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《电气传动与调速系统》平时作业
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《电气传动与调速系统》平时作业
关注微信公众号　　RT 百度了好多，各有各的说法，还是拿不准注意。车在重庆开，重庆的兄弟姐妹们给点意见。先谢各位！
楼主发言：3次 发图：0张 | 更多
　　有钱　　
　　个人认为保时捷太垃圾，廉价货　　
　　果断g?t?r
　　LZ牛B！GTR和911都是3.6，GTR带涡轮增压，貌是扭力要大些，相貌各有千秋，配置都差不多。但本人赶脚还是911技术要成熟一些（发动机）。
　　果断911。　　绝不否认GTR是款好车，不过在R35出现之前，也就是包括R34在内的之前的GTR仅仅是定位于街车，距离超跑是有一定距离的，而从R35开始GTR向入门超跑靠拢。不过尽管无论是在动力或者底盘方面进行了空前的改进，但能够支撑GTR具备入门超跑性能的还是它出色的轻量化----换句话说，这一点上足够的出色掩盖了它其他方面的不足。　　而911恰好相反，GT系列一直都在超跑行列，因为整个911就定位于超跑，哪怕低配也在入门超跑行列。经过多年的不断改进和调整，911基本上是无可挑剔的。　　这个级别的车没有必要也不能看数据，其实哪怕数据上的差距也不过是加速的那零点几秒。　　GTR的车身比较大，空气动力方面也没有911优秀，但得益于双涡轮增压和优秀的轻量化及配重，所以加速，特别是初段加速是非常牛的，目前为止个人感觉可能除了大排量的摩托车，可能很难有对手能在加速上和GTR相比。　　但在加速到高速状况后，911的优势还是比较明显的，水平对置发动机不会因为转速升高而出现大的震动，加上PDI对它本身就基于赛道调教的传统，所以911的高速状态是非常非常稳定的。这个很难形容，因为两台车确实都很牛，如果是过大弯，或者是高速状况下连续变道，那么两台车的姿态不会又什么差异，都非常好，基本上像在轨道上一样，循迹性非常好，完全没有松散或者丝毫偏移的感觉。反倒是在超车这样的细微变道动作上911要灵巧不少，一是因为车身更小，更紧凑，二是因为车身空气动力确实已经登峰造极了，三是911的发动机高转速下动力输出更加稳定（GTR的动力更多是靠涡轮硬性提升，加上又是大尺寸涡轮，所以在没有改进偏时点火前涡轮是有迟滞，而且感觉得到的。但911长期以来在水平对置和自然吸气上做得很成熟，高速巡航和再提速更棒。）　　要说驾驶乐趣的话，GTR更好，方向沉重，转向圈数多，喜欢驾驶的都喜欢这种感觉，并且可以通过关闭电子设备人为制造濒临失控的状态，玩高技巧动作。而911基本上是基于赛道调教，在驾驶习惯上则倾向于傻瓜化，轻便，灵巧。换句话说GTR更适合玩车或者追求驾驶乐趣，驾驶技巧的人。而911更适合追求高速行驶，更快到达目的地的人。当然，并不是说GTR不够快或者911没有驾驶乐趣。　　在内饰方面那911就高出太多了，虽然两款车内饰都很精湛，但保时捷毕竟是奢侈品牌定位，并且有一贯的奢华传统，所以这方面还是强出完全以实用性为主的GTR很多。　　考虑到楼主也就是平时驾驶用，并不会参加驾驶比赛或者极端追求驾驶乐趣，所以建议选择911的自然吸气车型。　　
　　咋不买兰博基尼和法拉利?
　　没开过也没坐过，无法评论，实话实说。　　
　　@最爱挤公交 8楼
12:39:00　　咋不买兰博基尼和法拉利?　　-----------------------------　　200的预算，再多不会考虑了。
　　炫富？
　　911,V8发动机给力。3点几秒的百公里太拉风了!　　
　　能拿出200万买车的人，会跑到天涯论坛上来问你们龟儿子些意见？　　别人身边朋友随随便便都比这儿的人懂车。　　楼主一看就是来消遣的。
　　GTR不解释，无论加速还是过完都完爆911··底盘离地适合城市道路，四驱不怕雨雪天气，运动模式开启后更是暴烈~~~~其实选GTR最根本的原因还是比911更适应城市道路，毕竟离地间隙比轿跑低不到好多，完全可以在城市道路穿梭自如
　　要装B就911，毕竟“保时捷”和“尼桑”两块牌子对很多人来说完全没得可比性，不过真正爱车的会选择GTR
　　@天地堰塘 13楼
14:17:00　　911,V8发动机给力。3点几秒的百公里太拉风了!　　-----------------------------　　吹牛前先做好功课打打草稿吧，现在911都是H6发动机，基本款150W裸车价不算选配的百公里加速才4.8秒（以楼主的预算，只能买基本款），而GTR基本款同价位的百公里加速是3.63秒（汽车之家实测），该数据在911所有车型上只有顶配的911 turbo S可以相比（裸车售价290多万）， 比操控和动力可以说GTR都完爆同价位的911，但是比外观和内饰明显“保时捷”品牌的911更具吸引力。。。以楼主的预算，这两车其实很好选，要装B要面子就选911，真正爱车要操控动力性能就选GTR
　　谢谢各位。1.此车并不参与撒子比赛之类的，就是私人用车；2.和女朋友到了结婚的阶段，她喜欢911，我个人偏向GTR，觉得毕竟是个爷们车；3.这毕竟不是一笔小钱，和女朋友从大学至今在一起6年多，一起创业跌打滚爬很不容易，想尽可能买到双方都喜欢的；4.澄清：此贴非炫富，非消遣。身边朋友大都是轿车和SUV，对跑车和我一样，略懂一二，个人也不想听商家忽悠，个人一直觉得网络上各行各业的人才尽有，征求意见没有什么不妥。再次感谢各位！
　　好屌啊！　　尔等屌丝膜拜先~　　然后建议911.　　经过时间洗礼的才算是经典。　　911也可以很爷们的。一味的追求爷们味，有可能沦为大功放音响系街头喷绘流浪犯。　　而且TURBO，个人觉得其安全性有待商榷。如果自然吸气能够达到效果，追求那点点加速度不是特别值得。毕竟，开车还是靠意识和反应的。达到一定的程度，车手比车更重要。　　曾经被长安S460狂甩3条街，完爆嘉华大桥的2.5T某系列车型司机留。
　　回复第18楼，@好奇害死大懒猫　　谢谢各位。1.此车并不参与撒子比赛之类的，就是私人用车；2.和女朋友到了结婚的阶段，她喜欢911，我个人偏向GTR，觉得毕竟是个爷们车；3.这毕竟不是一笔小钱，和女朋友从大学至今在一起6年多，一起创业跌打滚爬很不容易，想尽可能买到双方都喜欢的；4.澄清：此贴非炫富，非消遣。身边朋友大都是轿车和SUV，对跑车和我一样，略懂一二，个人也不想听商家忽悠，个人一直觉得网络上各行各业的人才尽有，征求意见没有什么不妥。再次感谢各位！　　--------------------------　　楼主厉害，资产上千万吧？关键是6年，还创业，真的？什么行业？　　
　　楼主还需要男人吗！我来报个名！
　　歌乐山车神？　　明炫911 暗炫GTR
　　对于超跑来说真的不要看数据。0到100几秒几秒的真的没有什么意义，毕竟楼主不下赛道，在目前遍布红绿灯，监控，车流的街道上，几乎很少有让你可以毫无顾虑加速多少多少秒的机会。如果真的追求加速，不如选择铃木隼，本田CBR这样的大排摩托车。　　至于操控，GTR和911都很强大，这种强大其实在日常行驶中体现出的更多是精准和稳定，如果不是特别激烈的驾驶（比如连续高速变道，过弯，绕桩等），其实很难把它们的性能发挥到极致的。也不能说谁比谁更强，因为都是颇有渊源的车型，无论是设计，制造，调教上，就此价位来说其实是难分伯仲的。　　为什么推荐楼主选择自然吸气版本的911呢，因为GTR的驾驶难度比911更大，这种难度也就是上面一些朋友所说的驾驶乐趣或者操控乐趣，方向盘转向圈数，踏板力度，回避涡轮迟滞……这些东西对驾驶者的技术和跟车的磨合都比911要求要高很多，对于十分喜欢驾驶的朋友而言，这种驾驶感受当然让人喜欢，但对于对驾驶并不是发烧级别的普通消费者而言，有些难以适应。况且作为一款入门超跑，911在加速，转向等方面虽然和普通家用轿车一样简单，轻便，但精心的制造和调教让它拥有了普通家用轿车不具备的灵敏，准确，所以驾驶乐趣并不匮乏。　　两款车都是好车，很难说谁强谁弱，因为车的每个方面都是此消彼长的，换了不同人开就会有不同性格，所以楼主还是贴合自己实际需要选择。　　
　　我就没楼主那样牛B了，我也只能问问1.4T手动高尔夫、马3星辰2.0手动、福克斯2.0手动这几个车不知道怎么选了
　　吸引我来看贴的不是楼主，　　是牛人猛虎的回贴　　你确实太牛了，啥车你都有见地
　　我两样都不选
不管是不是LZ装B还是怎么得
要我选150万-200万的车
奔驰CLS63 AMG
　　土豪我们做朋友吧　　
　　顺便借LZ的宝地虚心请教一下各位高手:　　最近家里人经常去各地旅游,想添置一台入门级的小飞机,请问到底是空客的A320还是波音的737性价比好点?
还有就是哪一款油耗更小更适合家用?
