1-1
第 1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述
1.2 不可控器件 —— 二极管
1.3 半控型器件 —— 晶闸管
1.4 典型全控型器件
1.5 其他新型电力电子器件
1.6 电力电子器件的驱动
1.7 电力电子器件的保护
1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结及作业
1-2
电子技术的基础
——— 电子器件：晶体管和集成电路
电力电子电路的基础
——— 电力电子器件
本章主要内容,
概述电力电子器件的 概念, 特点 和 分类 等问题。
介绍常用电力电子器件的 工作原理, 基本特性, 主
要参数 以及选择和使用中应注意问题。
第 1章 电力电子器件 ·引言
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类
1.1.4 本章内容和学习要点
1.1 电力电子器件概述
1-4
1）概念,
电力电子器件 （ Power Electronic Device）
—— 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电
子器件。
主电路（ Main Power Circuit）
—— 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控
制任务的电路。
2）分类,
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管 )
半导体器件 (采用的主要材料硅） 仍然
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1-5
能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子
器件。
电力电子器件一般都工作在开关状态。
电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
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。
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
3）同处理信息的电子器件相比的一般特征,
1-6
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 可能成为器件功率损
耗的主要因素。
主要损耗
通态损耗
断态损耗
开关损耗
关断损耗
开通损耗
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗
1-7
电力电子系统,由 控制电路, 驱动电路, 保护电路
和以电力电子器件为核心的 主电路 组成。
图 1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
控
制
电
路
检测
电路
驱动
电路
R L
主电路
V 1
V 2
保护
电路
在主电路
和控制电
路中附加
一些电路，
以保证电
力电子器
件和整个
系统正常
可靠运行
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电气隔离
控制电路
1-8
半控型器件（ Thyristor）
—— 通过控制信号可以控制其导通而不能控制
其关断。
全控型器件（ IGBT,MOSFET)
—— 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。
不可控器件 (Power Diode)
—— 不能用控制信号来控制其通断,因此也就不
需要驱动电路。
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类,
1-9
电流驱动型
—— 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。
电压驱动型
—— 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。
1.1.3 电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，分为两类,
1-10
本章内容,
介绍各种器件的 工作原理, 基本特性, 主要参数 以
及选择和使用中应注意的一些问题。
集中讲述电力电子器件的 驱动, 保护和串, 并联使
用 这三个问题。
学习要点,
最重要的是掌握其 基本特性 。
掌握电力电子器件的型号 命名法,以及其 参数和特
性曲线的使用方法 。
可能会主电路的其它电路元件有 特殊的要求 。
1.1.4 本章学习内容与学习要点
1-11
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
1.2.2 电力二极管的基本特性
1.2.3 电力二极管的主要参数
1.2.4 电力二极管的主要类型
1.2 不可控器件 — 电力二极管
1-12
? Power Diode结构和原理简单, 工作可靠, 自
20世纪 50年代初期就获得应用 。
?快恢复二极管和肖特基二极管, 分别在中, 高
频整流和逆变, 以及低压高频整流的场合, 具
有不可替代的地位 。
1.2 不可控器件 — 电力二极管 ·引言
整流二极管及模块
1-13
基本结构和工作
原理与信息电子
电路中的二极管
一样 。
由一个面积较大
的 PN结和两端引
线以及封装组成
的 。
从外形上看, 主
要有螺栓型和平
板型两种封装 。 图 1-2 电力二极管的外形、结构和电气
图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
A
K
A K
a)
I
K A P N
J
b)
c)
A K
1-14
状态
参数 正向导通 反向截止 反向击穿
电流 正向大 几乎为零 反向大
电压 维持 1V 反向大 反向大
阻态 低阻态 高阻态 ——
?二极管的基本原理就在于 PN结的单向导电性这一主要
特征 。
PN结的反向击穿（两种形式 )
雪崩击穿
齐纳击穿
均可能导致热击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
1-15
PN结的电荷量随外加电压而变化, 呈现 电容效
应, 称为 结电容 CJ,又称为 微分电容 。
结电容按其产生机制和作用的差别分为 势垒电
容 CB和 扩散电容 CD。
电容影响 PN结的工作频率, 尤其是高速的开关
状态 。
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应,
1-16
主要指其 伏安特性
门槛电压 UTO,正向电流
IF开始明显增加所对应的
电压 。
与 IF对应的电力二极管两
端的电 压即为 其 正向电
压降 UF 。
承受反 向电压 时, 只有
微小而 数值恒 定的 反向
漏电流 。 图 1-4 电力二极管的伏安特性
1.2.2 电力二极管的基本特性
1) 静态特性
I
O
I F
U TO U F U
1-17
2) 动态特性
—— 二极管的电压 -电流特性随时
间变化的
—— 结电容的存在
1.2.2 电力二极管的基本特性
b)
U FP
u
i i
F
u F
t fr t 0
2V
a)
F
U F
t F t 0
t rr
t d t f
t 1 t 2 t U
R
U RP I RP
d i F
d t
d i R
d t
图 1-5 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏臵转换为反向偏臵
b) 零偏臵转换为正向偏臵
延迟时间,td= t1- t0,
电流下降时间,tf= t2- t1
反向恢复时间,trr= td+ tf
恢复特性的软度：下降时间与
延迟时间 的比值 tf /td，或称恢复
系数，用 Sr表示。
1-18
正向压降先出现一个过冲 UFP,经
过一段时间才趋于接近稳态压降的
某个值 （ 如 2V） 。
正向恢复时间 tfr。
电流上升率越大, UFP越高 。
U FP
u i
i F
u F
t fr t 0
2V
图 1-5(b)开通过程
1.2.2 电力二极管的基本特性
开通过程,
关断过程
须经过一段短暂的时间才能重新获
得反向阻断能力, 进入截止状态 。
关断之前有较大的反向电流出现,
并伴随有明显的反向电压过冲 。
I F
U F
t F t 0
t rr
t d t f
t 1 t 2 t U
R
U RP I RP
d i F
d t
d i R
d t
图 1-5(b)关断过程
1-19
额定电流 ——在指定的管壳温度和散热
条件下, 其允许流过的最大 工频正弦半
波电流 的平均值 。
IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的, 使
用时应按 有效值相等的原则 来选取电流
定额, 并应留有一定的裕量 。
1.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流 IF(AV)
1-20
在指定温度下, 流过某一指定的稳态正向电流时对
应的正向压降 。
3） 反向重复峰值电压 URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 。
使用时, 应当留有两倍的裕量 。
4） 反向恢复时间 trr
trr= td+ tf
1.2.3 电力二极管的主要参数
2） 正向压降 UF
1-21
结温 是指管芯 PN结的平均温度, 用 TJ表示 。
TJM是指在 PN结不致损坏的前提下所能承受的最高
平均温度 。
TJM通常在 125~175?C范围之内 。
6) 浪涌电流 IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频
周期的过电流 。
1.2.3 电力二极管的主要参数
5）最高工作结温 TJM
1-22
1) 普通二极管 （ General Purpose Diode）
又称整流二极管 （ Rectifier Diode）
多用于开关频率不高 （ 1kHz以下 ） 的整流电路
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
DATASHEET
按照正向压降, 反向耐压, 反向漏电流等性能,
特别是反向恢复特性的不同介绍 。
1.2.4 电力二极管的主要类型
1-23
简称快速二极管
快恢复外延二极管
（ Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED）,其
trr更短（可低于 50ns）,UF也很低（ 0.9V左右），
但其反向耐压多在 1200V以下。
从性能上可分为 快速恢复 和 超快速恢复 两个等级。
前者 trr为数百纳秒或更长，后者则在 100ns以下，
甚至达到 20~30ns。
DATASHEET 1 2 3
1.2.4 电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管
（ Fast Recovery Diode——FRD）
1-24
肖特基二极管的 弱点
反向耐压提高时正向压降会提高, 多用于 200V以下 。
反向稳态损耗不能忽略, 必须严格地限制其工作温度 。
肖特基二极管的 优点
反向恢复时间很短 （ 10~40ns） 。
正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 。
反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管 。
效率高, 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小 。
1.2.4 电力二极管的主要类型
3,肖特基二极管 (DATASHEET)
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖
特基势垒二极管 （ Schottky Barrier Diode ——SBD） 。
1-25
1.3 半控器件 — 晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
1.3.2 晶闸管的基本特性
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
1-26
1.3 半控器件 — 晶闸管 ·引言
1956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 。
1958年商业化 。
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 。
20世纪 80年代以来, 开始被全控型器件取代 。
能承受的电压和电流容量最高, 工作可靠, 在大容量
的场合具有重要地位 。
晶闸管 （ Thyristor）,晶体闸流管, 可控硅整流
器 （ Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1-27
图 1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
外形有 螺栓型 和 平板型 两种封装 。
有三个联接端 。
螺栓型封装, 通常螺栓是其阳极, 能与散热器紧
密联接且安装方便 。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间 。
A
A
G
G
K
K
b) c)a)
A
G
K
K
G
A
P
1
N
1
P
2
N
2
J
1
J
2
J
3
1-28
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用 晶闸管的结构
螺栓型晶闸管 晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
1-29
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
式中 ?1和 ?2分别是晶体管 V1和
V2的共基极电流增益； ICBO1和
ICBO2分别是 V1和 V2的共基极漏
电流。由以上式可得,
图 1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
按 晶体管的工作原理,得,
111 C B OAc III ?? ?
222 C B OKc III ?? ?
GAK III ??
21 ccA III ??
（ 1-2）
（ 1-1）
（ 1-3）
（ 1-4）
)(1 21
C B O 2C B O 1G2
A ??
?
??
