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 —— 电力二极管
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
2
1.1 电力电子器件概述
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 本张内容和学习要点
3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
1.概念
主电路（ Power Circuit） 在电气设备或电力
系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电
路。
电力电子器件（ Power Electronic Device) 直接
用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控
制的电子器件。
2.分类
电真空器件 （汞弧整流器、闸流管等，已
逐步被半导体器件取代）
半导体器件 （目前所指电力电子器件，采用
材料任然是硅）
4
电力电子器件是功率半导体器件（金属电导率 106mhos-
cm-1，良绝缘体 10-15mhos-cm-1）。
1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的
参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电
子器件。
2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损
耗、提高效率，一般都工作在开关状态。
3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控
制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。
4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率
损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因
损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器
件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需
要设计安装散热器。
3,特征
5
1.1 电力电子器件概述
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 本张内容和学习要点
6
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
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
RL
主电路
V1
V2
电力电子电路
电力电子电路 —
电力电子系统
由控制电路、驱
动电路、电力电
子器件为核心的
主电路 组成
7
导通
主电路中
电力电子器件 关断
检测电路、驱动电路以外的电路
控制电路
由信息电路组成
控制电
路
主电路
电力电子系统
检测电路 检测主电路或应用现场信号
通过驱动电路
控制
8
主电路
驱动电路
检测电路
控制信号
保护电路 保证电力电子器件和整个电力电
子系统正常可靠运行
9
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
RL
主电路
V1
V2
主电路端子
之间信号
导通 关断
电力电子器件
控制端
主电流端子（公共端） —— 驱动电路和主电路，
是主电路电流流出电力电子器件的端子
10
1.1 电力电子器件概述
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 本张内容和学习要点
11
1.1.3 电力电子器件的分类
1.按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度
分为以下三类
半控型器件
全控型器件
通过控制信号可控制
其导通而 不 能 控制其关断 ｛
晶闸管
及其派生器件
关 断
主
电
路
电
流
电
压
通过控制信号即可控制
其导通又 能 控制其关断 ｛
绝缘栅双极晶体管
电力效应晶体管
门极可关断晶体管
自关断器件
门极可关断晶体管
处理兆瓦级
大功率电能
12
不能 用 控制信号控制
其通断,不需要 驱动电路 电力二极管不控型器件
主
电
路
｛
通 断
电
流
电
压
只有两个端子
2,按照驱动电路加在 电力电子 器件控制端和公共端
之间信号的性质分为两类
电流驱动型 电压驱动型
通 断
13
3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况
分为三类：
单极型器件
由一种载流子参与导电的器件
双极型器件
由电子和空穴两种载流子参与导电的器件
复合型器件
单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件
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1.1 电力电子器件概述
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 本张内容和学习要点
15
1.1.4 本章内容和学习要点
电力电子器件 选择、使用时
注意的问题
工作原理
基本特征
主要参数
电力电子器件掌握
基本特征
型号命名法
参数
特征曲线
16
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 —— 电力二极管
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
17
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
逐步
取代
结构和原理简单
工作可靠 现在仍大量应用于许多电气设备
电力二极管
（半导体整流器）
20世纪 50年
初获得应
汞弧
整流器
应用快恢复二极管肖特基二极管
中、高频电流
逆变
低压高频电流
18
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
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
19
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
以半导体 PN结为基
础，由一个面积较大
的 PN结和两端引线
以及封装组成，外形
上看，主要有螺栓型
和平板型两种封装，
基本结构和工作原理
与信息电子电路中的
二极管一样。A
K
A
K
a)
I
KA
P N
J
b)
c)
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
20
N型半导体和 P型半导体结合后构成 PN结
图 1-3 PN结的形成
扩散运动
N区和 P区交界处电子和空
穴的浓度差别，造成各区
多数载流子（多子）向另
一区移动，到对方区成为
少数载流子（少子）的运
动。
空间电荷
在界面两侧不能任意移动
的正、负电荷。
内电场（自建电场）
空间电荷建立的
电场
漂移运动
内电场一方面阻止扩散运
动，另一方面又吸引对方
区内少子向本区运动 。
空间电荷区
扩散运动和漂移运动达动
态平衡，正、负空间电荷
量达稳定值，形成稳定的
由空间电荷构成的区域
空间
电荷区
耗尽层
阻挡层 势垒区
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
P型区 空间电荷区 N型区
内电场
21
图 1-3 PN结的形成
多子的扩散运动 >少子的漂移运动
扩散电流
PN结
外加电场
PN结
自建电场方向相反
形成自 P区流
入从 N区流出
的电流
造成空间电
荷区变窄
正向电流
IF
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
P型区 空间电荷区 N型区
内电场
22
外加电压升高
PN结的正向导通状
态
扩散电流增加自建电场削弱
PN结流过
的正向电流
电阻值较高且为常数较小
较大 电阻率下降电导率增加
电导调
制效应
PN结的正向导通状态 电导调制效应使得 PN结
在正向电流较大时压降仍然很低，维持在 1V左右，所以正向偏
臵的 PN结表现为低阻态 。
23
PN结的反向截止状态 PN结的单向
导电性,二极管的基本原理就在于 PN结的单向导电性
这个主要特征。
反向电流 IR
少子浓度很小，在
温度一定时漂移电
流的数值趋于恒定
PN结外加
反向电压 外电路电流
N区流入
P区流入出
反向
饱
和流 IS
高
电
阻
几
乎
没
有
电
流
流
过
结的反向截止状态
24
PN结的反向击穿
施加 PN结反
向电压过大
反向电流
急剧增大
破坏 PN结反向偏臵
为截止的工作状态
雪崩击穿 齐纳击穿
热击
穿
因热量散发不
出
PN结温度上升
过热烧坏
25
结电容 C J(微分电容 )
PN结中电荷量随
外加电压变化，
呈现电容效应
势垒电容 CB
扩散电容 CD
PN结截面成 正比
阻挡层成 反比
大
小
正向
电压
较低
仅在正向偏
臵时起作用
外加电压变
化时起作用
结电容影响 PN结的工作频率，特别是在
高速开关的状态下，可能使其单向导电
性变差，甚至不能工作。
26