　　回复第28楼，@dearzq　　顺便借LZ的宝地虚心请教一下各位高手: 　　最近家里人经常去各地旅游,想添置一台入门级的小飞机,请问到底是空客的A320还是波音的737性价比好点? 还有就是哪一款油耗更小更适合家用?　　--------------------------　　湾流。不谢。　　
　　猛虎哥，麻烦你帮我参考一下啥，谢谢
　　@李雨齐一个人走 14楼
14:22:00　　能拿出200万买车的人，会跑到天涯论坛上来问你们龟儿子些意见？　　别人身边朋友随随便便都比这儿的人懂车。　　楼主一看就是来消遣的。　　-----------------------------　　有道理
　　我选M6
　　保时捷就胜利在牌子上，不过不太喜欢日本车　　
　　911我的梦想、以我现在的收入不吃不喝8年才可以到手、楼主做什么行业的呀？这么霸气　　
　　战神的称号GTR不是白得的。。。
　　阿斯顿马丁one x x才适合楼主　　
　　回复第28楼(作者:@dearzq 于
22:03)　　顺便借LZ的宝地虚心请教一下各位高手:　　最近家里人经常去各地旅游,想添置一台入门级的小飞机,……　　==========　　哈哈！a380楼主屋头买了的！你不要推荐了嘛！楼主，现在很忙在俄罗斯回见梅德韦杰夫，商讨借个航空母舰到朝天门看夜景的事情。　　
　　选QQ吧，买20几个QQ，一会排成S，一会排成B
　　楼主不纠结！我前段时间在想买飞机好还是买个跑车，和老婆纠结了很久，后来还不是一样买了一个，店家居然还送了一个挖机，不错不错！反正给娃儿耍他娃耍不到几天又要喊换的个！　　
　　最近我想和家人去度假，不知道是买火箭呢还是买航母，希望大家帮帮忙
　　。。。。。。。
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电力电子元器件的学习与应用
第1章绪论电力电子技术已成为一门新兴的高新技术学科，是一门利用电力电子器件对 电能进行控制和转换的学科。在以后电力电子元器件充当了很重要的角色，所以说 学习电力电子元器件很有必要。1.1 电力电子元器件的概念和特征在电气设备或电力系统中， 直接承担电能的变换或控制任务的电路被称为主电 路（Main power Circuit） 。电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直 接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件 相比，它一般具有如下特征： 1.处理电功率的能力大 电力电子元器件处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电 子元器件能够承受高电压和大电流，所以，电压和电流是电力电子元器件的两个最 重要参数。 2.工作在开关状态 电力电子元器件处理的电功率较大，所以为减少损耗，提高效率，电力电子元 器件在工作时处于开关状态。导通时阻抗很小，接近于短路，两端的压降接近于零， 而电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端 的电压由外电路决定。 3.需要由信息电子电路来控制 由于电力电子元器件处理的电功率较大，因此不能直接用普通的电子电路信 号来控制电力电子元器件的导通或关断，而是需要一个中间环节对普通的电子电路 信号进行放大处理，从而实现弱电对强电的控制，这就是所谓的电力电子元器件驱 动电路。 4.需要安装散热器 电力电子器件虽然工作在开关状态，但其在导通或阻断状态下，并不是处于 理想的短路或开路。加在电力电子元器件上的电压和流过它的电流较大，所以，导 通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗；阻断时器件上有微小的断态漏电流1流过，形成断态损耗。开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。为了使电力电子器 件不至于因损耗导致器件温度过高而损坏，不仅器件在封装时要安装散热器，而且 还要考虑器件在工作时散热器的安装问题。1.2 电力电子元器件分类1．按器件被控程度分类（1）不可控器件这类器件一般为两端器件，一端是阳极，另一端是阴极。具有单向导电性。 其 开关操作取绝于其在主电路中施加在阳、阴极间的电压和流过它的电流，正向电压 使其导通，负向使其关断，流过它的电流是单向的。不可控器件不能用控制信号来 控制通断，因此也不需要驱动电路。这类器件就是功率二极管（Power Diode),也称 为电力二极管。（2）半控型器件这类器件是端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制门极。半控型器件也 具有单向导电性，但开通不仅需要在其阳、阴极间施加正向电压，而且还必须在门 极和阴极间施加正向控制电压。门极和阴极间的控制电压不仅控制其开通个不能控 制其关断，器件的关断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。这类通过控制 信号可以控制其导通而不能控制其关断的器件称为半控型器件。半控型器件是指晶 闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。（3）全控型器件这类器件也是带有控端的端器件，其控制端不仅可控制其开通，还能控制其 关断。这类通过控制信号既要控制其导通又要控制其关断的器件你为全控型器件，又 称为自关断器件。这类器件很多，包括门极关断晶闸管（GTO） 、功率晶体管（GTR） 、功率场效应晶体管（MOSFET） 、绝缘栅晶体管（IGBT） 。目前常用的是功率 MOSFET 和 IGBT。2.按控制信号的性质分类 （1）电流驱动型器件---通过从控制注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。 例如晶闸管、GTO、GTR；2（2）电压驱动型器件---仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现 导通或者关断的控制。例如 IGBT、MOSFET；3.按驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类 （1）脉冲触发型--不需要持续施加控制端信号维持开通或关断（如：晶闸管） （2）电平控制型--需要持续施加控制端信号开通或关断（如：MOSFET、IGBT)4.按参与导电的情况分类 接照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子元器件可分为 三类：①由一种载流子参与导电的器件称为单极型器件；②由电子和空穴两种载流 子参与导电的器件称为双极型器件；③由单极型器件和双极型器件集成混合而成的 器件称为复合型器件。 单极型器件--电力二极管、 晶闸管、 GTR、 GTO； 双极型器件有--IGBT、 MOSFET, 复 合型器件--MCT(MOS 控制晶闸管)。1.3 电力电子元器件的发展历程?1876年发明硒整流器。 发明单相桥式整流电路。 发明三相桥式整流电路。 发明了电子管。 发明金属封装水银整流器。 提出逆变器原理。 发明闸流管。 半导体硅二极管诞生。 发明了硅晶体管。 发明了100A 锗功率二极管。 美国通用电气公司发明了第一个大功率5A 硅整流二极管。 美国通用电气公司发明第一个半导体晶闸管。31896年 1897年 1904年 1904年 1925年 1926年 1947年 1948年 1953年 1955年 1957年1958年 1961年 1967年 1970年 1975年 1978年 1980年 1981年 1982年 1983年 1989年半导体晶闸管商业化。 发明小功率门极关断（GTO)晶闸管。 发明了用于高压直流输电系统的晶闸管。 发明500V/20A 硅双极型晶体管（BJT)。 发明了300V/400A 巨型晶体管(GTR)。 发明了100V/25A 功率场效应晶体管（MOSFET)。 矩阵变换器的发明；4kV/1.5kA 光触发晶闸管的发明。 A GTO 晶闸管的发明。 在美国发明了 IGBT,与1984年商业化。 谐振式 DC-DC 变换器的发明。 85MW 变速泵储能系统的完成； 准谐振变换器的发明。1991年 1992年 1993年80Mvar 静止无功功率补偿器(SVC)的发明。 6kV/2.5kA，300MW 直流输电成功。 模糊逻辑神经元网络在电力电子学及电力传动上应用。 38MV ? A GTO 牵引逆变器的发明； 400MW 变速泵储能系统的完成。1995年3电平 GTO/IGBT 逆变器在球磨机传动中的应用（15/1.5MV ? 100Mvar(1var=1W)静止无功补偿装置（TVA)应用。1996年 1997年 1998年IGCT 问世。 IEGT 问世。 5MW 3电平直接转矩控制变换器实现； 300MW GTO 高压输电变换系统的完成。1999年 2000年 2003年6.5kV/600AIGBT 模块在3000V 直流输电系统成功替代 GTO IGCT45MV ? A 动态电压补偿器(DVR)应用成功。 碳化硅（SICGT)高压模块研究成功。41.4 电力电子元器件发展趋势和创新随着电力电子器件的迅速发展，电力电子技术也迅速发展成为一门独立的技 术和学科。其应用已渗透到经济、国防、科技和社会生活的各个方面，并已成为电 气工程技术领域最为活跃、最为关键的技术之一。 大容量化、高效化、小型化、模块化、智能化和低成本化，是电力电子技术的 发展趋势。 目前世界上许多大公司已开发出 IPM 智能化功率模块，如日本三菱、东芝及美 国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。日本新电元公司的 IPM 智能化功率模块 的主要特点是：? 1.它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电路，使主电路的结构为最简。 2.其功率芯片采用的是开关速度高，驱动电流小的 IGBT，且自带电流传感器，可 以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。? 3.在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短， 从而很好地解决 了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。? 4.自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信 号，对芯片实施双重保护，以保证其运行的可靠性。展 望 未 来 ， 随 着 具 有 高 可 靠 性 的 集 成 电 力 电 子 模 块 （ Integrated Power Electronic Modules,IPEM)技术及具有导通损耗小、耐压高、高结温等特点的新一 代宽禁带器件（Silicon)的应用，电力电子技术将会发生新一轮革命性变化，从而 带动国民经济其装备技术水平的飞速发展。第2章不可控器件电力二极管 （Power Diode) 自 20 世纪 50 年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器 （Semiconductor SR),并已开始逐步取代汞孤整流器。 虽然是不可控器件，但其结构和原理简单，工作可靠，所以直到现在电力极管仍然应用于许多电气设备当中。52.1 电力二极管的结构和工作原理1．电力二极管的结构 电力二极管的基本结构和原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是由 N 型半导体和 P 型半导体结和构成 PN 结，具有单向导电性。内电场- 。 - 。 。 - 。 - 。 。 - 。 - 。 。 - 。 - 。 。 - 。 - 。 。P型区-+ ? + ? + ? + + + ? + ? + ? + + ? + ? + ? + + ? + + ? ? + + ? + + ? ?N型区空间电荷区图 2-1 PN 结的形成 当 PN 结外加反向电压（正向偏置） ，即外加电压的正端接 P 区、负端接 N 区 时， 外加电场与 PN 结自建电场方向相反， 使得多子的扩散运动大于少了的漂移运动， 形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自 P 区流入而从 N 区流出的电流，称为正向电流 IF。当外加电压升高时，自建电场将进一步被削弱， 扩散电流进一步增加。这就是 PN 结的正向导通状态。 当 PN 结外加反向电压时（反向偏置） ，外加电场与 PN 结自 建电场方向相同， 使得少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区 变宽，而在外电路上则形成自 N 区流入而从 P 区流出的电流，被称为反向电流 IR。 