控制科学与工程系

第 二 章 电 力 电 子 器 件 本 章 要 点 : 常 用 电 力 电 子 器 件 的 结 构 和 工 作 原 理 常 用 电 力 电 子 器 件 的 应 用 特 点 智 能 电 力 模 块 及 其 应 用 技 能 目 标 : 会 分 析 常 用 电 力 电 子 器 件 的 特 性 曲 线 掌 握 常 用 电 力 电 子 器 件 的 测 试 方 法 会 利 用 相 关 设 备 做 电 力 电 子 器 件 的 试 验

2.1 电 力 二 极 管 电 力 二 极 管 (Power Diode,PD) 是 指 可 以 承 受 高 电 压 大 电 流, 具 有 较 大 耗 散 功 率 的 二 极 管, 它 与 其 他 电 力 电 子 器 件 相 配 合, 作 为 整 流 续 流 电 压 隔 离 钳 位 或 保 护 元 件, 在 各 种 变 流 电 路 中 发 挥 着 重 要 作 用 2.1.1 结 构 与 伏 安 特 性 1. 结 构 电 力 二 极 管 的 内 部 结 构 也 是 一 个 PN 结, 其 面 积 较 大, 电 力 二 极 管 引 出 两 个 极, 分 别 称 为 阳 极 A 和 阴 极 K 如 图 2.1 所 示 图 2.1

2. 伏 安 特 性 电 力 二 极 管 的 阳 极 和 阴 极 间 的 电 压 和 流 过 管 子 的 电 流 之 间 的 关 系 称 为 伏 安 特 性, 如 图 2.2 所 示 当 从 零 逐 渐 增 大 二 极 管 的 正 向 电 压 时, 开 始 阳 极 电 流 很 小, 这 一 段 特 性 曲 线 很 靠 近 横 坐 标 轴 当 正 向 电 压 大 于 0.5V 时, 正 向 阳 极 电 流 急 剧 上 升, 管 子 正 向 导 通, 如 果 电 路 中 不 接 限 流 元 件, 二 极 管 将 被 烧 毁 图 2.2

2.1.2 主 要 参 数 1. 额 定 电 流 ( 正 向 平 均 电 流 )IF 2. 反 向 重 复 峰 值 电 压 URRM 3. 正 向 平 均 电 压 UF 4. 最 高 工 作 结 温 TJM 2.1.3 电 力 二 极 管 的 参 数 选 择 及 使 用 注 意 事 项 1. 参 数 选 择 (1) 额 定 正 向 平 均 电 流 IF 的 选 择 原 则 (2) 额 定 电 压 URRM 的 选 择 原 则

2. 电 力 二 极 管 使 用 注 意 事 项 (1) 必 须 保 证 规 定 的 冷 却 条 件, 如 强 迫 风 冷 如 不 能 满 足 规 定 的 冷 却 条 件, 必 须 降 低 使 用 的 容 量 如 规 定 风 冷 元 件 使 用 在 自 冷 条 件 时, 只 允 许 用 到 额 定 电 流 的 1/3 左 右 (2) 平 板 形 元 件 的 散 热 器 一 般 不 应 自 行 拆 装 (3) 严 禁 用 兆 欧 表 检 查 元 件 的 绝 缘 情 况 如 需 检 查 整 机 的 耐 压, 应 将 元 件 短 接

2.2 晶 闸 管 晶 闸 管 (Sillicon Controlled,SCR) 是 硅 晶 体 管 的 简 称, 包 括 普 通 晶 闸 管 双 向 晶 闸 管 可 关 断 晶 闸 管 逆 导 晶 闸 管 和 快 速 晶 闸 管 等 2.2.1 晶 闸 管 的 图 像 符 号 晶 闸 管 的 种 类 很 多, 从 外 形 上 看 主 要 有 螺 栓 形 和 平 板 形,3 个 引 出 端 分 别 叫 做 阳 极 A 阴 极 K 和 门 极 G 图 2.3 晶 闸 管 的 图 形 符 号

2.2.2 晶 闸 管 的 工 作 原 理 晶 闸 管 是 四 层 (P 1 N 1 P 2 N 2 )3 端 器 件, 有 J 1 J 2 J 3 三 个 PN 结, 如 图 2.4 所 示 晶 闸 管 具 有 单 向 导 电 特 性 和 正 向 导 通 的 可 控 性 需 要 导 通 时 必 须 同 时 具 备 以 下 两 个 条 件 图 2.4 晶 闸 管 的 内 部 工 作 过 程

