第一章第一章 电力电子器件电力电子器件1.1.电力电子器件概述电力电子器件概述2.2.电力二极管电力二极管3.3.晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件4.4.典型全控型器件典型全控型器件5.5.其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件6.6.电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动7.7.电力电子器件的保护电力电子器件的保护8.8.电力电子器件的串联与并联运行电力电子器件的串联与并联运行第第1 1页页1.1.主电路和电力电子器件的基本概念。主电路和电力电子器件的基本概念。2.2.电力电子器件的分类和电气图形符号。电力电子器件的分类和电气图形符号。3.3.晶闸管、电力晶体管和晶闸管、电力晶体管和IGBTIGBT的工作原理、开关特的工作原理、开关特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。l重点重点第一章第一章 电力电子器件电力电子器件第第2 2页页 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述（一）基本概念（一）基本概念主电路主电路(PowerCircuit):电力电子器件电力电子器件(PowerElectronicDevice):在可直接用于处理电能的在可直接用于处理电能的主电路中主电路中,实现电能的实现电能的变换或控制的电子器件。变换或控制的电子器件。在电气设备或电力系统中在电气设备或电力系统中,直接直接承担电能的变承担电能的变换或控制任务的电路。换或控制任务的电路。3 3a.能处理电功率的能力，一般远大于处理信能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。息的电子器件。（二）同处理信息的电子器件相比的一般特征（二）同处理信息的电子器件相比的一般特征 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述b.电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件一般都工作在开关状态。c.电力电子器件往往需要由信息电子电电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。路来控制。d.电力电子器件自身的功率损耗远大于信电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。息电子器件，一般都要安装散热器。第第4 4页页图图1.1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2保护保护电路电路在主电路在主电路和控制电和控制电路中附加路中附加一些电路，一些电路，以保证电以保证电力电子器力电子器件和整个件和整个系统正常系统正常可靠运行可靠运行电气隔离电气隔离控制电路控制电路( (三三) )应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第第5 5页页（四）电力电子器件的分类（四）电力电子器件的分类1.按照电力电子器件能够按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程被控制电路信号所控制的程度度，可以将电力电子器件分为以下，可以将电力电子器件分为以下3类类:不可控型器件不可控型器件不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述半控型器件半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。能控制其关断。全控型器件全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可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。控制其关断，又称自关断器件。6 6（1 1）按照驱动电路信号的性质来分按照驱动电路信号的性质来分 电流驱动型电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。流来实现导通或者关断的控制。 电压驱动型电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。（2 2）按照功率等级来分按照功率等级来分 微功率器件微功率器件 小功率器件小功率器件 大功率器件大功率器件（3 3）按照导电机理来分按照导电机理来分 双极型双极型 单极型单极型 混合型混合型2.其它分类方法其它分类方法: 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述7 7 从使用角度出发，主要可从以下从使用角度出发，主要可从以下5 5个方面考查电力电子个方面考查电力电子器件的使用特点：器件的使用特点： a.a.导通压降导通压降电力电子器件的管耗与导通压降成正比，电力电子器件的管耗与导通压降成正比，应尽量选择低导通压降的器件应尽量选择低导通压降的器件 b.b.运行频率运行频率器件的开关时间越短，器件可运行的频率器件的开关时间越短，器件可运行的频率越高越高 c.c.器件容量器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数耗等参数 d.d.耐冲击能力耐冲击能力主要是指器件短时间内承受过电流的能主要是指器件短时间内承受过电流的能力力 e.e.可靠性可靠性主要是指器件防止误导通的能力主要是指器件防止误导通的能力( (五五) )电力电子器件的使用特点电力电子器件的使用特点 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述8 8图图1.2电力电子器件的种类和发展历史电力电子器件的种类和发展历史（六）电力电子器件的现状和发展趋势（六）电力电子器件的现状和发展趋势 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述9 9图图1.3各种器件寿命的周期曲线各种器件寿命的周期曲线 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述10101.2 电力二极管电力二极管u电电力力二二极极管管（Power Power DiodeDiode）结结构构和和原原理理简简单单，工工作可靠，自作可靠，自2020世纪世纪5050年代初期就获得应用。年代初期就获得应用。u快快恢恢复复二二极极管管和和肖肖特特基基二二极极管管，分分别别在在中中、高高频频整整流流和和逆逆变变，以以及及低低压压高高频频整整流流的的场场合合，具具有有不不可替代的地位。可替代的地位。整流二极管及模块11111.2.1 结构、工作原理和基本特性结构、工作原理和基本特性图图1.4a)外形外形b)结构结构c)电气图形符号电气图形符号v基基本本结结构构和和工工作作原原理理与与微微电电子子电电路路中中的的二二极极管管一一样。样。v由由一一个个面面积积较较大大的的PNPN结结和和两两端端引引线及封装组成。线及封装组成。v外外形形螺螺栓栓型型和和平平板板型型两两种种封封装。装。1212u额定电流在在指指定定的的管管壳壳温温度度和和散散热热条条件件下下，其其允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波电流的平均值。波电流的平均值。uIF(AV)是是按按照照电电流流的的发发热热效效应应来来定定义义的的，使使用用时时应应按按有有效效值值相相等等的的原原则则来来选选取取电电流流定额，并应留有一定的裕量。定额，并应留有一定的裕量。1.2.2 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1)正向平均电流正向平均电流IF(AV)1313在在指指定定温温度度下下，流流过过某某一一指指定定的的稳稳态态正正向向电电流流时时对对应应的正向压降。的正向压降。3） 反向重复峰值电压URRMu对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。u使用时，应当留有两倍的裕量。使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间trrtrr= td+ tf1.2.2 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UF1414u结温是指管是指管芯芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。uTJM是是指指在在PN结结不不致致损损坏坏的的前前提提下下所所能能承承受受的的最最高高平均温度。平均温度。uTJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。6) 浪涌电流IFSM指指电电力力二二极极管管所所能能承承受受最最大大的的连连续续一一个个或或几几个个工工频频周周期的过电流。期的过电流。1.2.2 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高工作结温最高工作结温TJM15151.2.2 电力二极管的品种电力二极管的品种1.标准工频型（普通型）标准工频型（普通型）又称整流二极管（又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路以下）的整流电路其反向恢复时间较长其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高正向电流定额和反向电压定额可以达到很高, ,可可以达到数千安或数千伏以上以达到数千安或数千伏以上16162.快速恢复二极管（快速恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）简称快速二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复简称快速二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在过程很短（一般在5 5 s s以下以下）。）。从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等级。