但是少子的浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电 流 IS，一般仅为微安数量级，因此反向偏置的 PN 结表现为高阻态，几乎没有电流流 过，被称为反向截止状态。2.2 电力二极管的符号和认识图 2.1 为电力二极管的外形、结构和图形符号。6图图 2.1 电力二极管的外形、结构、电气符号和实体图 如上图所示，有螺栓型、平板型和模块型三种结构。2.3 电力二极管的基本特性2.3.1 静态特性 电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，如图 2.6 所示。当电力极管承受 的正向电压大到一定值（门槛电压 UTO ） ，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通 状态。与正向电流 IF 对应的电力极管两端的电压 UF 即为其正向电压降。当电力二极 管承受反向电压时，只有少子引起的么微小而数值恒定的反向漏电流。7I IFO UTOUF图 2.2 电力二极管的伏安特性 2.3.2 动态特性因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置三个状态之间转 换时，心然经过一个过渡过程，这个过程中的伏安特性是随时间变化的。此种随时 间变化的特性，称为电力二极管的动态特性。IF UFdiF dt td tF t0trr tf t1 diR dt IRP a) URP t2 UR tu i UFPiF2V 0b)uF tfr t图 2. 3 电力二极管的动态特性 a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的关断特性如图 2.3a)所示。当原来处于正向导通的功率二极管8外加压在 tF 加电压时刻突然从正向变为反向时，正向电流 IF 开始下降，到 t 0 时刻二 极管电流降为零，此时 PN 结两侧存有大量的少子，器件并没有恢复反向阻断能力， 直到 t 1 时 PN 结内储存的少子被抽尽时，反向电流达到最大值 IRP 。在时刻 t1 后二极管 开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小。外电路中电感产生的高感应电动势使 器件承受很高的反向电压 URP 。当电流降到基本为零的 t 2 时刻（反向电流降为 10％ ，二极管两端的反向电压才降到外加反向电压 IRP ） 断能力。反向恢复时间 trr UR，功率二极管完全恢复反向阻? t ?t20， trr 是关管的重要参数。图 2.3b)给出了电力二极管由零偏置转为正向偏置时的波形。由此波形图可知， 在这一动态过程中，电力二极管的正向压降也会出现一个过冲Ufp ，然后逐渐趋于稳 态压降值。这一动态过程的时间，称为正向恢复时间 trr 。通常反向恢复时间 trr 比正 向恢复时间tfp长。2.4 电力二极管的主要参数(1)正向平均电流 IF ( AV ) 。 IF ( AV ) （额定电流）是指在规定的管壳温度和散热 件下允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值，元件标称的额定电流就是这个电 流。 当正向半波电流幅值为 Im 时，则正向平均电流 IF ( AV ) 为1 ? Im (1-1) Im sin ? td ( ? t ) ? ?0 2? ? 实际应用中，发热多以有效值来衡量，而幅值为 Im 的正弦半波电流对应的有 IF ( AV ) ?效值 为II?1 2??0 (Im sin ?t )?2d (?t ) ?Im 2（1-2)9本着有效值相等的原则，当一只元器件的额定电流为 IF ( AV ) 时，其允许通过的 有效值为1.57 IF ( AV ) 。 实际应用中，功率二极管所流过的最大有效电流 I ，则其额定电流一般 选择为IF ( AV ) ? (1.5 ~ 2)I /1.57（1-3)式（1-3）中的系数1.5 ~ 2 是安全系数。在选择电力二极管时，应按元件允许 通过的电流有效值来选取。 （2）正向压降 UF 。UF 是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所想正向压 降。元件发热和损耗与 UF 有关，一般应选取管压降小的元件，以降低损耗。 （3）反向重复峰值电压 URRM 。是指电力二极管在指定温度下，所能重复施加的 反向最高峰值电压，通常是反向击穿电压 URSM 的2/3。使用时，一般按照2倍URRM 的 来选择二极管。 （4）最高工作结温 TJK 。最高工作结温是指在 PN 结不致损坏的前提下所能承受 的最高平均温度，用 TJM 表示。 TJM 通常在 125 ~ 175 ℃之间。 （5）反向恢复时间 trr 。反向恢复时间是指电力二极管从施加反向偏置电流到恢 复反向阻断能力为止的时间。 （6）涌浪电流 IFSM 。指电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期 的过电流。10表1.1部分功率二极管主要性能参数 反向电压 正向平均 电压UF / V 反向恢 复时间Trr额 定 正 反向重复 型号 向 峰值电压IR / mA备注平 均 电 URRM / V 流 IF / AZP1 ~ 40001 ~ 4000 3 ~
5.5 10 25 90 18050 ~
800 400 300 400 6001 ~ 40 1 ~ 400.4 ~ 1 0.4 ~ 1 1.2 0.98 1.7 1.1 1.25 1.25 1.5&10 ? s &100ns &35ns &100ns &40ns &45ns &60ns &140ns &140ns 模块结构 模块结构ZK 3 ~ 2000 10 DF 431DF 230 BF 8050WF 40 F 10CTF 3025 JPF 40 HFA90 NH 40HFA75 MC 40C75 400 1.3 &100ns 模块结构HFA 280 NJ 60C280 600 1.6 &140ns 模块结构MR876 快恢复功率二极管 50 600 50 ? A 1.4 &400nsMUR10020 CT 超快恢复功率 二极管 50 200 25mA 1.1 &50nsMBR30045 CT 肖特基功率二极管 150 （ 单 支） 45 0.8mA 0.78 ≈0112.5 电力二极管主要类型电力二极管在电力电子领域应用十分广泛，其中包括交-直变换中的整流、电 感元件能量续流、电压隔离、钳位等。根据使用场合不同，对电力二极管的要求亦 不尽不同。如要求正向压降低、反向重复峰值电压高、反向恢复时间短、涌浪能力 强等。下面介绍三种各具特点的电力二极管。（1）普通二极管普通二极管（GDP) 又称整流二极管，多用于开关频率要求不高的场合，一般开 关频率在 1KHZ 以内，其特点是额定电流和额定电压可以达到很高，一般可达到数千 安和数千伏，但反向恢复时间较长。（2）快恢复二极管 快恢复二极管 （FRD)其特点是恢复时间短， 尤其是反向恢复时间短， 一般在 5 ?s 以内。快恢复二极管一般采用 PN 结型结构，也有的采用改进的 PiN 结构。 （3）肖特基二极管 肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒二极管，称为肖特基势垒二极 管（SBD),简称肖特基二极管。与以 PN 结为基础的电力二极管相比，肖特基二极管 反向恢复时间更短，一般为 10 ~ 40 ns ；正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在 反向耐压较低的情况下其正向压降很小，明显低于快速恢复二极管。因此，其开关 损耗和正向导通损耗都很低，效率高。不足之处是当承受的反向耐压提高时其正向 电压有较大幅度提高，因此多用在 200V 以下的低压场合。而且反向漏电流大且对温 度敏感，所以反向稳态损耗不容忽略，使用时必须严格限制其工作温度。1） 图 2.4 1）普通二极管2）3）电力二极管的主要类型的实体图2）快恢复二极管123）肖特基二极管2.6 电力二极管的检测由于电力二极管的内部结构为 PN 结，因此用万用表的 Rx100Ω 挡测量阳极 A 和 阴极 K 两端的正、反向电阻，可以判断电力二极管好坏。一般电力二极管的正向电 阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几千欧至几十欧以上为好；若正、反向电阻都 为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。2.7 散热措施为了保证器件正常工作，必须规定最高允许结温 TjM ，当器件流过电流过大时， 在芯片上产生相应的功率损耗，引起芯片温度升高，器件正常工作时不应超过最高 结温和功耗的最大允许值，所以功率二极管的正常运行，在很大程度上取决于散热 器的合理选配。散热器有平板散热器、型材散热器和叉指型散热器等。散热器表面 涂黑色漆或钝化，借以提高辐射系数，常用的散热器冷却方式有：自冷、风冷、液 冷和沸腾冷却四种。1)2) 图 2.7 散热器实体图 1）自冷 2）风冷 3)水冷3)自冷是由于空气的自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式，结构简单、无 噪音，不需维护，但散热效率低。 风冷是采用强制通风、加强对流的散热方式，比自冷散热效果好，但噪音大。 水冷方式散热效率极高，其对流换热系数可达空气自然换热系数的 150 倍以上， 还可以采用变压器油等；但设备庞杂，投资高，占地面积大。13第 3 章 半控元器件晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简 称为可控硅，晶闸管是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，并且其工 作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变 频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的设备。1957 年，美国通用电器公司 开发出世界上第一个晶闸管产品，并于 1958 年使其商业化。3.1 晶闸管的结构晶闸管是一种大功率半导体开关器件，常用的螺栓型，平板型和模块型三种，如 图 3-1 所示。a)图 3-1 晶闸管的外形及电气图形符号 a)模块型 b)螺栓型 c)平板型 d)电气图形符号 e)光控晶闸管外形及符号14晶闸管的管芯由四层半导体（ P1 N 1P 2 N 2 ） 、3 个 PN 结（ J 1J 2 J 3 ）组成，并有 3 个引出 端（A、K、G） 。如图 3-2 所示。AP1N1AJ1G P2N2J2P1 N1N1GP2J3P2N2KK图 3-2 晶闸管管芯内部结构3.2 晶闸管的工作原理以灯泡作负载，按图 3-3 连接晶闸管的导通、关断实验电路，通过此电路研究晶 闸管的导通、关断条件。结果见表 3-1。灯 IaAS1KEaGS2Eg图 3-3 晶闸管导通关断实验电路15表 3-1实验序号 实验前灯 的情况 1 导 通 实 验 2 3 4 5 6 关 断 实 验 4 亮 1 2 3 暗 暗 暗 暗 暗 暗 亮 亮 亮晶闸管导通和关断实验实验后灯 的情况 暗 暗 暗 暗 暗 暗 亮 亮 亮 .晶闸管在导通状态时，当主电路 （任何） 暗 电压减小到接近零时，晶闸管关 断。 晶闸管在反向阳极电压作用下， 不论门极为何种电压，都处于关 断状态。 当晶闸管承受正向阳极电压，仅 在门极承受正向电压时，晶闸管 才能导通。 .已导通的晶闸管在正向阳极电压 作用下，门极失去控制作用。 结论实验时晶闸管的条件 阳极电压 反向 反向 反向 正向 正向 正向 正向 正向 正向 正向（逐 渐减小到 接 近 于 零） 门极电压 反向 零 正向 反向 零 正向 正向 正向 正向从表 3-1 可见，晶闸管的导通条件（两点同时满足） ： 1、阳极与阴极之间加上正向电压； 2、门极与阴极之间加上适当的正向电压。晶闸管的关断条件： 1、使流过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定的维持电流。 关断实现的方式： ?. 去掉阳极所加的正向电压 ?. 给阳极加反向电压 ?. 使流过晶闸管的电流减小到某一数值(维持电流 IH )以下16例 3-1 电路如下图所示，假设变压器 T，晶闸管 VT 为理想元器件，现在电源的 30° 相位处给晶闸管一个可靠触发脉冲信号，试画出负载电压 R 上的电压波形图？T u1 u2VT uVT id ud R解：在 0~ ? /6 区间，晶闸管 VT 承受正向阳极电压，但门极电压为零，晶闸管 VT 处于阻断状态， ud =0；在 ? /6~ ? 