(1) 晶 闸 管 的 阳 极 阴 极 之 间 加 正 向 电 压 (2) 晶 闸 管 的 门 极 阴 极 之 间 加 正 向 触 发 电 压, 且 有 足 够 的 门 极 电 流 晶 闸 管 承 受 正 向 阳 极 电 压 时, 为 使 晶 闸 管 从 关 断 变 为 导 通, 必 须 使 承 受 反 向 电 压 的 PN 结 失 去 阻 断 作 用 每 个 晶 体 管 的 集 电 极 电 流 是 另 一 个 晶 体 管 的 基 极 电 流 两 个 晶 体 管 相 互 复 合, 当 有 足 够 的 门 极 电 流 Ig 时, 就 会 形 成 强 烈 的 正 反 馈, 即 两 个 晶 体 管 迅 速 饱 和 导 通, 即 晶 闸 管 饱 和 导 通 晶 闸 管 一 旦 导 通, 门 极 即 失 去 控 制 作 用, 因 此 门 极 所 加 的 触 发 电 压 一 般 为 脉 冲 电 压 晶 闸 管 从 阻 断 变 为 导 通 的 过 程 称 为 触 发 导 通 要 使 导 通 的 晶 闸 管 阻 断, 必 须 将 阳 极 电 流 降 低 到 一 个 称 为 维 持 电 流 的 临 界 极 限 值 以 下

2.2.3 晶 闸 管 的 阳 极 伏 安 特 性 晶 闸 管 的 阳 极 与 阴 极 之 间 的 电 压 和 电 流 之 间 的 关 系, 称 为 阳 极 伏 安 特 性 其 伏 安 特 性 曲 线 如 图 2.5 所 示 图 2.5 晶 闸 管 的 阳 极 伏 安 特 性 曲 线

2.2.4 晶 闸 管 的 参 数 1. 额 定 电 压 U TN 选 择 时 应 注 意 留 有 充 分 的 裕 量, 一 般 应 按 工 作 电 路 中 可 承 受 到 的 最 大 瞬 时 值 电 压 U TM 的 2~3 倍 来 选 择 晶 闸 管 的 额 定 电 压, 即 : 2. 额 定 电 流 I T (AV) 由 于 晶 闸 管 的 过 载 能 力 差, 在 实 际 应 用 时 额 定 电 流 一 般 取 1.5~2 倍 的 安 全 裕 量, 即 : 式 中 :I T 为 正 弦 半 波 电 流 的 有 效 值

图 2.6 晶 闸 管 门 极 伏 安 特 性 3. 通 态 平 均 电 压 UT(AV) 4. 其 他 参 数 (1) 维 持 电 流 I H ; (2) 擎 住 电 流 I L ; (3) 通 态 浪 涌 电 流 I TSM ; (4) 断 态 电 压 临 界 上 升 率 du/dt ; (5) 通 态 电 流 临 界 上 升 率 du/dt 2.2.5 晶 闸 管 的 门 极 伏 安 特 性 及 主 要 参 数 1. 门 极 伏 安 特 性

2. 门 极 主 要 参 数 (1) 门 极 不 触 发 电 压 U GD 和 门 极 不 触 发 电 流 I GD (2) 门 极 触 发 电 压 U GT 和 门 极 触 发 电 流 I GT (3) 门 极 正 向 峰 值 电 压 U GM 门 极 正 向 峰 值 电 I GM 和 门 极 峰 值 功 率 P GM

2.3 门 极 可 关 断 晶 闸 管 门 极 可 关 断 (Gate Turn-Off,GTO) 晶 闸 管, 它 具 有 普 通 晶 闸 管 的 全 部 优 点, 但 它 还 具 有 自 关 断 能 力, 属 于 全 控 器 件 在 质 量 效 率 及 可 靠 性 方 面 有 着 明 显 的 优 势, 成 为 被 广 泛 应 用 的 自 关 断 器 件 之 一 2.3.1 GTO 晶 闸 管 的 结 构 门 极 可 关 断 晶 闸 管 的 结 构 与 普 通 晶 闸 管 相 似, 也 为 PNPN 4 层 半 导 体 结 构 三 端 ( 阳 极 A 阴 极 K 门 极 G) 器 件 内 部 结 构 等 效 电 路 及 符 号 如 图 2.7 所 示

2.3.2 GTO 晶 闸 管 的 工 作 原 理 当 GTO 晶 闸 管 的 阳 极 加 有 正 向 电 压, 门 极 加 有 正 向 触 发 电 流 I G 时, 通 过 N 1 P 2 N 2 晶 体 管 的 放 大 作 用 使 I C2 和 I K 增 加,I C2 又 作 为 晶 体 管 P 1 N 1 P 2 的 基 极 电 流, 经 晶 体 管 P 1 N 1 P 2 放 大 使 I C1 和 I A 增 加 I C1 又 作 为 N 1 P 2 N 2 晶 体 管 的 基 极 电 流, 使 I C2 和 I K 进 一 步 增 加 增 强 式 强 烈 的 正 反 馈 过 程, 使 GTO 晶 闸 管 很 快 饱 和 导 通 图 2.7 GTO 晶 闸 管 的 内 部 结 构 等 效 电 路 及 符 号

