電力系統(tǒng)中的常用電力電子器件1.1 電力電子器件概述1.2 不可控器件——二極管1.3 半控型器件——晶閘管1.4 典型全控型器件1.5 其他新型電力電子器件1.6 電力電子器件的驅(qū)動1.7 電力電子器件的保護電子技術(shù)的基礎 ——— 電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路的基礎 ——— 電力電子器件1）概念:電力電子器件（Power Electronic Device） ——可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（Main Power Circuit） ——電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。2）分類: 電真空器件(汞弧整流器-大功率高頻電源中、閘流管) 半導體器件(采用的主要材料硅）3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件（毫瓦-兆瓦）。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)（處理的電功率較大）；模電：放大狀態(tài)；數(shù)電：開關(guān)狀態(tài)，利用開關(guān)狀態(tài)表示不同信息。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制（需要把信號放大，即加驅(qū)動電路）。電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。 電力電子器件的損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗（微小的漏電流流過）主要損耗開通損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。電力電子器件的分類半控型器件（Thyristor）(半導體閘流管) ——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET) ——通過控制信號既可控制其導通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(Power Diode) ——不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：電力電子器件的分類電流驅(qū)動型 ——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型 ——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：不可控器件—電力二極管·引言 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用（半導體整流器，逐步取代汞弧整流器）。大量應用于許多電氣設備中，快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。整流二極管及模塊KAAKPNIJKb)AKAa)c)PN結(jié)與電力二極管的工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài) 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導致熱擊穿PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB（只在外加電壓變化時才起作用，大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比）和擴散電容CD（僅在正向偏置時起作用）。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是在高速的開關(guān)狀態(tài)下，可使其單向?qū)щ娦宰儾睢?PN結(jié)的電容效應：IIFOUUUTOF電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性主要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF隨著所對應的電壓增加而開始明顯增加。與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性diuFFidttirrFttUUdfFFPtttttUF012RudiFR2VdtI0ttb)RPUfra)RP電力二極管的基本特性2) 動態(tài)特性 ——二極管的電壓-電流特性隨時間變化的 ——結(jié)電容的存在延遲時間：td= t1- t0,電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復時間：trr= td+ tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。圖1-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置uiiFUFPuIdiFF2VFdttrrttUdfF0ttfrtttttUF012RdiRdtIRPURP電力二極管的基本特性 關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。圖1-5(b)關(guān)斷過程 開通過程：正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。正向恢復時間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。圖1-5(b)開通過程電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流IF(AV)額定電流——電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。有效值相等：工作中實際波形的電流與正向平均電流所造成的發(fā)熱效應相等。電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降UF在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。3） 反向重復峰值電壓URRM對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。使用時，應當留有兩倍的裕量（按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定）。 4）反向恢復時間trr trr= td+ tf電力二極管的主要參數(shù)結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175?C范圍之內(nèi)。6) 浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 5）最高工作結(jié)溫TJM電力二極管的主要類型1) 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復時間較長（5μs）正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高（千安或千伏）電力二極管的主要類型2) 快恢復二極管 （Fast Recovery Diode——FRD）反向恢復過程很短的二極管簡稱快速二極管（5μs以下）快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其反向恢復時間trr 更短（可低于50ns），正向壓降UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管 以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode ——SBD）是一種低功耗超高速半導體器件，多用于低壓高頻大電流的整流、續(xù)流和保護二極管。肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下的低壓場合。反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能Kaiyun體育官方網(wǎng)站 開云登錄網(wǎng)站忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短（10~40ns）。正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。半控器件—晶閘管·引言晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管導通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋：圖中晶閘管可以看作由P1N1P2和NIP2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2組合而成。如果外電路向門極注入電流IG，也就是注入驅(qū)動電流，則IG流入晶體管的V2的基極，產(chǎn)生集電極電流IC2，它構(gòu)成晶體管V1的基極電流，放大成集電極電流IC1，又進一步增大V2的基極電流，如此形成強烈的正反饋，最后V2和V1進入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導通。此時如果撤掉外電路注入門極的電流，晶閘管由于內(nèi)部已經(jīng)形成了強烈的正反饋會仍然維持導通狀態(tài)。而若要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加反壓，晶閘管才能關(guān)斷。由于通過晶閘管的門極智能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理（1-1）（1-2）（1-3）（1-4）（1-5）晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 按晶體管的工作原理 ，得：式中?1和?2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管特性：在低發(fā)射極電流下? 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，? 迅速增大。在晶體管阻斷狀態(tài)下：IG=0，?1+?2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致?1+?2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理其他幾種可能導通的情況：陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，光觸發(fā)的晶閘管稱為光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。