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
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
27
1.2.2 电力二极管的基本特性
1.静态特性
U
I
I F
U F
U TO0
I F
t rr
t f
I RP
U RP
t 0 t 1
t 2
d i /d tR
d i /d tF
U R
t
t
i F
U FP
2V
t fr0
U F
( a ) ( b ) ( c )
图 1-4 电力二极管的伏安特性
电力二极管
静态特征 伏安特征
正向电流开始明
显增加，处于稳
定导通状态。
只有少子引起的
微小而数值恒定
的反向漏电流。
正向电流 IF对应的
电力二极管两端
的电压 UF为其正
向电压降。
28
零偏臵
正向
偏臵
反向
偏臵
过渡过程中
电压 — 电流
特性随时间
变化
2.动态特性
电力二极管的动态状态
反映通态和断态之间过程的开关特性
31
注意：电流、电压反向问题
正偏压时，正向偏压降约为 1V左右；导通时，
二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时
间与电路的瞬时过程相比要小的得多；
但在关断时，它需要一个反向恢复的时间
（ reverser-recovery time） 以清除过剩载流子。
32
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
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
33
1.2.3 电力二极管的主要参数
正向平均电流 IF(AV)
在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大
工频正弦半波电流的平均值。
正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按
有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有
一定的裕量。
当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。
当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造
成的发热效应也不小 。
正向压降 UF 电力二极管在正向电流导通时二
极管上的正向压降。
35
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
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
36
1.2.4 电力二极管的主要类型
普通二极管
(整流二极管）
多用于开关频率
不高（ 1kHz以下）
的整流电路中
反向恢复时间长
一般在 5μs 以上
正向电流定额和
反向电压定额很
高，分别可达数
千安和数千伏以上
39
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 —— 电力二极管
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
40
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（静态、动态、）
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
42
1.3.1晶闸管的结构与工作原理
P1
N1
P2
N2
J1
J2
J3
A
G
K
A
K
G
图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号
a)外形 b)结构 c)电气图形符号
a) c)b)
A
G
K
G
K
A
46
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（静态、动态、）
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
47
1.3.2晶闸管的基本特性
（静态、动态、）
1,静态特性
1) 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 。
2) 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 。
3) 晶闸管一旦导通, 门极就失去控制作用 。
4) 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 。
50
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（静态、动态、）
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
51
1.3.3晶闸管的主要参数
断态重复峰值电压 UDRM
断态重复峰值电压是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
反向重复峰值电压是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 UTM
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。
取晶闸管的 UDRM和 URRM中较小的标值作为该器件的额定电
压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作
时晶闸管所承受峰值电压的 2～ 3倍。
1．电压定额
52
通态平均电流 IT(AV)
晶闸管在环境温度为 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。
维持电流 IH
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。
2.电流定额
54
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（静态、动态、）
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
55
1.3.4 晶闸管的派生器件
常规快速 晶闸管
高频 晶闸管
包括所有为快速应用而设计的晶闸管
与普通晶闸管相比
快速 晶闸管关断时间为数十微秒
高频 晶闸管关断时间为 10μ s左右
电压和电流定额不易做高
应用于 400Hz和 10kHz以上的斩波或逆变电路中
开关时间以及 du/dt,di/dt的耐量都有了明显的改善
快速晶闸管
59
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 —— 电力二极管
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
60
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
61
1.4.1理想的可控开关元件
所希望的开关特性应该是：
? 关断时的漏电流较小，导通时 Von小。
? 很高的正反向阻断电压的能力，这可减少元件的串联，并因此
而减少相应保护电路的功率损耗。
? 很大的电流导通能力。这可减少元件并联。
? 较短的导通和关断时间，这可提高开关频率。
? 导通电阻具有正的温度特性，这可保证并联的元件能共同分担
总电流。
? 较小的控制功率。
? 具有阻止电压和电流上升率的能力，这样就可以不使用外部
Snubber电路保护。
? 具有较高的 dv/dt,di/dt额定值。
63
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
64
1.4.2 门极可关断晶闸管
1,GTO的结构和工作原理
结构
N2
N1
N2P2
P1
A
G
K
A
a) b) c)
图 1-13 GTO内部结构和电气图形符号
a)各单元的阴极、门极间排列的图形 b)并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号
67
2,GTO的动态特性
Snubber
A
k
G
触发关断脉冲不用保
持，关断时间几个微
秒，但是需要很大的
门电流 （ 1/3阳极电
流），关断时，为了
限制 dv/dt，要用
Snubber电路（切断感
性负载）。
开关时间几个微秒到
25微秒，导通压降 2-
3V、比晶闸管稍微高
一点。
最大优点是能处理高
电压和大电流，现在
最大容量 6KV/4KA，
开关频率几百 HZ—
10KHZ。
图 1-14 GTO的开关和关断过程电流波形
tstd tr tf tt
iG
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t0
IA
iA
90%IA
10%IA
t0
68
关断时间 toff 储存时间和下降时间之和
3,GTO的主要参数
最大可关断阳极电流 IATO GTO额定电流
电流关断增益 ?off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲
电流最大值 IGM之比。
?off = ATO
IGM
___________I (1-8)
开通时间 ton 延迟时间与上升时间之和
69
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
70
1.4.3 电力晶体管
