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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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。
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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
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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。
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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
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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
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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
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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
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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 。
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
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－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
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
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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
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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
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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
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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 。
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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
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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