??? IIII （ 1-5）
1-30
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
在低发射极电流下 ? 是很小的，而当发射极电流建立
起来之后,? 迅速增大。
阻断状态, IG=0,?1+?2很小 。 流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和 。
开通状态, 注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致 ?1+?2趋近于 1的话, 流过晶闸管 的电流 IA,将趋
近于无穷大, 实现饱和导通 。 IA实际由外电路 决定 。
1-31
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应
阳极电压上升率 du/dt过高
结温较高
光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘
而应用于高压电力设备中, 称为 光控晶闸管 （ Light
Triggered Thyristor——LTT） 。
只有门极触发是最精确, 迅速而可靠的控制手段 。
其他几种可能导通的情况,
1-32
1.3.2 晶闸管的基本特性
承受反向电压时, 不论门极是否有触发电流, 晶闸
管都不会导通 。
承受正向电压时, 仅在门极有触发电流的情况下晶
闸管才能开通 。
晶闸管一旦导通, 门极就失去控制作用 。
要使晶闸管关断, 只能使晶闸管的电流降到接近于
零的某一数值以下 。
DATASHEET
晶闸管正常工作时的特性总结如下,
1-33
1.3.2 晶闸管的基本特性
（ 1） 正向特性
IG=0时，器件两端施加正
向电压，只有很小的正向
漏电流，为正向阻断状态。
正向电压超过正向转折电
压 Ubo，则漏电流急剧增大，
器件开通。
随着门极电流幅值的增大,
正向转折电压降低 。
晶闸管本身的压降很小,
在 1V左右 。
正向
导通
雪崩
击穿
O + U A - U
A
- I A
I A
I H I G2 I G1 I G = 0
U bo
U DSM
U DRM
U RRM U RSM
1） 静态特性
图 1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
1-34
1.3.2 晶闸管的基本特性
反向特性类似二极管的反
向特性 。
反向阻断状态时, 只有极
小的反相漏电流流过 。
当反向电压达到反向击穿
电压后, 可能导致晶闸管
发热损坏 。
图 1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
正向
导通
雪崩
击穿
O + U A - U
A
- I A
I A
I H I G2 I G1 I G = 0
U bo
U DSM
U DRM
U RRM U RSM
（ 2） 反向特性
1-35
1.3.2 晶闸管的基本特性
1) 开通过程
延迟时间 td (0.5~1.5?s)
上升时间 tr (0.5~3?s)
开通时间 tgt以上两者之和,
tgt=td+ tr （ 1-6）
100%
90%
10%
u AK
t
t O
0 t d t r
t rr t gr U RRM
I RM
i A
2) 关断过程
反向阻断恢复时间 trr
正向阻断恢复时间 tgr
关断时间 tq以上两者之和
tq=trr+tgr （ 1-7)
普通晶闸管的关断时间
约几百微秒
2） 动态特性
图 1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
1-36
1.3.3 晶闸管的主要参数
断态重复峰值电压 UDRM
—— 在门极断路而结温为额定值时, 允
许重复加在器件上的正向峰值电压 。
反向重复峰值电压 URRM
—— 在门极断路而结温为额定值时, 允
许重复加在器件上的反向峰值电压 。
通态 （ 峰值 ） 电压 UT
—— 晶闸管通以某一规定倍数的额定通
态平均电流时的瞬态峰值电压 。
通 常 取 晶 闸 管 的
UDRM和 URRM中较小
的标值作为该器件
的 额定电压 。
选用时, 一般取额
定电压为正常工作
时晶闸管所承受峰
值电压 2~3倍 。
使用注意,
1） 电压定额
1-37
1.3.3 晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV）
—— 在环境温度为 40?C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定
结温时所允许流过的 最大工频正弦半波电流的平均值 。标称其额定电
流的参数。
—— 使用时应按 有效值相等的原则 来选取晶闸管。
维持电流 IH
—— 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
擎住电流 IL
—— 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需
的最小电流。 对同一晶闸管来说, 通常 IL约为 IH的 2~4倍 。
浪涌电流 ITSM
—— 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性
最大正向过载电流 。
2） 电流定额
1-38
1.3.3 晶闸管的主要参数
除开通时间 tgt和关断时间 tq外, 还有,
断态电压临界上升率 du/dt
—— 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, 使充电电流足够大, 就会使晶闸管误导通 。
通态电流临界上升率 di/dt
—— 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管损坏 。
3） 动态参数
1-39
1.3.4 晶闸管的派生器件
有 快速晶闸管 和 高频晶闸管 。
开关时间以及 du/dt和 di/dt耐量都有明显改善 。
普通晶闸管关断时间数百微秒, 快速晶闸管数十微秒,
高频晶闸管 10?s左右 。
高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高 。
由于工作频率较高, 不能忽略其开关损耗的发热效应 。
DATASHEET
1） 快速晶闸管 （ Fast Switching Thyristor——
FST)
1-40
1.3.4 晶闸管的派生器件
2） 双向晶闸管 （ Triode AC Switch—— TRIAC
或 Bidirectional triode thyristor）
图 1-10 双向晶闸管的电气
图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
a) b)
I
O U
I G = 0
G
T 1
T 2
可认为是一对反并联联
接的普通晶闸管的集成。
有两个主电极 T1和 T2，
一个门极 G。
在第 Ｉ 和第 III象限有对
称的伏安特性。
不用平均值而用有效值
来表示其额定电流值 。
DATASHEET
1-41
1.3.4 晶闸管的派生器件
3) 逆导晶闸管 （ Reverse Conducting
Thyristor—— RCT）
a)
K G
A
b)
U O
I
I G = 0
图 1-11 逆导晶闸管的电气
图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
将晶闸管反并联一
个二极管制作在同
一管芯上的功率集
成器件。
具有正向压降小、
关断时间短、高温
特性好、额定结温
高等优点。
1-42
1.3.4 晶闸管的派生器件
4) 光控晶闸管 （ Light Triggered Thyristor—
— LTT）
A
G
K
a)
AK
光强度 强 弱
b)
O U
I A
图 1-12 光控晶闸管的电气
图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
又称光触发晶闸管，
是利用一定波长的光
照信号触发导通的晶
闸管。
光触发保证了主电路
与控制电路之间的绝
缘，且可避免电磁干
扰的影响。
因此目前在高压大功
率的场合。
1-43
1.4 典型全控型器件
1.4.1 门极可关断晶闸管
1.4.2 电力晶体管
1.4.3 电力场效应晶体管
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
1-44
1.4 典型全控型器件 ·引言
门极可关断晶闸管 ——在晶闸管问世后不久
出现 。
20世纪 80年代以来, 电力电子技术进入了一
个崭新时代 。
典型代表 ——门极可关断晶闸管, 电力晶体
管, 电力场效应晶体管, 绝缘栅双极晶体管 。
1-45
1.4 典型全控型器件 ·引言
常用的 典型全控型器件
电力 MOSFET
IGBT单管及模块
1-46
1.4.1 门极可关断晶闸管
晶闸管的一种派生器件 。
可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 。
GTO的电压, 电流容量较大, 与普通晶闸管接近,
因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用 。
DATASHEET
门极可关断晶闸管 （ Gate-Turn-Off Thyristor —
GTO）
1-47
1.4.1 门极可关断晶闸管
结构,
与普通晶闸管的 相同点, PNPN四层半导体结构, 外部引
出阳极, 阴极和门极 。
和普通晶闸管的 不同点, GTO是一种多元的功率集成器件 。
c)
图1 - 1 3
A
G K G GK
N
1
P
1
N
2
N
2 P
2
b)a)
A
G
K
图 1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
1） GTO的结构和工作原理
1-48
1.4.1 门极可关断晶闸管
工作原理,
与普通晶闸管一样, 可以用图 1-7所示的双晶体管模型来
分析 。
R
NPN
PNP
A
G
S
K
E
G
I
G
E
A
I
K
I
c2
I
c1
I
A
V
1
V
2
P
1
A
G
K
N
1
P
2
P
2
N
1
N
2
a) b)
图 1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
?1+?2=1是器件临界导通的条件。
由 P1N1P2和 N1P2N2构成的两个晶体管 V1,V2分别具有共
基极电流增益 ?1和 ?2 。
1-49
1.4.1 门极可关断晶闸管
GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有
如下 区别,
设计 ?2较大，使晶体管 V2控
制灵敏，易于 GTO。
导通时 ?1+?2更接近 1，导通
时接近临界饱和，有利门极
控制关断，但导通时管压降
增大。
多元集成结构，使得 P2基区
横向电阻很小，能从门极抽
出较大电流。
R
NPN
PNP
A
G
S
K
E
G
I
G
E
A
I
K
I
c2
I
c1
I
A
V
1
V
2
b)
图 1-7 晶闸管的工作原理
1-50
1.4.1 门极可关断晶闸管
GTO导通过程与普通晶闸管一样, 只是导通时饱和
程度较浅 。
GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关
断 。
多元集成结构还使 GTO比普通晶闸管开通过程快,
承受 di/dt能力强 。
由上述分析我们可以得到以下 结论,
1-51
1.4.1 门极可关断晶闸管
开通过程, 与普通晶闸管
相同
关断过程, 与普通晶闸管
有所不同
储存时间 ts,使等效晶
体管退出饱和 。
下降时间 tf
尾部时间 tt —残存载流
子复合 。
通常 tf比 ts小得多, 而 tt
比 ts要长 。
门极负脉冲电流幅值越
大, ts越短 。
O t
0 t
i G
i A
I A
90% I A
10% I A
t t t f t s t d t r
t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6
图 1-14 GTO的开通和关断过程电流波形
2) GTO的动态特性
1-52
1.4.1 门极可关断晶闸管
3) GTO的主要参数
—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约
1~2?s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括
尾部时间。下降时间一般小于 2?s。
（ 2） 关断时间 toff
（ 1） 开通时间 ton
不少 GTO都制造成逆导型, 类似于逆导晶闸管, 需承
受反压时, 应和电力二极管串联 。
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，
以下只介绍意义不同的参数。
1-53
1.4.1 门极可关断晶闸管
（ 3） 最大可关断阳极电流 IATO
（ 4） 电流关断增益 ?off
?off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 。
——GTO额定电流。
——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。
（ 1-8）
GM
A T O
o f f I
I??
1-54
1.4.2 电力晶体管
电力晶体管 （ Giant Transistor——GTR,直译为巨
型晶体管 ） 。
耐 高 电 压, 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar
Junction Transistor——BJT）, 英文有时候也称为
Power BJT。
DATASHEET 1 2
应用
20世纪 80年代以来, 在中, 小功率范围内取代晶闸
管, 但目前又大多被 IGBT和电力 MOSFET取代 。
术语用法,
1-55
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
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。
采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
1.4.2 电力晶体管
1） GTR的结构和工作原理
图 1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
1-56
1.4.2 电力晶体管
在应用中, GTR一般采用共发射极接法 。
集电极电流 ic与基极电流 ib之比为
（ 1-9）
? ——GTR的 电流放大系数,反映了基极电流对集电极电流的
控制能力 。
当考虑到集电极和发射极间的漏电流 Iceo时, ic和 ib的关
系为 ic=? ib +Iceo （ 1-10）
单管 GTR的 ? 值比小功率的晶体管小得多, 通常为 10
左右, 采用达林顿接法可有效增大电流增益 。
b
c
i
i??
空穴流
电
子
流
c)
E b
E c
i b
i c = ? i b
i e =(1+ ? ) i b
1） GTR的结构和工作原理
1-57
1.4.2 电力晶体管
(1) 静态特性
共发射极接法时的典型输
出特性,截止区, 放大区
和 饱和区 。
在电力电子电路中 GTR工
作在开关状态 。
在开关过程中, 即在截止
区和饱和区之间过渡时,
要经过放大区 。
截止区
放大区
O
I c
i b3
i b2
i b1
i b1 < i b2 < i b3
U ce
图 1-16 共发射极接法时 GTR的
输出特性
2） GTR的基本特性
1-58
1.4.2 电力晶体管
开通过程
延迟时间 td和上升时间 tr，
二者之和为 开通时间 ton。
加快开通过程的办法 。
关断过程
储存时间 ts和下降时间 tf，
二者之和为 关断时间 toff 。
加快关断速度的办法 。
GTR的开关时间在几微秒
以内, 比晶闸管和 GTO都
短很多 。
i b I
b1
I b2
I cs i c
0
0
90% I b1
10% I b1
90% I cs
10% I cs
t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t
t
t off
t s t f
t on
t r t d
图 1-17 GTR的开通和关断过程电流波形
(2) 动态特性
1-59
1.4.2 电力晶体管
前已述及：电流放大倍数 ?,直流电流增益 hFE,集射
极间漏电流 Iceo,集射极间饱和压降 Uces,开通时间 ton和
关断时间 toff (此外还有 ),
1) 最高工作电压