晶閘管的基本特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：IA正向?qū)↖II0=G2G1GIUUHRSMRRM-UU+UOUDRMboAAUDSM雪崩擊穿I-A晶閘管的基本特性1） 靜態(tài)特性（1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IGIA正向?qū)↖II0=G2G1GIUUHRSMRRM-UU+UOUDRMboAAUDSM雪崩擊穿I-A晶閘管的基本特性（2）反向特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IGiA100%90%10%ttt0druAKIRMtOUttRRMrrgr晶閘管的基本特性2） 動態(tài)特性1) 開通過程延遲時間td (0.5~1.5?s)上升時間tr (0.5~3?s)開通時間tgt以上兩者之和，tgt=td+ tr （1-6）2) 關(guān)斷過程反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關(guān)斷時間tq以上兩者之和tq=trr+tgr （1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的主要參數(shù)1）電壓定額斷態(tài)重復峰值電壓UDRM ——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。反向重復峰值電壓URRM ——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT ——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。使用注意：通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。2）電流定額通態(tài)平均電流 IT(AV）——在環(huán)境溫度為40?C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。——使用時應按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流 IH ——使晶閘管維持導通所必需的最小電流。一般為幾十到幾百毫安。 IH與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小。擎住電流 IL ——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復性最大正向過載電流 。晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt ——指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 ——電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通 。通態(tài)電流臨界上升率di/dt ——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 ——如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3）動態(tài)參數(shù)晶閘管的派生器件1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor—— FST)有常規(guī)的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管。開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10?s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇這兩種晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應。IT1I0=GOUGT2a)b)晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode thyristor）可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，因此在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。多用于交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性II0=GOUb)晶閘管的派生器件逆導晶閘管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。與普通晶閘管相比，具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點?？捎糜?不需要阻斷反向電壓的電路中。KGAa)圖1-11 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性IA光強度弱強OUb)晶閘管的派生器件光控晶閘管（Light Triggered Thyristor—DATASHEET/THYRISTOR/LTT.pdfLTT）又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場合占重要地位。AGAKKa)圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性典型全控型器件·引言門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀80年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個嶄新時代。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO）晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。門極可關(guān)斷晶閘管1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益?1和?2 。 ?1+?2=1是器件臨界導通的條件。門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設計?2較大，使晶體管V2控 制靈敏，使GTO易于關(guān)斷。導通時?1+?2更接近1，普通晶閘管設計為?1+?2 ≥1.15，而GTO設計為?1+?2 ≈ 1.05其導通時飽和程度不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導通時管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 圖1-7 晶閘管的工作原理門極可關(guān)斷晶閘管GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：iGOtitttttAdrsftIA90%IA10%IA0tttttttt0123456門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf 尾部時間tt —殘存載流子復合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負脈沖電流幅值越大，ts越短。 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) 許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。（1）開通時間ton —— 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2?s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。（2） 關(guān)斷時間toff—— 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2?s。不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯(lián) 。（1-8）門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO——用來標稱GTO額定電流參數(shù)。（4） 電流關(guān)斷增益?off ——最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。 ?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一Kaiyun平臺 開云體育官方入口個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。電力晶體管術(shù)語用法：電力晶體管（Giant Transistor——GTR，直譯為巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有時候也稱為Power BJT。?應用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被絕緣柵雙極晶體管IGBT和電力場效應晶體管取代。電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。bi=icb空穴流ib電E子c流Ebb )i=(1+iebc)電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理在應用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（1-9） ? ——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為 ic=? ib +Iceo （1-10） 單管GTR的? 值比處理信息用的小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。電力晶體管共發(fā)射極：同時放大電壓和電流，帶寬最小。 共基極：只放大電壓，帶寬很大，適于放大高頻小信號。 共集電極：射極跟隨器，只放大電流，適于做緩沖，即阻抗變換。三極管的接法：Ic飽和區(qū)放大區(qū)ib3ib2ib1iiib1b2b3截止區(qū)OUce電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)和 飽和區(qū)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。2）GTR的基本特性圖1-16 共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性ibIb190%Ib110%Ib10tIb2ttonoffttttisfdrIccs90%Ics10%Ics0ttttttt012345電力晶體管(2) 動態(tài)特性開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。加快開通過程的辦法：增大基極驅(qū)動電力ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間，同時也可以縮短上升時間，從而加快開通時間 。關(guān)斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff 。加快關(guān)斷速度的辦法：存儲時間是用來除去飽和導通時存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取副電流Ib2的幅值和負偏壓，可以縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。