区间，阳极电压为正，门极有触发信号，晶闸 管 VT 处于导通状态，忽略管压降，则 ud ? u2 ；在 ? ~2 ? 区间，阳极电压过零反向，Ia 减小至 Ia ? IH ，晶闸管 VT 恢复阻断状态， ud =0；余下区间分析同上。波形图如下：a) u2 0 b) udπ/6?2??t0??t3.3 晶闸管的基本特性3.3.1 晶闸管的静态特性⒈Ig=0 时，当阳极电压足够大时，晶闸管会“硬开通” ，此电压称17为正向转折电压 UbO 。⒉Ig 增加时，正向转折电压减小. 3. 晶闸管一旦导通，门极失去控制作用. 4.当晶闸管加反向电压而且此电压足够大时，晶闸管反向击穿。Ia C导通Ig5 ? Ig4 ? Ig3 ? Ig2URSM URRMUROIHOIg1 ? 0阻断UDRM UBOU DSM图 3-4 晶闸管的伏安特性曲线3.3.2 晶闸管的动态特性 1.开通过程 延迟时间 td： 门极电流阶跃时刻开始， 到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。 上升时间 tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间 tgt:以上两 者之和，tgt=td+ tr, 普通晶闸管延迟时为0.5~1.5 ?s ，上升时间为0.5~3 ?s 。 2. 关断过程 反向阻断恢复时间 trr： 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。 正向阻断恢复时间 tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正 向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。 关断 时间 tq：trr 与 tgr 之和，即 tq=trr+tgr ， 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。180tdtrIRMOtrrURRM tgr图 3-5 晶闸管的开通与关断波形图3.4 晶闸管的主要参数3.4.1 额定电压的确定1) 断态重复峰值电压 UDRM ―― 在门极断路而结温为额定值时， 允许重复加在器 件上的正向峰值电压,一般为断态不重复峰值电压 UDSM 的 90%。2)反向重复峰值电压 URRM ―― 在门极断路而结温为额定值时， 允许重复加在器 件上的反向峰值电压，一般为反向不重复峰值电压 URSM 的 90％ 。 通常取晶闸管的 UDRM 和 URRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，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 2-3 倍。 表 3-2 级别 额定电压 UTN晶闸管器件的正向重复峰值电压等级/V级别额定电压 UTN/V级别额定电压 UTN/V191 2 3 4 5 6 7100 200 300 400 500 600 7008 9 10 12 14 16 18800 900 00 20 22 24 26 28 3000 00表 3-3 通态平均电压分组 组别 A B C D E 通态平均电压 UT ( AV ) / VUT ( AV ) ? 0.4 0.4 ? UT ( AV ) ? 0.5 0.5 ? UT ( AV ) ? 0.6 0.6 ? UT ( AV ) ? 0.7 0.7 ? UT ( AV ) ? 0.8组别 F G H I通态平均电压 UT ( AV ) / V0.8 ? UT ( AV ) ? 0.9 0.9 ? UT ( AV ) ? 1.0 1.0 ? UT ( AV ) ? 1.1 1.1 ? UT ( AV ) ? 1.2V ,URSM ? 1100 V , 求额定电压 UTN 。 例 3-2 某晶闸管实测得， UDSM ? 1000 V ,URRM ? 0.9 ? V。 解： UDRM ? 0.9 ?UTN ? 900V 。 取 UDRM和URRM 中较小者为 900V， 按表 2-2 中电压等级标准为 8 级，V , 正向峰值电压为 UTM ? 2u ? 311 例 3-3 如图 2-7 所电压 u ? 220 V , 实选 UTN 为多少？ 解：选用器件的 UTN =(2~3) UTM =(2~3) ? 311V=622~933V，实选 UTN =800V。3.4.2 电流的确定20?通态平均电流 IT ( AV ) ――晶闸管在环境温度为40℃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。IT ( AV ) ? IT /1.57( IT 为流过晶闸管的电流有效值)。?维持电流 IH ：指晶闸管维持导通所必须的最小阳极电流。 ?掣住电流：晶闸管加上触发电压，从阻断状态刚转为导通状态后撤除触发电 压，能维持管子继续导通所需要的最小阳极电流。用 IL 表示。 IL ? (2 ~ 4) IH 。3.5 晶闸管的识别与检测3.5.1 晶闸管外形的识别 晶闸管在电路中常用字母“K”,“VR”加数字表示，如：VR6 表示编号为 6 的 晶闸管。 不同公司生产的单向晶闸管的引脚排列通常不一致，而双向晶闸管的引脚多数 是按 T2,G,T1 的顺序从左至右排列（电极引脚向下，面对有字符的一面） 。对于采用 螺栓型封装的晶闸管，通常螺栓是其阳极，这样就能与散热器紧密连接且方便安装。 3.5.2 晶闸管的型号 晶闸管的型号按国家相关标准规定，普通硅晶闸管型号及其含义如下：KP通态平均电流组别（小正反向重复峰值电压等于 100 A 不标）级（额定电压）额定通态平均电流系列 （额定电流）普通反向阻断型 （ K - 快速型， S - 双向型， N - 逆导型， G - 可关断型）表示闸流特性如 KP200-10E 表示额定电流 IT ( AV ) 为 200A,额定电压为 1000V,通态平均电压为 0.8V 的普通晶闸管。 晶闸管的主要参数如表 3-4 所示 表 3-4 KP 晶闸管元件的主要额定值21通 态 平 均 系列 单位 参 数 KP1 KP5 KP10 KP20 KP30 KP50 KP100 KP200 KP300 KP400 KP500 KP600 KP800 KP1000 电流断态重复 峰值电压， 反向重复 峰值电压断态不重 复平均电 流，反向不 重复平均 电流额 定 结温门极触 发电流门极触 发电压断态电压 临界上升 率通态电流 临界上升 率浪涌电 流A1 5 10 20 30 50 100 200 300 400 500 600 800 1000V100~0 100~0 100~0 100~0 100~0 100~0 100~0mA≤1 ≤1 ≤1 ≤1 ≤2 ≤2 ≤4 ≤4 ≤8 ≤8 ≤8 ≤9 ≤9 ≤10℃100 100 100 100 100 100 115 115 115 115 115 115 115 115mA3~30 5~70 5~100 5~100 8~150 8~150 10~250 10~250 20~300 20~300 20~300 30~350 30~350 40~400V≤2.5 ≤3.5 ≤3.5 ≤3.5 ≤3.5 ≤3.5 ≤4 ≤4 ≤5 ≤5 ≤5 ≤5 ≤5 ≤5V / ?sA / ?sA20 90 190 380 56025~100025~500940 50 160 例 3-4 型号为 KP100-3，维持电流 IH =4mA 晶闸管使用在图 3-6 中的电路是否合理？ 为什么（不考虑电压电流裕量）？100VA50 K ?~ 220 V10 ?150VC1?B图3 - 6解：A：不合理22因为 IA ? 100V B:不合理? 50 K? ? 2mA ? IH ，所以不合理。因为 UVT = 2 ? 220V=311V&300V,所以不合理。 C:合理 ? IA =150V ? 1 ? =150A, IVT =1.57 ? 100=157AIA ? IVT ,满足要求。? UA =300V, UVT =150VUA ? UVT ,满足要求。? IA =150A& IH ,满足要求 故 C 合理。3.5.3 晶闸管引脚的判别检测将数字万用表拨至 R*1 或 R*100 档，分别测量各引脚间的正反向电阻，如测得 某俩引脚之间的电阻较大（约 80K 左右） ，在将两表笔对调，重新测量这两引脚间的 电阻，如阻值较小（约 2K 左右） ，则黑表笔所接触的引脚为门极 G,红表笔所接触的 引脚为阴极 K,则剩余的一个引脚为阳极 A。 在测量中如果正反向电阻都很大，则应该更换引脚位置重新测量，直到出现上 述情况为止。3.6 晶闸管使用注意事项选用可控硅的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电压的大小，并留出一 定的余量。 1、选用可控硅的额定电流时，除了考虑通过元件的平均电流外，还应注意正常 工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温度不超过相 应电流下的允许值。 2、使用可控硅之前，应该用万用表检查可控硅是否良好。发现有短路或断路现 象时，应立即更换。 3、严禁用兆欧表（即摇表）检查元件的绝缘情况。234、电流为5A 以上的可控硅要装散热器，并且保证所规定的冷却条件。为保证散 热器与可控硅管心接触良好，它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂，以帮于良好 的散热。 5、按规定对主电路中的可控硅采用过压及过流保护装置。 6、要防止可控硅控制极的正向过载和反向击穿。 晶闸管在工作过程中会因损耗而发热，因此必须安装散热器。螺栓形晶闸管，螺 栓是阳极，它与散热器紧密地连接在一起，粗辫子是阴极。平板形晶闸管是由两个 彼此独立的散热器紧紧地夹在中间，呈圆饼形，两侧分别为阴极和阳极，细辫子线 为门极。由于两侧加装散热器，其散热效果比螺栓形晶闸管好。目前额定电流 200A 以上的晶闸管，通常采用平板形结构。图 3-7 为几种散热器外形。1)SF11型风冷散热器2）SS11型水冷散热器3）SL16螺栓型散热器 图3-7 几种散热器外形图4）模块散热器3.7 晶闸管损坏原因判别24当晶闸管损坏后需要检查分析其原因时，可把管芯从冷却套中取出，打开芯盒再 取出芯片，观察其损坏后的痕迹，以判断是何原因。下面介绍几种常见现象分析。 1、电压击穿。晶闸管因不能承受电压而损坏，其芯片中有一个光洁的小孔，有 时需用扩大镜才能看见。其原因可能是管子本身耐压下降或被电路断开时产生的高 电压击穿。 2、电流损坏。电流损坏的痕迹特征是芯片被烧成一个凹坑，且粗糙，其位置在 远离控制极上。 3、电流上升率损坏。其痕迹与电流损坏相同，而其位置在控制极附近或就在控 制极上。 4、 边缘损坏。他发生在芯片外圆倒角处，有细小光洁小孔。用放大镜可看到 倒角面上有细细金属物划痕。这是制造厂家安装不慎所造成的。它导致电压击穿。3.8 晶闸管的派生器件随着生产实际需求的增加，在普通晶闸管的基础上又派生出一些特殊型晶闸管， 如快速晶闸管（KK） ，双向晶闸管（KS）和逆导晶闸管（KN）等。1. 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor――FST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。 管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及 du/dt 和 di/dt 耐量都有明显 改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管 10μ S 左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。2.双 向 晶 闸 管 （ Triode AC Switch ― ― TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor） 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极 T1 和 T2，一个 门极 G。25正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第 III 象限有对称的伏安 特性。 与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态 继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。 通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。