两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns100ns以下，甚至达到以下，甚至达到202030ns30ns。1.2.2 电力二极管的品种电力二极管的品种17173.肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）(a)(a)反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（101040ns40ns）。）。 (b)(b)正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 (c)(c)反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 (d)(d)效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。 (a)(a)反向耐压提高时正向压降会提高，多用于反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V200V以下。以下。 (b)(b)反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 (c)(c)容量小、漏电流大。容量小、漏电流大。肖特基二极管的缺点肖特基二极管的缺点肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点1.2.2 电力二极管的品种电力二极管的品种18181.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件晶闸管晶闸管（ThyristorThyristor）：晶体闸流管，可控硅整流晶体闸流管，可控硅整流器器（Silicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年年商商业业化化，开开辟辟了了电电力力电电子子技技术术迅迅速速发发展展和和广广泛泛应应用的崭新时代。用的崭新时代。20世纪世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。能能承承受受的的电电压压和和电电流流容容量量最最高高，工工作作可可靠靠，在在大大容容量量的的场合具有重要地位。场合具有重要地位。第第1919页页AAGGKKa)G图图1.5晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的结构晶闸管的结构外形外形螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装。两种封装。联接端联接端三个。三个。螺栓型螺栓型螺栓是阳极，与散热器紧密联接且安装方便。螺栓是阳极，与散热器紧密联接且安装方便。平板型平板型由两个散热器将其夹在中间。由两个散热器将其夹在中间。2020螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理21212.晶闸管的工作原理 图图1.6晶闸管的晶闸管的工作条件的实验电路工作条件的实验电路 承受反向阳极电压承受反向阳极电压, ,处于关断处于关断状态，与门极无关，状态，与门极无关，有反向阻断有反向阻断能力能力。 1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理要使晶闸管关断要使晶闸管关断, ,必须去掉阳极正向电压必须去掉阳极正向电压, ,或给阳极加反向或给阳极加反向电压电压, ,或降低正向阳极电压或降低正向阳极电压, ,使通过晶闸管的电流小于使通过晶闸管的电流小于维持电维持电流流( (即保持晶闸管导通的最小阳极电流即保持晶闸管导通的最小阳极电流) )。承受正向阳极电压时承受正向阳极电压时, ,若门极若门极不施加电压不施加电压, ,晶闸管也处于关断晶闸管也处于关断状态状态, ,有正向阻断能力有正向阻断能力。承受正向阳极电压承受正向阳极电压, ,同时加门同时加门极施正向电压，晶闸管由阻断变极施正向电压，晶闸管由阻断变为导通。晶闸管一旦导通，门极为导通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。就失去控制作用。单向导电性单向导电性。2222晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 图图1.7晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理IGIC2IAKAGV2V1IKIC12323(1)(1)阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。其它几种可能导通的情况：其它几种可能导通的情况：1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。(2)(2)阳极电压上升率阳极电压上升率du/dtdu/dt过高，中间结电容产生位移电流。过高，中间结电容产生位移电流。(4)光光触触发发光光触触发发可可以以保保证证控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的良良好好绝绝缘缘而而应应用用于于高高压压电电力力设设备备中中，称称为为光光控控晶晶闸闸管管（LightTriggeredThyristorLTT）。其它几种情况要尽量防止。）。其它几种情况要尽量防止。(3)(3)结温较高，漏电流增大。结温较高，漏电流增大。24241.3.2 晶闸管的特性晶闸管的特性图图1.8晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性1.静态特性静态特性可靠触发区不可靠触发区25252. 动态特性图图1.9晶闸管的动态过程晶闸管的动态过程延迟时间延迟时间T Td d(0.51.5 s) 开通过程开通过程1.3.2 晶闸管的特性晶闸管的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA上升时间上升时间Tr (0.53 s) 开通时间开通时间Ton为以上两者之为以上两者之和，和， Ton=Td+ Tr2626反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间T Trrrr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间T Tgrgr电路换向关断时间电路换向关断时间T Toffoff为为以上两者之和以上两者之和T Tq q= =T Trrrr+T+Tgrgr普通晶闸管的关断时间普通晶闸管的关断时间约几百微秒约几百微秒图图1.9晶闸管的动态过程晶闸管的动态过程关断过程关断过程100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1.3.2 晶闸管的特性晶闸管的特性2727通态损耗通态损耗 断态损耗断态损耗开通损耗开通损耗 关断损耗关断损耗图图1.10晶闸管的动态过程及相应损耗晶闸管的动态过程及相应损耗晶闸管的损耗晶闸管的损耗静态损耗静态损耗动态损耗动态损耗1.3.2 晶闸管的特性晶闸管的特性28281.额定电压UTN1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器件的额定电中较小的标值作为该器件的额定电压。压。 实际选用时，额定电压要留有一定裕量实际选用时，额定电压要留有一定裕量, ,一般取额定电压为一般取额定电压为实际工作电路中可能承受到的正向阻断重复峰值电压实际工作电路中可能承受到的正向阻断重复峰值电压U UDRMDRM和反向和反向重复峰值电压重复峰值电压U URRMRRM的最大峰值电压的最大峰值电压, ,再取再取2 23 3倍的安全裕量倍的安全裕量. .2929 晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，稳定和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值，也称电流的最大平均值，也称通态平均电流通态平均电流。2.额定电流额定电流IT(AV)（P19）额定电流的计算方法额定电流的计算方法1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 0 2图图1.11单相工频正弦半波电流单相工频正弦半波电流30303.维持电流维持电流IH在室温与门极开路时在室温与门极开路时,使晶闸管维持导通所必需使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则结温越高，则IH越小。越小。4.擎住电流擎住电流IL晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍。倍。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数31315.通态平均电压通态平均电压UT(AV)当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均值（值（1V左右）。左右）。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数6.断态电压临界上升率断态电压临界上升率dudt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通电流足够大，就会使晶闸管误导通。32327.通态电流临界上升率通态电流临界上升率didt8.门极触发电流门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。管损坏。IGT是指是指在室温且阳极电压为在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极电流。断到完全开通所必需的最小门极电流。UGT是对应于门极触发是对应于门极触发电流时的门极触发电压。电流时的门极触发电压。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数9.额定结温额定结温Tjm晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（器件内部器件内部）。33331.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.