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| 編輯推薦： |
本书是一门实践性较强的综合性课程的教材。
通过该课程的理论教学和实践教学，能够使学生掌握电力电子器件、变频调速技术、变频器的应用与维护技术等多学科综合知识与基本技能，具备变频调速系统的设计、安装、调试、维护及设备改造的综合应用能力。课程的教学内容包括变频技术概述、常用电力电子器件介绍、变频调速的原理、电动机变频调速的机械特性、变频调速技术的应用、变频器的选择和参数的设置、变频器的安装与调试等。
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| 內容簡介： |
本书从变频器使用者的角度出发，从理论到实践，由浅入深地阐述了变频调速的基础知识、常用电力电子器件的选用、变频器的基本组成原理、电动机变频调速的机械特性、变频器的控制方式、变频调速系统主要电器的选用；重点阐述了变频器的操作、运行、安装、调试、维护及抗干扰，变频器在风机、水泵、中央空调、空气压缩机、提升机等方面的应用实例等。
本书注重实际、强调应用、结构合理、通俗易懂、取材新颖、叙述清晰，可作为高职高专院校工业自动化、电气工程及自动化、机电一体化、自动控制及其他相关专业的教材，也可供相关专业的工程技术人员参考。
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| 目錄：
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目 录
第1章 绪论 1
1.1 通用变频器的发展过程 1
1.1.1
通用变频器的应用范围
不断扩大 2
1.1.2
通用变频器使用的功率器件
不断更新换代 2
1.1.3
控制方式不断发展 3
1.1.4
PWM控制技术的
进一步发展 3
1.2 变频器的发展趋势 4
1.2.1
高水平的控制 5
1.2.2
主电路逐步向集成化、
高频化和高效率发展 5
1.2.3
控制量由模拟量向数字量
发展 5
1.2.4
向多功能化和高性能化发展 6
1.2.5
向大容量和高压化发展 7
1.3 变频器的应用 7
1.3.1
变频器在节能方面的应用 7
1.3.2
变频器在自动化系统中的
应用 8
1.3.3
变频器在提高工艺水平和
产品质量方面的应用 8
本章小结 8
思考与练习 9
第2章 电力电子器件 10
2.1 电力二极管 10
2.1.1
结构与伏安特性 10
2.1.2
主要参数 11
2.1.3
电力二极管的参数选择及
使用注意事项 12
2.2 晶闸管 13
2.2.1
晶闸管的外形和图形符号 13
2.2.2
晶闸管的工作原理 13
2.2.3
晶闸管的阳极伏安特性 14
2.2.4
晶闸管的参数 15
2.2.5
晶闸管的门极伏安特性及
主要参数 16
2.3 门极可关断晶闸管 17
2.3.1
GTO晶闸管的结构 17
2.3.2
GTO晶闸管的工作原理 17
2.3.3
GTO晶闸管的特性 18
2.3.4
GTO晶闸管的主要参数 19
2.4 电力晶体管 20
2.4.1
GTR的结构 20
2.4.2
GTR的主要参数 21
2.4.3
二次击穿现象 21
2.4.4
GTR的驱动电路模块 22
2.5 电力场效应晶体管 23
2.5.1
电力MOSFET的结构与
工作原理 23
2.5.2
电力MOSFET的特性 24
2.5.3
电力MOSFET的主要参数 25
2.6 绝缘栅双极型晶体管 26
2.6.1
IGBT的结构与
基本工作原理 27
2.6.2
IGBT的基本特性 27
2.6.3
IGBT的主要参数 29
2.6.4
IGBT的驱动电路 30
2.7 集成门极换流晶闸管 30
2.7.1
IGCT的结构 30
2.7.2
IGCT的特点 32
2.8
MOS控制晶闸管 32
2.8.1
MCT的结构与工作原理 32
2.8.2
MCT的主要参数 33
2.9 静电感应晶体管 33
2.9.1
SIT的基本结构和工作原理 33
2.9.2
SIT的伏安特性 34
2.9.3
SIT的极限参数 35
2.10
智能功率模块 35
本章小结 36
思考与练习 36
第3章 变频技术 38
3.1 整流电路 38
3.1.1
不可控整流电路 39
3.1.2
可控整流电路 40
3.2 中间电路 47
3.3 逆变电路 49
3.3.1
逆变电路的工作原理 49
3.3.2
电压型和电流型逆变电路 50
3.3.3
单相半桥逆变电路 51
3.3.4
单相全桥逆变电路 52
3.3.5
三相桥式逆变电路 53
3.4
SPWM控制技术 56
3.4.1
SPWM控制的基本原理 56
3.4.2
PWM逆变电路的控制方式 58
本章小结 62
思考与练习 62
第4章 电动机与电力拖动 63
4.1 异步电动机 63
4.1.1
异步电动机的工作原理 63
4.1.2
异步电动机的铭牌参数 64
4.1.3
电动机的工作制 66
4.1.4
变频有效输出值 66
4.1.5
电动机容量的选择 67
4.1.6
异步电动机的等效电路
及其平衡方程式 67
4.1.7
异步电动机的功率及转矩 69
4.2 异步电动机的机械特性与运行 70
4.2.1
异步电动机的机械特性 70
4.2.2
异步电动机的运行 71
4.2.3
异步电动机的调速 73
4.3 负载的机械特性 75
4.3.1
恒转矩负载 75
4.3.2
恒功率负载 76
4.3.3
二次方律负载 77
4.4 拖动系统与传动机构 78
4.4.1
拖动系统 78
4.4.2
传动机构的作用及系统参数 79
本章小结 80
思考与练习 80
第5章 变频器的控制方式 82
5.1 变频器的基本类型 82
5.1.1
按主电路的工作方式分类 82