GTR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 。
BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo。
实际使用时, 最高工作电压要比 BUceo低得多 。
3） GTR的主要参数
1-60
1.4.2 电力晶体管
通常规定为 hFE下降到规定值的 1/2~1/3时所对应的 Ic 。
实际使用时要留有裕量, 只能用到 IcM的一半或稍多一点 。
3) 集电极最大耗散功率 PcM
最高工作温度下允许的耗散功率 。
产品说明书中给 PcM时同时给出壳温 TC,间接表示了最高
工作温度 。
2) 集电极最大允许电流 IcM
1-61
1.4.2 电力晶体管
一次击穿, 集电极电压升高至击穿电压时, Ic迅速增大 。
只要 Ic不超过限度, GTR一般不会损坏, 工作特性也不变 。
二次击穿, 一次击穿发生时, Ic突然急剧上升, 电压陡然下降 。
常常立即导致器件的永久损坏, 或者工作特性明显衰变 。
安 全 工 作 区 （ Safe
Operating Area—— SOA）
最高电压 UceM, 集电极最大
电流 IcM,最大耗散功率 PcM、
二次击穿临界线限定 。
SOA
O
I c
I cM P SB
P cM
U ce U ceM
图 1-18 GTR的安全工作区
4) GTR的二次击穿现象与安全工作区
1-62
1.4.3 电力场效应晶体管
分为 结型 和 绝缘栅型
通常主要指 绝缘栅型 中的 MOS型 （ Metal Oxide
Semiconductor FET）
简称电力 MOSFET（ Power MOSFET）
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管
（ Static Induction Transistor——SIT）
特点 ——用栅极电压来控制漏极电流
驱动电路简单, 需要的驱动功率小 。
开关速度快, 工作频率高 。
热稳定性优于 GTR。
电流容量小, 耐压低, 一般只适用于功率不超过 10kW
的电力电子装臵 。
电力场效应晶体管
1-63
1.4.3 电力场效应晶体管
电力 MOSFET的种类
按导电沟道可分为 P沟道 和 N沟道 。
耗尽型 ——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导
电沟道 。
增强型 ——对于 N（ P） 沟道器件, 栅极电压大于
（ 小于 ） 零时才存在导电沟道 。
电力 MOSFET主要是 N沟道增强型 。
DATASHEET
1） 电力 MOSFET的结构和工作原理
1-64
1.4.3 电力场效应晶体管
电力 MOSFET的结构
是单极型晶体管。
导电机理与小功率 MOS管相同，但结构上有较大区别。
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
N +
G
S
D
P 沟道
b)
N +
N -
S
G
D
P P
N +N +
N +
沟道
a)
G
S
D
N 沟道
图1 - 1 9
图 1-19 电力 MOSFET的结构和电气图形符号
1-65
1.4.3 电力场效应晶体管
小功率 MOS管是横向导电器件 。
电力 MOSFET 大 都 采 用 垂 直 导 电 结 构, 又 称 为
VMOSFET（ Vertical MOSFET） 。
按垂直导电结构的差异, 分为利用 V型槽实现垂直导电
的 VVMOSFET 和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 MOS结 构 的
VDMOSFET（ Vertical Double-diffused MOSFET） 。
这里主要以 VDMOS器件为例进行讨论 。
电力 MOSFET的结构
1-66
1.4.3 电力场效应晶体管
截止, 漏源极间加正电源, 栅源极间电压为零 。
– P基区与 N漂移区之间形成的 PN结 J1反偏, 漏源极之间无电流
流过 。
导电, 在栅源极间加正电压 UGS
– 当 UGS大于 UT时, P型半导体反型成 N型而成为 反型层, 该反
型层形成 N沟道而使 PN结 J1消失, 漏极和源极导电 。
N +
G
S
D
P 沟道
b)
N +
N -
S
G
D
P P
N +N +
N +
沟道
a)
G
S
D
N 沟道
图1 - 1 9
图 1-19 电力 MOSFET的结构和电气图形符号
电力 MOSFET的工作原理
1-67
1.4.3 电力场效应晶体管
(1) 静态特性
漏极电流 ID和栅源间电压
UGS的关系称为 MOSFET
的 转移特性 。
ID较大时,ID与 UGS的关系
近似线性，曲线的斜率定
义为 跨导 Gfs。
0
10
20
30
50
40
2 4 6 8
a)
10
20
30
50
40
0
b)
10 20 30 50 40
饱和区
非
饱
和
区
截止区
I D /
A
U T
U GS / V
U DS / V
U GS = U T =3V
U GS =4V
U GS =5V
U GS =6V
U GS =7V
U GS =8V
I D /
A
图 1-20 电力 MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
2）电力 MOSFET的基本特性
1-68
1.4.3 电力场效应晶体管
截止区 （ 对应于 GTR的截止区 ）
饱和区 （ 对应于 GTR的放大区 ）
非饱和区 （ 对应 GTR的饱和区 ）
工作在开关状态, 即在截止区和
非饱和区之间来回转换 。
漏源极之间有寄生二极管, 漏源
极间加反向电压时器件导通 。
通态电阻具有正温度系数, 对器
件并联时的均流有利 。 图 1-20电力 MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
MOSFET的漏极伏安特性,
0
10
20
30
50
40
2 4 6 8
a)
10
20
30
50
40
0
b)
10 20 30 50 40
饱和区
非
饱
和
区
截止区
I D /
A
U T
U GS / V
U DS / V
U GS = U T =3V
U GS =4V
U GS =5V
U GS =6V
U GS =7V
U GS =8V
I D /
A
1-69
1.4.3 电力场效应晶体管
开通过程
开通延迟时间 td(on)
上升时间 tr
开通时间 ton——开通延迟
时间与上升时间之和
关断过程
关断延迟时间 td(off)
下降时间 tf
关断时间 toff——关断延迟
时间和下降时间之和
a ） b )
R s
R G R
F
R L
i D
u GS
u p i D 信号
+ U E
i D
O
O
O
u p
t
t
t
u GS u
GSP u
T
t d (on) t r t d (off) t f
图 1-21 电力 MOSFET的开关过程
a) 测试电路 b) 开关过程波形
up—脉冲信号源,Rs—信号源内阻,
RG—栅极电阻,
RL—负载电阻,RF—检测漏极电流
(2) 动态特性
1-70
1.4.3 电力场效应晶体管
MOSFET的开关速度和 Cin充放电有很大关系 。
可降低驱动电路内阻 Rs减小时间常数, 加快开关速度 。
不存在少子储存效应, 关断过程非常迅速 。
开关时间在 10~100ns之间, 工作频率可达 100kHz以上,
是主要电力电子器件中最高的 。
场控器件, 静态时几乎不需输入电流 。 但在开关过程中
需对输入电容充放电, 仍需一定的驱动功率 。
开关频率越高, 所需要的驱动功率越大 。
MOSFET的开关速度
1-71
1.4.3 电力场效应晶体管
3) 电力 MOSFET的主要参数
——电力 MOSFET电压定额
(1) 漏极电压 UDS
(2) 漏极直流电流 ID和漏极脉冲电流幅值 IDM
——电力 MOSFET电流定额
(3) 栅源电压 UGS
—— ?UGS?>20V将导致绝缘层击穿 。
除跨导 Gfs、开启电压 UT以及 td(on),tr,td(off)和 tf之外还有,
(4) 极间电容
——极间电容 CGS,CGD和 CDS
1-72
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
两类器件取长补短结合而成的复合器件 —Bi-MOS器件
绝缘栅双极晶体管 （ Insulated-gate Bipolar Transistor——
IGBT或 IGT） (DATASHEET 1 2 )
GTR和 MOSFET复合, 结合二者的优点 。
1986年投入市场, 是中小功率电力电子设备的主导器件 。
继续提高电压和电流容量, 以期再取代 GTO的地位 。
GTR和 GTO的特点 ——双极型, 电流驱动, 有电导调制效应,
通流能力很强, 开关速度较低, 所需驱动功率大, 驱动电路复杂 。
MOSFET的优点 ——单极型, 电压驱动, 开关速度快, 输入阻
抗高, 热稳定性好, 所需驱动功率小而且驱动电路简单 。
1-73
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
1) IGBT的结构和工作原理
三端器件：栅极 G,集电极 C和发射极 E
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
发射极 栅极
集电极
注入区
缓冲区
漂移区J 3 J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
图 1-22 IGBT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 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
1-74
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
图 1-22a—N沟道 VDMOSFET与 GTR组合 ——N沟道 IGBT。
IGBT比 VDMOSFET多一层 P+注入区, 具有很强的通流能力 。
简化等效电路表明, IGBT是 GTR与 MOSFET组成的达林顿结
构, 一个由 MOSFET驱动的厚基区 PNP晶体管 。
RN为晶体管基区内的调制电阻 。
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
发射极 栅极
集电极
注入区
缓冲区
漂移区J 3 J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
图 1-22 IGBT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 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
IGBT的结构
1-75
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
驱动原理与电力 MOSFET基本相同, 场控器件, 通断由栅
射极电压 uGE决定 。
导通, uGE大于 开启电压 UGE(th)时, MOSFET内形成沟道,
为晶体管提供基极电流, IGBT导通 。
通态压降,电导调制效应使电阻 RN减小, 使通态压降减小 。
关断,栅射极间施加反压或不加信号时, MOSFET内的沟道
消失, 晶体管的基极电流被切断, IGBT关断 。
IGBT的原理
1-76
a ) b )
O
有源区
正向阻断区
饱
和
区
反向阻断区
I C
U GE(th) U GE O
I C
U RM
U FM U CE
U GE(th)
U GE 增加
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
2) IGBT的基本特性
(1) IGBT的静态特性
图 1-23 IGBT的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
转移特性 —— IC与
UGE间的关系 (开启电
压 UGE(th))
输出特性
?分为三 个区域：
正向阻断区, 有
源区和饱和区 。
1-77
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U CE
I C
0
O
0
U GE U GEM
I CM
U CEM
t fv1 t fv2
t off t on
t fi1 t fi2
t d(off) t f t d(on) t r
U CE(on)
U GEM
U GEM
I CM
I CM
图 1-24 IGBT的开关过程
IGBT的开通过程
与 MOSFET的相似
开通延迟时间 td(on)
电流上升时间 tr
开通时间 ton
uCE 的下降过程分为 tfv1 和
tfv2两段 。
tfv1——IGBT中 MOSFET单
独工作的电压下降过程；
tfv2——MOSFET 和 PNP晶
体管同时工作的电压下降
过程 。
(2) IGBT的动态特性
1-78
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
图 1-24 IGBT的开关过程
关断延迟时间 td(off）
电流下降时间
关断时间 toff
电流下降时间又可分为
tfi1和 tfi2两段 。
tfi1——IGBT器件内部的
MOSFET 的 关 断 过程,
iC下降较快 。
tfi2——IGBT 内部的 PNP
晶体管的关断过程, iC下
降较慢 。
IGBT的关断过程
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U CE
I C
0
O
0
U GE U GEM
I CM
U CEM
t fv1 t fv2
t off t on
t fi1 t fi2
t d(off) t f t d(on) t r
U CE(on)
U GEM
U GEM
I CM
I CM
1-79
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
3) IGBT的主要参数
——正常工作温度下允许的最大功耗 。
(3) 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
——由内部 PNP晶体管的击穿电压确定。
(1) 最大集射极间电压 UCES
1-80
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
IGBT的特性和参数特点可以总结如下,
开关速度高, 开关损耗小 。
相同电压和电流定额时, 安全工作区比 GTR大, 且
具有耐脉冲电流冲击能力 。
通态压降比 VDMOSFET低 。
输入阻抗高, 输入特性与 MOSFET类似 。
与 MOSFET和 GTR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 。
1-81
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
擎住效应或自锁效应,
IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模
块，成为逆导器件 。
——最大集电极电流, 最大集射极间电压 和 最大允许电压上升率
duCE/dt确定。
反向偏臵安全工作区 （ RBSOA）
——最大集电极电流, 最大集射极间电压 和 最大集电极功耗 确定。
正偏安全工作区 （ FBSOA）
动态擎住效应 比 静态擎住效应 所允许的集电极电流小。
擎住效应曾限制 IGBT电流容量提高,20世纪 90年代中后期开
始逐渐解决。
——NPN晶体管基极与发射极之间存在 体区短路电阻, P形体区的
横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对 J3结施加正偏压，
一旦 J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。
1-82
1.5 其他新型电力电子器件
1.5.1 MOS控制晶闸管 MCT
1.5.2 静电感应晶体管 SIT
1.5.3 静电感应晶闸管 SITH
1.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT
1.5.5 功率模块与功率集成电路
1-83
1.5.1 MOS控制晶闸管 MCT
MCT结合了二者的优点,
承受极高 di/dt和 du/dt,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 。
一个 MCT器件由数以万计的 MCT元组成 。
每个元的组成为：一个 PNPN晶闸管, 一个控制该晶闸