为 了 表 征 门 极 对 GTO 晶 闸 管 关 断 的 控 制 作 用, 引 入 门 极 控 制 增 益, 可 表 示 为 式 中 :IG<0 时 的 表 示 关 断 增 益 当 GTO 晶 闸 管 已 处 于 导 通 状 态 且 阳 极 电 流 为 I A 时, 对 门 极 加 负 的 关 断 脉 冲, 形 成 -I G, 相 当 于 将 I C1 的 电 流 抽 出, 使 N 1 P 2 N 2 晶 体 管 的 基 极 电 流 减 少, 从 而 使 I C2 和 IK 减 少,I C2 的 减 少 又 使 I A 减 少, 也 使 I C2 减 少, 也 是 一 个 正 反 馈 过 程, 但 它 是 衰 减 式 的 当 I A 和 I K 的 减 少 使 ( )<1 时, 等 效 晶 体 管 P 1 N 1 P 2 和 N 1 P 2 N 2 退 出 饱 和,GTO 晶 闸 管 不 再 满 足 维 持 导 通 的 条 件, 阳 极 电 路 很 快 下 降 到 零 而 关 断

2.3.3 GTO 晶 闸 管 的 特 性 1. 阳 极 伏 安 特 性 GTO 晶 闸 管 的 阳 极 伏 安 特 性 与 普 通 晶 闸 管 相 似 如 图 2.8 所 示 图 2.8 GTO 晶 闸 管 的 阳 极 伏 安 特 性

2.GTO 晶 闸 管 的 动 态 特 性 图 2.9 给 出 了 GTO 晶 闸 管 开 通 和 关 断 过 程 中 门 极 电 流 和 阳 极 电 流 的 波 形 图 2.9 GTO 晶 闸 管 的 开 通 和 关 断 过 程 电 流 波 形

2.3.4 GTO 晶 闸 管 的 主 要 参 数 1. 最 大 可 关 断 阳 极 电 流 I ATO 通 常 将 最 大 可 关 断 阳 极 电 流 作 为 GTO 晶 闸 管 的 额 定 电 流 应 用 中, 最 大 可 关 断 阳 极 电 流 还 与 工 作 频 率 门 极 负 电 流 的 波 形 工 作 温 度 及 电 路 参 数 等 因 素 有 关, 它 不 是 一 个 固 定 不 变 的 数 值 2. 关 断 增 益 3. 阳 极 尖 峰 电 压 4. 维 持 电 流 5. 擎 住 电 流

2.4 电 力 晶 体 管 电 力 晶 体 管 GTR(Giant Transistor) 是 一 种 高 反 压 晶 体 管, 具 有 自 关 断 能 力, 并 有 开 关 时 间 短 饱 和 压 降 低 和 安 全 工 作 区 宽 等 优 点 它 被 广 泛 用 于 交 直 流 电 机 调 速 中 频 电 源 等 电 力 变 流 装 置 中 2.4.1 GTR 的 结 构 图 2.10(a) 所 示 为 GTR 的 结 构 示 意 图 ; 图 2.10(b) 所 示 为 GTR 模 块 的 外 形 ; 图 2.10(c) 所 示 为 其 等 效 电 路 图 2.10 GTR 模 块

2.4.2 GTR 的 主 要 参 数 (1) 开 路 阻 断 电 压 U CEO 基 极 开 路 时, 集 电 极 - 发 射 极 间 能 承 受 的 电 压 值 (2) 集 电 极 最 大 持 续 电 流 I CM 当 基 极 正 向 偏 置 时, 集 电 极 能 流 入 的 最 大 电 流 (3) 电 流 增 益 h FE 集 电 极 电 流 与 基 极 电 流 的 比 值 称 为 电 流 增 益, 也 叫 电 流 放 大 倍 数 或 电 流 传 输 比 (4) 集 电 极 最 大 耗 散 功 率 P CM 指 GTR 在 最 高 允 许 结 温 时 所 消 耗 的 功 率, 它 受 结 温 限 制, 其 大 小 由 集 电 结 工 作 电 压 和 集 电 极 电 流 的 乘 积 决 定 (5) 开 通 时 间 t on 包 括 延 迟 时 间 t d 和 上 升 时 间 t r (6) 关 断 时 间 t off 包 括 存 储 时 间 t s 和 下 降 时 间 t f