快速晶闸管快速晶闸管(FastSwitchingThyristorFST)v包包括括快快速速晶晶闸闸管管和和高高频频晶晶闸闸管管，分分别别应应用用于于400Hz400Hz和和10kHz10kHz以上的斩波或逆变电路中。以上的斩波或逆变电路中。v开关时间以及开关时间以及d du u/d/dt t和和d di i/d/dt t耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。v普普通通晶晶闸闸管管关关断断时时间间数数百百微微秒秒，快快速速晶晶闸闸管管数数十十微微秒秒，高高频晶闸管频晶闸管1010 s s左右左右。v高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。v由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。34342.双向晶闸管（双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或或Bidirectionaltriodethyristor）图图1.12 a) 1.12 a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性v可可认认为为是是一一对对反反并并联联的的普通晶闸管的集成。普通晶闸管的集成。v两两个个主主电电极极T T1 1和和T T2 2，一一个个门极门极G G。v在在第第和和第第IIIIII象象限限有有对对称的伏安特性。称的伏安特性。v不不用用平平均均值值而而用用有有效效值值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件35353.逆导晶闸管（逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT）图图1.13a)电气图形符号电气图形符号b)伏安特性伏安特性v将将晶晶闸闸管管反反并并联联一一个个二二极极管管制制作作在在同同一一管管芯上的功率集成器件。芯上的功率集成器件。v正正向向压压降降小小、关关断断时时间间短短、高高温温特特性性好好、额定结温高等优点。额定结温高等优点。1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件36364.光控晶闸管（光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）图图1.14a)电气图形符号电气图形符号b)伏安特性伏安特性v又又称称光光触触发发晶晶闸闸管管，是是利利用用一一定定波波长长的的光光照照信信号触发导通的晶闸管。号触发导通的晶闸管。v光光触触发发保保证证了了主主电电路路与与控控制制电电路路之之间间的的绝绝缘缘，且且可可避避免免电电磁磁干干扰扰的的影影响响。主主要要应应用用于于高高压压大大功率的场合。功率的场合。1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件37371.4 典型全控型器件典型全控型器件u2020世世纪纪8080年年代代以以来来，电电力力电电子子技技术术进进入入了了一一个崭新时代。个崭新时代。u典典型型代代表表门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管、电电力力晶晶体体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。38381.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGiant TransistorGTRGTR，Bipolar Bipolar Junction TransistorJunction TransistorBJTBJT），），也称为也称为Power BJTPower BJT。优点优点耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等。和安全工作区宽等。缺点缺点二次击穿、驱动功率大等。二次击穿、驱动功率大等。应用应用2020世纪世纪8080年代以来，在中、小功率范围内取年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被代晶闸管，但目前又大多被IGBTIGBT和电力和电力MOSFETMOSFET取代。取代。39391.基本工作原理基本工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。2.结构结构 通常采用至少由两个晶体管通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，按达林顿接法组成的单元结构，采用集成电路工艺将许多这种采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成单元并联而成 。1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)40403.静态特性静态特性 (1)(1)共发射极接法时的典型输出特性：共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和和饱和区饱和区。 (2)(2)电力电子电路中电力电子电路中GTRGTR工作在开关状态。工作在开关状态。 (3)(3)开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，经过放大区。开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，经过放大区。 图图1.15 GTR1.15 GTR内部结构和电气符号内部结构和电气符号共发射极接法时共发射极接法时GTRGTR的静态特性的静态特性NNPPPN41414.动态特性动态特性 开开通通过过程程延延迟迟时时间间td和和上上升升时时间间tr，二二者者之之和和为开通时间为开通时间ton。 关关断断过过程程储储存存时时间间ts和和下下降降时时间间tf，二二者者之之和和为为关关断断时时间间toff。GTR的的开开关关时时间间在在几几微微秒秒以以内内，比比晶晶闸闸管和管和GTO都短很多。都短很多。图图1.16 GTR1.16 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)42425.GTR的主要参数的主要参数 (1)(1)最高工作电压（即额定电最高工作电压（即额定电压）压） (2) (2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcM (3) (3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcMGTR上电压超过规定值时会发生击穿。上电压超过规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcboBUcexBUcesBUcerBUceo。 实际使用时，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。低得多。 通通常常规规定定为为直直流流电电流流放放大大系系数数hFE下下降降到到规规定定值值的的1/21/3时时所所对对应的应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点。1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)43436.二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区(1) (1) 一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，I Ic c迅速增大，出现雪崩击穿；迅速增大，出现雪崩击穿；只要只要I Ic c不超过限度，不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，工作特性也不变。(2)(2)二次击穿二次击穿一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则I Ic c继续增大，当继续增大，当达到某个临界点时，达到某个临界点时，U Ucece会突然降低至一个小值，同时导致会突然降低至一个小值，同时导致I Ic c急急剧上升，这种现象称为二次击穿。剧上升，这种现象称为二次击穿。二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏，必需避免。即导致器件的永久损坏，必需避免。1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)4444图图1.17GTR的安全工作区的安全工作区(3) (3) 安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSafe Operating AreaSOASOA） 最高电压最高电压U UceMceM、集电集电极最大电流极最大电流I IcMcM、最大耗最大耗散功率散功率P PcMcM、二次击穿临二次击穿临界线界线P PSBSB限定。限定。1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)45451.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管特点特点用栅源电压来控制漏极电流用栅源电压来控制漏极电流u驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。u开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。u热稳定性优于热稳定性优于GTRGTR。u电电流流容容量量小小，耐耐压压低低，一一般般只只适适用用于于功功率率不不超超过过10kW10kW的电力电子装置的电力电子装置 。电力场效应晶体管电力场效应晶体管(Power MOSFET)(Power MOSFET)分为结型和绝分为结型和绝缘栅型。通常主要指绝缘栅型场效应晶体管。结型电缘栅型。通常主要指绝缘栅型场效应晶体管。结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Static Induction TransistorInduction TransistorSITSIT）4646主要用主要用N N沟道沟道、增强型增强型、绝缘栅型绝缘栅型。和微电子里的和微电子里的MOSMOS管管导电机理导电机理相同。相同。