电力晶体管 耐高电压、大电流的双极结型晶体管1,GRT的结构和工作原理
?P ?P?N
P 基区
N 漂移区
?N 衬底
集电极 c
基极 b 发射极 e 基极 b
c
b
e
图 1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动
a)内部结构断面图 b)电气图形符号 c)内部载流子的流动
a) b)
? 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 。
72
2,GRT的基本特性
图 1-16 共发射极接法时 GTR的输出特性
ib2
ib1
ib3
ib1<ib2<ib3
截止区
I
c
0 U
ce
饱
和
区
放大区
开关 状态
工作在截止
区或饱和区
开关过程
在截止区或饱和区过
渡时，要经过放大区
静态特
征
74
3,GRT的主要参数
最高工作电压
? 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压 BUcbo
? 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 BUceo
? 发射极与基极间用电阻连接或短路连接时集电极和发射极间的击穿
电压 BUcer和 BUces
? 发射结反向偏臵时集电极和发射极间的击穿电压 BUcex
? BUcbo >BUcex >BUces >BUcer >BUceo
集电流最大允许电流 IcM
直流电流放大系数 hFE下降到规定值得 1/2~1/3时，所对应的 Ic为集电
流最大允许电流
集电流最大耗散功率 PcM
最高工作温度允许的耗散功率
75
一次击穿
集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先
出现的雪崩击穿的现象
一次击穿后只要 Ic不要超过最大允许耗散功率相对应的限度,GTR一
般不会损坏
二次击穿
一次击穿发生时未有效限制电流,Ic增大到某个临界点突然急
剧上升，电压突然下降的现象
二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，对 GTR危害极大
4,GRT的二次击穿现象与安全工作区
76
SOA
Ic
IcM
PSB
PcM
UceM Uce0
图 1-18 GTR的安全工作区
GTR的安全工作区
二次击穿临界线
GTR工作时不能超过
最高电压
集电极最大电流
最大耗散功率
77
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
78
1.电力 MOSFET的结构和工作原理
耗尽型 栅极电压为零时漏源极之间存在导电沟道
增强型 栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道
单极型晶体管 电力 MOSFET导通是时只有一种极性的载流子
参与导电
电力 MOSFET垂直导电 利用 V型槽实现垂直导电
具有垂直导电双扩散 MOS结构
小功率 MOS横向导电
P沟道
N沟道电力 MOSFET种类
1.4.4 电力场效应晶体管
80
2.电力 MOSFET的基本特征
静态特征
图 1-20电力 MOSFET电气符号和转移特性
a)电气图形符号 b)转移特性
a) b)
G
S
D
VGS+ - VDS
+
-
n-channel
50
40
30
20
10
0 2 4 6 8
UGS /V
I D
/A
GS
D
fs dU
dIG = (1-11)
84
3.电力 MOSFET的主要参数
? 漏极电压 UDS 电力 MOSFET电压定额参数
? 漏极直流电流 ID和漏极脉冲电流幅值 IDM 电力 MOSFET电流定额参数
? 栅源电压 UGS ︱ UGS ︱ >20V将导致绝缘层击穿
? 极间电容
Ciss = CGS + CGD (1-14)
Crss = CGD (1-15)
Coss = CDS + CGD (1-16)
漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定电力 MOSFET的
安全工作区
电力 MOSFET不存在二次击穿
85
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
86
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
绝缘栅双极晶体管 （ Insulated-gate Bipolar Transistor— — IGBT或
IGT） — GTR和 MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性。
1,IGBT的结构和工作原理
P
N+
N+
N-
N+N+ N+
P
缓冲区
J2
GE
J3
J1 P+
漂移区
注入区
C 集电极
发射极 栅极
G
E
IDRon
+
－
IC
ID RN VJI
+－
C
－
+
E
C
G
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
a) b) c)
87
1,IGBT的基本特征
0 UGEUGE(th)
IC
UF
M
URM 反向阻断区
饱
和
区
有源区
正向阻断区
UGE增
加
UC
E
0
I
C
a) b)
图 1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性
静态特征
89
3,IGBT的主要参数
最大集射极间电压 UCES
由器件内部的 PNP晶体管所能承受的击穿电压决定
最大集电极电流
额定直流电流 IC和 1ms脉宽最大电流 ICP
最大集电极功耗 PCM
正常工作温度下允许的最大耗散
?IGBT的特性和参数特点
? 开关速度高，开关损耗小。在电压 1000V以上时，开关损耗只有
GTR的 1/10，与电力 MOSFET相当。
? 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，特别是在电流较大的区域。
?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 。
90
?擎住效应（自锁效应）
?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。
?动态擎住效应比静态擎住效
应所允许的集电极电流小。
4,IGBT的擎住效应和安全区
P
N+
N+
N-
N+N+ N+
P
缓冲区
J2
GE
J3
J1 P+
漂移区
注入区
C 集电极
发射极 栅极
图 1-22 IGBT的结构 a)内部结构断面示意图
正向偏臵安全工作区
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
IGBT在导通工作状态的参数极
限 范围 。
?反向偏臵安全工作区
最大集电极电流、最大集射极
间电压和最大最大允许电压上
升率确定 IGBT在阻断工作状态
的参数极限 范围。
? IGBT与反并联快速二极管封
装 在一起制成模块,成为逆导
器件。
91
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 —— 电力二极管
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
92
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 功率模块与集成电路
93
1.5.1 MOS控制晶闸管 MCT
高输入阻抗
低驱动功率
快速开关过程
高电压大电流
低导通压降
MOSFET
晶闸管
? MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。
? 关键技术问题没有突破，电压、电流容量未达到预期效果。
MOS控制
晶闸管
94
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 功率模块与集成电路
95
1.5.2 静电感应晶体管 SIT
将用于信息处理的小功率 SIT器件的横向导电结构改为垂直导
电结构，可制成大功率 SIT器件。
SIT是多子导电器件,工作效率与电力 MOSFET相当或更大，功
率容量大于电力 MOSFET，是用于高频大功率场合。
SIT栅极不加任何信号是导通的，栅极加负偏压时关断，被称
为正常导通型器件。
SIT通态电阻大，通态损耗大。
96
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 功率模块与集成电路
97
1.5.3 静电感应晶闸管 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。
工作原理与 SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流。
制造工艺比 GTO复杂、特性多与 GTO相似,开关速度比 GTO快，
是大容量快速器件。
是正常导通型，也是正常关断型,电流关断增益较小。
静电感应晶体管 SITH（场控晶体管）
SITH
在 SIT的漏极层上加一层与
漏极层导电类型不同的发射极层
比 SIT多了一个具有
少子注入功能的 PN结
98
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 功率模块与集成电路
99
1.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT
集成门极换流晶闸管 IGCT(门极换流晶闸管 GCT)
将 IGBT与 GTO优点结合在一起
