但柵極的正電壓所形成電場的感應(yīng)作用卻會將其下面型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的型區(qū)表面。當(dāng)UGS UT時，柵極下面型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID，PM處于導(dǎo)通狀態(tài)。UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。漏極電流ID越大。,2 PM的特性 1） 轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性是指電力場效應(yīng)晶體管的輸入柵源電壓UGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系，如圖124所示。當(dāng)ID較大時，該特性基本為線性。曲線的斜率gm=iD/UGS稱為跨導(dǎo)，表示PM柵源電壓對漏極電流的控制能力。僅當(dāng)UGSU

39、T時，才會出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生柵極電流ID。轉(zhuǎn)移特性反映了該器件是電壓型場控器件。由于柵極的輸入電阻很高，可以等效為一個電容，所以柵源電壓UGS能夠形成電場，但柵極電流基本為零。因此， MOSFET的驅(qū)動功率很小。,圖1-24 PM的轉(zhuǎn)移特性,（2）輸出特性 如圖1-25所示的輸出特性，是以柵源電壓為參變量，漏極電流與漏極電壓關(guān)系之間的曲線族。輸出特性曲線分為三個區(qū)域：可調(diào)電阻區(qū)，飽和區(qū)和雪崩區(qū)。在區(qū)內(nèi)，漏源電阻RDS的阻值是變化的。固定柵極電壓UGS，漏源電壓UDS從零上升過程中，漏極電流ID首先線性增長，接近飽和區(qū)時，ID變化緩慢，達(dá)到飽和區(qū)后，此后UDS雖然增大，但I(xiàn)D維持恒定。當(dāng)MOSF

40、ET用做線性放大時，工作在飽和區(qū)。從該區(qū)域中可以看出，在同樣的漏源電壓下，UDS越高，漏極電流ID也就越大。但當(dāng)UGS繼續(xù)增大時，進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)。在應(yīng)用中要避免出現(xiàn)這種情況，否則造成器件的損壞。,圖1-25 PM的輸出特性曲線,3） 開關(guān)特性 PM是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存儲效應(yīng)， 因此開關(guān)時間很短，典型值為20 ns。影響開關(guān)速度的主要因素是器件極間電容，開關(guān)時間與輸入電容的充、放電時間常數(shù)有很大關(guān)系。 PM的開關(guān)過程如圖126所示，uP為驅(qū)動電源信號。開通時間ton=td+tr，關(guān)斷時間toff=ts+tf。PM在靜態(tài)時幾乎不需要輸入電流，但在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電

41、，仍需一定的驅(qū)動功率,而且開關(guān)頻率越高， 驅(qū)動損耗越大。,圖126 PM的開關(guān)特性,3重要參數(shù) （1）漏極電壓UDS：就是PM的額定電壓，選用時應(yīng)小于漏源擊穿電壓BUDS，必需留有較大安全余量。 （2）漏極連續(xù)電流ID：就是PM允許通過的最大漏極連續(xù)電流，其大小主要受管子的溫升限制，應(yīng)小于峰值電流IDM。 （3）柵源電壓UGS：柵極和源極之間的絕緣層很薄，承受電壓很低，一般不能超過20V，否則絕緣層可能被擊穿而損壞。 （4）通態(tài)電阻Ron：在確定的UGS下，PM由可調(diào)電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時的直流電阻為通態(tài)電阻。輸出功率的大小與該參數(shù)直接相關(guān)。,4安全工作區(qū) PM是多數(shù)載流子工作的器件，元件的通態(tài)電

42、阻具有正的溫度系數(shù)，即溫度升高通態(tài)電阻增大，使漏極電流能隨溫度升高而下降，因而不存在電流集中和二次擊穿的限制，有較寬的安全工作區(qū)。PM的正向偏置安全工作區(qū)是由四條邊界包圍而成，如圖1-27所示。其中為漏源通態(tài)電阻限制線，為最大漏極電流限制線，為最大功耗限制線，為最大漏源電壓限制線。,圖1-27 PM的正向偏置安全工作區(qū),5PM的柵極驅(qū)動電路 對柵極驅(qū)動電路的要求： (1)可向柵極提供所需要的柵壓，以保證PM的可靠導(dǎo)通和關(guān)斷。 (2)為提高器件的開關(guān)速度，應(yīng)減小驅(qū)動電路的輸入電阻以提高柵極充放電速度。 (3)主電路與控制電路間要實現(xiàn)電的隔離。 (4)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，這是因為PM的工作頻率