2.4.3 二 次 击 穿 现 象 当 集 电 极 电 压 U CE 逐 渐 增 加 到 某 一 数 值 时, 集 电 结 的 反 向 电 流 I C 急 剧 增 加, 出 现 击 穿 现 象 首 次 出 现 的 击 穿 现 象 称 为 一 次 击 穿, 这 种 击 穿 是 正 常 的 雪 崩 击 穿 这 一 击 穿 可 用 外 接 串 联 电 阻 的 方 法 加 以 控 制, 只 要 适 当 限 制 晶 体 管 的 电 流 ( 或 功 耗 ), 流 过 集 电 结 的 反 向 电 流 就 不 会 太 大, 如 果 进 入 击 穿 区 的 时 间 不 长, 一 般 不 会 引 起 GTR 的 特 性 变 坏 但 是, 一 次 击 穿 后 若 继 续 增 大 偏 压 U CE, 而 外 接 限 流 电 阻 又 不 变, 反 向 电 流 I C 将 继 续 增 大, 此 时 若 GTR 仍 在 工 作,GTR 将 迅 速 出 现 大 电 流, 并 在 极 短 的 时 间 使 器 件 内 出 现 明 显 的 电 流 集 中 和 过 热 点 电 流 急 剧 增 长, 此 现 象 便 称 为 二 次 击 穿 一 旦 发 生 二 次 击 穿, 轻 者 使 GTR 电 压 降 低 特 性 变 差, 重 者 使 集 电 结 和 发 射 结 熔 通, 使 晶 体 管 被 永 久 性 损 坏

2.4.4 GTR 的 驱 动 电 路 模 块 1. 对 驱 动 电 路 的 要 求 (1) 驱 动 电 路 应 对 主 电 路 和 控 制 电 路 有 电 气 隔 离 作 用 (2) 电 力 晶 体 管 开 通 时, 驱 动 电 流 应 有 足 够 陡 的 前 沿, 并 有 一 定 的 过 冲, 以 加 速 开 通 过 程, 减 小 损 耗 (3) 功 率 晶 体 管 导 通 期 间, 在 任 何 负 载 下 基 极 电 流 都 应 使 晶 体 管 饱 和 导 通, 为 降 低 饱 和 压 降, 应 使 晶 体 管 过 饱 和 而 缩 短 存 储 时 间, 应 使 晶 体 管 临 界 饱 和 两 种 情 况 要 综 合 考 虑 (4) 关 断 时, 应 提 供 幅 值 足 够 大 的 反 向 基 极 电 流, 并 加 反 偏 截 止 电 压, 以 加 快 关 断 速 度, 减 小 关 断 损 耗 (5) 驱 动 电 路 应 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力, 并 有 一 定 的 保 护 功 能

2. 驱 动 电 路 的 隔 离 主 电 路 和 控 制 电 路 之 间 的 电 气 隔 离 一 般 采 用 光 隔 离 或 磁 隔 离 常 用 的 光 隔 离 有 普 通 高 速 高 传 速 比 几 种 类 型, 如 图 2.11 所 示 图 2.11 光 隔 离 耦 合 的 类 型 磁 隔 离 的 元 件 通 常 是 隔 离 变 压 器, 为 避 免 脉 冲 较 宽 时 铁 芯 饱 和, 通 常 采 用 高 频 调 制 和 解 调 的 方 法

2.5 电 力 场 效 应 晶 体 管 电 力 场 效 应 晶 体 管 简 称 电 力 MOSFET(Power MOS Field-Effect Transistor, P-MOSFET), 它 是 对 功 率 小 的 电 力 MOSFET 的 工 艺 结 构 进 行 改 进, 在 功 率 上 有 所 突 破 的 单 极 性 半 导 体 器 件, 属 于 电 压 控 制 型, 具 有 驱 动 功 率 小 控 制 线 路 简 单 工 作 频 率 高 的 特 点 2.5.1 电 力 场 效 应 管 的 结 构 与 工 作 原 理 1. 电 力 MOSFET 的 结 构 图 2.12 电 力 MOSFET 的 结 构 和 符 号