容量与 GTO相当
开关速度比 GTO快 10倍
省去 GTO应用时庞大复杂的缓冲电路
驱动功率仍然大
100
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 功率模块与集成电路
101
1.5.5 功率模块与集成电路
?功率模块
按照典型电力电子电路的拓扑结构，将多个相同的电力电子器
件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，
该模块可减小线路电感，简化对保护和缓冲电路的要求。
?功率集成电路
将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等
信息电路制作在同一芯片上。
?高压集成电路
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
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 IPM(智能 IGBT)
IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的封装集成
103
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 —— 电力二极管
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
104
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
105
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
驱动电路 主电路与控制电路之间的接口
性能良好的驱动电路使电力电子器件
理想的
开关状态
缩短开
关时间
减小开
关损耗
对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义
驱动电路的基本任务 将信息电子电路传来的信号按控制目
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。
107
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
108
1.6.2 晶闸管的触发电路
晶闸管触发电路作用
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。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路 。
晶闸管触发电路应满足下列要求
1,触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。
2,触发脉冲应有足够的幅度 。
3,不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发 区 域之内。
4,应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离 。
典型的触发电路有 KJ004,TCA785
110
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
111
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
1.电流驱动型器件的驱动电路 1) GTO
t
t
uG
ti
0
0
图 1-28 推荐的 GTO门及电压电流波形
需施加负门极电流，对幅值和
陡度要求更高
开通 触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，需在整个导通极期
间施加正门极电流。
关断
驱动电路
开通驱动电路
关断驱动电路
门极反偏电路
脉冲变压
器耦合式 直接耦合式
115
2,电压驱动型器件的驱动电路
A
+
-
MO SF E T
20 V
20 V
u
i
R
1 R
3
R
5
R
4
R
2
R
G
V
1
V
2
V
3
C
1
- V
CC
+ V
CC
电力 MOSFET和 IGBT是电压驱
动型器件
无输入信号时高速放大器 A输出
负电平,V3导通输出负驱动电压。
当有输入信号时 A输出正电平，
V2导通输出正驱动电压 。
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。
图 1-32 电力 MOSFET的一种驱动电路
116
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 —— 电力二极管
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
117
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（ Snubber Circuit）
118
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
过电压
外 因过电压 内 因过电压
操作过电压雷击过电压 换相过电压 关断过电压
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 后不能立刻恢复阻
断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急
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。
121
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（ Snubber Circuit）
122
1.7.2 过电流保护 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 1-37 过电流保护措施及配置位置
过电流保
护措施
过电流继电器
快速熔断器
直流快
速断路器
同时采用几种过电流保护措施，
提高可靠性和合理性
过电流
短路时的部分
区段的保护
整定在电子电路动
作之后实现保护
整定在过载时动作
短路
过载
124
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（ Snubber Circuit）
125
1.7.3 缓冲电路
缓冲电路 （吸收电路）作用
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。
关断缓冲电路（ du/dt抑制电路）
用于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）
用于抑制器件开通的电流过冲和 di/dt，减小开通损耗
缓冲电路
复合缓冲电路 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起
耗能式缓冲电路 缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上
馈能式缓冲电路 （无损吸收电路） 缓冲电路中储能元件的能
量回馈给负载或电流
130
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 —— 电力二极管
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
131
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
132
1.8.1 晶闸管的串联
b)a)
R
C
R
C
VT
1
VT
2
R
P
R
P
I
O UU
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
? 晶闸管的额定电压小于实际要
求时，可用两个以上同型号器件
串联。
? 理想的串联希望各器件承受的
电压相等。
静态不均压问题 由于器件静态
参数和特性不同而造成的均压问题。
动态不均压问题 由于器件动态
参数和特性不同而造成的均压问题。
为达到静
态均压
首先应选用静态参数和特
性尽量一致的器件
此外可采用电阻均压
为达到动
态均压
首先应选用动态参数和
特性尽量一致的器件
此外可采用 RC并
联支路作动态均压
晶闸管采用门极强脉冲触发可减小
器件开通时间上的差异
133
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
134
1.8.2 晶闸管的并联
多个器件并联来承担较大的电流
晶闸管并联时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
135
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
136
1.8.3 电力 MOSFET和 IGBT并联
运行的特点
?电力 MOSFET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 的温度系数 。
?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 。
137
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 —— 电力二极管
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
139
目 录
绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
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 —— 电力二极管
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
2
1.1 电力电子器件概述
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 本张内容和学习要点
3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
1.概念
主电路（ Power Circuit） 在电气设备或电力
系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电
路。
电力电子器件（ Power Electronic Device) 直接
用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控
制的电子器件。
2.分类
电真空器件 （汞弧整流器、闸流管等，已
逐步被半导体器件取代）
半导体器件 （目前所指电力电子器件，采用
材料任然是硅）
4
电力电子器件是功率半导体器件（金属电导率 106mhos-
cm-1，良绝缘体 10-15mhos-cm-1）。
1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的
参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电
子器件。
2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损
耗、提高效率，一般都工作在开关状态。
3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控
制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。
4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率
损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因
损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器
件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需
要设计安装散热器。
3,特征
5
1.1 电力电子器件概述
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 本张内容和学习要点
6
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
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
RL
主电路
V1
V2
电力电子电路
电力电子电路 —
电力电子系统
由控制电路、驱
动电路、电力电
子器件为核心的
主电路 组成
7
导通
主电路中
电力电子器件 关断
检测电路、驱动电路以外的电路
控制电路
由信息电路组成
控制电
路
主电路
电力电子系统
检测电路 检测主电路或应用现场信号
通过驱动电路
控制
8
主电路
驱动电路
检测电路
控制信号
保护电路 保证电力电子器件和整个电力电
子系统正常可靠运行
9
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
RL
主电路
V1
V2
主电路端子
之间信号
导通 关断
电力电子器件
控制端
主电流端子（公共端） —— 驱动电路和主电路，
是主电路电流流出电力电子器件的端子
10
1.1 电力电子器件概述
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 本张内容和学习要点
11
1.1.3 电力电子器件的分类
1.按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度
分为以下三类
半控型器件
全控型器件
通过控制信号可控制
其导通而 不 能 控制其关断 ｛
晶闸管
及其派生器件
关 断
主
电
路
电
流
电
压
通过控制信号即可控制
其导通又 能 控制其关断 ｛
绝缘栅双极晶体管
电力效应晶体管
门极可关断晶体管
自关断器件
门极可关断晶体管
处理兆瓦级
大功率电能
12
不能 用 控制信号控制
其通断,不需要 驱动电路 电力二极管不控型器件
主
电
路
｛
通 断
电
流
电
压
只有两个端子
2,按照驱动电路加在 电力电子 器件控制端和公共端
之间信号的性质分为两类
电流驱动型 电压驱动型
通 断
13
3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况
分为三类：
单极型器件
由一种载流子参与导电的器件
双极型器件
由电子和空穴两种载流子参与导电的器件
复合型器件
单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件
14
1.1 电力电子器件概述
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 本张内容和学习要点
15
1.1.4 本章内容和学习要点
电力电子器件 选择、使用时
注意的问题
工作原理
基本特征
主要参数
电力电子器件掌握
基本特征
型号命名法
参数
特征曲线
16
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 —— 电力二极管
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
17
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
逐步
取代
结构和原理简单
工作可靠 现在仍大量应用于许多电气设备
电力二极管
（半导体整流器）
20世纪 50年
初获得应
汞弧
整流器
应用快恢复二极管肖特基二极管
中、高频电流
逆变
低压高频电流
18
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
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
19
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
以半导体 PN结为基
础，由一个面积较大
的 PN结和两端引线
以及封装组成，外形
上看，主要有螺栓型
和平板型两种封装，
基本结构和工作原理
与信息电子电路中的
二极管一样。A
K
A
K
a)
I
KA
P N
J
b)
c)
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
20
N型半导体和 P型半导体结合后构成 PN结
图 1-3 PN结的形成
扩散运动
N区和 P区交界处电子和空
穴的浓度差别，造成各区
多数载流子（多子）向另
一区移动，到对方区成为
少数载流子（少子）的运
动。
空间电荷
在界面两侧不能任意移动
的正、负电荷。
内电场（自建电场）
空间电荷建立的
电场
漂移运动
内电场一方面阻止扩散运
动，另一方面又吸引对方
区内少子向本区运动 。
空间电荷区
扩散运动和漂移运动达动
态平衡，正、负空间电荷
量达稳定值，形成稳定的
由空间电荷构成的区域
空间
电荷区
耗尽层
阻挡层 势垒区
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
P型区 空间电荷区 N型区
内电场
21
图 1-3 PN结的形成
多子的扩散运动 >少子的漂移运动
扩散电流
PN结
外加电场
PN结
自建电场方向相反
形成自 P区流
入从 N区流出
的电流
造成空间电
荷区变窄
正向电流
IF
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
P型区 空间电荷区 N型区
内电场
22
外加电压升高
PN结的正向导通状
态
扩散电流增加自建电场削弱
PN结流过
的正向电流
电阻值较高且为常数较小
较大 电阻率下降电导率增加
电导调
制效应
PN结的正向导通状态 电导调制效应使得 PN结
在正向电流较大时压降仍然很低，维持在 1V左右，所以正向偏
臵的 PN结表现为低阻态 。
23
PN结的反向截止状态 PN结的单向
导电性,二极管的基本原理就在于 PN结的单向导电性
这个主要特征。
反向电流 IR
少子浓度很小，在
温度一定时漂移电
流的数值趋于恒定
PN结外加
反向电压 外电路电流
N区流入
P区流入出
反向
饱
和流 IS
高
电
阻
几
乎
没
有
电
流
流
过
结的反向截止状态
24
PN结的反向击穿
施加 PN结反
向电压过大
反向电流
急剧增大
破坏 PN结反向偏臵
为截止的工作状态
雪崩击穿 齐纳击穿
热击
穿
因热量散发不
出
PN结温度上升
过热烧坏
25
结电容 C J(微分电容 )
PN结中电荷量随
外加电压变化，
呈现电容效应
势垒电容 CB
扩散电容 CD
PN结截面成 正比
阻挡层成 反比
大
小
正向
电压
较低
仅在正向偏
臵时起作用
外加电压变
化时起作用
结电容影响 PN结的工作频率，特别是在
高速开关的状态下，可能使其单向导电
性变差，甚至不能工作。
26