管开通的 MOSFET, 和 一 个 控 制 该 晶 闸 管 关 断 的
MOSFET。
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 。
MCT（ MOS Controlled Thyristor） ——MOSFET
与晶闸管的复合 (DATASHEET)
1-84
1.5.2 静电感应晶体管 SIT
多子导电的器件, 工作频率与电力 MOSFET相当, 甚
至更高, 功率容量更大, 因而适用于高频大功率场合 。
在雷达通信设备, 超声波功率放大, 脉冲功率放大和高
频感应加热等领域获得应用 。
缺点,
栅极不加信号时导通, 加负偏压时关断, 称为 正常导通
型 器件, 使用不太方便 。
通态电阻较大, 通态损耗也大, 因而还未在大多数电力
电子设备中得到广泛应用 。
SIT（ Static Induction Transistor） ——结型场效
应晶体管
1-85
1.5.3 静电感应晶闸管 SITH
SITH是两种载流子导电的双极型器件, 具有电导调制效
应, 通态压降低, 通流能力强 。
其很多特性与 GTO类似, 但开关速度比 GTO高得多, 是
大容量的快速器件 。
SITH一般也是正常导通型, 但也有正常关断型 。 此外,
电流关断增益较小, 因而其应用范围还有待拓展 。
SITH（ Static Induction Thyristor） ——场控
晶闸管（ Field Controlled Thyristor—FCT）
1-86
1.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT
20世纪 90年代后期出现, 结合了 IGBT与 GTO的优点,
容量与 GTO相当, 开关速度快 10倍 。
可省去 GTO复杂的缓冲电路, 但驱动功率仍很大 。
目前正在与 IGBT等新型器件激烈竞争, 试图最终取
代 GTO在大功率场合的位臵 。
DATASHEET 1 2
IGCT（ Integrated Gate-Commutated Thyristor）
——GCT（ Gate-Commutated Thyristor）
1-87
1.5.5 功率模块与功率集成电路
20世纪 80年代中后期开始, 模块化趋势, 将多个器件
封装在一个模块中, 称为 功率模块 。
可缩小装臵体积, 降低成本, 提高可靠性 。
对工作频率高的电路, 可大大减小线路电感, 从而简
化对保护和缓冲电路的要求 。
将器件与逻辑, 控制, 保护, 传感, 检测, 自诊断等
信息电子电路制作在同一芯片上, 称为 功率集成电路
（ Power Integrated Circuit——PIC） 。
DATASHEET
基本概念
1-88
1.5.5 功率模块与功率集成电路
高压集成电路 （ High Voltage IC——HVIC） 一般指横
向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 。
智能功率集成电路 （ Smart Power IC——SPIC） 一般
指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 。
智能功率模块 （ Intelligent Power Module——IPM）
则专指 IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片
集成, 也称智能 IGBT（ Intelligent IGBT） 。
实际应用电路
1-89
1.5.5 功率模块与功率集成电路
功率集成电路的主要技术难点,高低压电路之间的绝缘问
题 以及 温升和散热的处理 。
以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合 。
智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几
年获得了 迅速发展 。
功率集成电路实现了电能和信息的集成, 成为机电一体化
的理想接口 。
发展现状
1-90
1.6 电力电子器件器件的驱动
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
1.6.2 晶闸管的触发电路
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
1-91
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
使电力电子器件工作在较理想的开关状态, 缩短开
关时间, 减小开关损耗 。
对装臵的运行效率, 可靠性和安全性都有重要的意
义 。
一些保护措施也往往设在驱动电路中, 或通过驱动
电路实现 。
驱动电路的基本任务,
按控制目标的要求施加开通或关断的信号 。
对半控型器件只需提供开通控制信号 。
对全控型器件则既要提供开通控制信号, 又要提供
关断控制信号 。
驱动电路 ——主电路与控制电路之间的接口
1-92
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的 电
气隔离 环节, 一般采用光隔离或磁隔离 。
光隔离一般采用光耦合器
磁隔离的元件通常是 脉冲变压器
E
R
E
R
E
R
a ) b ) c )
U
in
U
out
R
1
I
C
I
D
R
1
R
1
图 1-25 光耦合器的类型及接法
a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型
1-93
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
按照驱动信号的性质分, 可分为 电流驱动型 和 电
压驱动型 。
驱动电路具体形式可为 分立元件 的, 但目前的趋
势是采用 专用集成驱动电路 。
双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在
内的混合集成电路 。
为达到参数最佳配合, 首选所用器件生产厂家专
门开发的集成驱动电路 。
分类
1-94
1.6.2 晶闸管的触发电路
作用, 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 。
晶闸管触发电路应满足下列
要求,
脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导
通 。
触发脉冲应有足够的幅度 。
不超过门极电压, 电流和功率定
额, 且在可靠触发区域之内 。
有良好的抗干扰性能, 温度稳定
性及与主电路的电气隔离 。
t
I
I M
t 1 t 2 t 3 t 4
图 1-26 理想的晶闸管触
发脉冲电流波形
t1~t2?脉冲前沿上升时间（ <1?s）
t1~t3?强脉宽度
IM?强脉冲幅值（ 3IGT~5IGT）
t1~t4?脉冲宽度 I?脉冲平顶
幅值（ 1.5IGT~2IGT）
晶闸管的触发电路
1-95
1.6.2 晶闸管的触发电路
V1,V2构成 脉冲放大
环节 。
脉冲变压器 TM和附
属电路构成 脉冲输出
环节 。
V1,V2导通时，通
过脉冲变压器向晶闸
管的门极和阴极之间
输出触发脉冲。
图 1-27 常见的晶闸管触发电路
常见的晶闸管触发电路
1-96
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
(1) GTO
GTO的 开通控制 与普
通晶闸管相似 。
GTO关断控制 需施加
负门极电流 。
图 1-28 推荐的 GTO门极电压电流波形
O t
t O
u G
i G
1) 电流驱动型器件的驱动电路
正的门极电流
5V的负偏压
GTO驱动电路通常包括
开通驱动电路, 关断驱
动电路 和 门极反偏电路
三部分, 可分为 脉冲变
压器耦合式 和 直接耦合
式 两种类型 。
1-97
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄
生振荡, 可得到较陡的脉冲前沿 。
目前应用较广, 但其功耗大, 效率较低 。
图 1-29 典型的直接耦合式 GTO驱动电路
1-98
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
开通驱动电流应使 GTR处于准
饱和导通状态, 使之不进入放
大区和深饱和区 。
关断 GTR时, 施加一定的负基
极电流有利于减小关断时间和
关断损耗 。
关断后同样应在基射极之间施
加一定幅值 （ 6V左右 ） 的负偏
压 。
t O
i b
图 1-30 理想的 GTR基极
驱动电流波形
(2) GTR
1-99
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
GTR的一种驱动电路, 包括电气隔离和晶体管放大电路
两部分 。 VD
1
A
V
VS
0 V
+ 10V+ 15V
V
1
VD
2
VD
3
VD
4
V
3
V
2
V
4
V
5
V
6
R
1
R
2
R
3
R
4
R
5
C
1
C
2
图 1-31 GTR的一种驱动电路
驱动 GTR的集成驱动电路中,THOMSON公司的
UAA4002和三菱公司的 M57215BL较为常见。
1-100
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
电力 MOSFET和 IGBT是电压驱动型器件 。
为快速建立驱动电压, 要求驱动电路输出电阻小 。
使 MOSFET开通的驱动电压一般 10~15V,使 IGBT开
通的驱动电压一般 15 ~ 20V。
关断时施加一定幅值的负驱动电压 （ 一般取 -5 ~ -15V）
有利于减小关断时间和关断损耗 。
在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡 。
2) 电压驱动型器件的驱动电路
1-101
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
(1) 电力 MOSFET的一种驱动电路,
电气隔离 和 晶体管放大电路 两部分
图 1-32 电力 MOSFET的一种驱动电路
专为驱动电力 MOSFET而设计的混合集成电路有
三菱公司的 M57918L，其输入信号电流幅值为
16mA，输出最大脉冲电流为 +2A和 -3A，输出驱
动电压 +15V和 -10V。
1-102
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
(2) IGBT的驱动
图 1-33 M57962L型 IGBT驱动器的原理和接线图
常用的有三菱公司的 M579系列（如 M57962L和
M57959L）和富士公司的 EXB系列（如 EXB840、
EXB841,EXB850和 EXB851）。
多采用专用的混合集成驱动器。
1-103
1.7 电力电子器件器件的保护
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
1.7.2 过电流保护
1.7.3 缓冲电路
1-104
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
外因过电压,主要来自雷击和系统操作过程等外因
操作过电压,由分闸, 合闸等开关操作引起
雷击过电压,由雷击引起
内因过电压,主要来自电力电子装臵内部器件的开关
过程
换相过电压,晶闸管或与全控型器件反并联的二极管
在换相结束后, 反向电流急剧减小, 会由线路电感在
器件两端感应出过电压 。
关断过电压,全控型器件关断时, 正向电流迅速降低
而由线路电感在器件两端感应出的过电压 。
电力电子装臵可能的过电压 —— 外因过电压 和 内因
过电压
1-105
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
过电压保护措施
图 1-34 过电压抑制措施及配臵位臵
F?避雷器 D?变压器静电屏蔽层 C?静电感应过电压抑制电容
RC1?阀侧浪涌过电压抑制用 RC电路 RC2?阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式 RC电路
RV?压敏电阻过电压抑制器 RC3?阀器件换相过电压抑制用 RC电路
RC4?直流侧 RC抑制电路 RCD?阀器件关断过电压抑制用 RCD电路
电力电子装臵可视具体情况只采用其中的几种。
其中 RC3和 RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓
冲电路范畴。
1-106
1.7.2 过电流保护
过电流 ——过载 和 短路 两种情况
保护措施
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
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
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。
图 1-37 过电流保护措施及配臵位臵
1-107
1.7.2 过电流保护
全保护：过载, 短路均由快熔进行保护, 适用于
小功率装臵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 。
对重要的且易发生短路的晶闸管设备, 或全
控型器件, 需采用电子电路进行过电流保护 。
常在全控型器件的驱动电路中设臵过电流保
护环节, 响应最快 。
快熔对器件的保护方式,全保护 和 短路保护
两种
1-108
1.7.3 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 。
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 。
复合缓冲电路 ——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合 。
按能量的去向分类法,耗能式缓冲电路 和 馈能式缓冲电路
（ 无损吸收电路 ） 。
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 。
缓冲电路 (Snubber Circuit), 又称 吸收电路,
抑制器件的内因过电压,du/dt、过电流和 di/dt，
减小器件的开关损耗。
1-109
b)
t
u CE
i C
O
d i
d t 抑制电路 无 时
d i
d t 抑制电路 有 时
有缓冲电路时
无缓冲电路时
u CE
i C
1.7.3 缓冲电路
缓冲电路作用分析
无缓冲电路,
有缓冲电路,
图 1-38 di/dt抑制电路和
充放电型 RCD缓冲电路及波形
a) 电路 b) 波形
A
D
C
B
无缓冲电路
有缓冲电路
u CE
i C
O
图 1-39 关断时的负载线
1-110
1.7.3 缓冲电路
充放电型 RCD缓冲电路,
适用于中等容量的场合 。
图 1-38 di/dt抑制电路和
充放电型 RCD缓冲电路及波形
a) 电路
其中 RC缓冲电路主要用
于小容量器件, 而放电
阻止型 RCD缓冲电路用
于中或大容量器件 。
图 1-40 另外两种常用的缓冲电路
a) RC吸收电路
b) 放电阻止型 RCD吸收电路
1-111
1.8电力电子器件器件的串联和并联使用
1.8.1 晶闸管的串联
1.8.2 晶闸管的并联
1.8.3 电力 MOSFET和 IGBT并联运行的特点
1-112
1.8.1 晶闸管的串联
问题,理想串联希望器件分压相等, 但因特性
差异, 使器件电压分配不均匀 。
静态不均压,串联的器件流过的漏电流相同, 但因
静态伏安特性的分散性, 各器件分压不等 。
动态不均压,由于器件动态参数和特性的差异造成
的不均压。
目的,当晶闸管额定电压小于要求时, 可以
串联 。
1-113
1.8.1 晶闸管的串联
静态均压措施,
选用参数和特性尽量一致的器件 。
采用电阻均压, Rp的阻值应比器件阻断时的正, 反向
电阻小得多 。
b) a)
R
C
R
C
VT 1
VT 2
R P
R P
I
O U U T1
I R
U T2
VT 1
VT 2
图 1-41 晶闸管的串联
a) 伏安特性差异 b) 串联均压措施
动态均压措施,
选择动态参数和特性
尽量一致的器件 。
用 RC并联支路作动态
均压 。
采用门极强脉冲触发
可以显著减小器件开
通时间的差异 。
1-114
1.8.2 晶闸管的并联
问题,会分别因静态和动态特性参数的差异
而电流分配不均匀 。
均流措施,
挑选特性参数尽量一致的器件 。
采用均流电抗器 。
用门极强脉冲触发也有助于动态均流 。
当需要同时串联和并联晶闸管时, 通常采用先串
后并的方法联接 。
目的,多个器件并联来承担较大的电流
1-115
1.8.3电力 MOSFET和 IGBT并联运行的特点