2. 电 力 MOSFET 的 工 作 原 理 当 漏 极 接 电 源 正 极, 源 极 接 电 源 负 极, 栅 - 源 极 之 间 的 电 压 为 零 或 为 负 时,P 型 区 和 N- 型 漂 移 区 之 间 的 PN 结 反 向, 漏 - 源 极 之 间 无 电 流 流 过 如 果 在 栅 极 和 源 极 间 加 正 向 电 压 U GS, 由 于 栅 极 是 绝 缘 的, 不 会 有 电 流 但 栅 极 的 正 电 压 所 形 成 的 电 场 的 感 应 作 用 却 会 将 其 下 面 的 P 型 区 中 的 少 数 载 流 子 电 子 吸 引 到 栅 极 下 面 的 P 型 区 表 面 当 U GS 大 于 某 一 电 压 值 U T 时, 栅 极 下 面 的 P 型 区 表 面 的 电 子 浓 度 将 超 过 空 穴 浓 度, 使 P 型 反 型 成 N 型, 沟 通 了 漏 极 和 源 极 此 时, 若 在 漏 极 之 间 加 正 向 电 压, 则 电 子 将 从 源 极 横 向 穿 过 沟 道, 然 后 垂 直 ( 即 纵 向 ) 流 向 漏 极, 形 成 漏 极 电 流 I D 电 压 U T 称 为 开 启 电 压,U GS 超 过 U T 越 多, 导 电 能 力 就 越 强, 漏 极 电 流 I D 也 就 越 大

2.5.2 电 力 MOSFET 的 特 性 1. 转 移 特 性 如 图 2.13 所 示 2. 输 出 特 性 如 图 2.14 所 示 图 2.13 转 移 特 性 图 2.14 输 出 特 性 图

3. 开 关 特 性, 如 图 2.15 所 示 图 2.15 电 力 MOSFET 的 开 关 特 性

2.5.3 电 力 MOSFET 的 主 要 参 数 1. 漏 源 击 穿 电 压 BU DS 2. 漏 极 连 续 电 流 I D 和 漏 极 峰 值 电 流 I DM 3. 栅 源 击 穿 电 压 BU GS 4. 极 间 电 容 电 力 MOSFET 不 存 在 二 次 击 穿 问 题, 这 是 它 的 一 个 优 点 漏 - 源 间 的 耐 压 漏 极 最 大 允 许 电 流 和 最 大 耗 散 功 率 决 定 了 电 力 MOSFET 的 安 全 工 作 区 在 实 际 使 用 中, 应 注 意 留 有 适 当 的 裕 量

2.6 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 (Insulated Gate Biopolar Transistor,IGBT) 是 20 世 纪 80 年 代 中 期 发 展 起 来 的 一 种 新 型 器 件 它 综 合 了 GTR 和 MOSFET 的 优 点, 既 有 GTR 耐 高 电 压 电 流 大 的 特 点, 又 兼 有 单 极 型 电 压 驱 动 器 件 MOSFET 输 入 阻 抗 高 驱 动 功 率 小 等 优 点 目 前 在 20kHz 及 以 下 中 等 容 量 变 流 装 置 中 得 到 广 泛 应 用, 已 取 代 了 GTR 和 功 率 MOSFET 的 一 部 分 市 场, 成 为 中 小 功 率 电 力 电 子 设 备 的 主 导 器 件 近 年 来, 开 发 的 第 三 代 第 四 代 IGBT 可 使 装 置 工 作 频 率 提 高 到 50~ 100kHz, 电 压 和 电 流 容 量 进 一 步 提 高, 大 有 全 面 取 代 上 述 全 控 型 器 件 的 趋 势

2.6.1 IGBT 的 结 构 与 基 本 工 作 原 理 图 2.16 所 示 为 IGBT 的 结 构 剖 面 图, 其 等 效 电 路 与 图 形 符 号 如 图 2.17 所 示 图 2.16 IGBT 的 结 构 剖 面 2.17 IGBT 等 效 电 路 与 图 形 符 号

IGBT 的 驱 动 原 理 与 电 力 MOSFET 基 本 相 同, 它 是 一 种 场 控 器 件 其 开 通 和 关 断 是 由 栅 极 和 发 射 极 间 的 电 压 UGE 控 制 的, 当 UGE 为 正 且 大 于 开 启 电 压 UT 时, 功 率 MOSFET 内 形 成 导 电 沟 道, 其 漏 源 电 流 作 为 内 部 GTR 的 基 极 电 流, 从 而 使 IGBT 导 通 此 时 从 P+ 注 入 N- 区 的 空 穴 对 N - 区 进 行 电 导 调 制, 减 小 了 N- 区 的 电 阻 RN, 使 IGBT 获 得 低 导 通 压 降 当 栅 极 与 发 射 极 间 不 加 信 号 或 施 加 反 向 电 压 时, 功 率 MOSFET 内 的 导 电 沟 道 消 失,GTR 的 基 极 电 流 被 切 断,IGBT 随 即 关 断