和微电子里的和微电子里的区别区别：前者是：前者是一次扩散一次扩散而成，后者是而成，后者是二次二次扩散扩散而成，前者是而成，前者是横向导电型横向导电型，后者是，后者是垂直导电型垂直导电型。 1.结构和工作原理结构和工作原理图图1.18a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图b)电气图形符号电气图形符号1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管4747n按导电沟道可分为按导电沟道可分为P P沟道沟道和和N N沟道。沟道。n按按源源漏漏极极存存在在导导电电沟沟道道时时的的栅栅极极电电压压类类型型分分为为耗耗尽尽型型和和增增强强型。型。n耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。n增增强强型型对对于于N N（P P）沟沟道道器器件件，栅栅极极电电压压大大于于（小小于于）零时才存在导电沟道。零时才存在导电沟道。n电力电力MOSFETMOSFET主要是主要是N N沟道增强型沟道增强型。MOSFETMOSFET的种类的种类1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管48482.静态特性静态特性(注意和注意和GTR的区别，特别是饱和区的的区别，特别是饱和区的位置不同位置不同)图图1.19a)转移特性转移特性010203050402468a)ID/AUTUGS/V漏极电流漏极电流I ID D和栅源间电压和栅源间电压U UGSGS的的关系称为关系称为MOSFETMOSFET的的转移特性转移特性。I ID D较大较大时，时，I ID D与与U UGSGS的关系近似的关系近似线性，曲线的斜率定义为线性，曲线的斜率定义为跨导跨导G Gfsfs。1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管4949截止区截止区（GTRGTR的截止区）的截止区）饱和区饱和区（GTRGTR的放大区）的放大区）非饱和区非饱和区（GTRGTR的饱和区）的饱和区）工工作作在在开开关关状状态态，即即在在截截止止区区和和非饱和区之间来回转换。非饱和区之间来回转换。漏漏源源极极之之间间有有寄寄生生二二极极管管，漏漏源源极间加反向电压时器件导通。极间加反向电压时器件导通。通通态态电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数，对对器器件并联时的均流有利。件并联时的均流有利。10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图图1.19b)输出特性输出特性1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管50503.动态特性动态特性 图图1.20 1.20 a) a) 测试电路测试电路 b) b) 开关过程波形开关过程波形 RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfa) b)开开通通过过程程开开通通延延迟迟时时间间t td(on)d(on) 和和上上升升时时间间t tr r之和为之和为开通时间开通时间t tonon关关断断过过程程关关断断延延迟迟时时间间t td(off)d(off)和和下下降降时时间间t tf f之和为之和为关断时间关断时间t toffoff1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管5151 MOSFETMOSFET的开关速度和输入电容的开关速度和输入电容C Cinin的充放电有很大关系；的充放电有很大关系； 使使用用者者无无法法降降低低C Cinin，但但可可降降低低驱驱动动电电路路内内阻阻R Rs s减减小小时时间间常常数，加快开关速度，所以选择数，加快开关速度，所以选择R RS S很关键（一般为几十欧姆）；很关键（一般为几十欧姆）； MOSFETMOSFET只只靠靠多多子子导导电电，不不存存在在少少子子储储存存效效应应，因因而而关关断断过过程非常迅速；程非常迅速； MOSFETMOSFET开开关关时时间间在在1010100ns100ns之之间间，工工作作频频率率可可达达100kHz100kHz以以上，是上，是常用电力电子器件中最高的常用电力电子器件中最高的； 场场控控器器件件，静静态态时时几几乎乎不不需需输输入入电电流流。但但在在开开关关过过程程中中需需对对输输入入电电容容充充放放电电，仍仍需需一一定定的的驱驱动动功功率率。开开关关频频率率越越高高，所需要的驱动功率越大。所需要的驱动功率越大。MOSFETMOSFET的开关特点：的开关特点：1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管52524.电力电力MOSFET的主要参数的主要参数1)1)漏源额定电压漏源额定电压U UDSDS 电力电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额2) 2) 漏极额定电流漏极额定电流I ID D和漏极峰值电流和漏极峰值电流I IDMDM电力电力MOSFETMOSFET电流定额电流定额3) 3) 栅源电压栅源电压U UGSGS U UGSGS 20V20V将导致绝缘层击穿。将导致绝缘层击穿。 4)4)极间电容极间电容极间电容极间电容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管53531.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 特点特点器件器件优点优点缺点缺点晶体管晶体管GTRGTR开关时间短、饱和压降低和开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽安全工作区宽 存在二次击穿、驱动功率较大、存在二次击穿、驱动功率较大、驱动电路复杂驱动电路复杂电力电力MOSFETMOSFET驱动电路简单、驱动功率小、驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、开关速度快、工作频率高、输入阻抗高、热稳定性优良、输入阻抗高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽无二次击穿、安全工作区宽 电流容量小，耐压低，通态电阻电流容量小，耐压低，通态电阻大，只适用于中小功率电力电子大，只适用于中小功率电力电子装置装置 绝绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管（Insulated-gate Insulated-gate Bipolar Bipolar TransistorIGBTTransistorIGBT或或IGTIGT）集集二二者者的的优优点点于于一一身身。19861986年年投投入入市市场场，是是中中小小功功率率电电力力电电子子设设备备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。54541.IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极三端器件：栅极G G、集电极集电极C C和发射极和发射极E E1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图图1-21IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图b)简化等效电路简化等效电路c)电气图形符号电气图形符号E5555(1) (1) 结构结构vIGBTIGBT相当于一个由相当于一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区BJTBJT。vR RN N为晶体管基区内的为晶体管基区内的扩展电阻扩展电阻。vIGBTIGBT是以是以BJTBJT为主导元件，为主导元件，MOSFETMOSFET为驱动元件的为驱动元件的达林顿结构器件达林顿结构器件。v图图1.22a1.22a是是N N沟道沟道MOSFETMOSFET与与BJTBJT组合组合N N沟道沟道IGBTIGBT。1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管E图图1-21IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图b)简化等效电路简化等效电路c)电气图形符号电气图形符号5656(2)(2)工作原理工作原理 驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFETMOSFET基基本本相相同同，场场控控器器件件，通通断断由由栅栅射极间电压射极间电压u uGEGE决定。决定。v导导通通：u uGEGE大大于于开开启启电电压压U UGE(thGE(th) )时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，为为晶晶体管提供基极电流体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。v通态压降通态压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻R RN N减小，使通态压降减小。减小，使通态压降减小。v关关断断：栅栅射射极极间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，MOSFETMOSFET内内的的沟沟道道消消失，晶体管的基极电流被切断失，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管5757静态特性静态特性2.基本特性基本特性图图1.22a)转移特性转移特性b)输出特性输出特性O有源区有源区正向阻断区正向阻断区饱饱和和区区反向阻断区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管5858动态特性动态特性开通过程开通过程与与MOSFETMOSFET相似相似开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on) 电流上升时间电流上升时间t tr r 开通时间开通时间t tononu uCECE的的下下降降过过程程分分为为t tfv1fv1和和t tfv2fv2两段。两段。 