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
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
27
1.2.2 电力二极管的基本特性
1.静态特性
U
I
I F
U F
U TO0
I F
t rr
t f
I RP
U RP
t 0 t 1
t 2
d i /d tR
d i /d tF
U R
t
t
i F
U FP
2V
t fr0
U F
( a ) ( b ) ( c )
图 1-4 电力二极管的伏安特性
电力二极管
静态特征 伏安特征
正向电流开始明
显增加，处于稳
定导通状态。
只有少子引起的
微小而数值恒定
的反向漏电流。
正向电流 IF对应的
电力二极管两端
的电压 UF为其正
向电压降。
28
零偏臵
正向
偏臵
反向
偏臵
过渡过程中
电压 — 电流
特性随时间
变化
2.动态特性
电力二极管的动态状态
反映通态和断态之间过程的开关特性
31
注意：电流、电压反向问题
正偏压时，正向偏压降约为 1V左右；导通时，
二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时
间与电路的瞬时过程相比要小的得多；
但在关断时，它需要一个反向恢复的时间
（ reverser-recovery time） 以清除过剩载流子。
32
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
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
33
1.2.3 电力二极管的主要参数
正向平均电流 IF(AV)
在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大
工频正弦半波电流的平均值。
正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按
有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有
一定的裕量。
当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。
当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造
成的发热效应也不小 。
正向压降 UF 电力二极管在正向电流导通时二
极管上的正向压降。
35
1.2 不可控器件 —— 电力二极管
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
36
1.2.4 电力二极管的主要类型
普通二极管
(整流二极管）
多用于开关频率
不高（ 1kHz以下）
的整流电路中
反向恢复时间长
一般在 5μs 以上
正向电流定额和
反向电压定额很
高，分别可达数
千安和数千伏以上
39
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 —— 电力二极管
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
40
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（静态、动态、）
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
42
1.3.1晶闸管的结构与工作原理
P1
N1
P2
N2
J1
J2
J3
A
G
K
A
K
G
图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号
a)外形 b)结构 c)电气图形符号
a) c)b)
A
G
K
G
K
A
46
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（静态、动态、）
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
47
1.3.2晶闸管的基本特性
（静态、动态、）
1,静态特性
1) 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 。
2) 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 。
3) 晶闸管一旦导通, 门极就失去控制作用 。
4) 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 。
50
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（静态、动态、）
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
51
1.3.3晶闸管的主要参数
断态重复峰值电压 UDRM
断态重复峰值电压是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
反向重复峰值电压是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 UTM
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。
取晶闸管的 UDRM和 URRM中较小的标值作为该器件的额定电
压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作
时晶闸管所承受峰值电压的 2～ 3倍。
1．电压定额
52
通态平均电流 IT(AV)
晶闸管在环境温度为 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。
维持电流 IH
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。
2.电流定额
54
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（静态、动态、）
1.3.3 晶闸管的主要参数
1.3.4 晶闸管的派生器件
55
1.3.4 晶闸管的派生器件
常规快速 晶闸管
高频 晶闸管
包括所有为快速应用而设计的晶闸管
与普通晶闸管相比
快速 晶闸管关断时间为数十微秒
高频 晶闸管关断时间为 10μ s左右
电压和电流定额不易做高
应用于 400Hz和 10kHz以上的斩波或逆变电路中
开关时间以及 du/dt,di/dt的耐量都有了明显的改善
快速晶闸管
59
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 —— 电力二极管
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
60
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
61
1.4.1理想的可控开关元件
所希望的开关特性应该是：
? 关断时的漏电流较小，导通时 Von小。
? 很高的正反向阻断电压的能力，这可减少元件的串联，并因此
而减少相应保护电路的功率损耗。
? 很大的电流导通能力。这可减少元件并联。
? 较短的导通和关断时间，这可提高开关频率。
? 导通电阻具有正的温度特性，这可保证并联的元件能共同分担
总电流。
? 较小的控制功率。
? 具有阻止电压和电流上升率的能力，这样就可以不使用外部
Snubber电路保护。
? 具有较高的 dv/dt,di/dt额定值。
63
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
64
1.4.2 门极可关断晶闸管
1,GTO的结构和工作原理
结构
N2
N1
N2P2
P1
A
G
K
A
a) b) c)
图 1-13 GTO内部结构和电气图形符号
a)各单元的阴极、门极间排列的图形 b)并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号
67
2,GTO的动态特性
Snubber
A
k
G
触发关断脉冲不用保
持，关断时间几个微
秒，但是需要很大的
门电流 （ 1/3阳极电
流），关断时，为了
限制 dv/dt，要用
Snubber电路（切断感
性负载）。
开关时间几个微秒到
25微秒，导通压降 2-
3V、比晶闸管稍微高
一点。
最大优点是能处理高
电压和大电流，现在
最大容量 6KV/4KA，
开关频率几百 HZ—
10KHZ。
图 1-14 GTO的开关和关断过程电流波形
tstd tr tf tt
iG
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t0
IA
iA
90%IA
10%IA
t0
68
关断时间 toff 储存时间和下降时间之和
3,GTO的主要参数
最大可关断阳极电流 IATO GTO额定电流
电流关断增益 ?off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲
电流最大值 IGM之比。
?off = ATO
IGM
___________I (1-8)
开通时间 ton 延迟时间与上升时间之和
69
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
70
1.4.3 电力晶体管
电力晶体管 耐高电压、大电流的双极结型晶体管1,GRT的结构和工作原理
?P ?P?N
P 基区
N 漂移区
?N 衬底