圖1-17 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管 前已述及：電流放大倍數(shù)?、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff (此外還有)： 1)??最高工作電壓 GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。注： Bucbo ：發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓。Bucex ：發(fā)射結(jié)反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。Buces ：發(fā)射極與基極間短路連接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。Bucer ：發(fā)射極與基極間用電阻連接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。Buceo ：基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。3）GTR的主要參數(shù)電力晶體管通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應的Ic 。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率PcM指在最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2)?集電極最大允許電流IcMIcPISBcMPSOAcMOUUceceM電力晶體管GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：在實際應用中，發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時，如不有效地限制電流，Ic 增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時電壓陡然下降，這個現(xiàn)象被稱為二次擊穿。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安全工作區(qū)（Safe Operating Area——SOA）將不同基極電流下的二次擊穿的臨界點連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。GTR工作時不能超過最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線，這些限定條件構(gòu)成了GTR的安全工作區(qū)。圖1-18 GTR的安全工作區(qū)電力場效應晶體管電力場效應晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction Transistor——SIT）?特點——電力場效應晶體管是用柵極電壓來控制漏極電流的。驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。電力場效應晶體管1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的種類?按導電溝道可分為P溝道和N溝道。 耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。 增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。?電力MOSFET主要是N溝道增強型。電力場效應晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，一個器件由許多個小MOSFET組成，每個元的形狀和排列方法，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設計。電力場效應晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。電力場效應晶體管電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于某一電壓UT時，使P型半導體反型成N型半導體，形成反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導電 。圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號非5050飽U=8VGS和4040區(qū)AU=7VA/30飽和區(qū)30/GSDIDI2020U=6VGSU=5V1010GSU=4VGS0UTU=U=3VUV/截止區(qū)GSTGSUV/DSa)b)電力場效應晶體管2）電力MOSFET的基本特性?(1) 靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。圖1-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性非5050飽U=8VGS和4040區(qū)AAU=7V/30飽和區(qū)30/GSDIDI2020U=6VGSU=5V1010GSU=4VGS0UTU=U=3VUV/截止區(qū)GSTGSUV/DSa)b)電力場效應晶體管MOSFET的漏極伏安特性：截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有一個與之反向的寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性up+UEORtLiuDGSuGSPuTROstiRuRDi信號GGSFDupOtttttd(off)fd(on)r電力場效應晶體管開通過程開通延遲時間td(on) 上升時間tr開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)下降時間tf關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間和下降時間之和(2) ?動態(tài)特性）)ab圖1-21 電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流電力場效應晶體管 MOSFET的開關(guān)速度和輸入電容Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。 MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。 MOSFET是場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)速度電力場效應晶體管3) 電力MOSFET的主要參數(shù) 除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (1)?漏極電壓UDS ——標稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)(2)?漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——標稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)(3) 柵源電壓UGS——柵源之間的絕緣層很薄，?UGS?20V將導致絕緣層擊穿 。 (4)?極間電容——三個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS絕緣柵雙極晶體管 GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。 MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。兩類器件取長補短結(jié)合而成的復合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復合，結(jié)合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管 IGBT的結(jié)構(gòu)圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管 IGBT的原理 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。II有源區(qū)CC飽和區(qū)U增加GEUGE(th)正向阻斷區(qū)U反向阻斷區(qū)RMOOUUUUGE(th)GEFMCE絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性 (1)?IGBT的靜態(tài)特性輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。ab))轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th))圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性UUGEGEMU90%GEMU10%GEM0tIICMCI90%ttttCMd(on)rd(off)fttfi1fi2I10%CM0tttonoffUUCECEMttfv1fv2UCE(on)Ot絕緣柵雙極晶體管 (2)??IGBT的動態(tài)特性IGBT的開通過程?? 與MOSFET的相似開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程； tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。圖1-24 IGBT的開關(guān)過程UUGEGEMU90%GEMU10%GEM0tIICMCI90%ttttCMd(on)rd(off)fttfi1fi2I10%CM0tttonoffUUCECEMttfv1fv2UCE(on)Ot絕緣柵雙極晶體管 IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off）電流下降時間 關(guān)斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。圖1-24 IGBT的開關(guān)過程絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)(1) 最大集射極間電壓UCES——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(2)? 最大集電極電流——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (3) 最大集電極功耗PCM——正常工作溫度下允許的最大功耗 。絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點 。擎住效應或自鎖效應：——NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。 正偏安全工作區(qū)（FBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件 。