Ron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 Ron,UT,Gfs和 Ciss尽量相近的器件并联 。
电路走线和布局应尽量对称 。
可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用 。
IGBT并联运行的特点
在 1/2或 1/3额定电流以下的区段, 通态压降具有 负 温
度系数 。
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 。
电力 MOSFET并联运行的特点
1-116
图 1-42 电力电子器件分类“树”
本章小结
主要内容
全面介 绍各种 主要 电力
电子器 件的基 本结 构,
工作原 理, 基 本特 性和
主要参数等 。
集中讨 论电力 电子 器件
的驱动, 保护 和串, 并
联使用 。
电力电子器件类型归纳
单极型,电力 MOSFET和
SIT
双极型,电力二极管、晶闸
管,GTO,GTR和 SITH
复合型, IGBT和 MCT
分类,DATASHEET
1-117
本章小结
特点,输入阻抗高, 所需驱动功率小, 驱动电路简
单, 工作频率高 。
电流驱动型,双极型器件中除 SITH外
特点,具有电导调制效应, 因而通态压降低, 导通
损耗小, 但工作频率较低, 所需驱动功率大,驱动
电路较复杂 。
电压驱动型,单极型器件和复合型器件, 双
极型器件中的 SITH
1-118
本章小结
IGBT 为主体, 第四代产品, 制造水平 2.5kV /
1.8kA,兆瓦以下首选 。 仍在不断发展, 与 IGCT等
新器件激烈竞争, 试图在兆瓦以上取代 GTO。
GTO：兆瓦以上首选, 制造水平 6kV / 6kA。
光控晶闸管,功率更大场合, 8kV / 3.5kA,装臵
最高达 300MVA,容量最大 。
电力 MOSFET：长足进步, 中小功率领域特别是
低压, 地位牢固 。
功率模块和功率集成电路 是现在电力电子发展的
一个共同趋势 。
当前的格局,
第 1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述
1.2 不可控器件 —— 二极管
1.3 半控型器件 —— 晶闸管
1.4 典型全控型器件
1.5 其他新型电力电子器件
1.6 电力电子器件的驱动
1.7 电力电子器件的保护
1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结及作业
1-2
电子技术的基础
——— 电子器件：晶体管和集成电路
电力电子电路的基础
——— 电力电子器件
本章主要内容,
概述电力电子器件的 概念, 特点 和 分类 等问题。
介绍常用电力电子器件的 工作原理, 基本特性, 主
要参数 以及选择和使用中应注意问题。
第 1章 电力电子器件 ·引言
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类
1.1.4 本章内容和学习要点
1.1 电力电子器件概述
1-4
1）概念,
电力电子器件 （ Power Electronic Device）
—— 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电
子器件。
主电路（ Main Power Circuit）
—— 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控
制任务的电路。
2）分类,
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管 )
半导体器件 (采用的主要材料硅） 仍然
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1-5
能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子
器件。
电力电子器件一般都工作在开关状态。
电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
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。
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
3）同处理信息的电子器件相比的一般特征,
1-6
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 可能成为器件功率损
耗的主要因素。
主要损耗
通态损耗
断态损耗
开关损耗
关断损耗
开通损耗
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗
1-7
电力电子系统,由 控制电路, 驱动电路, 保护电路
和以电力电子器件为核心的 主电路 组成。
图 1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
控
制
电
路
检测
电路
驱动
电路
R L
主电路
V 1
V 2
保护
电路
在主电路
和控制电
路中附加
一些电路，
以保证电
力电子器
件和整个
系统正常
可靠运行
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电气隔离
控制电路
1-8
半控型器件（ Thyristor）
—— 通过控制信号可以控制其导通而不能控制
其关断。
全控型器件（ IGBT,MOSFET)
—— 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。
不可控器件 (Power Diode)
—— 不能用控制信号来控制其通断,因此也就不
需要驱动电路。
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类,
1-9
电流驱动型
—— 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。
电压驱动型
—— 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。
1.1.3 电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，分为两类,
1-10
本章内容,
介绍各种器件的 工作原理, 基本特性, 主要参数 以
及选择和使用中应注意的一些问题。
集中讲述电力电子器件的 驱动, 保护和串, 并联使
用 这三个问题。
学习要点,
最重要的是掌握其 基本特性 。
掌握电力电子器件的型号 命名法,以及其 参数和特
性曲线的使用方法 。
可能会主电路的其它电路元件有 特殊的要求 。
1.1.4 本章学习内容与学习要点
1-11
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
1.2.2 电力二极管的基本特性
1.2.3 电力二极管的主要参数
1.2.4 电力二极管的主要类型
1.2 不可控器件 — 电力二极管
1-12
? Power Diode结构和原理简单, 工作可靠, 自
20世纪 50年代初期就获得应用 。
?快恢复二极管和肖特基二极管, 分别在中, 高
频整流和逆变, 以及低压高频整流的场合, 具
有不可替代的地位 。
1.2 不可控器件 — 电力二极管 ·引言
整流二极管及模块
1-13
基本结构和工作
原理与信息电子
电路中的二极管
一样 。
由一个面积较大
的 PN结和两端引
线以及封装组成
的 。
从外形上看, 主
要有螺栓型和平
板型两种封装 。 图 1-2 电力二极管的外形、结构和电气
图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
A
K
A K
a)
I
K A P N
J
b)
c)
A K
1-14
状态
参数 正向导通 反向截止 反向击穿
电流 正向大 几乎为零 反向大
电压 维持 1V 反向大 反向大
阻态 低阻态 高阻态 ——
?二极管的基本原理就在于 PN结的单向导电性这一主要
特征 。
PN结的反向击穿（两种形式 )
雪崩击穿
齐纳击穿
均可能导致热击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
1-15
PN结的电荷量随外加电压而变化, 呈现 电容效
应, 称为 结电容 CJ,又称为 微分电容 。
结电容按其产生机制和作用的差别分为 势垒电
容 CB和 扩散电容 CD。
电容影响 PN结的工作频率, 尤其是高速的开关
状态 。
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应,
1-16
主要指其 伏安特性
门槛电压 UTO,正向电流
IF开始明显增加所对应的
电压 。
与 IF对应的电力二极管两
端的电 压即为 其 正向电
压降 UF 。
承受反 向电压 时, 只有
微小而 数值恒 定的 反向
漏电流 。 图 1-4 电力二极管的伏安特性
1.2.2 电力二极管的基本特性
1) 静态特性
I
O
I F
U TO U F U
1-17
2) 动态特性
—— 二极管的电压 -电流特性随时
间变化的
—— 结电容的存在
1.2.2 电力二极管的基本特性
b)
U FP
u
i i
F
u F
t fr t 0
2V
a)
F
U F
t F t 0
t rr
t d t f
t 1 t 2 t U
R
U RP I RP
d i F
d t
d i R
d t
图 1-5 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏臵转换为反向偏臵
b) 零偏臵转换为正向偏臵
延迟时间,td= t1- t0,
电流下降时间,tf= t2- t1
反向恢复时间,trr= td+ tf
恢复特性的软度：下降时间与
延迟时间 的比值 tf /td，或称恢复
系数，用 Sr表示。
1-18
正向压降先出现一个过冲 UFP,经
过一段时间才趋于接近稳态压降的
某个值 （ 如 2V） 。
正向恢复时间 tfr。
电流上升率越大, UFP越高 。
U FP
u i
i F
u F
t fr t 0
2V
图 1-5(b)开通过程
1.2.2 电力二极管的基本特性
开通过程,
关断过程
须经过一段短暂的时间才能重新获
得反向阻断能力, 进入截止状态 。
关断之前有较大的反向电流出现,
并伴随有明显的反向电压过冲 。
I F
U F
t F t 0
t rr
t d t f
t 1 t 2 t U
R
U RP I RP
d i F
d t
d i R
d t
图 1-5(b)关断过程
1-19
额定电流 ——在指定的管壳温度和散热
条件下, 其允许流过的最大 工频正弦半
波电流 的平均值 。
IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的, 使
用时应按 有效值相等的原则 来选取电流
定额, 并应留有一定的裕量 。
1.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流 IF(AV)
1-20
在指定温度下, 流过某一指定的稳态正向电流时对
应的正向压降 。
3） 反向重复峰值电压 URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 。
使用时, 应当留有两倍的裕量 。
4） 反向恢复时间 trr
trr= td+ tf
1.2.3 电力二极管的主要参数
2） 正向压降 UF
1-21
结温 是指管芯 PN结的平均温度, 用 TJ表示 。
TJM是指在 PN结不致损坏的前提下所能承受的最高
平均温度 。
TJM通常在 125~175?C范围之内 。
6) 浪涌电流 IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频
周期的过电流 。
1.2.3 电力二极管的主要参数
5）最高工作结温 TJM
1-22
1) 普通二极管 （ General Purpose Diode）
又称整流二极管 （ Rectifier Diode）
多用于开关频率不高 （ 1kHz以下 ） 的整流电路
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
DATASHEET
按照正向压降, 反向耐压, 反向漏电流等性能,
特别是反向恢复特性的不同介绍 。
1.2.4 电力二极管的主要类型
1-23
简称快速二极管
快恢复外延二极管
（ Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED）,其
trr更短（可低于 50ns）,UF也很低（ 0.9V左右），
但其反向耐压多在 1200V以下。
从性能上可分为 快速恢复 和 超快速恢复 两个等级。
前者 trr为数百纳秒或更长，后者则在 100ns以下，
甚至达到 20~30ns。
DATASHEET 1 2 3
1.2.4 电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管
（ Fast Recovery Diode——FRD）
1-24
肖特基二极管的 弱点
反向耐压提高时正向压降会提高, 多用于 200V以下 。
反向稳态损耗不能忽略, 必须严格地限制其工作温度 。
肖特基二极管的 优点
反向恢复时间很短 （ 10~40ns） 。
正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 。
反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管 。
效率高, 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小 。
1.2.4 电力二极管的主要类型
3,肖特基二极管 (DATASHEET)
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖
特基势垒二极管 （ Schottky Barrier Diode ——SBD） 。
1-25
1.3 半控器件 — 晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
1.3.2 晶闸管的基本特性
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
1-26
1.3 半控器件 — 晶闸管 ·引言
1956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 。
1958年商业化 。
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 。
20世纪 80年代以来, 开始被全控型器件取代 。
能承受的电压和电流容量最高, 工作可靠, 在大容量
的场合具有重要地位 。
晶闸管 （ Thyristor）,晶体闸流管, 可控硅整流
器 （ Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1-27
图 1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
外形有 螺栓型 和 平板型 两种封装 。
有三个联接端 。
螺栓型封装, 通常螺栓是其阳极, 能与散热器紧
密联接且安装方便 。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间 。
A
A
G
G
K
K
b) c)a)
A
G
K
K
G
A
P
1
N
1
P
2
N
2
J
1
J
2
J
3
1-28
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用 晶闸管的结构
螺栓型晶闸管 晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
1-29
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
式中 ?1和 ?2分别是晶体管 V1和
V2的共基极电流增益； ICBO1和
ICBO2分别是 V1和 V2的共基极漏
电流。由以上式可得,
图 1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
按 晶体管的工作原理,得,
111 C B OAc III ?? ?
222 C B OKc III ?? ?
GAK III ??
21 ccA III ??
（ 1-2）
（ 1-1）
（ 1-3）
（ 1-4）
)(1 21
C B O 2C B O 1G2
A ??
?
??