其电 气图形符号和伏安特性如图 3-8 所示。T1IG=0 OGT2 a)b)图 3-8 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a)电气图形符号 b)伏安特性3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor――RCT） 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压 降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电 流。其电气图形符号和伏安特性如图 3-9 所示。26I G K O IG=0A a) b)图 3-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a)电气图形符号 b)伏安特性4.光控晶闸管（Light Triggered Thyristor――LTT） 又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此 目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。 其电气图形符号和伏安特性如图 3-10 所示。IA A 强 G K 光强度 弱OUAKa)b)图 3-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a)电气图形符号 b)伏安特性几种特殊晶闸管的类型及主要用途见表 2-4.27表 2-4 名称 型号晶闸管的类型及主要用途 特征 用途A符号反向阻断 普通 晶闸管A整流器 逆变器 变频器 中频冶炼电源KPGK正向门极正信号开 通KK 快速 晶闸管 KS 双向 晶闸管反向阻断，正向门极 逆变器GK正信号开通，关断时间 超声波电源 短，开通速度快。T1高频控制设备两个方向均可用门极信 电子开关 号开通（相当于两只普 直流可逆调速GT2通晶闸管反并联）A调光器，调温器门 极 关 断 晶 闸 管 逆导 晶闸管KG门极正信号开通G步进电动机电源 变频器 斩波器K门极负信号关断KNA反向导通，正向门极正 逆变器 信号开通（相当于硅整 斩波器GK流管与普通晶闸管反并 联）第4章全控器件284.1.门极可关断晶闸管(GTO)GTO(Gate-Turn-Off Thyristor)是门极可关断晶闸管的简称，严格地讲也是晶闸管的一种派生器件，但可以通过门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控 器件。图 4―1门极可关断晶闸管外观4.1.1GTO 的基本结构和工作原理1.基本结构ab 图 4-2 GTO 的内部结构和电气图形符号cda)芯片的实际图形b) GTO 结构的纵断面c) GTO 结构的纵断面d)图形符号29GTO 和普通晶闸管一样，是 PNPN 四层半导体结构，外部也是引出阳极．阴极和门 极。但和普通晶闸管不同的是，GTO 是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出 三个极，但内部包含数十个甚至数百个共阳极的小 GTO 单元，这些 GTO 单元的阴极 和门极在器件内部并联，他是为了实现门极控制关断而设计的。 2.工作原理图 4-3GTO 的工作原理电路当图中开关 S 置于“1”时，IG 是正向触发电流，控制 GTO 导通；S 置于“2”时， 则门极加反向电流，控制 GTO 关断。4.1.2 GTO 的特性与主要参数iG0tiAtdIA 90％ IAtrtstftt10％IA 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5t6图 4-4 GTO 在开通和关断过程中电流的波形30（1）最大可关断阳极电流 IAOT IAO T (2）电流关断增益 ?off ? , IGM 是门极负脉冲电流最大值 ? off 一般只有5左 IG M 右这是 GTO 的主要缺点 (3) 开通时间 ton 开通时间指延迟时间与上升时间之和 .GTO 的延迟时间一般为 1~2us,上升时间则随同态阳极电流值的增大而增大。 （4）关断时间 Toff 关断时间指存储时间与下降时间之和，而不包括尾部时间。 GTO 的存储时间则随阳极电流值的增大而增大，下降时间一般小于2us。 GTO 与普通晶闸管的不同: （1）在设计器件时使 ? 2 较大，这样晶体管 V2控制灵敏，这样 GTO 可以很容易关 断。 （2）使得 ? 1 + ? 2 趋向与1，普通晶闸管 ? 1 + ? 2 &=1.15，而 GTO 的近似为1.05，这 样 GTO 导通时饱和程度不深，更接近与临界饱和，为门极可关断控制提供了有力条 件。不利因素，导通是管压降增大了。 （3）集成结构中每个 GTO 单元的阴极面积小，门极和阴极间的距离大为缩短， 使得 P2基区的横向电阻很小，使门极抽出较大的电流成为可能。4.1.3 GTO 的驱动与保护4.1.3.1 1GTO 门极驱动与保护 1.对门极驱动电路的要求 （ 1) 正向触发电流 iG 。由于 GTO 是多元集成结构，为了使内部并联的 GTO 元开通一致性好，故要求 GTO 门极正向驱动电流的前沿必须有足够的幅度和陡度， 正脉冲的后沿陡度应平缓。 （2）反向关断电流 iG 。为了缩短关断时间与减少关断损耗，要求关断门极电 流前沿尽可能陡，而且持续时间要超过 GTO 的尾部时间。 2.GTO 的驱动电路31a 图4-5 a)小容量 GTO 门极驱动电路 GTO 门极驱动电路bb)较大容量 GTO 桥式门极驱动电路4.1.3.2 GTO 的保护电路abcd图4-6 GTO 的阻容缓冲电路 图4-6为 GTO 的阻容缓冲电路。图4-6a 只能用于小电流；图4-6b 加在 GTO 上的初始 电压上升率大，因而在 GTO 电路中不推荐；图4-6c 与图4-6d 是较大容量 GTO 电路中 常见的缓冲器，其二极管尽量使用速度快的，并使接线短，从而使缓冲器电容效果 更显著。4.1.4 GTO 的应用32现在的 GTO 采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术 折衷了 GTO 导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。GTO 在高(VBR&33000V)/大功率 (0.5-20MVA)牵引、工业和电力逆变器中是应用的最为普遍的功率半导体器件。装有 ABB 元件的 GTO 组件已在北京地铁、天津地铁等城市轨道交通车辆上使用，在欧洲广 泛用于铁路、交通、牵引、电源及矿井提升机、斩波电源等领域。市场上的主要产 品有 ABB 门极可关断晶闸管（GTO） 5SGA、5SGF、5SGR 系列，东芝（TOSHIBA）门 极可关断晶闸管（GTO） SG600，SG800西码 WESTCODE 可控硅(晶闸管)UK N0131， UK N0180等。 4.1.4.1GTO 的检测 1.判别各电极 门极关断晶闸管三个电极的判别方法与普通晶闸管相同，即用万 用表的 R?100档，找出具有二极管特性的两个电极，其中一次为低阻值(几百欧姆)， 另一次为阻值较大。在阻值小的那一次测量中，红表笔接的是阴极 K，黑表笔接的是 门极 G，剩下的一只引脚为阳极 A。EL6.3VVT3VK1 K2S6V47Ω图4―7检测门极关断晶闸管的触发能力和关断能力电路图2. 触发能力和关断能力的检测 可关断晶闸管触发能力的检测方法与普通晶闸 管相同。检测门极关断晶闸管的关断能力时，可先按检测触发能力的方法使晶闸管 处于导通状态，即用万用表 R?1档，黑表笔接阳极 A，红表笔接阴极 K，测得电阻值33为无穷大。再将 A 极与门极 G 短路，给 G 极加上正向触发信号时，晶闸管被触发导 通，其 A、K 极间电阻值由无穷大变为低阻状态。断开 A 极与 G 极的短路点后，晶闸 管维持低阻导通状态，说明其触发能力正常。再在晶闸管的门极 G 与阳极 A 之间加 上反向触发信号，若此时 A 极与 K 极间电阻值由低阻值变为无穷大，则说明晶闸管 的关断能力正常。也可以用图8-7所示电路来检测门极关断晶闸管的触发能力和关断 能力。电路中，EL 为6.3V 指示灯(小电珠)，S 为转换开关，VT 为被测晶闸管。当开 关 S 关断时，晶闸管不导通，指示灯不亮。将开关 S 的 K1触点接通时，为 G 极加上 正向触发信号，指示灯亮，说明晶闸管已被触发导通。若将开关 S 断开，指示灯维 持发光，则说明晶闸管的触发能力正常。若将开关 S 的 K2触点接通，为 G 极加上反 向触发信号，指示灯熄灭，则说明晶闸管的关断能力正常。4.2 电力晶体管(GTR)电力晶体管（Giant Transistor,GTR)按英文直译为巨型晶闸管，是一种耐高压、大电流的双极结型晶闸管（Bipolar Junction Transistor,BJT),所以英文有时候也 称为 Power BJT。图 4―7 电力晶体管(GTR)外观4.2.1、电力晶体管的结构与工作原理4.2.1.1 电力晶体管的结构34基极b 发射极c 基极b c P+ic=?ibN P基区 N漂移区 N+衬底+P+空穴流 b ib e Eb 电 子 流 ie=(1+???ib b) 图1-15 c) Ec集电极ca)NPN 型电力晶体管的内部结构及电气图形符号 a) 内部结构 b) 电气图形符号 3）内部载流子的流动4.2.1.2 电力晶体管的工作原理在电力电子技术中， GTR 主要工作在开关状态。 晶体管通常连接成共发射极电路， GTR 通常工作在正偏(Ib＞0)时大电流导通；反偏(Ib＜0)时处于截止状态。因此，给 GTR 的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。4.2.2 电力晶体管的特性与主要参数4.2.2.1 GTR 的基本特性 (1)静态特性 共发射极接法时，GTR 的典型输出特性如图 4-9 所示，可分为三个工作区： ① 截止区。在截止区内， ib ≤0， UBE ≤0， UBE ＜0，集电极只有漏电流流过。 ② 放大区。 ib ＞0， UBE ＞0， UBE ＜0， ic =β ib 。 ③ 饱和区。 UBE ＞0， ub c ＞0， ics 是集电极饱和电流，其值由外电路决定。35ib Ib1 90％Ib1Ic 放大区饱 和 区10％0 Ib1Ib2 ttib3 ib2 ib1 ib1&ib2&ib3截止区 Uceicton td trIcstoff ts tf90％Ics10％Ics0t0t1t2t3t4t5t图 4―9 GTR 共发射极接法的输出特性 （2）动态特性图 4-10GTR 开关特性GTR 是用基极电流控制集电极电流的，器件开关过程的瞬态变化，就反映出 其动态特性。GTR 的动态特性曲线如图 4―10 所示。 GTR 在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR 在导通和关断状 态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关 过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此， 缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。 4.2.2.2 GTR 的参数 (1)最高工作电压 ① BUCBO ：射极开路时，集-基极间的反向击穿电压。 ② BUCEO ：基极开路时，集-射极之间的击穿电压。 ③ BUCER ：GTR 的射极和基极之间接有电阻 R。 ④ BUC ES ：发射极和基极短路，集-射极之间的击穿电压。 ⑤ BUCEX ： 发 射 结 反 向 偏 置 时 ， 集 - 射 极 之 间 的 击 穿 电 压 。 其 中 BUCBO & 为确保安全， 最高工作电压要 比 BUCEO 低 BUC ES & BUC ES & BUCER 实际使用时， 得多。 (2)集电极最大允许电流 ICM (3)集电极最大允许耗散功率 PCM36(4)最高工作结温 TJM（2）二次击穿 二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未达到极限值)时，发生雪崩效应造 成的。一般情况下，只要功耗不超过极限，GTR 是可以承受的，但是在实际使用中， 会出现负阻效应，使 IE 进一步剧增。由于 GTR 结面的缺陷、结构参数的不均匀，使 局部电流密度剧增，形成恶性循环，使 GTR 损坏。（3）安全工作区 安全工作区以直流极限参数 ICM 、 PCM 、UCEM 构成的工作区为一次击穿工作区，如图 4-11所示IcIcM PSBPcMSOAUccmUcc图4―11GTR 的安全工作区4.2.3 电力晶体管的驱动与保护4.2.3.1GTR 的驱动 (1)对基极驱动电路的要求 ①由于 GTR 主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间 的电隔离。 ②在使 GTR 导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度37的强制电流，以加速开通过程，减小开通 损耗如图 4-12 所示，如图 4-12 所示。iB图 4-12 GTR 基极驱动电流波形 ③GTR 导通期间，在任何负载下，基极电流 都应使 GTR 处在临界饱和状态，这样既 可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。 ④在使 GTR 关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流(如图 4-12 波形所示)，以 加快关断速度，减小关断损耗。 ⑤应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。 (2) 基极驱动电路38图 4-13实用的 GTR 驱动电路4.2.3.2．GTR 的保护电路a 图 4-14b GTR 的缓冲电路c图 4-14a 所示 RC 缓冲电路简单，对关断时集电极―发射极间电压上升有抑制作 用。这种电路只适用于小容量的 GTR(电流 10 A 以下)。 图 4-14b 所示充放电型 R、C、VD 缓冲电路增加了缓冲二极管 VD2，可以用于大 容量的 GTR。但它的损耗(在缓冲电路的电阻上产生的)较大，不适合用于高频开关电 路。 图 4-14c 所示阻止放电型 R、C、VD 缓冲电路，较常用于大容量 GTR 和高频开关 电路，其最大优点是缓冲产生的损耗小。4.2.4 GTR 的应用20 世纪 70-80 年代开关电源正式进入“高频”时代，以电力晶体管 GTR 为代表的高 频电力开关的出现使开关电源的频率提高到 20 kHz，在开关变换时不会产生刺耳噪 声。20 世纪 80 年代以来，在中小功率范围内取代晶闸管但目前又大多被 IGBT,和电 力 MOSEFT 取代。394.3 电力场效应晶体管(Power MOSFET)就像小功率的用于信息处理的场效应晶体管（Field Effect Transistor,FET)分 为结型和绝缘栅型一样，电力场效应晶体管也有两种类型，但通常主要指绝缘栅型 中的 MOS 型（Met-al Oxide Semiconductor FET),简称电力 MOSFET(Power MOSFET), 至于结型电力场效应晶体管则一般称作静电感应晶闸管（SIT） 。 电力 MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动 电路简单，需要的驱动功率小；第二显著特点是开关速度快、工作频率高。另外， 电力 MOSFET 的热稳定性优于 GTR。但是电力 MOSFET 电流容量小，耐电压低，多用于 功率不超过 10KWd 的电力电子装置。4―15MOSEFT 实物图4.3.1 电力 MOSFET 的结构与工作原理4.3.1.1MOSEFT 的结构 电力 MOSFET 采取两次扩散工艺，并将漏极 D 移到芯片的另一侧表面上，使 从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密 度。40S G N+ P N+ N+ P N+ NGDD沟道 N+ D a)G S N沟道 S P沟道 b)图1-19图 4-16 电力 MOSFET 的结构和符号 a) MOSFET 元组成剖面图 4.3.1.2 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 UGS，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 b) 图形符号UGS 大于某一电压值 UGS ( th ）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，若在漏源极之间加正向电压， 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 iD 。电 压 UGS ( th )称为开启电压超过 UGS ( th )越多，导电能力就越强，漏极电流 iD 也越大。4.3.2 电力 MOSFET 的特性1.转移特性 转移特性是指电力 MOSFET 的输入栅源电压 UGS 与输出漏极电流 iD 之间的关系， 如图 4-15a 所示。由图可见，当 UGS & UGS ( th )时， iD 近似为零；当 UGS ＞ UGS ( th ) 时，随着 UGS 的增大， iD 也越大。当 iD 较大时， iD 与 UGS 的关系近似为线性，曲线的 斜率被定义为跨导 gm ，则有gm ?di D du GS41a 图 4-17 电力 MOSFET 的转移特性和输出特性 a) 2．输出特性 转移特性 b) 输出特性b输出特性是指以栅源电压 UGS 为参变量，漏极电流 iD 与漏源电压 uDS 之间关系的曲 线，如图 4-17b 所示。 ①截止区。 UGS ≤ UGS ( th )， iD =0，这和电力晶体管的截止区相对应。 ②饱和区。 当 UGS 不变时， iD 几乎不随 uDS UGS ＞ UGS ( th )，uDS ≥ UGS - UGS ( th )， 的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。这里的饱和区对应电力晶体管的放 大区。当用做线性放大时，MOSFET 工作在该区。 ③非饱和区。UGS ＞ UGS ( th )， uDS ＜ UGS - UGS ( th )，漏源电压 uDS 和漏极电流iD 之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当 MOSFET 作开关应用而导通时即工作在该区。 3．开关特性42uptuGSt Uds iD iD UDSTd(on)Td(off)tfi tab图 4-16 a)电力 MOSFET 的开关过程 b) 开关特性曲线测试 MOSFET 开关特性的电路在区间 td ，栅极电源对 Cg s 电容充电，栅源电压慢慢升高，在某时刻 Vgs 等于维持电压Vth，MOSFET 开始导通；MOSFET 的关断过程即为开通的逆过程。4.3.3．电力 MOSFET 的主要参数1. 漏极电压 UDS：即电力 MOSFET 的额定电压，选用时必须留有较大安全裕 量。 2. 漏极最大允许电流 IDM：即电力 MOSFET 的额定电流，其大小主要受管子的温 升限制。 3. 栅源电压 UGS：栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超 过20 V，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。总之，为了安全可靠， 在选用 MOSFET 时，对电压、电流的额定等级都应留有较大裕量。 4）极间电容：电力 MOSFET 极间电容包括 CGS、CGD 和 CDS，其中 CGS 为栅源电 容，CGD 是栅漏电容，是由器件结构中的绝缘层形成的；CDS 是漏源电容，是由 PN 结形成的。4.3.4 电力 MOSFET 的驱动与保护4.3.4.1．电力 MOSFET 的驱动43图4-18 4.3.4.2．MOSFET 的保护 (1)防止静电击穿电力 MOSFET 的一种驱动电路①在测试和接入电路之前器件应存放在静电包装袋，导电材料或金属容器中 。 ②将器件焊接时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时烙铁应断电。 ③在测试器件时，测量仪器和工作台都必须良好接地。 ④注意栅极电压不要过限。 (2)防止偶然性振荡损坏器件 (3)防止过电压 (4)防止过电流 (5)消除寄生晶体管和二极管的影响4.3.5 MOSEFT 的应用OSFET 广泛使用在模拟电路与数字电路中，和我们的生活密不可分。MOSFET 的 优势在于：首先驱动电路比较简单。MOSFET 需要的驱动电流比 BJT 则小得多，而且 通常可以直接由 CMOS 或者集电极开路 TTL 驱动电路驱动；其次 MOSFET 的开关速度 比较迅速，能够以较高的速度工作，因为没有电荷存储效应；另外 MOSFET 没有二次 击穿失效机理，它在温度越高时往往耐力越强，而且发生热击穿的可能性越低，还 可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。MOSFET 已经得到了大量应用，在消费电44子、工业产品、机电设备、智能手机以及其他便携式数码电子产品中随处可见。 近 年来，随着汽车、通信、能源、消费、绿色工业等大量应用 MOSFET 产品的行业在近 几年来得到了快速的发展，功率 MOSFET 更是备受关注。据预测，年中国 功率 MOSFET 市场的总体复合年度增长率将达到13.7%。 虽然市场研究公司 ISUPPLI 表示由于宏观的投资和经济政策和日本地震带来的晶圆与原材料供应问题，今年的 功率 MOSFET 市场会放缓，但消费电子和数据处理的需求依然旺盛，因此长期来看， 功率 MOSFET 的增长还是会持续一段相当长的时间。 技术一直在进步，功率 MOSFET 市场逐渐受到了新技术的挑战。例如，业内有不少公司已经开始研功率器件，并且 断言硅功率 MOSFET 的性能可提升的空间已经非常有限。不过， GaN 对功率 MOSFET 市场的挑战还处于非常初期的阶段，MOSFET 在技术成熟度、供应量等方面仍然占据 明显的优势，经过三十多年的发展，MOSFET 市场也不会轻易被新技术迅速替代。4.4 绝缘栅双极晶体管(IGBT）GTR 和 GTO 是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强， 但开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力 MOSFET 是单极性电压驱 动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简 单。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为 Bi-MOS 器件。 绝缘栅双极晶体管综合了 GTR 和 MOSFET 的优点， 因而具有良好的特性。4.4.1，IGBT 的结构与工作原理图 4―19IGBT 实物图454.4 .1.1 基本结构发射极 栅极 G E N+ J3 P J2 J1 N+ NN+ P+ N+ P N+ 漂移区 缓冲区 注入区 G+ ID RN VJ1 + + IDRon E b)C IC C GC 集电极 a)c)图 4-20GBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号 a)内部结构 b)简化等效电路 c)电气图形符号4.4.1.2 工作原理 IGBT 的驱动原理与电力 MOSFET 基本相同，它是一种压控型器件。其开通和关断 是由栅极和发射极间的电压 uG E 决定的，当 uG E 为正且大于开启电压 uG E （ th ) 时， MOSFET 内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间加反 向电压或不加电压时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT 关断。 PNP 晶体管与 N 沟道 MOSFET 组合而成的 IGBT 称为 N 沟道 IGBT，记为 N-IGBT， 其电气图形符号如图 4-20c 所示。对应的还有 P 沟道 IGBT，记为 P-IGBT。N-IGBT 和 P-IGBT 统称为 IGBT。由于实际应用中以 N 沟道 IGBT 为多。4.4.2 IGBT 的基本特性1. 静态特性46图 4-21 1GBT 的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性图 4-21a 为 IGBT 的转移特性， 它描述的是集电极电流 ic 与栅射电压 uG E 之间的关 系，与功率 MOSFET 的转移特性相似。开启电压 uG E ( th )是 IGBT 能实现电导调制而导 通的最低栅射电压。uG E ( th )随温度升高而略有下降， 温度升高 1℃， 其值下降 5 mV 左右。 图 4-21b 为 IGBT 的输出特性，也称为伏安特性，它描述的是以栅射电压为参 考变量时，集电极电流 ic 与集射极间电压 uG E 之间的关系。此特性与 GTR 的输出特性 相似，不同的是参考变量，IGBT 为栅射电压 uG E ，GTR 为基极电流 ib 。