2.6.2 IGBT 的 基 本 特 性 1. 静 态 特 性 1) 转 移 特 性 用 来 描 述 IGBT 集 电 极 电 流 i C 与 栅 - 射 电 压 U GE 之 间 的 关 系, 如 图 2.18(a) 所 示 2) 输 出 特 性, 如 图 2.18(b) 描 述 以 栅 - 射 电 压 为 参 变 量 时, 集 电 极 电 流 i C 与 集 - 射 极 间 电 压 U CE 之 间 的 关 系 图 2.18 IGBT 的 静 态 特 性

图 2.19 IGBT 的 开 通 与 关 断 过 程 2. 动 态 特 性 IGBT 的 动 态 特 性 包 括 开 通 过 程 和 关 断 过 程, 如 图 2.19 所 示 1) 开 通 过 程 IGBT 的 开 通 过 程 与 功 率 MOSFET 的 开 通 过 程 相 类 似 2) 关 断 过 程 欲 使 IGBT 关 断 时, 给 栅 极 施 加 反 向 脉 冲 电 压 -U GM

2.6.3 IGBT 的 主 要 参 数 (1) 集 - 射 极 额 定 电 压 U CES ;(2) 栅 - 射 极 额 定 电 压 U GES ; (3) 栅 - 射 极 开 启 电 压 U GE(th) ;(4) 集 电 极 额 定 电 流 I C ; (5) 集 - 射 极 饱 和 电 压 U CEO 2.6.4 IGBT 的 驱 动 电 路 1.IGBT 对 栅 极 驱 动 电 路 的 特 殊 要 求 2.IGBT 栅 极 驱 动 电 路 应 满 足 的 条 件 栅 极 驱 动 条 件 与 IGBT 的 特 性 密 切 相 关 设 计 栅 极 驱 动 电 路 时, 应 特 别 注 意 开 通 特 性 负 载 短 路 能 力 和 引 起 的 误 触 发 等 问 题 栅 极 串 联 电 阻 栅 极 驱 动 电 压 的 上 升 率 下 降 率 对 IGBT 的 开 通 和 关 断 过 程 有 较 大 的 影 响

2.7 集 成 门 极 换 流 晶 闸 管 集 成 门 极 换 流 晶 闸 管 (Integrated Gate Commutated Thysristor,IGCT) 是 1996 年 问 世 的 一 种 新 型 半 导 体 开 关 器 件 2.7.1 IGCT 的 结 构 IGCT 是 将 门 极 驱 动 电 路 与 门 极 换 流 晶 闸 管 (GCT) 集 成 为 一 个 整 体 形 成 的 门 极 换 流 晶 闸 管 (GCT) 是 基 于 GTO 晶 闸 管 结 构 的 一 种 新 型 电 力 半 导 体 器 件, 它 不 仅 有 与 GTO 晶 闸 管 相 同 的 高 阻 断 能 力 和 低 通 态 压 降, 而 且 有 与 IGBT 相 同 的 开 关 性 能, 即 它 是 GTO 晶 闸 管 和 IGBT 相 互 取 长 补 短 的 结 果, 是 一 种 较 理 想 的 兆 瓦 级 中 压 开 关 器 件, 非 常 适 合 用 于 6kV 和 10kV 的 中 压 开 关 电 路 图 2.20 所 示 为 IGCT 的 原 理 框 图 和 电 路 符 号

IGCT 和 GTO 晶 闸 管 相 比,IGCT 的 关 断 时 间 降 低 了 30%, 功 耗 降 低 了 40% IGCT 不 需 要 吸 收 电 路, IGCT 在 使 用 时 只 需 将 它 连 接 到 一 个 20V 电 源 和 一 根 光 纤 上 就 可 以 控 制 它 的 导 通 和 关 断 图 2.20 IGCT 原 理 框 图 和 电 路 符 号

2.7.2 IGCT 的 特 点 IGCT 具 有 快 速 开 关 功 能 具 有 导 电 损 耗 低 的 特 点, 在 各 种 高 电 压 大 电 流 应 用 领 域 中 的 可 靠 性 更 高 IGCT 装 置 中 的 所 有 元 件 装 在 紧 凑 的 单 元 中, 降 低 了 成 本 IGCT 采 用 电 压 源 型 逆 变 器, 与 其 他 类 型 变 频 器 的 拓 扑 结 构 相 比, 结 构 更 简 单, 效 率 更 高 优 化 的 技 术 只 需 更 少 的 器 件, 相 同 电 压 等 级 的 变 频 器 采 用 IGCT 的 数 量 只 需 低 压 IGBT 的 1/5 并 且, 由 于 IGCT 损 耗 很 小, 所 需 的 冷 却 装 置 较 小, 因 而 内 在 的 可 靠 性 更 高 更 少 的 器 件 还 意 味 着 更 小 的 体 积 因 此, 使 用 IGCT 的 变 频 器 比 使 用 IGBT 的 变 频 器 简 洁 可 靠 性 高 尽 管 IGCT 变 频 器 不 需 要 限 制 的 缓 冲 电 路, 但 是 IGCT 本 身 不 能 控 制 du/dt( 这 是 IGCT 的 主 要 缺 点 ), 所 以 为 了 限 制 短 路 电 流 上 升 率, 在 实 际 电 路 中 常 串 入 适 当 电 抗