t tfv1fv1IGBTIGBT中中 MOSFETMOSFET单单独工作的电压下降过程；独工作的电压下降过程； t tfv2fv2MOSFETMOSFET和和PNPPNP晶晶体体管管同同时时工工作作的的电电压压下下降降过过程程。图图1.23IGBT的动态特性的动态特性ttt10%10%90%90%10%10%90%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管5959图图1.23IGBT的动态特性的动态特性ttt10%10%90%90%10%10%90%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM关断延迟时间关断延迟时间t td(offd(off）电流下降时间电流下降时间t tf f关断时间关断时间t toffoff电电流流下下降降时时间间又又可可分分为为t tfi1fi1和和t tfi2fi2两段。两段。t tfi1fi1IGBTIGBT器器 件件 内内 部部 的的MOSFETMOSFET的的关关断断过过程程，i iC C下下降降较较快。快。t tfi2fi2IGBTIGBT内内部部的的PNPPNP晶晶体体管管的的关关断断过过程程，i iC C下下降降较较慢。慢。IGBTIGBT的关断过程的关断过程1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管6060正常工作温度下允许的最大功耗 。(3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(2)最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压最大集射极间电压UCES3.主要参数主要参数1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管6161IGBTIGBT的特性和参数特点总结如下：的特性和参数特点总结如下：开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 相相同同电电压压和和电电流流定定额额时时，安安全全工工作作区区比比GTRGTR大大，且且具具有有耐耐脉冲电流冲击能力。脉冲电流冲击能力。通态压降比电力通态压降比电力MOSFETMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似。类似。与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点同时保持开关频率高的特点 。1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管62624.擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应动态擎住效应动态擎住效应比比静态擎住效应静态擎住效应所允许的集电极电流小。所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制擎住效应曾限制IGBTIGBT电流容量提高，电流容量提高，2020世纪世纪9090年代中后年代中后期开始逐渐解决。期开始逐渐解决。NPNNPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P P型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对对J J3 3结施加正偏压，一旦结施加正偏压，一旦J J3 3开通，栅极就会失去对集电开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。极电流的控制作用，电流失控。1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管6363最大集电极电流最大集电极电流I Icpcp、最大集射极间电压最大集射极间电压U UCESCES和最大和最大允许电压上升率允许电压上升率duduCECE/dt/dt确定。确定。反向偏置安全工作区（反向偏置安全工作区（RBSOARBSOA）最大集电极电流最大集电极电流I Icpcp、最大集射极间电压最大集射极间电压U UCESCES和最大和最大集电极功耗集电极功耗P PCMCM确定。确定。正向偏置安全工作区（正向偏置安全工作区（FBSOAFBSOA）5.安全工作区安全工作区1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管64641.5 其他全控型电力电子器件简介其他全控型电力电子器件简介1.1.门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO高电压、大电流双极全控型器件。高电压、大电流双极全控型器件。反向电流大，控制复杂、控制功率较大。反向电流大，控制复杂、控制功率较大。适用于大功率场合。适用于大功率场合。 2.2.静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT多多子子导导电电，工工作作频频率率与与电电力力MOSFETMOSFET相相当当，甚甚至至更更高高，功功率率容量更大，适用于容量更大，适用于高频大功率场合高频大功率场合。在在雷雷达达通通信信设设备备、超超声声波波功功率率放放大大、脉脉冲冲功功率率放放大大和和高高频频感应加热等领域获得应用。感应加热等领域获得应用。栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不方便。栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不方便。通态电阻较大，通态损耗也大。通态电阻较大，通态损耗也大。 65653.3.静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH4.4. MOSMOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCTMOSFETMOSFET与晶闸管的复合器件与晶闸管的复合器件承受极高承受极高di/dtdi/dt和和du/dtdu/dt，快速的开关过程，开关损耗小。快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。达到预期的数值，未能投入实际应用。1.5 其他全控型电力电子器件简介其他全控型电力电子器件简介两两种种载载流流子子导导电电、双双极极型型，具具有有电电导导调调制制效效应应，通通态态压压降低、通流能力强。降低、通流能力强。其其很很多多特特性性与与GTOGTO类类似似，但但开开关关速速度度比比GTOGTO高高得得多多，是是大大容量的快速器件。容量的快速器件。制造工艺复杂，成本较高。制造工艺复杂，成本较高。关断时需要较大的门极驱动电流。关断时需要较大的门极驱动电流。66665.5. 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT1.5 其他全控型电力电子器件简介其他全控型电力电子器件简介2020世世纪纪9090年年代代后后期期出出现现，结结合合了了IGBTIGBT与与GTOGTO的的优点，容量优点，容量与与GTOGTO相当，开关速度相当，开关速度快快1010倍。倍。可可省省去去GTOGTO复复杂杂的的缓缓冲冲电电路路，但但驱驱动动功功率率仍仍很很大。大。目目前前正正在在与与IGBTIGBT等等新新型型器器件件激激烈烈竞竞争争，试试图图最终取代最终取代GTOGTO在大功率场合的位置。在大功率场合的位置。67672020世世纪纪8080年年代代中中后后期期开开始始模模块块化化趋趋势势，将将多多个个器器件封装在一个模块中，称为件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对对工工作作频频率率高高的的电电路路，可可大大大大减减小小线线路路电电感感，从从而简化对保护和缓冲电路的要求。而简化对保护和缓冲电路的要求。将将器器件件与与逻逻辑辑、控控制制、保保护护、传传感感、检检测测、自自诊诊断断等等信信息息电电子子电电路路制制作作在在同同一一芯芯片片上上，称称为为功功率率集成电路集成电路PIC PIC （Power Integrated CircuitPower Integrated Circuit）。）。6. 6. 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.5 其他全控型电力电子器件简介其他全控型电力电子器件简介6868智智能能功功率率集集成成电电路路SPICSPIC（Smart Smart Power Power ICIC）通通常常指指纵纵向向功功率率器器件件与与控控制制和和保保护护电电路路的的集集成成。通通常常用用于于电电压压调调节节器器、汽汽车车功功率率开开关关、开开关关电电源源、电电机机驱驱动动、家家用用电电器器等等产品上。产品上。高高压压集集成成电电路路HVICHVIC（High High Voltage Voltage ICIC）一一般般指指高高压压器器件件与与逻逻辑辑或或模模拟拟控控制制电电路路的的单单片片集集成成。通通常常用用于于小小型型电电机机驱动及电话交换机用户电路等需要较高电压的地方。驱动及电话交换机用户电路等需要较高电压的地方。智智能能功功率率模模块块IPMIPM（Intelligent Intelligent Power Power ModuleModule）则则专专指指IGBTIGBT及及其其辅辅助助器器件件与与其其保保护护和和驱驱动动电电路路的的单单片片集集成成，也也称智能称智能IGBTIGBT（Intelligent IGBTIntelligent IGBT）。）。实际应用电路实际应用电路按照制作工艺及应用范围分按照制作工艺及应用范围分1.5 其他全控型电力电子器件简介其他全控型电力电子器件简介6969功功率率集集成成电电路路的的主主要要技技术术难难点点：高高低低压压电电路路之之间间的的绝绝缘缘问问题以及温升和散热的处理。题以及温升和散热的处理。目前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。目前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智智能能功功率率模模块块在在一一定定程程度度上上回回避避了了上上述述两两个个难难点点, ,最最近近几几年获得了迅速发展。年获得了迅速发展。功功率率集集成成电电路路实实现现了了电电能能和和信信息息的的集集成成，成成为为机机电电一一体体化化的理想接口。的理想接口。