??? IIII （ 1-5）
1-30
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
在低发射极电流下 ? 是很小的，而当发射极电流建立
起来之后,? 迅速增大。
阻断状态, IG=0,?1+?2很小 。 流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和 。
开通状态, 注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致 ?1+?2趋近于 1的话, 流过晶闸管 的电流 IA,将趋
近于无穷大, 实现饱和导通 。 IA实际由外电路 决定 。
1-31
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应
阳极电压上升率 du/dt过高
结温较高
光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘
而应用于高压电力设备中, 称为 光控晶闸管 （ Light
Triggered Thyristor——LTT） 。
只有门极触发是最精确, 迅速而可靠的控制手段 。
其他几种可能导通的情况,
1-32
1.3.2 晶闸管的基本特性
承受反向电压时, 不论门极是否有触发电流, 晶闸
管都不会导通 。
承受正向电压时, 仅在门极有触发电流的情况下晶
闸管才能开通 。
晶闸管一旦导通, 门极就失去控制作用 。
要使晶闸管关断, 只能使晶闸管的电流降到接近于
零的某一数值以下 。
DATASHEET
晶闸管正常工作时的特性总结如下,
1-33
1.3.2 晶闸管的基本特性
（ 1） 正向特性
IG=0时，器件两端施加正
向电压，只有很小的正向
漏电流，为正向阻断状态。
正向电压超过正向转折电
压 Ubo，则漏电流急剧增大，
器件开通。
随着门极电流幅值的增大,
正向转折电压降低 。
晶闸管本身的压降很小,
在 1V左右 。
正向
导通
雪崩
击穿
O + U A - U
A
- I A
I A
I H I G2 I G1 I G = 0
U bo
U DSM
U DRM
U RRM U RSM
1） 静态特性
图 1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
1-34
1.3.2 晶闸管的基本特性
反向特性类似二极管的反
向特性 。
反向阻断状态时, 只有极
小的反相漏电流流过 。
当反向电压达到反向击穿
电压后, 可能导致晶闸管
发热损坏 。
图 1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
正向
导通
雪崩
击穿
O + U A - U
A
- I A
I A
I H I G2 I G1 I G = 0
U bo
U DSM
U DRM
U RRM U RSM
（ 2） 反向特性
1-35
1.3.2 晶闸管的基本特性
1) 开通过程
延迟时间 td (0.5~1.5?s)
上升时间 tr (0.5~3?s)
开通时间 tgt以上两者之和,
tgt=td+ tr （ 1-6）
100%
90%
10%
u AK
t
t O
0 t d t r
t rr t gr U RRM
I RM
i A
2) 关断过程
反向阻断恢复时间 trr
正向阻断恢复时间 tgr
关断时间 tq以上两者之和
tq=trr+tgr （ 1-7)
普通晶闸管的关断时间
约几百微秒
2） 动态特性
图 1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
1-36
1.3.3 晶闸管的主要参数
断态重复峰值电压 UDRM
—— 在门极断路而结温为额定值时, 允
许重复加在器件上的正向峰值电压 。
反向重复峰值电压 URRM
—— 在门极断路而结温为额定值时, 允
许重复加在器件上的反向峰值电压 。
通态 （ 峰值 ） 电压 UT
—— 晶闸管通以某一规定倍数的额定通
态平均电流时的瞬态峰值电压 。
通 常 取 晶 闸 管 的
UDRM和 URRM中较小
的标值作为该器件
的 额定电压 。
选用时, 一般取额
定电压为正常工作
时晶闸管所承受峰
值电压 2~3倍 。
使用注意,
1） 电压定额
1-37
1.3.3 晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV）
—— 在环境温度为 40?C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定
结温时所允许流过的 最大工频正弦半波电流的平均值 。标称其额定电
流的参数。
—— 使用时应按 有效值相等的原则 来选取晶闸管。
维持电流 IH
—— 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
擎住电流 IL
—— 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需
的最小电流。 对同一晶闸管来说, 通常 IL约为 IH的 2~4倍 。
浪涌电流 ITSM
—— 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性
最大正向过载电流 。
2） 电流定额
1-38
1.3.3 晶闸管的主要参数
除开通时间 tgt和关断时间 tq外, 还有,
断态电压临界上升率 du/dt
—— 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, 使充电电流足够大, 就会使晶闸管误导通 。
通态电流临界上升率 di/dt
—— 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管损坏 。
3） 动态参数
1-39
1.3.4 晶闸管的派生器件
有 快速晶闸管 和 高频晶闸管 。
开关时间以及 du/dt和 di/dt耐量都有明显改善 。
普通晶闸管关断时间数百微秒, 快速晶闸管数十微秒,
高频晶闸管 10?s左右 。
高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高 。
由于工作频率较高, 不能忽略其开关损耗的发热效应 。
DATASHEET
1） 快速晶闸管 （ Fast Switching Thyristor——
FST)
1-40
1.3.4 晶闸管的派生器件
2） 双向晶闸管 （ Triode AC Switch—— TRIAC
或 Bidirectional triode thyristor）
图 1-10 双向晶闸管的电气
图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
a) b)
I
O U
I G = 0
G
T 1
T 2
可认为是一对反并联联
接的普通晶闸管的集成。
有两个主电极 T1和 T2，
一个门极 G。
在第 Ｉ 和第 III象限有对
称的伏安特性。
不用平均值而用有效值
来表示其额定电流值 。
DATASHEET
1-41
1.3.4 晶闸管的派生器件
3) 逆导晶闸管 （ Reverse Conducting
Thyristor—— RCT）
a)
K G
A
b)
U O
I
I G = 0
图 1-11 逆导晶闸管的电气
图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
将晶闸管反并联一
个二极管制作在同
一管芯上的功率集
成器件。
具有正向压降小、
关断时间短、高温
特性好、额定结温
高等优点。
1-42
1.3.4 晶闸管的派生器件
4) 光控晶闸管 （ Light Triggered Thyristor—
— LTT）
A
G
K
a)
AK
光强度 强 弱
b)
O U
I A
图 1-12 光控晶闸管的电气
图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
又称光触发晶闸管，
是利用一定波长的光
照信号触发导通的晶
闸管。
光触发保证了主电路
与控制电路之间的绝
缘，且可避免电磁干
扰的影响。
因此目前在高压大功
率的场合。
1-43
1.4 典型全控型器件
1.4.1 门极可关断晶闸管
1.4.2 电力晶体管
1.4.3 电力场效应晶体管
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
1-44
1.4 典型全控型器件 ·引言
门极可关断晶闸管 ——在晶闸管问世后不久
出现 。
20世纪 80年代以来, 电力电子技术进入了一
个崭新时代 。
典型代表 ——门极可关断晶闸管, 电力晶体
管, 电力场效应晶体管, 绝缘栅双极晶体管 。
1-45
1.4 典型全控型器件 ·引言
常用的 典型全控型器件
电力 MOSFET
IGBT单管及模块
1-46
1.4.1 门极可关断晶闸管
晶闸管的一种派生器件 。
可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 。
GTO的电压, 电流容量较大, 与普通晶闸管接近,
因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用 。
DATASHEET
门极可关断晶闸管 （ Gate-Turn-Off Thyristor —
GTO）
1-47
1.4.1 门极可关断晶闸管
结构,
与普通晶闸管的 相同点, PNPN四层半导体结构, 外部引
出阳极, 阴极和门极 。
和普通晶闸管的 不同点, GTO是一种多元的功率集成器件 。
c)
图1 - 1 3
A
G K G GK
N
1
P
1
N
2
N
2 P
2
b)a)
A
G
K
图 1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
1） GTO的结构和工作原理
1-48
1.4.1 门极可关断晶闸管
工作原理,
与普通晶闸管一样, 可以用图 1-7所示的双晶体管模型来
分析 。
R
NPN
PNP
A
G
S
K
E
G
I
G
E
A
I
K
I
c2
I
c1
I
A
V
1
V
2
P
1
A
G
K
N
1
P
2
P
2
N
1
N
2
a) b)
图 1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
?1+?2=1是器件临界导通的条件。
由 P1N1P2和 N1P2N2构成的两个晶体管 V1,V2分别具有共
基极电流增益 ?1和 ?2 。
1-49
1.4.1 门极可关断晶闸管
GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有
如下 区别,
设计 ?2较大，使晶体管 V2控
制灵敏，易于 GTO。
导通时 ?1+?2更接近 1，导通
时接近临界饱和，有利门极
控制关断，但导通时管压降
增大。
多元集成结构，使得 P2基区
横向电阻很小，能从门极抽
出较大电流。
R
NPN
PNP
A
G
S
K
E
G
I
G
E
A
I
K
I
c2
I
c1
I
A
V
1
V
2
b)
图 1-7 晶闸管的工作原理
1-50
1.4.1 门极可关断晶闸管
GTO导通过程与普通晶闸管一样, 只是导通时饱和
程度较浅 。
GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关
断 。
多元集成结构还使 GTO比普通晶闸管开通过程快,
承受 di/dt能力强 。
由上述分析我们可以得到以下 结论,
1-51
1.4.1 门极可关断晶闸管
开通过程, 与普通晶闸管
相同
关断过程, 与普通晶闸管
有所不同
储存时间 ts,使等效晶
体管退出饱和 。
下降时间 tf
尾部时间 tt —残存载流
子复合 。
通常 tf比 ts小得多, 而 tt
比 ts要长 。
门极负脉冲电流幅值越
大, ts越短 。
O t
0 t
i G
i A
I A
90% I A
10% I A
t t t f t s t d t r
t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6
图 1-14 GTO的开通和关断过程电流波形
2) GTO的动态特性
1-52
1.4.1 门极可关断晶闸管
3) GTO的主要参数
—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约
1~2?s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括
尾部时间。下降时间一般小于 2?s。
（ 2） 关断时间 toff
（ 1） 开通时间 ton
不少 GTO都制造成逆导型, 类似于逆导晶闸管, 需承
受反压时, 应和电力二极管串联 。
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，
以下只介绍意义不同的参数。
1-53
1.4.1 门极可关断晶闸管
（ 3） 最大可关断阳极电流 IATO
（ 4） 电流关断增益 ?off
?off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 。
——GTO额定电流。
——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。
（ 1-8）
GM
A T O
o f f I
I??
1-54
1.4.2 电力晶体管
电力晶体管 （ Giant Transistor——GTR,直译为巨
型晶体管 ） 。
耐 高 电 压, 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar
Junction Transistor——BJT）, 英文有时候也称为
Power BJT。
DATASHEET 1 2
应用
20世纪 80年代以来, 在中, 小功率范围内取代晶闸
管, 但目前又大多被 IGBT和电力 MOSFET取代 。
术语用法,
1-55
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
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。
采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
1.4.2 电力晶体管
1） GTR的结构和工作原理
图 1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
1-56
1.4.2 电力晶体管
在应用中, GTR一般采用共发射极接法 。
集电极电流 ic与基极电流 ib之比为
（ 1-9）
? ——GTR的 电流放大系数,反映了基极电流对集电极电流的
控制能力 。
当考虑到集电极和发射极间的漏电流 Iceo时, ic和 ib的关
系为 ic=? ib +Iceo （ 1-10）
单管 GTR的 ? 值比小功率的晶体管小得多, 通常为 10
左右, 采用达林顿接法可有效增大电流增益 。
b
c
i
i??
空穴流
电
子
流
c)
E b
E c
i b
i c = ? i b
i e =(1+ ? ) i b
1） GTR的结构和工作原理
1-57
1.4.2 电力晶体管
(1) 静态特性
共发射极接法时的典型输
出特性,截止区, 放大区
和 饱和区 。
在电力电子电路中 GTR工
作在开关状态 。
在开关过程中, 即在截止
区和饱和区之间过渡时,
要经过放大区 。
截止区
放大区
O
I c
i b3
i b2
i b1
i b1 < i b2 < i b3
U ce
图 1-16 共发射极接法时 GTR的
输出特性
2） GTR的基本特性
1-58
1.4.2 电力晶体管
开通过程
延迟时间 td和上升时间 tr，
二者之和为 开通时间 ton。
加快开通过程的办法 。
关断过程
储存时间 ts和下降时间 tf，
二者之和为 关断时间 toff 。
加快关断速度的办法 。
GTR的开关时间在几微秒
以内, 比晶闸管和 GTO都
短很多 。
i b I
b1
I b2
I cs i c
0
0
90% I b1
10% I b1
90% I cs
10% I cs
t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t
t
t off
t s t f
t on
t r t d
图 1-17 GTR的开通和关断过程电流波形
(2) 动态特性
1-59
1.4.2 电力晶体管
前已述及：电流放大倍数 ?,直流电流增益 hFE,集射
极间漏电流 Iceo,集射极间饱和压降 Uces,开通时间 ton和
关断时间 toff (此外还有 ),
1) 最高工作电压
GTR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 。
BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo。
实际使用时, 最高工作电压要比 BUceo低得多 。
3） GTR的主要参数
1-60
1.4.2 电力晶体管
通常规定为 hFE下降到规定值的 1/2~1/3时所对应的 Ic 。
实际使用时要留有裕量, 只能用到 IcM的一半或稍多一点 。
3) 集电极最大耗散功率 PcM
最高工作温度下允许的耗散功率 。
产品说明书中给 PcM时同时给出壳温 TC,间接表示了最高
工作温度 。