2.8 MOS 控 制 晶 闸 管 MOS 控 制 晶 闸 管 (MOS Controlled Thyristor,MCT) 是 一 种 单 极 型 和 双 极 型 结 合 而 形 成 的 复 合 器 件, 输 入 侧 为 MOSFET 结 构, 因 而 输 入 阻 抗 高, 驱 动 功 率 小, 工 作 频 率 高 ; 而 输 出 侧 为 晶 闸 管 结 构, 能 够 承 受 高 电 压, 通 过 大 电 流, 这 是 一 种 很 有 发 展 前 途 的 器 件 2.8.1 MCT 的 结 构 与 工 作 原 理 MCT 是 在 晶 闸 管 结 构 基 础 上 又 制 作 了 两 只 MOSFET, 其 中 用 于 控 制 MCT 导 通 的 那 只 MOSFET 称 为 开 通 场 效 应 晶 体 管 (ON-FET), 用 于 控 制 阻 断 的 那 只 MOSFET 称 为 关 断 场 效 应 晶 体 管 (OFF-FET) 根 据 开 通 场 效 应 晶 体 管 的 沟 道 类 型 不 同, 可 分 为 P-MCT 和 N-MCT 两 种 图 2.21 为 P-MCT 一 个 单 细 胞 的 等 效 电 路 及 图 形 符 号

图 2.21 P-MCT 的 单 细 胞 等 效 电 路 及 图 形 符 号 2.8.2 MCT 的 主 要 参 数 (1) 断 态 重 复 峰 值 电 压 UDRM 是 MCT 的 阳 极 和 阴 极 之 间 的 最 大 允 许 电 压 (2) 反 向 重 复 峰 值 电 压 URRM 是 MCT 的 阴 极 和 阳 极 之 间 的 最 大 允 许 电 压 (3) 阴 极 连 续 电 流 IK 在 某 一 结 温 下, 器 件 允 许 连 续 通 过 的 电 流 (4) 峰 值 可 控 电 流 ITC 当 MCT 通 过 门 极 信 号 换 向 时, 额 定 关 断 的 最 大 阴 极 电 流

2.9 静 电 感 应 晶 体 管 静 电 感 应 晶 体 管 (Static Induction Transistor,SIT) 是 一 种 电 压 型 控 制 器 件, 具 有 工 作 频 率 高 输 入 阻 抗 高 输 出 功 率 大 放 大 线 性 度 好 无 二 次 击 穿 现 象 热 稳 定 性 好 等 优 点, 广 泛 应 用 于 超 声 波 功 率 放 大 雷 达 通 信 开 关 电 源 和 高 频 感 应 加 热 等 方 面 2.9.1 SIT 的 基 本 结 构 和 工 作 原 理 SIT 的 基 本 结 构 与 电 路 图 形 符 号 如 图 2.22 所 示 图 2.22 SIT 的 基 本 结 构 与 图 形 符 号

2.9.2 SIT 的 特 性 伏 安 特 性 是 指 SIT 的 漏 - 源 电 压 UDS 与 漏 极 电 流 ID 之 间 的 关 系 图 2.23 表 示 了 SIT 的 典 型 伏 安 特 性 图 2.23 SIT 的 典 型 伏 安 特 性 曲 线

2.9.3 SIT 的 极 限 参 数 (1) 栅 - 源 击 穿 电 压 U GSO, 在 漏 极 开 路 时 栅 - 源 之 间 可 承 受 的 最 高 反 向 电 压 (2) 栅 - 漏 击 穿 电 压 U GDO, 在 源 极 开 路 时 栅 - 源 之 间 可 承 受 的 最 高 反 向 电 压 (3) 最 大 漏 极 电 流 I Dmax, 是 指 器 件 工 作 时 漏 极 允 许 通 过 的 最 大 峰 值 电 流 (4) 允 许 功 耗 P T, 是 指 SIT 允 许 的 最 大 耗 散 功 率