IGBT 的输出 特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与 GTR 的截止区、放 大区和饱和区相对应。此外，当 uG E ＜0 时，IGBT 为反向阻断工作状态。在电力电子 电路中，IGBT 工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。 2 .动态特性47图 4-22 1GBT 的开关过程4.4.31GBT 主要参数① 集电极-发射极额定电压 UCES： 这个电压值是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规 定的，是栅极-发射极短路时 IGBT 能承受的耐压值，即 UCES 值小于或等于雪崩击穿 电压。 ② 栅极-发射极额定电压 UGES：IGBT 是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号 控制 IGBT 的导通和关断，而 UGES 就是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT 的 UGES 值大部分为+20 V，使用中不能超过该值。 ③ 额定集电极电流 ICS： 该参数给出了 IGBT 在导通时能流过管子的持续最大电 流。4.4.4、IGBT 的擎住效应和安全工作区48在 IGBT 内部寄生着一个 N-PN+晶体管和作为主开关器件的 P+N-P 晶体管组成的寄生 晶体管。一旦 J3 开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增 大，造成器件功耗过高而损坏。这种电流失控的现象，被称为擎住效应或自锁效应。 引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大 (静态擎住效应)，也可能是最大允许 电压上升率 du / dt 过大(动态擎住效应)，温度升高也会加重发生擎住效应的危险。CE根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确定 IGBT 在导 通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作电压(FBSOA)；根据最大集电极电 流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率可以确定 IGBT 在阻断工作状态下的参 数极限范围，即反向偏置安全工作电压(RBSOA)。4.4.5 IGBT 的驱动与保护4.4.5.1，驱动电路 (1)对驱动电路的要求 ① IGBT 是电压驱动的，具有 2.5～5.0 V 的阈值电压，有一个容性输入阻抗， 因此 IGBT 对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，保证有一条低阻抗值的放 电回路，即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短。 ② 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 uGE 有足够陡的 前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够 的功率，使 IGBT 不退出饱和而损坏。 ③驱动电路中的正偏压应为 12～15 V，负偏压应为C2～C10 V。 ④IGBT 多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。 ⑤驱动电路应尽可能简单实用，具有对 IGBT 的自保护功能，并有较强的抗干扰 能力。 ⑥若为大电感负载，IGBT 的关断时间不宜过短，以限制 di／ dt 所形成的尖峰电 压，保证 IGBT 的安全。(2)驱动电路 在用于驱动电动机的逆变器电路中，为使 IGBT 能够稳定工作，要求 IGBT 的驱动电 路采用正负偏压双电源的工作方式。为了使驱动电路与信号电隔离，应采用抗噪声49能力强，信号传输时间短的光耦合器件。基极和发射极的引线应尽量短，基极驱动 电路的输入线应为绞合线，其具体电路如图 4-23 所示。图 4―23 IGBT 的驱动电路 4.4.5.2 IGBT 保护因为 IGBT 是由 MOSFET 和 GTR 复合而成的，所以 IGBT 的保护可按 GTR、MOSFET 保 护电路来考虑，主要是栅源过电压保护、静电保护、采用 R、C、VD 缓冲电路等等。 另外，也应在 IGBT 电控系统中设置过压、欠压、过流和过热保护单元，以保证安全 可靠工作。应该指出，必须保证 IGBT 不发生擎住效应。具体做法是使 IGBT 使用的 最大电流不超过其额定电流。4.4.6 IGBT 的应用IGBT（绝缘栅双极型晶体管） ，是由 BJT（双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场 效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有 MOSFET 的高输入阻抗 和 GTR 的低导通压降两方面的优点。 GTR 饱和压降低， 载流密度大， 但驱动电流较大； MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT 综合了以 上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及 以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 目 前国内缺乏高质量 IGBT 模块，几乎全部靠进口。绝缘栅双极晶体管(IGBT)是高压开 关家族中最为年轻的一位。由一个 15V 高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件 从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。504.5 常用控制触发驱动器件驱动4.5.1 IR2110IR2110 是美国国际整流器公司(International Rectifier Company )利用自身 独有的高压集成电路及无门锁 CMOS 技 术，于 1990 年前后开发并投放市场的大功率 MOSFET 和 IGBT 专用栅极驱动集成电路，已在电源变换、马达调速等功率驱动领 域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小 (DIP-14、SOIC-16)，集成度高(可驱动 同一桥臂两路)，响应快( ton / tof = 120/94 n s )，偏值电压高(& 600 V )，驱动 能力强，内设欠压封锁，而且其成本低，易于调试，并设有外部保护封锁端口。尤 其是上管驱动采用外部自举电容上电， 使得驱动电源路数目较其他 IC 驱动大大减小。 对于发射机的 4 管构成的全桥电路,采用 2 片 IR2110 驱动 2 个桥臂，仅需要一路 10 一 20V 电源，从而大大减小了控制变压器的体积和电源数目, 降低了产品成本, 提 高了系统的可靠性。 4.5.1.1 IR2110 的结构及工作原理IR2110 采用标准双列直插式 14 脚,16 脚等多种封装形式， 如图 4―24 示出了 DIP-14 和 DIP-16 封装的引脚排列，图 4―25 为内部结构框图，该电路由三个独立的施密特 触发器，两个 RS 触发器，两个 VDD VCC 电频装唤器,一个脉冲放大环节，一个脉冲 滤波环节，一个高压电平转换网络及两个或非门，六个 MOSEFT，一个具有反向输出 的与非门，一个反相器和一个逻辑网络构成的一个逻辑型号输入级，及两个独立的 高，低输出通道组成。图 4―23IR2110 实物图514-24IR211 封装 如图 4―24 示出的封装的引脚 LO( 引脚 1):低端输出 COM(引脚 2): 公共端 Vs(引脚 5):高端浮置 HO(引脚 7):高端输出 HIN(引脚 10): 逻辑高VCC 引脚 3):低端固定电源电压电源偏移电压NC 引脚 4): 空端VB ( 引脚 6):高端浮置电源电压 VDD(引脚 9):逻辑电源电压NC (引脚 8): 空端端输入SD(引脚 11):关断LIN(引脚 12):逻辑低端输入 (引脚 14):空端VSS (引脚 13):逻辑电路地电位端，其值可以为 0V 5.1.1 IR2110 的特点： (1)具有独立的低端和高端输入通道。(2)悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达 500V。 (3)输出的电源端(脚 3)的电压范围为 10―20V。 (4)逻辑电源的输入范围(脚 9)5―15V，可方便的与 TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻 辑电源地和功率电源地之间允许有 V 的便移量。 (5)工作频率高，可达 500KHz。 (6)开通、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns。 (7)图腾柱输出峰值电流 2A。524-25 4.5.1.2 工作原理IR211 内部结构框图IR2110 具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压 可达 600V，在 15V 下静态功耗仅 116mW；输出的电源端（脚 3Vcc，即功率器件的栅 极驱动电压）电压范围 10～20V；逻辑电源电压范围（脚 9VDD）3.3～20V，可方便 地与 TTL 或 CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V 的偏移量； 工作频率高，可达 100kHz；开通、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns.4.5.2 HL402HL402 驱动器是国家“八五”攻关新成果，为国家级新产品。它具有先降栅压、 后软关断的双重保护功能，其降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率均可通过 外接电容器进行整定，因而能适应不同饱和压降 IGBT 的驱动和保护。它的研制成功 填补了国内空白，达到了国际 90 年代的先进水平。 4.5.2.1 引脚排列及功能53`4-26 引脚排列HL402的引脚排列如图4-26所示。 它采用单列直插式标准17引脚厚膜集成电路封装， 共有15个引脚。各引脚的功能如下： ●引脚1：驱动输出脉冲负极连接端。使用时，接被驱动 IGBT 的发射极。 ●引脚3：驱动输出脉冲正极连接端。使用中经电阻 RG 后直接接被驱动 IGBT 的栅极。 电阻 RG 的取值随被驱动 IGBT 容量的不同而不同， 当被驱动的 IGBT 为50A ／1200V 时，RG 的典型值应为0～20Ω ／1W。●引脚17：内置静电屏蔽层的高速光耦合器阳极连接端。应用中通过一电阻 接正电源，亦可通过一电阻接用户脉冲形成单元输出端，要求提供的电流幅值为 12mA，无论是接用户脉冲形成部分的输出还是接正电源，串入的电阻值均可按下 式计算： R＝VIN－2V／12mA（kΩ ） ●引脚16：内置静电屏蔽层的高速光耦合器阴极连接端。应用中直接接用户 脉冲形成部分的输出（当引脚17通过电阻接正电源时） ，亦可直接与控制脉冲形成 部分的地相连接（当引脚17接脉冲形成部分的脉冲输出时） 。 ●引脚2：被驱动的 IGBT 脉冲功率放大输出级正电源连接端。应用中接驱动 输出级电源，要求提供的电压为25～28V。 ●引脚4：被驱动的 IGBT 脉冲功率放大输出级正电源参考地端。 ●引脚5、10：为软关断斜率电容器 C5连接端（其引脚10在 HL202内部已与引 脚4接通） 。该两端所接电容量的大小决定着被驱动的 IGBT 软关断斜率的快慢，推 荐值为pF。54●引脚11、10：降栅压延迟时间电容器 C6的连接端。该两端所接电容器电容 量的大小决定着降栅压延迟时间的长短，该电容的推荐值为0～200pF，当该电容 的容量较大时，短路电流峰值也较大，所以此电容一般可不接。 ●引脚12、10：降栅压时间定时电容器 C7的连接端。当该电容器较大时，经 过较长的降栅压时间后，被驱动的 IGBT 才关断，这意味着造成被驱动的 IGBT 损 坏的危险性将增加。所以 C7的值不能取得太大，但也不能取得太小，过小的 C7 将造成被驱动的 IGBT 快速降栅压后关断， 这有可能导致回路中的电感因被驱动的 IGBT 快速关断而引起过高的尖峰过电压，从而击穿被驱动的 IGBT，所以 C7的取 值要适当，一般推荐值为510～1500pF。 ●引脚9：降栅压信号输入端。使用中需经快恢复二极管接至被驱动 IGBT 的 集电极，当需要降低动作门限电压值时，可再反串一个稳压二极管（稳压管的阴 极接引脚9） 。