发展现状发展现状1.5 其他全控型电力电子器件简介其他全控型电力电子器件简介70701.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 l作用和任务作用和任务主电路与控制电路之间的接口，将控制电主电路与控制电路之间的接口，将控制电路输出的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电路输出的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。使使电电力力电电子子器器件件工工作作在在较较理理想想的的开开关关状状态态，缩缩短短开开关关时时间间，减减小小开开关关损损耗耗。对对装装置置的的运运行行效效率率、可可靠靠性性和和安安全全性都有重要的意义。性都有重要的意义。一一些些保保护护措措施施也也往往往往设设在在驱驱动动电电路路中中，或或通通过过驱驱动动电电路路实现。实现。驱动电路还提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。驱动电路还提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。 1.6.1电力电子变流装置驱动电路概述电力电子变流装置驱动电路概述7171图图1.24光耦的类型及接发光耦的类型及接发(a)普通型普通型 (b)高速型高速型 (c) 高传输比型高传输比型 变流装置中，为了防止主电路的高压引入控制电路带来安全变流装置中，为了防止主电路的高压引入控制电路带来安全隐患和尽量减小主电路对控制电路的电磁干扰，控制电路和主隐患和尽量减小主电路对控制电路的电磁干扰，控制电路和主电路之间一般要采取电气隔离措施。常常用电路之间一般要采取电气隔离措施。常常用光隔离光隔离或或磁隔离磁隔离。电气隔离措施电气隔离措施1.6.1 电力电子变流装置驱动电路概述电力电子变流装置驱动电路概述7272图图1.25光耦的输入和输出脉冲光耦的输入和输出脉冲波形波形图图1.26脉冲变压器隔离电路脉冲变压器隔离电路1.6.1 电力电子变流装置驱动电路概述电力电子变流装置驱动电路概述73731.6.2 晶闸管变流装置的触发电路晶闸管变流装置的触发电路晶闸管相控装置对触发电路的要求晶闸管相控装置对触发电路的要求图图1.27常见的触发脉冲波形常见的触发脉冲波形（1）触发脉冲必须有足够的功率，保证在允许的整个工作温度范围内，对）触发脉冲必须有足够的功率，保证在允许的整个工作温度范围内，对所有合格的元件都能可靠触发。所有合格的元件都能可靠触发。（2）触发脉冲应有足够的宽度，以保证晶闸管可靠导通。）触发脉冲应有足够的宽度，以保证晶闸管可靠导通。（3）触发脉冲的前沿应尽量陡些。）触发脉冲的前沿应尽量陡些。（4）触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要）触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的范围内移动。求在规定的范围内移动。（5）触发脉冲与晶闸管主回路电源电压必须同步。）触发脉冲与晶闸管主回路电源电压必须同步。（6）触发电路与晶闸管主回路之间有必要的电气隔离。）触发电路与晶闸管主回路之间有必要的电气隔离。作用作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。时刻由阻断转为导通。7474晶闸管变流装置触发电路简介晶闸管变流装置触发电路简介（1 1）主要有）主要有3 3种类型种类型 A A、由分立元件组成的触发电路，一般称之为、由分立元件组成的触发电路，一般称之为分立式触发电路。分立式触发电路。 B B、由模拟集成电路和少量的外围元件组成的、由模拟集成电路和少量的外围元件组成的模拟集成触发电路。模拟集成触发电路。C C、数字触发电路。、数字触发电路。1.6.2 晶闸管变流装置的触发电路晶闸管变流装置的触发电路7575（2 2）一种比较典型）一种比较典型的分立式触发电的分立式触发电路路 同步信号同步信号为锯齿波的触发为锯齿波的触发电路电路 1 1） 脉冲形成与放大脉冲形成与放大 环节环节 2 2） 锯齿波的形成锯齿波的形成 和脉冲移相环节和脉冲移相环节 3 3） 同步环节同步环节 4 4） 强触发环节强触发环节 5 5） 双窄脉冲形成双窄脉冲形成 环节环节1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路图图1.28同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路76761）脉冲形成）脉冲形成与放大环节与放大环节 E1R7E2-E1uco1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路77772） 锯齿波的形成锯齿波的形成 和脉冲移相环节和脉冲移相环节锯齿波电压形成电锯齿波电压形成电路由路由V1、V2、V3和和C2等元件组成，其中等元件组成，其中V1、VS、RP2和和R3为一恒为一恒流源电路。流源电路。1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路7878 3） 同步环节同步环节 同步环节是由同步变压器同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和和晶体管晶体管V2组成。同步变压器组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电上，用同步变压器的二次电压来控制压来控制V2的通断作用，这的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路就保证了触发脉冲与主电路电源同步。电源同步。R1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路79794） 强触发环节强触发环节36V交流电压经整流、滤波后得到交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压，直流电压，经经R15对对C6充电，充电，B点电位为点电位为50V。当。当V8导通时，导通时，C6经经脉冲变压器一次侧脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电，形成脉冲尖峰，迅速放电，形成脉冲尖峰，由于有由于有R15的电阻，且电容的电阻，且电容C6的存储能量有限，的存储能量有限，B点电点电位迅速下降。当位迅速下降。当B点电位下降到点电位下降到14.3V时，时，VD15导通，导通，B点电位被点电位被15V电源钳位在电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。，形成脉冲平台。C5组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路80805） 双窄脉冲形成环节双窄脉冲形成环节触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60o的脉冲，的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。得到双脉冲称为外双脉冲。 本触发电路属于内双脉冲电路。当本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可以产生符合要求导通，有脉冲输出。因此本电路可以产生符合要求的双脉冲。的双脉冲。 第一个脉冲由本相触发单元的第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角对应的控制角使使V4由截由截止变导通造成止变导通造成V5瞬时截止，使得瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔输出脉冲。隔60o的第二的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路8181在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：下图接线。六个触发器的连接顺序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路82826）脉冲封锁）脉冲封锁二极管二极管VDVD5 5阴极接零电位或负电位，使阴极接零电位或负电位，使V V7 7、V V8 8截止，可以实现脉冲封锁。截止，可以实现脉冲封锁。VDVD5 5用来防用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。止接地端与负电源之间形成大电流通路。1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路8383（3 3）模拟集成触发电路）模拟集成触发电路分为分为3 3类：类： 第一类是利用运算放大器、时基电路第一类是利用运算放大器、时基电路( (如如 555555、556)556)等集成电路和部分分立元件构成的触发电路等集成电路和部分分立元件构成的触发电路 第二类是在分立式触发电路基础上经功能扩充后，构第二类是在分立式触发电路基础上经功能扩充后，构成了专用单片集成触发电路成了专用单片集成触发电路 第三类是若干个触发电路组成的集成触发单元第三类是若干个触发电路组成的集成触发单元1.6.2 晶闸管变流装置触发电路晶闸管变流装置触发电路84841.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路GTRGTR驱动电路的设计原则驱动电路的设计原则保证输出比较理想的基极电流保证输出比较理想的基极电流波形和选择高效可靠的驱动电路。波形和选择高效可靠的驱动电路。GTRGTR对驱动电路的基本要求：对驱动电路的基本要求： （1 1） GTRGTR开通时，驱动电路提供的基极电流应具有足够的基开通时，驱动电路提供的基极电流应具有足够的基极驱动和快速的上升沿，并一开始有一定的过冲，以加速开极驱动和快速的上升沿，并一开始有一定的过冲，以加速开通的过程，减小开通损耗。通的过程，减小开通损耗。 （2 2） GTRGTR导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证况下都能保证GTRGTR处于饱和导通状态，使处于饱和导通状态，使GTRGTR的饱和压降较低，的饱和压降较低，以保证低的导通损耗。为了减小存储时间，能控制以保证低的导通损耗。为了减小存储时间，能控制GTRGTR在关在关断前处于临界饱和状态，即准饱和状态。