2) 集电极最大允许电流 IcM
1-61
1.4.2 电力晶体管
一次击穿, 集电极电压升高至击穿电压时, Ic迅速增大 。
只要 Ic不超过限度, GTR一般不会损坏, 工作特性也不变 。
二次击穿, 一次击穿发生时, Ic突然急剧上升, 电压陡然下降 。
常常立即导致器件的永久损坏, 或者工作特性明显衰变 。
安 全 工 作 区 （ Safe
Operating Area—— SOA）
最高电压 UceM, 集电极最大
电流 IcM,最大耗散功率 PcM、
二次击穿临界线限定 。
SOA
O
I c
I cM P SB
P cM
U ce U ceM
图 1-18 GTR的安全工作区
4) GTR的二次击穿现象与安全工作区
1-62
1.4.3 电力场效应晶体管
分为 结型 和 绝缘栅型
通常主要指 绝缘栅型 中的 MOS型 （ Metal Oxide
Semiconductor FET）
简称电力 MOSFET（ Power MOSFET）
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管
（ Static Induction Transistor——SIT）
特点 ——用栅极电压来控制漏极电流
驱动电路简单, 需要的驱动功率小 。
开关速度快, 工作频率高 。
热稳定性优于 GTR。
电流容量小, 耐压低, 一般只适用于功率不超过 10kW
的电力电子装臵 。
电力场效应晶体管
1-63
1.4.3 电力场效应晶体管
电力 MOSFET的种类
按导电沟道可分为 P沟道 和 N沟道 。
耗尽型 ——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导
电沟道 。
增强型 ——对于 N（ P） 沟道器件, 栅极电压大于
（ 小于 ） 零时才存在导电沟道 。
电力 MOSFET主要是 N沟道增强型 。
DATASHEET
1） 电力 MOSFET的结构和工作原理
1-64
1.4.3 电力场效应晶体管
电力 MOSFET的结构
是单极型晶体管。
导电机理与小功率 MOS管相同，但结构上有较大区别。
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
N +
G
S
D
P 沟道
b)
N +
N -
S
G
D
P P
N +N +
N +
沟道
a)
G
S
D
N 沟道
图1 - 1 9
图 1-19 电力 MOSFET的结构和电气图形符号
1-65
1.4.3 电力场效应晶体管
小功率 MOS管是横向导电器件 。
电力 MOSFET 大 都 采 用 垂 直 导 电 结 构, 又 称 为
VMOSFET（ Vertical MOSFET） 。
按垂直导电结构的差异, 分为利用 V型槽实现垂直导电
的 VVMOSFET 和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 MOS结 构 的
VDMOSFET（ Vertical Double-diffused MOSFET） 。
这里主要以 VDMOS器件为例进行讨论 。
电力 MOSFET的结构
1-66
1.4.3 电力场效应晶体管
截止, 漏源极间加正电源, 栅源极间电压为零 。
– P基区与 N漂移区之间形成的 PN结 J1反偏, 漏源极之间无电流
流过 。
导电, 在栅源极间加正电压 UGS
– 当 UGS大于 UT时, P型半导体反型成 N型而成为 反型层, 该反
型层形成 N沟道而使 PN结 J1消失, 漏极和源极导电 。
N +
G
S
D
P 沟道
b)
N +
N -
S
G
D
P P
N +N +
N +
沟道
a)
G
S
D
N 沟道
图1 - 1 9
图 1-19 电力 MOSFET的结构和电气图形符号
电力 MOSFET的工作原理
1-67
1.4.3 电力场效应晶体管
(1) 静态特性
漏极电流 ID和栅源间电压
UGS的关系称为 MOSFET
的 转移特性 。
ID较大时,ID与 UGS的关系
近似线性，曲线的斜率定
义为 跨导 Gfs。
0
10
20
30
50
40
2 4 6 8
a)
10
20
30
50
40
0
b)
10 20 30 50 40
饱和区
非
饱
和
区
截止区
I D /
A
U T
U GS / V
U DS / V
U GS = U T =3V
U GS =4V
U GS =5V
U GS =6V
U GS =7V
U GS =8V
I D /
A
图 1-20 电力 MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
2）电力 MOSFET的基本特性
1-68
1.4.3 电力场效应晶体管
截止区 （ 对应于 GTR的截止区 ）
饱和区 （ 对应于 GTR的放大区 ）
非饱和区 （ 对应 GTR的饱和区 ）
工作在开关状态, 即在截止区和
非饱和区之间来回转换 。
漏源极之间有寄生二极管, 漏源
极间加反向电压时器件导通 。
通态电阻具有正温度系数, 对器
件并联时的均流有利 。 图 1-20电力 MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
MOSFET的漏极伏安特性,
0
10
20
30
50
40
2 4 6 8
a)
10
20
30
50
40
0
b)
10 20 30 50 40
饱和区
非
饱
和
区
截止区
I D /
A
U T
U GS / V
U DS / V
U GS = U T =3V
U GS =4V
U GS =5V
U GS =6V
U GS =7V
U GS =8V
I D /
A
1-69
1.4.3 电力场效应晶体管
开通过程
开通延迟时间 td(on)
上升时间 tr
开通时间 ton——开通延迟
时间与上升时间之和
关断过程
关断延迟时间 td(off)
下降时间 tf
关断时间 toff——关断延迟
时间和下降时间之和
a ） b )
R s
R G R
F
R L
i D
u GS
u p i D 信号
+ U E
i D
O
O
O
u p
t
t
t
u GS u
GSP u
T
t d (on) t r t d (off) t f
图 1-21 电力 MOSFET的开关过程
a) 测试电路 b) 开关过程波形
up—脉冲信号源,Rs—信号源内阻,
RG—栅极电阻,
RL—负载电阻,RF—检测漏极电流
(2) 动态特性
1-70
1.4.3 电力场效应晶体管
MOSFET的开关速度和 Cin充放电有很大关系 。
可降低驱动电路内阻 Rs减小时间常数, 加快开关速度 。
不存在少子储存效应, 关断过程非常迅速 。
开关时间在 10~100ns之间, 工作频率可达 100kHz以上,
是主要电力电子器件中最高的 。
场控器件, 静态时几乎不需输入电流 。 但在开关过程中
需对输入电容充放电, 仍需一定的驱动功率 。
开关频率越高, 所需要的驱动功率越大 。
MOSFET的开关速度
1-71
1.4.3 电力场效应晶体管
3) 电力 MOSFET的主要参数
——电力 MOSFET电压定额
(1) 漏极电压 UDS
(2) 漏极直流电流 ID和漏极脉冲电流幅值 IDM
——电力 MOSFET电流定额
(3) 栅源电压 UGS
—— ?UGS?>20V将导致绝缘层击穿 。
除跨导 Gfs、开启电压 UT以及 td(on),tr,td(off)和 tf之外还有,
(4) 极间电容
——极间电容 CGS,CGD和 CDS
1-72
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
两类器件取长补短结合而成的复合器件 —Bi-MOS器件
绝缘栅双极晶体管 （ Insulated-gate Bipolar Transistor——
IGBT或 IGT） (DATASHEET 1 2 )
GTR和 MOSFET复合, 结合二者的优点 。
1986年投入市场, 是中小功率电力电子设备的主导器件 。
继续提高电压和电流容量, 以期再取代 GTO的地位 。
GTR和 GTO的特点 ——双极型, 电流驱动, 有电导调制效应,
通流能力很强, 开关速度较低, 所需驱动功率大, 驱动电路复杂 。
MOSFET的优点 ——单极型, 电压驱动, 开关速度快, 输入阻
抗高, 热稳定性好, 所需驱动功率小而且驱动电路简单 。
1-73
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
1) IGBT的结构和工作原理
三端器件：栅极 G,集电极 C和发射极 E
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
发射极 栅极
集电极
注入区
缓冲区
漂移区J 3 J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
图 1-22 IGBT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 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
1-74
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
图 1-22a—N沟道 VDMOSFET与 GTR组合 ——N沟道 IGBT。
IGBT比 VDMOSFET多一层 P+注入区, 具有很强的通流能力 。
简化等效电路表明, IGBT是 GTR与 MOSFET组成的达林顿结
构, 一个由 MOSFET驱动的厚基区 PNP晶体管 。
RN为晶体管基区内的调制电阻 。
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
发射极 栅极
集电极
注入区
缓冲区
漂移区J 3 J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
图 1-22 IGBT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 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
IGBT的结构
1-75
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
驱动原理与电力 MOSFET基本相同, 场控器件, 通断由栅
射极电压 uGE决定 。
导通, uGE大于 开启电压 UGE(th)时, MOSFET内形成沟道,
为晶体管提供基极电流, IGBT导通 。
通态压降,电导调制效应使电阻 RN减小, 使通态压降减小 。
关断,栅射极间施加反压或不加信号时, MOSFET内的沟道
消失, 晶体管的基极电流被切断, IGBT关断 。
IGBT的原理
1-76
a ) b )
O
有源区
正向阻断区
饱
和
区
反向阻断区
I C
U GE(th) U GE O
I C
U RM
U FM U CE
U GE(th)
U GE 增加
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
2) IGBT的基本特性
(1) IGBT的静态特性
图 1-23 IGBT的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
转移特性 —— IC与
UGE间的关系 (开启电
压 UGE(th))
输出特性
?分为三 个区域：
正向阻断区, 有
源区和饱和区 。
1-77
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U CE
I C
0
O
0
U GE U GEM
I CM
U CEM
t fv1 t fv2
t off t on
t fi1 t fi2
t d(off) t f t d(on) t r
U CE(on)
U GEM
U GEM
I CM
I CM
图 1-24 IGBT的开关过程
IGBT的开通过程
与 MOSFET的相似
开通延迟时间 td(on)
电流上升时间 tr
开通时间 ton
uCE 的下降过程分为 tfv1 和
tfv2两段 。
tfv1——IGBT中 MOSFET单
独工作的电压下降过程；
tfv2——MOSFET 和 PNP晶
体管同时工作的电压下降
过程 。
(2) IGBT的动态特性
1-78
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
图 1-24 IGBT的开关过程
关断延迟时间 td(off）
电流下降时间
关断时间 toff
电流下降时间又可分为
tfi1和 tfi2两段 。
tfi1——IGBT器件内部的
MOSFET 的 关 断 过程,
iC下降较快 。
tfi2——IGBT 内部的 PNP
晶体管的关断过程, iC下
降较慢 。
IGBT的关断过程
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U CE
I C
0
O
0
U GE U GEM
I CM
U CEM
t fv1 t fv2
t off t on
t fi1 t fi2
t d(off) t f t d(on) t r
U CE(on)
U GEM
U GEM
I CM
I CM
1-79
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
3) IGBT的主要参数
——正常工作温度下允许的最大功耗 。
(3) 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
——由内部 PNP晶体管的击穿电压确定。
(1) 最大集射极间电压 UCES
1-80
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
IGBT的特性和参数特点可以总结如下,
开关速度高, 开关损耗小 。
相同电压和电流定额时, 安全工作区比 GTR大, 且
具有耐脉冲电流冲击能力 。
通态压降比 VDMOSFET低 。
输入阻抗高, 输入特性与 MOSFET类似 。
与 MOSFET和 GTR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 。
1-81
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
擎住效应或自锁效应,
IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模
块，成为逆导器件 。
——最大集电极电流, 最大集射极间电压 和 最大允许电压上升率
duCE/dt确定。
反向偏臵安全工作区 （ RBSOA）
——最大集电极电流, 最大集射极间电压 和 最大集电极功耗 确定。
正偏安全工作区 （ FBSOA）
动态擎住效应 比 静态擎住效应 所允许的集电极电流小。
擎住效应曾限制 IGBT电流容量提高,20世纪 90年代中后期开
始逐渐解决。
——NPN晶体管基极与发射极之间存在 体区短路电阻, P形体区的
横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对 J3结施加正偏压，
一旦 J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。
1-82
1.5 其他新型电力电子器件
1.5.1 MOS控制晶闸管 MCT
1.5.2 静电感应晶体管 SIT
1.5.3 静电感应晶闸管 SITH
1.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT
1.5.5 功率模块与功率集成电路
1-83
1.5.1 MOS控制晶闸管 MCT
MCT结合了二者的优点,
承受极高 di/dt和 du/dt,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 。
一个 MCT器件由数以万计的 MCT元组成 。
每个元的组成为：一个 PNPN晶闸管, 一个控制该晶闸
管开通的 MOSFET, 和 一 个 控 制 该 晶 闸 管 关 断 的
MOSFET。
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 。
MCT（ MOS Controlled Thyristor） ——MOSFET
与晶闸管的复合 (DATASHEET)
1-84
1.5.2 静电感应晶体管 SIT
多子导电的器件, 工作频率与电力 MOSFET相当, 甚
至更高, 功率容量更大, 因而适用于高频大功率场合 。
在雷达通信设备, 超声波功率放大, 脉冲功率放大和高
频感应加热等领域获得应用 。
缺点,
栅极不加信号时导通, 加负偏压时关断, 称为 正常导通
型 器件, 使用不太方便 。
通态电阻较大, 通态损耗也大, 因而还未在大多数电力
电子设备中得到广泛应用 。
SIT（ Static Induction Transistor） ——结型场效
应晶体管
1-85
1.5.3 静电感应晶闸管 SITH
SITH是两种载流子导电的双极型器件, 具有电导调制效
应, 通态压降低, 通流能力强 。
其很多特性与 GTO类似, 但开关速度比 GTO高得多, 是
大容量的快速器件 。
SITH一般也是正常导通型, 但也有正常关断型 。 此外,
电流关断增益较小, 因而其应用范围还有待拓展 。
SITH（ Static Induction Thyristor） ——场控