集电极 c
基极 b 发射极 e 基极 b
c
b
e
图 1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动
a)内部结构断面图 b)电气图形符号 c)内部载流子的流动
a) b)
? 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 。
72
2,GRT的基本特性
图 1-16 共发射极接法时 GTR的输出特性
ib2
ib1
ib3
ib1<ib2<ib3
截止区
I
c
0 U
ce
饱
和
区
放大区
开关 状态
工作在截止
区或饱和区
开关过程
在截止区或饱和区过
渡时，要经过放大区
静态特
征
74
3,GRT的主要参数
最高工作电压
? 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压 BUcbo
? 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 BUceo
? 发射极与基极间用电阻连接或短路连接时集电极和发射极间的击穿
电压 BUcer和 BUces
? 发射结反向偏臵时集电极和发射极间的击穿电压 BUcex
? BUcbo >BUcex >BUces >BUcer >BUceo
集电流最大允许电流 IcM
直流电流放大系数 hFE下降到规定值得 1/2~1/3时，所对应的 Ic为集电
流最大允许电流
集电流最大耗散功率 PcM
最高工作温度允许的耗散功率
75
一次击穿
集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先
出现的雪崩击穿的现象
一次击穿后只要 Ic不要超过最大允许耗散功率相对应的限度,GTR一
般不会损坏
二次击穿
一次击穿发生时未有效限制电流,Ic增大到某个临界点突然急
剧上升，电压突然下降的现象
二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，对 GTR危害极大
4,GRT的二次击穿现象与安全工作区
76
SOA
Ic
IcM
PSB
PcM
UceM Uce0
图 1-18 GTR的安全工作区
GTR的安全工作区
二次击穿临界线
GTR工作时不能超过
最高电压
集电极最大电流
最大耗散功率
77
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
78
1.电力 MOSFET的结构和工作原理
耗尽型 栅极电压为零时漏源极之间存在导电沟道
增强型 栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道
单极型晶体管 电力 MOSFET导通是时只有一种极性的载流子
参与导电
电力 MOSFET垂直导电 利用 V型槽实现垂直导电
具有垂直导电双扩散 MOS结构
小功率 MOS横向导电
P沟道
N沟道电力 MOSFET种类
1.4.4 电力场效应晶体管
80
2.电力 MOSFET的基本特征
静态特征
图 1-20电力 MOSFET电气符号和转移特性
a)电气图形符号 b)转移特性
a) b)
G
S
D
VGS+ - VDS
+
-
n-channel
50
40
30
20
10
0 2 4 6 8
UGS /V
I D
/A
GS
D
fs dU
dIG = (1-11)
84
3.电力 MOSFET的主要参数
? 漏极电压 UDS 电力 MOSFET电压定额参数
? 漏极直流电流 ID和漏极脉冲电流幅值 IDM 电力 MOSFET电流定额参数
? 栅源电压 UGS ︱ UGS ︱ >20V将导致绝缘层击穿
? 极间电容
Ciss = CGS + CGD (1-14)
Crss = CGD (1-15)
Coss = CDS + CGD (1-16)
漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定电力 MOSFET的
安全工作区
电力 MOSFET不存在二次击穿
85
1.4 典型全控型器件
1.4.1 理想的可控开关元件
1.4.2 门极可关断晶闸管
1.4.3 电力晶体管
1.4.4 电力场效应晶体管
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
86
1.4.5 绝缘栅双极晶体管
绝缘栅双极晶体管 （ Insulated-gate Bipolar Transistor— — IGBT或
IGT） — GTR和 MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性。
1,IGBT的结构和工作原理
P
N+
N+
N-
N+N+ N+
P
缓冲区
J2
GE
J3
J1 P+
漂移区
注入区
C 集电极
发射极 栅极
G
E
IDRon
+
－
IC
ID RN VJI
+－
C
－
+
E
C
G
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
a) b) c)
87
1,IGBT的基本特征
0 UGEUGE(th)
IC
UF
M
URM 反向阻断区
饱
和
区
有源区
正向阻断区
UGE增
加
UC
E
0
I
C
a) b)
图 1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性
静态特征
89
3,IGBT的主要参数
最大集射极间电压 UCES
由器件内部的 PNP晶体管所能承受的击穿电压决定
最大集电极电流
额定直流电流 IC和 1ms脉宽最大电流 ICP
最大集电极功耗 PCM
正常工作温度下允许的最大耗散
?IGBT的特性和参数特点
? 开关速度高，开关损耗小。在电压 1000V以上时，开关损耗只有
GTR的 1/10，与电力 MOSFET相当。
? 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，特别是在电流较大的区域。
?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 。
90
?擎住效应（自锁效应）
?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。
?动态擎住效应比静态擎住效
应所允许的集电极电流小。
4,IGBT的擎住效应和安全区
P
N+
N+
N-
N+N+ N+
P
缓冲区
J2
GE
J3
J1 P+
漂移区
注入区
C 集电极
发射极 栅极
图 1-22 IGBT的结构 a)内部结构断面示意图
正向偏臵安全工作区
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
IGBT在导通工作状态的参数极
限 范围 。
?反向偏臵安全工作区
最大集电极电流、最大集射极
间电压和最大最大允许电压上
升率确定 IGBT在阻断工作状态
的参数极限 范围。
? IGBT与反并联快速二极管封
装 在一起制成模块,成为逆导
器件。
91
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 —— 电力二极管
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
92
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 功率模块与集成电路
93
1.5.1 MOS控制晶闸管 MCT
高输入阻抗
低驱动功率
快速开关过程
高电压大电流
低导通压降
MOSFET
晶闸管
? MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。
? 关键技术问题没有突破，电压、电流容量未达到预期效果。
MOS控制
晶闸管
94
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 功率模块与集成电路
95
1.5.2 静电感应晶体管 SIT
将用于信息处理的小功率 SIT器件的横向导电结构改为垂直导
电结构，可制成大功率 SIT器件。
SIT是多子导电器件,工作效率与电力 MOSFET相当或更大，功
率容量大于电力 MOSFET，是用于高频大功率场合。
SIT栅极不加任何信号是导通的，栅极加负偏压时关断，被称
为正常导通型器件。
SIT通态电阻大，通态损耗大。
96
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 功率模块与集成电路
97
1.5.3 静电感应晶闸管 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。
工作原理与 SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流。
制造工艺比 GTO复杂、特性多与 GTO相似,开关速度比 GTO快，
是大容量快速器件。
是正常导通型，也是正常关断型,电流关断增益较小。
静电感应晶体管 SITH（场控晶体管）
SITH
在 SIT的漏极层上加一层与
漏极层导电类型不同的发射极层
比 SIT多了一个具有
少子注入功能的 PN结
98
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 功率模块与集成电路
99
1.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT
集成门极换流晶闸管 IGCT(门极换流晶闸管 GCT)
将 IGBT与 GTO优点结合在一起
容量与 GTO相当