断前处于临界饱和状态，即准饱和状态。1.GTR驱动电路驱动电路8585 （3 3）关断瞬时，驱动电路应提供足够的反向基极驱动，以迅速）关断瞬时，驱动电路应提供足够的反向基极驱动，以迅速抽出基区的剩余载流子，减小存储时间抽出基区的剩余载流子，减小存储时间t ts s；并加反偏截止电压，；并加反偏截止电压，使集电极电流迅速下降以减小下降时间使集电极电流迅速下降以减小下降时间t tf f。而在功率管开通前功。而在功率管开通前功率管基射极间的反偏电压应为零或很小。率管基射极间的反偏电压应为零或很小。 （4 4）驱动电路损耗要小，电路尽可能简单可靠，便于集成。）驱动电路损耗要小，电路尽可能简单可靠，便于集成。 （5 5）驱动电路中常要解决控制电路与主电路之间的电气隔离。）驱动电路中常要解决控制电路与主电路之间的电气隔离。图图1.29比较理想的基极驱动电流波形比较理想的基极驱动电流波形tOib1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路8686GTRGTR驱动电路简介驱动电路简介（1 1） GTRGTR具体的驱动电路形式繁多，这里仅简单介绍几个典具体的驱动电路形式繁多，这里仅简单介绍几个典型的型的GTRGTR驱动电路。驱动电路。图图1.30GTR的一种驱动电路的一种驱动电路1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路8787图图1.31UAA4002原理框图原理框图 在在GTRGTR的驱动专用集成电路中，法国汤姆森半导体的驱动专用集成电路中，法国汤姆森半导体公司的公司的UAA4002UAA4002和日本三菱公司的和日本三菱公司的M57215BLM57215BL得到较为广得到较为广泛的应用。下面简单介绍一下泛的应用。下面简单介绍一下UAA4002UAA4002。 1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路8888图图1.32由由UAA4002组成的组成的GTR驱动电路驱动电路UAA4002UAA4002组成的组成的GTRGTR驱动电路。驱动电路。 UAA4002UAA4002的独特设计使它也非常适用于驱动电力场控的独特设计使它也非常适用于驱动电力场控器件，如电力器件，如电力MOSFETMOSFET或或IGBTIGBT。且由于。且由于UAA4002UAA4002的输出电流足的输出电流足以快速地控制输入电容为纳法的器件，所以它特别适用于以快速地控制输入电容为纳法的器件，所以它特别适用于控制若干个并联的电力场控器件。控制若干个并联的电力场控器件。1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路89892.IGBT的驱动电路的驱动电路 GTRGTR为电流型控制器件，用基极电流来控制集电极电为电流型控制器件，用基极电流来控制集电极电流。而流。而IGBTIGBT是电压型控制器件，用栅极电压来控制集电极是电压型控制器件，用栅极电压来控制集电极电流。因此，其对驱动电路的要求不同。电流。因此，其对驱动电路的要求不同。IGBT对驱动电路的要求对驱动电路的要求（1 1） 栅极正偏电压栅极正偏电压+U+UGEGE 的影响的影响 图图1.33IGBT通态电压与栅极电压的关系通态电压与栅极电压的关系1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路负载短路时，流过器件的负载短路时，流过器件的的集电极电流随的集电极电流随UGE的增的增大而增大，并使器件承受大而增大，并使器件承受短路电流的时间变短。通短路电流的时间变短。通常使用常使用+15V。9090（2 2） 栅极负偏压栅极负偏压-U-UGEGE 的影响的影响图图1.34集电极浪涌电流与栅极负电压的关系集电极浪涌电流与栅极负电压的关系1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路负偏压负偏压-UGE使使IGBT关断，且能抑制集电极脉冲浪涌电流，关断，且能抑制集电极脉冲浪涌电流，避免发生动态擎住现象。通常使用避免发生动态擎住现象。通常使用-5V或更低。或更低。9191IGBT的驱动电路简介的驱动电路简介IGBT实际应用中的一个重要问题是栅极驱动电路设计实际应用中的一个重要问题是栅极驱动电路设计得是否合理。总的来说，由于场控制件的导电机理，得是否合理。总的来说，由于场控制件的导电机理，IGBT的驱动电路比的驱动电路比GTR的驱动电路简单。的驱动电路简单。图图1.35IGBT的驱动电路的驱动电路1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路9292图图1.36M57962L型型IGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路9393图图1.37经过一级放大后驱动经过一级放大后驱动(用来驱动大电流模块用来驱动大电流模块)1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路9494图图1.38直接驱动（采用驱动直接驱动（采用驱动IC驱动）驱动）1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路9595 IGBTIGBT的栅极驱动设计的栅极驱动设计图图1.39典型栅极驱动电路框图典型栅极驱动电路框图1.6.2 典型全控型器件驱动电路典型全控型器件驱动电路9696 1.7 晶闸管变流装置的保护电路晶闸管变流装置的保护电路n原因原因财产安全和人身安全财产安全和人身安全n通常有五种保护电路：通常有五种保护电路：晶闸管过流保护晶闸管过流保护晶闸管过压保护晶闸管过压保护晶闸管晶闸管dudu/ /dtdt保护保护晶闸管晶闸管didi/ /dtdt保护保护晶闸管门极保护晶闸管门极保护 97971.7.1 晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压保护外因过电压：外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因主要来自雷击和系统操作过程等外因雷击过电压雷击过电压：由雷击所产生的大气干扰引起：由雷击所产生的大气干扰引起操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起：由分闸、合闸等开关操作引起内因过电压：内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 在在晶晶闸闸管管从从导导通通到到阻阻断断过过程程中中，由由于于晶晶闸闸管管反反向向电电流流突突变会因线路电感在器件两端感应出的过电压。变会因线路电感在器件两端感应出的过电压。电力电子装置可能的电力电子装置可能的过电压过电压外因过电压外因过电压和内因过电压内因过电压9898A、避雷器保护、避雷器保护1.7.1 晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压保护保护措施保护措施B、利用非线性过电压保护元件保护、利用非线性过电压保护元件保护图图1.40压敏电阻的伏安特性压敏电阻的伏安特性图图1.41压敏电阻过电压保护的接法压敏电阻过电压保护的接法9999C、利用储能元件保护、利用储能元件保护图图1.42阻容过电压保护的连接方法阻容过电压保护的连接方法图图1.43RCD过电压吸收电路过电压吸收电路1.7.1 晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压保护100100图图1.44晶闸管变流装置过电压保护主要措施及设置位置晶闸管变流装置过电压保护主要措施及设置位置A A 避避雷雷器器；B B 接接地地电电容容，C C 阻阻容容保保护护；D D 整整流流式式阻阻容容保保护护； E E 压敏电阻保护；压敏电阻保护；F F 器件侧阻容保护器件侧阻容保护D、利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护、利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护1.7.1 晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压保护1011011.7.2 晶闸管变流装置的过电流保护晶闸管变流装置的过电流保护保护措施保护措施：过电流过电流过载过载和和短路短路两种情况两种情况同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。保护，过电流继电器整定在过载时动作。负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器 变流器直流快速断路器电流互感器变压器图图1.45过电流保护措施及其配置位置过电流保护措施及其配置位置102102全全保保护护：过过载载、短短路路均均由由快快熔熔进进行行保保护护，适适用用于于小小功功率装置或器件裕度较大的场合。率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。v对对重重要要的的且且易易发发生生短短路路的的晶晶闸闸管管设设备备，或或全全控控型型器件，需采用电子电路进行过电流保护。器件，需采用电子电路进行过电流保护。v常常在在全全控控型型器器件件的的驱驱动动电电路路中中设设置置过过电电流流保保护护环环节，响应最快节，响应最快。快熔对器件的保护方式：快熔对器件的保护方式：全保护全保护和和短路保护短路保护两种两种1.7.2 晶闸管变流装置的过电流保护晶闸管变流装置的过电流保护1031031.7.3 限制晶闸管的限制晶闸管的du/dt和和di/dt保护保护（1）限制限制du/dt保护措施保护措施(1)产生电压上升率产生电压上升率dudt的原因的原因由电网侵入的过电压。由电网侵入的过电压。由于晶闸管换相时造成的由于晶闸管换相时造成的dudt过大。过大。(2)电压上升率电压上升率dudt的限制方法的限制方法在晶闸管两端并联一个在晶闸管两端并联一个RC或或RCD吸收电路。吸收电路。（2）限制限制di/dt保护措施保护措施(1)变换器中产生过大的变换器中产生过大的didt 的原因的原因在晶闸管开通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电。在晶闸管开通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电。交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。