晶闸管（ Field Controlled Thyristor—FCT）
1-86
1.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT
20世纪 90年代后期出现, 结合了 IGBT与 GTO的优点,
容量与 GTO相当, 开关速度快 10倍 。
可省去 GTO复杂的缓冲电路, 但驱动功率仍很大 。
目前正在与 IGBT等新型器件激烈竞争, 试图最终取
代 GTO在大功率场合的位臵 。
DATASHEET 1 2
IGCT（ Integrated Gate-Commutated Thyristor）
——GCT（ Gate-Commutated Thyristor）
1-87
1.5.5 功率模块与功率集成电路
20世纪 80年代中后期开始, 模块化趋势, 将多个器件
封装在一个模块中, 称为 功率模块 。
可缩小装臵体积, 降低成本, 提高可靠性 。
对工作频率高的电路, 可大大减小线路电感, 从而简
化对保护和缓冲电路的要求 。
将器件与逻辑, 控制, 保护, 传感, 检测, 自诊断等
信息电子电路制作在同一芯片上, 称为 功率集成电路
（ Power Integrated Circuit——PIC） 。
DATASHEET
基本概念
1-88
1.5.5 功率模块与功率集成电路
高压集成电路 （ High Voltage IC——HVIC） 一般指横
向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 。
智能功率集成电路 （ Smart Power IC——SPIC） 一般
指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 。
智能功率模块 （ Intelligent Power Module——IPM）
则专指 IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片
集成, 也称智能 IGBT（ Intelligent IGBT） 。
实际应用电路
1-89
1.5.5 功率模块与功率集成电路
功率集成电路的主要技术难点,高低压电路之间的绝缘问
题 以及 温升和散热的处理 。
以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合 。
智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几
年获得了 迅速发展 。
功率集成电路实现了电能和信息的集成, 成为机电一体化
的理想接口 。
发展现状
1-90
1.6 电力电子器件器件的驱动
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
1.6.2 晶闸管的触发电路
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
1-91
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
使电力电子器件工作在较理想的开关状态, 缩短开
关时间, 减小开关损耗 。
对装臵的运行效率, 可靠性和安全性都有重要的意
义 。
一些保护措施也往往设在驱动电路中, 或通过驱动
电路实现 。
驱动电路的基本任务,
按控制目标的要求施加开通或关断的信号 。
对半控型器件只需提供开通控制信号 。
对全控型器件则既要提供开通控制信号, 又要提供
关断控制信号 。
驱动电路 ——主电路与控制电路之间的接口
1-92
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的 电
气隔离 环节, 一般采用光隔离或磁隔离 。
光隔离一般采用光耦合器
磁隔离的元件通常是 脉冲变压器
E
R
E
R
E
R
a ) b ) c )
U
in
U
out
R
1
I
C
I
D
R
1
R
1
图 1-25 光耦合器的类型及接法
a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型
1-93
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
按照驱动信号的性质分, 可分为 电流驱动型 和 电
压驱动型 。
驱动电路具体形式可为 分立元件 的, 但目前的趋
势是采用 专用集成驱动电路 。
双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在
内的混合集成电路 。
为达到参数最佳配合, 首选所用器件生产厂家专
门开发的集成驱动电路 。
分类
1-94
1.6.2 晶闸管的触发电路
作用, 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 。
晶闸管触发电路应满足下列
要求,
脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导
通 。
触发脉冲应有足够的幅度 。
不超过门极电压, 电流和功率定
额, 且在可靠触发区域之内 。
有良好的抗干扰性能, 温度稳定
性及与主电路的电气隔离 。
t
I
I M
t 1 t 2 t 3 t 4
图 1-26 理想的晶闸管触
发脉冲电流波形
t1~t2?脉冲前沿上升时间（ <1?s）
t1~t3?强脉宽度
IM?强脉冲幅值（ 3IGT~5IGT）
t1~t4?脉冲宽度 I?脉冲平顶
幅值（ 1.5IGT~2IGT）
晶闸管的触发电路
1-95
1.6.2 晶闸管的触发电路
V1,V2构成 脉冲放大
环节 。
脉冲变压器 TM和附
属电路构成 脉冲输出
环节 。
V1,V2导通时，通
过脉冲变压器向晶闸
管的门极和阴极之间
输出触发脉冲。
图 1-27 常见的晶闸管触发电路
常见的晶闸管触发电路
1-96
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
(1) GTO
GTO的 开通控制 与普
通晶闸管相似 。
GTO关断控制 需施加
负门极电流 。
图 1-28 推荐的 GTO门极电压电流波形
O t
t O
u G
i G
1) 电流驱动型器件的驱动电路
正的门极电流
5V的负偏压
GTO驱动电路通常包括
开通驱动电路, 关断驱
动电路 和 门极反偏电路
三部分, 可分为 脉冲变
压器耦合式 和 直接耦合
式 两种类型 。
1-97
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄
生振荡, 可得到较陡的脉冲前沿 。
目前应用较广, 但其功耗大, 效率较低 。
图 1-29 典型的直接耦合式 GTO驱动电路
1-98
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
开通驱动电流应使 GTR处于准
饱和导通状态, 使之不进入放
大区和深饱和区 。
关断 GTR时, 施加一定的负基
极电流有利于减小关断时间和
关断损耗 。
关断后同样应在基射极之间施
加一定幅值 （ 6V左右 ） 的负偏
压 。
t O
i b
图 1-30 理想的 GTR基极
驱动电流波形
(2) GTR
1-99
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
GTR的一种驱动电路, 包括电气隔离和晶体管放大电路
两部分 。 VD
1
A
V
VS
0 V
+ 10V+ 15V
V
1
VD
2
VD
3
VD
4
V
3
V
2
V
4
V
5
V
6
R
1
R
2
R
3
R
4
R
5
C
1
C
2
图 1-31 GTR的一种驱动电路
驱动 GTR的集成驱动电路中,THOMSON公司的
UAA4002和三菱公司的 M57215BL较为常见。
1-100
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
电力 MOSFET和 IGBT是电压驱动型器件 。
为快速建立驱动电压, 要求驱动电路输出电阻小 。
使 MOSFET开通的驱动电压一般 10~15V,使 IGBT开
通的驱动电压一般 15 ~ 20V。
关断时施加一定幅值的负驱动电压 （ 一般取 -5 ~ -15V）
有利于减小关断时间和关断损耗 。
在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡 。
2) 电压驱动型器件的驱动电路
1-101
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
(1) 电力 MOSFET的一种驱动电路,
电气隔离 和 晶体管放大电路 两部分
图 1-32 电力 MOSFET的一种驱动电路
专为驱动电力 MOSFET而设计的混合集成电路有
三菱公司的 M57918L，其输入信号电流幅值为
16mA，输出最大脉冲电流为 +2A和 -3A，输出驱
动电压 +15V和 -10V。
1-102
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
(2) IGBT的驱动
图 1-33 M57962L型 IGBT驱动器的原理和接线图
常用的有三菱公司的 M579系列（如 M57962L和
M57959L）和富士公司的 EXB系列（如 EXB840、
EXB841,EXB850和 EXB851）。
多采用专用的混合集成驱动器。
1-103
1.7 电力电子器件器件的保护
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
1.7.2 过电流保护
1.7.3 缓冲电路
1-104
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
外因过电压,主要来自雷击和系统操作过程等外因
操作过电压,由分闸, 合闸等开关操作引起
雷击过电压,由雷击引起
内因过电压,主要来自电力电子装臵内部器件的开关
过程
换相过电压,晶闸管或与全控型器件反并联的二极管
在换相结束后, 反向电流急剧减小, 会由线路电感在
器件两端感应出过电压 。
关断过电压,全控型器件关断时, 正向电流迅速降低
而由线路电感在器件两端感应出的过电压 。
电力电子装臵可能的过电压 —— 外因过电压 和 内因
过电压
1-105
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
过电压保护措施
图 1-34 过电压抑制措施及配臵位臵
F?避雷器 D?变压器静电屏蔽层 C?静电感应过电压抑制电容
RC1?阀侧浪涌过电压抑制用 RC电路 RC2?阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式 RC电路
RV?压敏电阻过电压抑制器 RC3?阀器件换相过电压抑制用 RC电路
RC4?直流侧 RC抑制电路 RCD?阀器件关断过电压抑制用 RCD电路
电力电子装臵可视具体情况只采用其中的几种。
其中 RC3和 RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓
冲电路范畴。
1-106
1.7.2 过电流保护
过电流 ——过载 和 短路 两种情况
保护措施
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
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
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。
图 1-37 过电流保护措施及配臵位臵
1-107
1.7.2 过电流保护
全保护：过载, 短路均由快熔进行保护, 适用于
小功率装臵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 。
对重要的且易发生短路的晶闸管设备, 或全
控型器件, 需采用电子电路进行过电流保护 。
常在全控型器件的驱动电路中设臵过电流保
护环节, 响应最快 。
快熔对器件的保护方式,全保护 和 短路保护
两种
1-108
1.7.3 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 。
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 。
复合缓冲电路 ——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合 。
按能量的去向分类法,耗能式缓冲电路 和 馈能式缓冲电路
（ 无损吸收电路 ） 。
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 。
缓冲电路 (Snubber Circuit), 又称 吸收电路,
抑制器件的内因过电压,du/dt、过电流和 di/dt，
减小器件的开关损耗。
1-109
b)
t
u CE
i C
O
d i
d t 抑制电路 无 时
d i
d t 抑制电路 有 时
有缓冲电路时
无缓冲电路时
u CE
i C
1.7.3 缓冲电路
缓冲电路作用分析
无缓冲电路,
有缓冲电路,
图 1-38 di/dt抑制电路和
充放电型 RCD缓冲电路及波形
a) 电路 b) 波形
A
D
C
B
无缓冲电路
有缓冲电路
u CE
i C
O
图 1-39 关断时的负载线
1-110
1.7.3 缓冲电路
充放电型 RCD缓冲电路,
适用于中等容量的场合 。
图 1-38 di/dt抑制电路和
充放电型 RCD缓冲电路及波形
a) 电路
其中 RC缓冲电路主要用
于小容量器件, 而放电
阻止型 RCD缓冲电路用
于中或大容量器件 。
图 1-40 另外两种常用的缓冲电路
a) RC吸收电路
b) 放电阻止型 RCD吸收电路
1-111
1.8电力电子器件器件的串联和并联使用
1.8.1 晶闸管的串联
1.8.2 晶闸管的并联
1.8.3 电力 MOSFET和 IGBT并联运行的特点
1-112
1.8.1 晶闸管的串联
问题,理想串联希望器件分压相等, 但因特性
差异, 使器件电压分配不均匀 。
静态不均压,串联的器件流过的漏电流相同, 但因
静态伏安特性的分散性, 各器件分压不等 。
动态不均压,由于器件动态参数和特性的差异造成
的不均压。
目的,当晶闸管额定电压小于要求时, 可以
串联 。
1-113
1.8.1 晶闸管的串联
静态均压措施,
选用参数和特性尽量一致的器件 。
采用电阻均压, Rp的阻值应比器件阻断时的正, 反向
电阻小得多 。
b) a)
R
C
R
C
VT 1
VT 2
R P
R P
I
O U U T1
I R
U T2
VT 1
VT 2
图 1-41 晶闸管的串联
a) 伏安特性差异 b) 串联均压措施
动态均压措施,
选择动态参数和特性
尽量一致的器件 。
用 RC并联支路作动态
均压 。
采用门极强脉冲触发
可以显著减小器件开
通时间的差异 。
1-114
1.8.2 晶闸管的并联
问题,会分别因静态和动态特性参数的差异
而电流分配不均匀 。
均流措施,
挑选特性参数尽量一致的器件 。
采用均流电抗器 。
用门极强脉冲触发也有助于动态均流 。
当需要同时串联和并联晶闸管时, 通常采用先串
后并的方法联接 。
目的,多个器件并联来承担较大的电流
1-115
1.8.3电力 MOSFET和 IGBT并联运行的特点
Ron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 Ron,UT,Gfs和 Ciss尽量相近的器件并联 。
电路走线和布局应尽量对称 。
可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用 。
IGBT并联运行的特点
在 1/2或 1/3额定电流以下的区段, 通态压降具有 负 温
度系数 。
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 。
电力 MOSFET并联运行的特点
1-116
图 1-42 电力电子器件分类“树”
本章小结
主要内容
全面介 绍各种 主要 电力
电子器 件的基 本结 构,
工作原 理, 基 本特 性和
主要参数等 。
集中讨 论电力 电子 器件
的驱动, 保护 和串, 并
联使用 。
电力电子器件类型归纳
单极型,电力 MOSFET和
SIT
双极型,电力二极管、晶闸
管,GTO,GTR和 SITH
复合型, IGBT和 MCT
分类,DATASHEET
1-117
本章小结
特点,输入阻抗高, 所需驱动功率小, 驱动电路简
单, 工作频率高 。
电流驱动型,双极型器件中除 SITH外
特点,具有电导调制效应, 因而通态压降低, 导通
损耗小, 但工作频率较低, 所需驱动功率大,驱动
电路较复杂 。
电压驱动型,单极型器件和复合型器件, 双
极型器件中的 SITH
1-118
本章小结
IGBT 为主体, 第四代产品, 制造水平 2.5kV /
1.8kA,兆瓦以下首选 。 仍在不断发展, 与 IGCT等
新器件激烈竞争, 试图在兆瓦以上取代 GTO。
GTO：兆瓦以上首选, 制造水平 6kV / 6kA。
光控晶闸管,功率更大场合, 8kV / 3.5kA,装臵
最高达 300MVA,容量最大 。
电力 MOSFET：长足进步, 中小功率领域特别是
低压, 地位牢固 。
功率模块和功率集成电路 是现在电力电子发展的
一个共同趋势 。
当前的格局,