开关速度比 GTO快 10倍
省去 GTO应用时庞大复杂的缓冲电路
驱动功率仍然大
100
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 功率模块与集成电路
101
1.5.5 功率模块与集成电路
?功率模块
按照典型电力电子电路的拓扑结构，将多个相同的电力电子器
件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，
该模块可减小线路电感，简化对保护和缓冲电路的要求。
?功率集成电路
将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等
信息电路制作在同一芯片上。
?高压集成电路
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
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 IPM(智能 IGBT)
IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的封装集成
103
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 —— 电力二极管
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
104
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
105
1.6.1 电力电子器件驱动电路概述
驱动电路 主电路与控制电路之间的接口
性能良好的驱动电路使电力电子器件
理想的
开关状态
缩短开
关时间
减小开
关损耗
对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义
驱动电路的基本任务 将信息电子电路传来的信号按控制目
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。
107
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
108
1.6.2 晶闸管的触发电路
晶闸管触发电路作用
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。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路 。
晶闸管触发电路应满足下列要求
1,触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。
2,触发脉冲应有足够的幅度 。
3,不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发 区 域之内。
4,应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离 。
典型的触发电路有 KJ004,TCA785
110
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
111
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
1.电流驱动型器件的驱动电路 1) GTO
t
t
uG
ti
0
0
图 1-28 推荐的 GTO门及电压电流波形
需施加负门极电流，对幅值和
陡度要求更高
开通 触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，需在整个导通极期
间施加正门极电流。
关断
驱动电路
开通驱动电路
关断驱动电路
门极反偏电路
脉冲变压
器耦合式 直接耦合式
115
2,电压驱动型器件的驱动电路
A
+
-
MO SF E T
20 V
20 V
u
i
R
1 R
3
R
5
R
4
R
2
R
G
V
1
V
2
V
3
C
1
- V
CC
+ V
CC
电力 MOSFET和 IGBT是电压驱
动型器件
无输入信号时高速放大器 A输出
负电平,V3导通输出负驱动电压。
当有输入信号时 A输出正电平，
V2导通输出正驱动电压 。
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。
图 1-32 电力 MOSFET的一种驱动电路
116
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 —— 电力二极管
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
117
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（ Snubber Circuit）
118
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
过电压
外 因过电压 内 因过电压
操作过电压雷击过电压 换相过电压 关断过电压
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 后不能立刻恢复阻
断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急
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。
121
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（ Snubber Circuit）
122
1.7.2 过电流保护 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 1-37 过电流保护措施及配置位置
过电流保
护措施
过电流继电器
快速熔断器
直流快
速断路器
同时采用几种过电流保护措施，
提高可靠性和合理性
过电流
短路时的部分
区段的保护
整定在电子电路动
作之后实现保护
整定在过载时动作
短路
过载
124
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（ Snubber Circuit）
125
1.7.3 缓冲电路
缓冲电路 （吸收电路）作用
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。
关断缓冲电路（ du/dt抑制电路）
用于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）
用于抑制器件开通的电流过冲和 di/dt，减小开通损耗
缓冲电路
复合缓冲电路 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起
耗能式缓冲电路 缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上
馈能式缓冲电路 （无损吸收电路） 缓冲电路中储能元件的能
量回馈给负载或电流
130
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 —— 电力二极管
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
131
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
132
1.8.1 晶闸管的串联
b)a)
R
C
R
C
VT
1
VT
2
R
P
R
P
I
O UU
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
? 晶闸管的额定电压小于实际要
求时，可用两个以上同型号器件
串联。
? 理想的串联希望各器件承受的
电压相等。
静态不均压问题 由于器件静态
参数和特性不同而造成的均压问题。
动态不均压问题 由于器件动态
参数和特性不同而造成的均压问题。
为达到静
态均压
首先应选用静态参数和特
性尽量一致的器件
此外可采用电阻均压
为达到动
态均压
首先应选用动态参数和
特性尽量一致的器件
此外可采用 RC并
联支路作动态均压
晶闸管采用门极强脉冲触发可减小
器件开通时间上的差异
133
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
134
1.8.2 晶闸管的并联
多个器件并联来承担较大的电流
晶闸管并联时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
135
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
136
1.8.3 电力 MOSFET和 IGBT并联
运行的特点
?电力 MOSFET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 的温度系数 。
?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 。
137
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 —— 电力二极管
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
139
目 录
绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