43、和輸入阻抗都較高，易被干擾的緣故。,圖1-28 理想的柵極控制電壓波形,圖1-29是一種數(shù)控逆變器，兩個PM的柵極驅(qū)動電路是由兩個與非門與RC組成的振蕩電路，電路起振時，在PM1、PM2的柵極分別產(chǎn)生高、低電平，使它們輪流導(dǎo)通，將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，實現(xiàn)逆變。,圖129 PM數(shù)控逆變器,圖1-30所示為直流斬波的驅(qū)動電路。UD為斬波電源，當(dāng)輸入電壓Ui0時，PM1、PM3截止，電容C1沿V2和CI3（P-MOSFET柵極輸入電容）放電， 驅(qū)動PM2導(dǎo)通，負(fù)載得電，輸出電流Io0。；當(dāng)Ui 0時， PM1導(dǎo)通，電容CI3上的電荷沿VD2、PM1放電，VD2的導(dǎo)通保證了PM2關(guān)斷，負(fù)載電流通過V

44、D4續(xù)流，直到Io=0，VD4斷開，接著受正向電壓而導(dǎo)通。,圖130 PM直流斬波器驅(qū)動電路,6 PM的保護(hù) PM的缺點是柵極絕緣氧化層很薄，在靜電較強(qiáng)的場合很易引起靜電擊穿，造成柵源短路或開路。因此，在使用時必須采取靜電保護(hù)措施。器件應(yīng)存放在抗靜電包裝袋、金屬容器或?qū)щ姴牧习b袋中。工作人員取用器件時，必須使用腕帶，保持良好接地， 且應(yīng)拿器件管殼，不要接觸引線；安裝時，工作臺和電烙鐵應(yīng)良好接地；測試時，測量儀器和工作臺要良好接地，器件的三個電極必須都接入測試儀器或電路，才能施加電壓。 改換測試時，電壓和電流要先恢復(fù)到零。此外，還需注意進(jìn)行柵源、 漏源過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)。,7PM的應(yīng)用 (

45、1)作為高頻開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)壓電源，可使開關(guān)電源的體積減小，重量減輕，成本降低，效率提高。 (2)作為功率變換器件，廣泛應(yīng)用在計算機(jī)接口電路中。PM器件可直接用集成電路的邏輯信號驅(qū)動，開關(guān)速度快，工作頻率高，大大改善了變換器的功能。 (3)作為高頻的主功率振蕩、放大器件，在高頻加熱、超聲波等設(shè)備中使用，具有高效、高頻、簡單可靠等優(yōu)點。,1.4 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的基本結(jié)構(gòu)如圖131所示。IGBT比電力MOSFET多了一層P+注入?yún)^(qū)，因而形成了一個大面積的P+N+結(jié)J1，使得IGBT導(dǎo)通時可由P+注入?yún)^(qū)向基區(qū)發(fā)射載流子(空穴)，對漂移區(qū)電導(dǎo)率

46、進(jìn)行調(diào)制， 因而IGBT具有很強(qiáng)的電流控制能力。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),IGBT是在PMOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改善，相當(dāng)于一個由PMOSFTET 驅(qū)動的厚基區(qū)GTR晶體管， 其內(nèi)部實際上包含了兩個雙極型晶體管P+NP和N+PN。其簡化等效電路和電氣符號如圖132所示。,圖131 IGBT的結(jié)構(gòu),圖132 IGBT的簡化等效電路和電氣符號,IGBT有三個電極，分別是集電極C、發(fā)射極E和柵極G。IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷由柵極電壓來控制，原理與PM相同。當(dāng)柵極施以正向電壓時， PM內(nèi)形成溝道，為PNP型的晶體管提供基極電流， 從而使IGBT導(dǎo)通。此時，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴（少數(shù)載流子）對N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)