直流侧负载突然短路。直流侧负载突然短路。(2)电流上升率电流上升率didt的限制方法的限制方法在阻容保护中选择合适的电阻。在阻容保护中选择合适的电阻。在每个桥臂上与晶闸管串联一个约几到几十微亨的小电感。在每个桥臂上与晶闸管串联一个约几到几十微亨的小电感。1041041.7.4 晶闸管的门极保护晶闸管的门极保护（1）在主电路和触发电路，一些瞬变电压也可能通过布线电）在主电路和触发电路，一些瞬变电压也可能通过布线电容或空间传播进入门极电路。容或空间传播进入门极电路。（2）晶闸管的门极保护的目的除了防止本身免遭过电压（过）晶闸管的门极保护的目的除了防止本身免遭过电压（过电流）的损坏外，还要防止门极受干扰的影响而使晶闸管电流）的损坏外，还要防止门极受干扰的影响而使晶闸管误触发导通。误触发导通。图图1.46晶闸管的门极保护措施晶闸管的门极保护措施1051051.7.5 缓冲电路缓冲电路1.电力电子变流装置缓冲电路的作用电力电子变流装置缓冲电路的作用缓冲电路缓冲电路又称为吸收电路，其又称为吸收电路，其作用作用是抑制电力电是抑制电力电子器件的过电压、子器件的过电压、dudu/ /dtdt或者过电流和或者过电流和didi/ /dtdt，降，降低电力电子开关器件的开关应力，将开关过程软低电力电子开关器件的开关应力，将开关过程软化，减小器件的开关损耗并对器件给予可靠的保化，减小器件的开关损耗并对器件给予可靠的保护，维护系统安全运行。护，维护系统安全运行。缓冲电路可分为缓冲电路可分为关断缓冲电路关断缓冲电路、开通缓冲电路和开通缓冲电路和复合缓冲电路复合缓冲电路。 106106n关断缓冲电路关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。n开通缓冲电路开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。n复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。n按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路和馈能式缓馈能式缓冲电路冲电路（无损吸收电路）。n通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。1.7.5 缓冲电路缓冲电路107107b)tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC图图1-47di/dt抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a)电路电路b)波形波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO 图图1-48关断时的负载线关断时的负载线1.7.5 缓冲电路缓冲电路2.IGBT的缓冲电路分析的缓冲电路分析充放电型充放电型RCDRCD缓冲电路适缓冲电路适用于中等容量的场合。用于中等容量的场合。1081081.7.5 缓冲电路缓冲电路图图1-49另外两种常用的缓冲电路另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路吸收电路b)放电阻止型放电阻止型RCD吸收电路吸收电路其中其中RCRC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型止型RCDRCD缓冲电路用于中或大容量器件缓冲电路用于中或大容量器件1091091.8 电力电子器件的串联与并联运行电力电子器件的串联与并联运行1.8.11.8.1电力电子器件的串联运行电力电子器件的串联运行问问题题：理理想想串串联联希希望望器器件件分分压压相相等等，但但因因特特性性差差异异，使使器器件件电压分配不均匀电压分配不均匀而导致器件的损坏。而导致器件的损坏。静静态态不不均均压压：串串联联的的器器件件在在阻阻断断时时流流过过的的漏漏电电流流相相同同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压：动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压不均压。目的：目的：多个器件串联以承担较大的电压。多个器件串联以承担较大的电压。1101101.8.1电力电子器件的串联运行电力电子器件的串联运行静态均压措施：静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。选用参数和特性尽量一致的器件。采采用用电电阻阻均均压压，R Rp p的的阻阻值值应应比比器器件件阻阻断断时时的的正正、反反向向电电阻小得多，则元件的电压分配主要取决于均压电阻。阻小得多，则元件的电压分配主要取决于均压电阻。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图图1.1.51 51 a)a)伏安特性差异伏安特性差异b)b)串联均压措施串联均压措施动态均压措施：动态均压措施：选选择择动动态态参参数数和和特特性性尽量一致的器件。尽量一致的器件。用用RCRC并并联联支支路路作作动动态态均压。均压。采采用用门门极极强强脉脉冲冲触触发发可可以以显显著著减减小小器器件件开开通时间的差异。通时间的差异。1111111.8.2 电力电子器件的并联运行电力电子器件的并联运行问题：问题：分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。静态均流措施：静态均流措施：挑选伏安特性和其他参数尽量一致的器件。挑选伏安特性和其他参数尽量一致的器件。串联电阻器或快速熔断器。串联电阻器或快速熔断器。目的：目的：多个器件并联来承担较大的电流多个器件并联来承担较大的电流挑选动态参数和特性尽量一致的器件。挑选动态参数和特性尽量一致的器件。在器件阳极串均流电抗器；在器件阳极串均流电抗器；并联支路间相互耦合的均流互感器；并联支路间相互耦合的均流互感器；用门极强脉冲触发也有助于动态均流；用门极强脉冲触发也有助于动态均流；当当需需要要同同时时串串联联和和并并联联晶晶闸闸管管时时，通通常常采采用用先先串串后后并并的的方法联接。方法联接。动态均流措施：动态均流措施：112112图图1.52晶闸管并联运行均流措施晶闸管并联运行均流措施（a）串电阻均流串电阻均流（b）串电抗器均流串电抗器均流（c）互感器均流互感器均流1.8.2 电力电子器件的并联运行电力电子器件的并联运行1131131.8.3 电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点R Ronon具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用参数和特性尽量相近的器件并联。注意选用参数和特性尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感可在源极电路中串入小电感, ,起到均流电抗器的作用。起到均流电抗器的作用。电力电力MOSFETMOSFET并联运行的特点并联运行的特点在在1/21/2或或1/31/3额额定定电电流流以以下下的的区区段段，通通态态压压降降具具有有负负温温度度系数，在以上的区段则具有正温度系数。系数，在以上的区段则具有正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。注意选用参数和特性尽量相近的器件并联。注意选用参数和特性尽量相近的器件并联。IGBTIGBT并联运行的特点并联运行的特点114114本章小结本章小结介绍了电力电子器件的分类及其各自的特点。介绍了电力电子器件的分类及其各自的特点。 全全面面介介绍绍各各种种主主要要电电力力电电子子器器件件的的基基本本结结构构、工作原理、基本特性和主要参数等。工作原理、基本特性和主要参数等。介绍了驱动电路的作用和常见器件的驱动电路。介绍了驱动电路的作用和常见器件的驱动电路。介绍了电力电子器件的保护电路和缓冲电路。介绍了电力电子器件的保护电路和缓冲电路。讨讨论论了了电电力力电电子子器器件件的的串串、并并联联使使用用过过程程中中的的均压和均流。均压和均流。115115正弦半波电流平均值正弦半波电流平均值IT(AV)、电流有效值、电流有效值IT和和电流最大值电流最大值Im三者的关三者的关系：系：额定电流的计算方法额定电流的计算方法02单相工频正弦半波单相工频正弦半波116116电流的波形系数电流的波形系数各种有直流分量的电流波形，其电流波形的各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值有效值I与平均值与平均值Id之比，称为这个之比，称为这个电流的波形系数电流的波形系数，用，用Kf表示。表示。正弦半波电流的波形系数为：正弦半波电流的波形系数为：额定电流的计算方法额定电流的计算方法两类问题：两类问题：计算与选择晶闸管的额定电流计算与选择晶闸管的额定电流校核或确定晶闸管的通流能力校核或确定晶闸管的通流能力思考：非正弦电流波形，如何计算波形系数？思考：非正弦电流波形，如何计算波形系数？117117已知晶闸管的实际工作条件（包括流过的电流波已知晶闸管的实际工作条件（包括流过的电流波形、幅值、平均电流等），确定所要选用的晶闸管额形、幅值、平均电流等），确定所要选用的晶闸管额定电流值。定电流值。计算与选择晶闸管的额定电流计算与选择晶闸管的额定电流额定电流的计算方法额定电流的计算方法方法：方法：首先从题目的已知条件中，找出实际通过晶闸管的电首先从题目的已知条件中，找出实际通过晶闸管的电流波形或有关参数（如电流幅值、触发角等），据此流波形或有关参数（如电流幅值、触发角等），据此算出通过晶闸管的实际电流有效值算出通过晶闸管的实际电流有效值IT，考虑，考虑（1.52）倍的安全裕量，算得额定电流为）倍的安全裕量，算得额定电流为:118118已知晶闸管的额定电流，根据实际工作情况，已知晶闸管的额定电流，根据实际工作情况，计算晶闸管允许通过的平均电流。计算晶闸管允许通过的平均电流。额定电流的计算方法额定电流的计算方法再根据再根据IT(AV)值选择相近电流系列的晶闸管。值选择相近电流系列的晶闸管。 校核或确定晶闸管的通流能力校核或确定晶闸管的通流能力方法：方法：119119由已知晶闸管的额定电流，计算出该管子允许通由已知晶闸管的额定电流，计算出该管子允许通过的电流有效值。根据实际电流波形求出电流波过的电流有效值。根据实际电流波形求出电流波形系数，算得晶闸管允许的实际电流平均值为形系数，算得晶闸管允许的实际电流平均值为:额定电流的计算方法额定电流的计算方法总结总结计算的桥梁：晶闸管允许流过的电流有计算的桥梁：晶闸管允许流过的电流有效值。效值。120120