需要注意的是：该快恢复二极管必须是高压、超高速快恢复型，其 恢复时间应不超过50ns，经反串稳压二极管后，原来的动作门限电压（8．5V）减 去稳压管的稳压值即为新的门限电压。降栅压功能可通过将引脚13与引脚10相短 接而删除。 ●引脚6：软关断报警信号输出端，最大负载能力为20mA。它可作为被驱动的 输入信号的封锁端，可通过光耦合器（引脚6接光耦合器阴极）来封锁控制脉冲形 成部分的脉冲输出，亦可通过光耦合器来带动继电器，从而分断被驱动 IGBT 所在 的主电路。 ●引脚8：降栅压报警信号输出端，最大输出电流为5mA。该端可通过光耦合 器（引脚8接光耦合器阴极）来封锁控制脉冲形成部分的脉冲输出，亦可通过光耦 合器来带动继电器，从而分断被驱动的 IGBT 所在的主回路。 ●引脚5：软关断斜率电容器 C5的接线端及驱动信号的封锁信号引入端。使 用中，可通过光耦合器的二次侧并联在 C5两端（集电极接引脚5，发射极接引脚 10，发光二极管接用户集中封锁信号输入）来直接封锁被驱动 IGBT 的脉冲输出。 ●引脚7：空脚，使用时悬空 4.5.2.2 HL402的工作原理55HL402的原理框图如图2所示。图中，VL1为带静电屏蔽的光耦合器，用来 实现与输入信号的隔离。由于它具有静电屏蔽功能，因而显著提高了 HL402的抗 共模干扰能力。图中的 V2为脉冲放大器，晶体管 V3、V4可用于实现驱动脉冲功率 放大，V5为降栅压比较器，正常情况下由于引脚9输入的 IGBT 集电极电压 VCE 不 高于 V5的基准电压 VREF 而使得 V5不翻转，晶体管 V6不导通，故从引脚17、16输 入的驱动脉冲信号经 V2整形后不被封锁。该驱动脉冲经 V3、V4放大后提供给被驱 动的 IGBT 以使之导通或关断。一旦被驱动的 IGBT 退饱和，则引脚9输入的集电极 电压取样信号 VCE 将高于 V5的基准电压 VREF，从而使比较器 V5翻转后输出高电 平，使晶体管 V6导通，并由稳压管 VD2将驱动器输出的栅极电压 VGE 降低到10V。 此时，软关断定时器 V8在降栅压比较器 V5翻转达到设定的时间后，输出正电压使 晶体管 V7导通，并将栅极电压关断降到 IGBT 的栅极－发射极门槛电压，以便给 被驱动的 IGBT 提供一个负的驱动电压，从而保证被驱动的 IGBT 可靠关断。 4.5.2.3 主要参数 由于 HL402内含一个具有静电屏蔽层的高速光耦合器，因而可以实现信号隔 离，它抗干扰能力强，响应速度快，隔离电压高。并具有对被驱动功率 IGBT 进行 降栅压、软关断的双重保护功能。在软关断及降栅压的同时还将输出报警信号， 以实现对封锁脉冲或分断主回路的保护。它的输出驱动电压幅值很高，其正向驱 动电压可达15～17V，负向驱动电压可达10～12V，因而可用来直接驱动容量为 150A／1200V 以下的功率 IGBT。 4.5.2.4 极限参数HL402的极限参数如下： ●供电电压 VC：30V（VCC 为15～18V，VEE 为－10～－12V） ； ●光耦输入峰值电流 If：20mA； ●正向输出电流＋IG：2A（脉宽＜2μ s、频率为40kHz、占空比＜0．05时） ； ●负向输出电流－IG：2A（脉宽＜2μ s、频率为40kHz、占空比＜0．05时） ； ●输入、输出隔离电压 VISO ：2500V（工频1min） 。 HL402的电源电压 VC 的推荐值为25V（VCC＝＋15V，VEE＝10V） ；光耦合器输 入峰值电流 If 为10～12mA。56下面是 HL402的主要电参数： ●输出正向驱动电压＋VG：≥VCC－1V； ●输出负向驱动电压－VC：≥VEE－1V； ●输出正向电压响应时间 tON ≤1μ s（输入信号上升沿＜0．1μ s，If＝0→ 10mA） ； ●输出负电压响应时间 toff≤1μ s（输入下降沿＜0．1μ s，If＝10→0mA） ； ●软关断报警信号延迟时间 tALM1：＜1μ s（不包括光耦合器 LV3的延迟） ， 输出电流＜20mA； ●降栅压报警信号延迟时间 tALM2：＜1μ s（不包括光耦合器 LV2的延迟） ， 输出电流＜5mA； ●降栅压动作门槛电压 VCE：8±0．5V； ●软关断动作门槛电压 VCE：8．5±0．8V； ●降栅压幅值：8～10V。 下面是 HL402的主要电参数： ●输出正向驱动电压＋VG：≥VCC－1V； ●输出负向驱动电压－VC：≥VEE－1V； ●输出正向电压响应时间 tON ≤1μ s（输入信号上升沿＜0．1μ s，If＝0→ 10mA） ； ●输出负电压响应时间 toff≤1μ s（输入下降沿＜0．1μ s，If＝10→0mA） ； ●软关断报警信号延迟时间 tALM1：＜1μ s（不包括光耦合器 LV3的延迟） ， 输出电流＜20mA； ●降栅压报警信号延迟时间 tALM2：＜1μ s（不包括光耦合器 LV2的延迟） ， 输出电流＜5mA； ●降栅压动作门槛电压 VCE：8±0．5V； ●软关断动作门槛电压 VCE：8．5±0．8V； ●降栅压幅值：8～10V。57本章小结本章重点叙述了 GTO、GTR、功率 MODFET 以及 ICBT 四种常用的全控电力电子器件的 结构、工作原理、特性参数以及驱动和保护电路，应用等。58总览表器件名称 结构 GTO 多元集成4层 AGK 电流控制型双极 GTR MOSEFT IGBT 多元集成3层 GCE 多元集成3层 GDS 多元集成 GCE 电流控制型双极 电压控制型单极 电压控制型复合 型 驱动电路复杂，导通 驱动电路复杂， 驱动电路简单， 驱动电路简单， 压 降 低 ， 开 关 速 度 导通压降低，开 导通压降大，开 导通压降低，开 特点 低，可以承受大电压 关速度低，可以 关速度高，不可 关速度较快，可 大电流 承受大电压大电 以承受大电压大 以承受大电压大 流 缺点 开关频率 通态压降 电流 电压 驱动模块 最大阳极电流 10K 2.2--3.5 V 直接耦合驱动电路 二次击穿 30K 2.5 800A 1800V UAABL 电流 静电击穿 10M 11.2 V IRL 电流 擎住效应 50K 3 KV M579,EXB 系列 hl402控制方式59适合应用于直流 在电源、电机控 主要用于中等容量 的牵引驱动中 电压为600V 及以制、通用逆变器 一般只适用于功 上的变流系统如 等中等容量、中 率不超过10kW 的 交流电机、变频 等频率的电路中 电力电子装置 应用广泛 器、开关电源、 照明电路、牵引 传动等领域应用场合主要电力电子器件优点：电力二极管：结构和原理简单，工作可靠。 晶闸管：承受电压和电流容量在所有器件中最高。 IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低， 输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小;缺点：开关速度低于电力 MOSFET,电压，电 流容量不及 GTO。 GTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 ;缺点：开关速 度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。 GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力 很强;缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率 大，驱动电路复杂，开关频率低。 MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路 简单，工作频率高，不存在二次击穿问题;缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用 于功率不超过10kW 的电力电子装置。 制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。第 5 章 其他新型电力电子器件5.1 MOS 控制晶闸管 MCT60MOS 控制晶闸管 MCT 是 20 世纪 80 年代末出现的一种新型电力电子器件，它 是将 MOSFET 与晶闸管组合而成的复合型器件。 MCT 将 MOSFET 的高输入阻抗、 低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结 合起来，也是 Bi-MOS 器件的一种。一个 MCT 器件由数以万计的 MCT 元组成，每 个元的组成为：一个 PNPN 晶闸管，一个控制该晶闸管开通的 MOSFET ，和一个 控制该晶闸管关断的 MOSFET 。 5.1.1 MCT 的基本结构与工作原理 MCT 采用多元集成结构，一个 MCT 大约有 10 5 个单胞。 MCT 是在晶闸管结构 中集成一对 MOSFET 来控制晶闸管的导通与关断。使 MCT 导通的 MOSFET 称为 ON-FET, 使 MCT 关断的 MOSFET 称为 OFF-FET 。根据 ON-FET 的沟道类型， MCT 又 分为 P-MCT 和 N-MCT 。目前， MCT 产品多为 P-MCT 。 由图 5-1(a) ，MCT 的电极为阳极 A ，阴极 K 和门极 G 。作为 P-MCT ，两个主电极 之间的基本结构为 P + NP- N + ,ON-FET, 为 P 沟道 MOSFFT,OFF-FET 为 N 沟道 MOS-FET. 如果是 N-MCT ，则主电极之间为 N + PN - P + 四层结构， ON-FET 为 N 沟道， OFE-FET 为 P 沟道。图 5-1(b) 示出了 P-MCT 的电路图形符号。如果是 N-MCT ，电气图形 符号中的箭头方向应相反。阳极（A) 阳极(A) 门极 (G) 门极 （G)OFF-FET (N沟道） N NN PON-FET (P沟道）P阴极 （K) (b)阴极（K) (a) 图 5-1 MCT的等效电路(a)和图形符号（b)当门极 G 相对于阳极 A 加负脉冲电压时，ON-FET 导通，为 NPN 晶体管提供基极电 流而使其导通， NPN 晶体管的集电极电流又使 PNP 晶体管导通，而 PNP 晶体管61的集电极电流反过来又维持 NPN 晶体管的导通。通过晶体管的正反馈作用，MCT 导通。 当门极相对于阳极加正脉冲时， OFF-FET 导通， PNP 晶体管的基极电流经 OFF-FET 流向阳极，使 PNP 管截止，从而破坏了晶体管的正反馈，使 MCT 关断。通常， -5V~-15V 脉冲可使 MCT 导通，+10V 脉冲可使 MCT 关断。 应该指出的是 MCT 和 SCR 有两点明显的不同； （1） MCT 是电压控制型器件，而 SCR 是电流控制型器件； （2） MCT 加门极信号是以阳极为基准的，而 SCR 是以阴极为基准的。5.1.2 MCTD 的特性与参数5.1.2.1 MCT 的特性 MCT 实质上是一个 MOS 门控制的晶闸管。 在静态时， 其内含的 MOSFET 不起作用， MCT 相当于晶闸管，因此具有高的阻断电压与低的通态压降。 （ 1 ） MCT 的正向伏安特性随温度改变，且具有负的温度系数，但是，随着电流 的增加，这个负的温度系数将逐渐变小。 （ 2 ） MCT 无正偏安全工作区。 5.1.2.2 MCT 的参数 MCT 产品说明书中的大部分额定值或参数与电力 MOSFET 的相同，但由于 MCT 是 一种新器件，所以许多参数都要重新定义，现将几个典型参数介绍如下： 1. 电压电流参数 （ 1 ） 击穿电压 V BR : 指没有触发时， MCT 将连续承受的电压，或采用普通吸收 电路作保护时， MCT 的电压 ; （ 2 ） 通态峰值电压 VTM : 指在 150 ℃时，额定峰值可控电流下的正向压降； （ 3 ） 阴极连续电流 IC :在满足 MCT 功耗条件下，阴极允许通过的电流，它类似 功率 MOSFET 的漏极电流 I D , 使用中，应选 MCT 的实际工作电流为 IC 的 1/2 ~ 1/3; （ 4 ） 峰值电流 I P ：指在低占空度情况下，一个电流短脉冲的最大值。 2. 时间参数62（ 1 ） 开通延迟时间 td(on)1 : 从施加栅极电压 VG 到阴极电流 IK 上升到 10%之间的 时间间隔 ; （ 2 ） 开通电流上升时间 t r1 : 从阴极电流 IK 的 10%到阴极电流 I K 的 90% 之间的 时间间隔； （ 3 ） 开通时间 t on ：为开通延迟时间与开通电流上升时间之和 ; （ 4 ） 关断延迟时间 t d(off)1 : 从栅极电压 V G 下降至 10% 到阴极电流下降至 90% 之间 的时间间隔； （ 5 ） 关断电流下降时间 t f1 : 从阴极电流 IK 的 90% 下降到 10% 所经历的时间； （ 6 ） 关断时间 t off : 为关断延迟时间与关断电流下降时间之和 .5.2静电感应晶体管（ SIT）静电感