47、制，減少N區(qū)的電阻，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。 在柵極上施以負(fù)電壓時，PM內(nèi)的溝道消失， PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。,1.4.2 IGBT的特性 1 IGBT的轉(zhuǎn)移特性 IGBT的轉(zhuǎn)移特性如圖133(a)所示，與PMOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似，開啟電壓UGE(TH)是IGBT能通過電導(dǎo)調(diào)制實現(xiàn)導(dǎo)通的最低柵射電壓，其值一般為26 V。,2IGBT的靜態(tài)輸出特性 IGBT的靜態(tài)輸出特性如圖1-33(b)所示，與GTR的輸出特性相似，它反映了在一定的柵射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流IC的關(guān)系。UGE越高，IC越大。IGBT的伏安特性分為截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽

48、和區(qū)和擊穿區(qū)。由于PN結(jié)的開啟電壓不為零，引起IGBT的輸出特性曲線不始于坐標(biāo)原點。在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。與P-MOSFET相比，IGBT的通態(tài)壓降小得多，1000V的IGBT約有25V的通態(tài)壓降，IGBT開關(guān)損耗僅為GTR的1/10。IGBT的通態(tài)壓降在1/2或1/3額定電流以下區(qū)段具有負(fù)溫度系數(shù)，以上區(qū)段有正溫度系數(shù)，因此IGBT在并聯(lián)使用時具有電流調(diào)節(jié)的能力，即有易于并聯(lián)的特點。但是IGBT的反向電壓承受能力很差，從曲線可知，其反向阻斷電壓URM只有幾十伏，因此限制了它在需要承受高反壓場合的應(yīng)用。,圖133 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和

49、靜態(tài)輸出特性,3IGBT的動態(tài)特性 IGBT的動態(tài)特性即開關(guān)特性。開通過程的特性類似于MOSFET。由于晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，因此IGBT的開關(guān)速度要低于PMOSFET。開關(guān)時間隨漏極電流IC和門極電阻RB以及結(jié)溫的增大而增加，尤其受門極電阻的影響大。,1.4.3 IGBT的主要參數(shù) (1) 集電極發(fā)射極額定電壓UCES：該電壓值是根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的，是柵射極短路時能承受的耐壓值。 (2) 柵極發(fā)射極額定電壓UCES：是柵極控制信號的電壓額定值。目前，IGBT的UCES值為+20 V，使用時不可超過此值。 (3) 額定集電極電流

50、IC：是指在導(dǎo)通時能流過器件的持續(xù)最大電流。,1.4.4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 從圖132可以看出，IGBT內(nèi)部寄生著一個NPN型晶體管，在NPN管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻RB，相當(dāng)于NPN管的一個偏置電阻。在額定集電極電流范圍內(nèi)， RB上的偏壓很小， 不足以使J3結(jié)開通，而一旦J3結(jié)開通，就會促使NPN、PNP兩晶體管同時處于飽和狀態(tài)。由于寄生晶體管的導(dǎo)通，會使柵極失去對IGBT集電極電流的控制，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件功耗過高而損壞。這種電流失控現(xiàn)象，就像普通晶閘管被導(dǎo)通以后，即使撤去觸發(fā)信號晶閘管仍然因進(jìn)入正反饋過程而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣，這就是所謂擎住效應(yīng)或自鎖效

51、應(yīng)。引起擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過大（稱之為靜態(tài)擎住效應(yīng)），也可能是最大電壓允許上升率過大（稱之為動態(tài)擎住效應(yīng)），當(dāng)然溫度過高也會加重擎住效應(yīng)的危險。,圖134 IGBT的安全工作區(qū),1.4.5 IGBT的柵極驅(qū)動電路 (1) IGBT驅(qū)動電路的驅(qū)動電源的內(nèi)阻要低，以利于較快地對柵極電容充放電，保證UGE的前后沿陡峭，從而減小開關(guān)損耗。 一般正偏壓為1215 V，負(fù)偏壓為-2-10 V。IGBT開通后， 驅(qū)動電源要提供足夠的功率使IGBT不致退出飽和而損壞。 (2) IGBT多用于高壓場合，應(yīng)保證驅(qū)動電路與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離；同時驅(qū)動電路要對IGBT有自保護(hù)功能， 并有較強(qiáng)的