2.10 智 能 功 率 模 块 智 能 功 率 模 块 (Intelligent Power Module,IPM) 是 一 种 混 合 集 成 电 路, 是 IGBT 智 能 化 功 率 模 块 的 简 称 它 以 IGBT 为 基 本 功 率 开 关 器 件, 将 驱 动 保 护 和 控 制 电 路 的 多 个 芯 片 通 过 焊 丝 ( 或 铜 带 ) 连 接, 封 入 同 一 模 块 中, 形 成 具 有 部 分 或 完 整 功 能 的 相 对 独 立 的 单 元 如 构 成 单 相 或 三 相 逆 变 器 的 专 用 模 块, 用 于 电 动 机 变 频 调 速 装 置 图 2.24 所 示 为 内 部 只 有 一 支 IGBT 的 IPM 产 品 的 内 部 框 图, 模 块 内 部 主 要 包 括 欠 压 保 护 电 路 IGBT 驱 动 电 路 过 流 保 护 电 路 短 路 保 护 电 路 温 度 传 感 器 及 过 热 保 护 电 路 门 电 路 和 IGBT 图 2.25 所 示 为 另 一 种 内 部 带 有 制 动 电 路 和 两 个 IGBT 的 半 桥 式 IPM 模 块 内 部 结 构 IPM 模 块 内 部 结 构 大 体 相 同, 都 是 集 功 率 变 换 驱 动 及 保 护 电 路 于 一 体 使 用 时, 只 需 为 各 桥 臂 提 供 开 关 控 制 信 号 和 驱 动 电 源, 特 别 适 用 于 正 弦 波 输 出 的 变 压 变 频 (VVVF) 式 变 频 器 中

由 于 IPM 模 块 内 部 具 有 多 种 保 护 功 能, 即 便 是 内 部 的 IGBT 元 件 承 受 过 大 的 电 流 电 压,IPM 模 块 也 不 会 被 损 坏 所 以 使 用 IPM 模 块, 不 但 可 以 提 高 系 统 的 可 靠 性, 而 且 可 以 实 现 系 统 小 型 化, 缩 短 设 计 时 间 图 2.24 IPM 系 列 产 品 的 内 部 框 图 图 2.25 IPM 模 块 内 部 结 构

本 章 小 结 电 力 二 极 管 (PD) 的 内 部 结 构 是 一 个 PN 结, 加 正 向 电 压 导 通, 加 反 向 电 压 截 止, 是 不 可 控 的 单 向 导 通 器 件 普 通 晶 闸 管 (SCR) 是 双 极 型 电 流 控 制 器 件 当 对 晶 闸 管 的 阳 极 和 阴 极 两 端 加 正 向 电 压, 同 时 在 它 的 门 极 和 阴 极 两 端 也 加 正 向 电 压 时, 晶 闸 管 开 通, 但 导 通 后 门 极 便 失 去 控 制 作 用, 不 能 用 门 极 控 制 晶 闸 管 的 关 断, 所 以 它 是 半 控 器 件 门 极 可 关 断 (GTO) 晶 闸 管 的 开 通 与 晶 闸 管 一 样, 但 门 极 加 负 电 压 可 使 其 关 断, 所 以 它 是 全 控 器 件 电 力 晶 体 管 (GTR) 是 双 极 型 全 控 器 件, 工 作 原 理 与 普 通 中 小 功 率 晶 体 管 相 似, 但 主 要 工 作 在 开 关 状 态, 不 用 于 信 号 放 大, 它 承 受 的 电 压 和 电 流 数 值 大

电 力 MOS 场 效 应 晶 体 管 (P-MOSFET) 是 单 极 型 全 控 器 件, 属 于 电 压 控 制, 驱 动 功 率 小 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 (IGBT) 是 复 合 型 全 控 器 件, 具 有 输 入 阻 抗 高 工 作 速 度 快 通 态 电 压 低 阻 断 电 压 高 承 受 电 流 大 等 优 点, 是 功 率 开 关 电 源 和 逆 变 器 的 理 想 电 力 半 导 体 器 件 集 成 门 极 换 流 晶 闸 管 (IGCT) 是 将 门 极 驱 动 电 路 与 门 极 换 流 晶 闸 管 (GCT) 集 成 于 一 个 整 体 形 成 的, 是 较 理 想 的 兆 瓦 级 中 压 开 关 器 件, 非 常 适 用 于 6kV 和 10kV 的 中 压 开 关 电 路 智 能 功 率 模 块 (IPM) 将 高 速 度 低 功 耗 的 IGBT 与 栅 极 驱 动 器 和 保 护 电 路 一 体 化, 因 此 具 有 智 能 化 多 功 能 高 可 靠 性 速 度 快 功 耗 小 等 特 点