絕緣柵雙極晶體管1.5 其他新型電力電子器件1.5.1 MOS控制晶閘管MCT1.5.2靜電感應晶體管SIT1.5.3靜電感應晶閘管SITH1.5.4集成門極換流晶閘管IGCT1.5.5功率模塊與功率集成電路MOS控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）——MOSFET與晶閘管的復合(DATASHEET/NEW/MCT.pdfDATASHEET)MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成。每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用。靜電感應晶體管SITSIT（Static Induction Transistor）——結(jié)型場效應晶體管將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為豎直導電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。多子導電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用。缺點：柵極不加任何信號時是導通的，加負偏壓時關(guān)斷，稱為正常導通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設備中得到廣泛應用。靜電感應晶閘管SITHSITH（Static Induction Thyristor）——場控晶閘管（Field Controlled Thyristor—FCT）SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調(diào)制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。?SITH一般也是正常導通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。集成門極換流晶閘管IGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） ——GCT（Gate-Commutated Thyristor）20世紀90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTOKaiyun體育官方網(wǎng)站 開云登錄網(wǎng)站相當，開關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。功率模塊與功率集成電路基本概念20世紀80年代中后期開始，電力電子器件研制和開發(fā)的一個共同趨勢—模塊化，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated Circuit——PIC）。功率模塊與功率集成電路實際應用電路高壓集成電路（High Voltage IC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（Smart Power IC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊（Intelligent Power Module——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。功率模塊與功率集成電路發(fā)展現(xiàn)狀功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,將保護驅(qū)動電路與IGBT器件封裝在一起，最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。電力電子器件器件的驅(qū)動1.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路——主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務：按控制目標的要求施加開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。電力電子器件驅(qū)動電路概述 驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。?光隔離一般采用光耦合器?磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型電力電子器件驅(qū)動電路概述分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。驅(qū)動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路。雙列直插式集成電路以及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。為達到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。IMItttt1234晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通。晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。t圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2?脈沖前沿上升時間（1?s）t1~t3?強脈寬度IM?強脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4?脈沖寬度I?脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）晶閘管的觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。?V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。V1V2圖1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電路uGOtiGOt典型全控型器件的驅(qū)動電路1) 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路(1) GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似。GTO關(guān)斷控制需施加負門極電流。5V的負偏壓GTO驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。正的門極電流圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形典型全控型器件的驅(qū)動電路直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿。目前應用較廣，但其功耗大，效率較低。 電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后提供，二極管VD1和電容C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓，VD4和電容C4提供-15V電壓。場效應晶體管V1開通時，輸出正強脈沖；V2開通時輸出正脈沖的平頂部分；V2關(guān)斷而V3開通時輸出負脈沖；V3關(guān)斷后電阻R3和R4提供門極負偏壓。圖1-29 典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路ibOt典型全控型器件的驅(qū)動電路(2) GTR使GTR開通的基極驅(qū)動電流應使其處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。關(guān)斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。 圖1-30 理想的GTR基極驅(qū)動電流波形典型全控型器件的驅(qū)動電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。二極管VD2和電位補償二極管VD3構(gòu)成了抗飽和電路，可使GTR導通時處于臨界飽和狀態(tài)。當負載較輕時，如果V5的發(fā)射極電流全部注入V，會使V過飽和，關(guān)斷時退飽和時間延長。有了抗飽和電路之后，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2就會自動導通，使多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持Ubc≈0。這樣，就使得V導通時始終處于臨界飽和。其中，C2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路。這樣可以實現(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，加快開通。圖1-31GTR的一種驅(qū)動電路驅(qū)動GTR的集成驅(qū)動電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。典型全控型器件的驅(qū)動電路2) 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動型器件。電力MOSFET的柵源極之間和IGBT的柵射極之間都存在幾件電容。為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻。使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15 ~ 20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓（一般取-5 ~ -15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩，電阻的阻值應隨著被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。典型全控型器件的驅(qū)動電路(1) 電力MOSFET的一種驅(qū)動電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當無輸入信號時高速放大器A輸出負電平，V3導通輸出負驅(qū)動電壓。當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅(qū)動電壓。圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動電路專為驅(qū)動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。 典型全控型器件的驅(qū)動電路(2) IGBT的驅(qū)動 多采用專用的混合集成驅(qū)動器。驅(qū)動器內(nèi)部有具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。M57962L的正驅(qū)動電壓均為+15V左右，負驅(qū)動電壓為-10V 。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）。圖1-33M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線c;

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