52、抗干擾能力。 (3) 對于電感性負(fù)載，為限制dUCE/dt所形成的尖峰電壓， IGBT的關(guān)斷時間不宜過短。,圖135 采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動電路,1.4.6 IGBT的保護(hù) IGBT是由GTR和MOSFET復(fù)合而成的，因此可以按GTR、 MOSFET保護(hù)電路來考慮。當(dāng)電流過大時會產(chǎn)生不可控的擎住效應(yīng)， 應(yīng)實行過流保護(hù)。注意，IGBT使用的最大電流不可超過額定電流，通常的做法是，檢出過電流信號后切斷柵極控制信號或產(chǎn)生負(fù)的柵極驅(qū)動信號來關(guān)斷IGBT。在IGBT關(guān)斷時，因主回路電流急劇變化，使主回路布線電感或所帶的感性負(fù)載中感應(yīng)出高壓而產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓，或因IGBT的驅(qū)動脈沖不正常等因素造成過

53、電壓而導(dǎo)致IGBT的損壞。此時，可以采用電容吸收電路構(gòu)成的緩沖電路來對IGBT實行過電壓抑制并限制過量的電壓變化率du/dt。,1.5 其他電力電子器件,1.5.1 靜電感應(yīng)晶體管（SIT） 靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor， SIT)， 是一種多子導(dǎo)電的單極電壓型控制器件。SIT是采用垂直導(dǎo)電型式的多胞集成結(jié)構(gòu)， 其基本結(jié)構(gòu)與電路圖形符號如圖136所示。SIT有漏極、柵極和源極S三極，分為N溝道和P溝道兩種。SIT為常開器件，以NSIT為例，當(dāng)柵源電壓UGS大于或等于零，漏源電壓UDS為正向電壓時，兩柵極之間的導(dǎo)電溝道使漏源之間導(dǎo)通。一旦加上負(fù)柵源電壓U

54、GS時， 柵源間PN結(jié)產(chǎn)生耗盡層，隨著負(fù)偏壓UGS的增加，其耗盡層加寬，漏源間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)UGS = UGS(off)（夾斷電壓）時，導(dǎo)電溝道被耗盡層夾斷， SIT關(guān)斷。,圖136 SIT的結(jié)構(gòu)及其符號 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 符號,SIT具有輸出功率大，輸入阻抗高，開關(guān)特性好，熱穩(wěn)定性好以及抗幅射能力強(qiáng)等優(yōu)點。SIT已廣泛用于開關(guān)電源、 超聲波功率放大、 雷達(dá)通信和高頻感應(yīng)加熱等方面?，F(xiàn)已商品化的SIT可工作在10 MHz，電流達(dá)300 A， 電壓達(dá)2000 V水平。,1.5.2 靜電感應(yīng)晶閘管（SITH） 靜電感應(yīng)晶閘管（Static Induction Thyristor, SITH

55、)的通、斷控制機(jī)理與SIT類似。結(jié)構(gòu)上的差別僅在于SITH是在SIT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個PN結(jié)，而在內(nèi)部多形成了一個三極管，兩個三極管構(gòu)成一個晶閘管而成為靜電感應(yīng)晶閘管， 所以SITH又稱為場控晶閘管（FCT）。其基本結(jié)構(gòu)與電路圖形符號如圖137所示，三個電極為陽極A、陰極K和柵極（門極）G。,圖137 SITH的結(jié)構(gòu)及其符號 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 符號,1.5.3 MOS控制晶閘管(MCT) MOS控制晶閘管(MOS Controlled Thyristor， MCT)是在晶閘管結(jié)構(gòu)中引進(jìn)一對MOSFET管而構(gòu)成的，通過這一對MOSFET管來控制晶閘管的開通和關(guān)斷。其等效電路模型和符號如圖138所示。MCT的靜態(tài)特性與晶閘管相似，使MCT開通的MOSFET稱為ONFET，使MCT關(guān)斷的MOSFET稱為OFFFET。當(dāng)正電壓加在MCT開關(guān)管陽極A、陰極K之間時，如果門極G相對于陽極A加負(fù)脈沖電壓驅(qū)動信號，則P溝道的ONFET導(dǎo)電，從而引發(fā)MCT中晶閘