5.1.2
按开关方式分类 83
5.1.3
按工作原理分类 85
5.1.4
按用途分类 86
5.2 变频器的控制方式 88
5.2.1
Uf控制 88
5.2.2
转差频率控制 90
5.2.3
矢量控制通用变频器 91
5.2.4
直接转矩控制 99
5.3 高压变频器 105
5.3.1
主电路的拓扑结构 106
5.3.2
控制方式 110
5.3.3
高压变频器对电网与
电动机的影响 111
本章小结 112
思考与练习 112
第6章 变频器的参数与选择 113
6.1 变频器的原理框图与接线端子 113
6.1.1
变频器的外形与结构 113
6.1.2
变频器的原理框图 114
6.1.3
变频器与外部连接的端子 115
6.2 变频器的操作与运行 116
6.2.1
面板配置FR-PZ02-02及
键盘简介 116
6.2.2
功能结构及预置流程 117
6.2.3
运行操作 122
6.3 功能及参数 126
6.3.1
频率的给定功能 126
6.3.2
频率控制功能 129
6.3.3
启动、升速、降速、制动
功能 130
6.3.4
PID调节功能 133
6.3.5
保护功能 137
6.3.6
变频器的控制方式 138
6.4 负载和操作模式、电动机的选择 139
6.4.1
适用负载选择 139
6.4.2
操作模式选择 139
6.4.3
适用电动机的选择 140
6.5 变频器的选择 140
6.5.1
风机、泵类负载变频器的
选择 140
6.5.2
机械传动系统变频器的
选择 142
6.5.3
变频器容量计算 144
6.6 变频调速系统的主电路及
电器选择 145
6.6.1
变频调速系统主电路的
结构 145
6.6.2
断路器 146
6.6.3
接触器 146
6.6.4
输入交流电抗器 147
6.6.5
无线电噪声滤波器 148
6.6.6
制动电阻及制动单元 149
6.6.7
直流电抗器 150
6.6.8
输出交流电抗器 150
6.7 变频器系统的控制电路 150
6.7.1
变频器控制电路的
主要组成 150
6.7.2
正转控制电路 151
6.7.3
正、反转控制 152
6.7.4
升速与降速控制 153
6.7.5
变频与工频切换的
控制电路 155
6.8 变频器与PLC的连接 156
6.9 变频器与PC的通信 158
本章小结 161
思考与练习 161
第7章 变频器的安装与维护 162
7.1 变频器的安装 162
7.1.1
主电路控制开关及导线
线径的选择 162
7.1.2
变频器的安装环境 163
7.1.3
安装的方向和空间 164
7.1.4
变频器在多粉尘现场的
安装 164
7.1.5
安装布线 165
7.2 变频器的抗干扰及抑制 167
7.2.1
对变频器的干扰 167
7.2.2
变频器产生的干扰 168
7.2.3
抑制变频器干扰的措施 168
7.3 变频调速系统的调试 171
7.3.1
通电前的检查 171
7.3.2
通电检查 172
7.3.3
空载试验 173
7.3.4
带负载测试 173
7.4 变频器的维护、保养与故障处理 174
7.4.1
维护和检查时的注意事项 174
7.4.2
变频器的日常巡视 175
7.4.3
变频器的定期维护与保养 175
7.4.4
变频器的常见故障及处理 176
本章小结 178
思考与练习 179
第8章 变频器的综合应用 180
8.1 变频器在恒压供水中的应用 180
8.1.1
恒压供水技术 180
8.1.2
节能原理 180
8.1.3
系统结构 182
8.1.4
工作原理 183
8.1.5
PLC控制系统 183
8.1.6
注意事项 184
8.2 变频器在家用空调中的应用 185
8.2.1
家用空调概述 185
8.2.2
变频器解决方案 185
8.3 中央空调的变频调速 186
8.3.1
中央空调的构成 186
8.3.2
循环水系统的特点 188
8.3.3
冷却水系统的变频调速 189
8.3.4
冷冻水系统的变频调速 191
8.4 变频器在电梯中的应用 193
8.4.1
电梯概述 193
8.4.2
616G5变频器调速系统 193
8.4.3
变频器功率及制动电阻的
选择 194
8.4.4
电梯用变频器的主要功能 195
8.4.5
变频器的噪声抑制 195
8.4.6
常见问题 195
8.5 变频器在叠压供水中的应用 196
8.5.1
国内、外供水现状 196
8.5.2
叠压供水系统的组成及
原理 197
8.5.3
系统的软件设计 198
8.5.4
节能分析 199
8.6
PLC与变频器连接实现多挡转速
控制 199
8.6.1
用旋转开关控制 200
8.6.2
用PLC控制多段速运行 200
8.7 刨台运动的变频调速改造 204
8.7.1
变频调速系统及设计要点 204
8.7.2
刨台往复运动的控制 205
8.8 空气压缩机的变频调速及应用 209
8.8.1
空气压缩机变频调速的
机理 209
8.8.2
空气压缩机加、卸载供气
控制方式存在的问题 210
8.8.3
空气压缩机变频调速的
设计 211
8.8.4
空气压缩机变频调速的
安装调试 215
8.8.5
空气压缩机变频调速后的
效益 216
本章小结 216
思考与练习 216
第9章 项目实训 218
项目1 正转连续控制电路 218
一、项目目的 218
二、项目内容 218
三、相关知识点分析 218
四、设备、工具和材料准备 222
五、操作方法 223
六、训练内容 226
七、评分标准 226
项目2 正、反转控制电路 227
一、项目目的 227
二、项目内容 227
三、相关知识点分析 227
四、设备、工具和材料准备 229
五、操作方法 229
六、训练内容 232
七、评分标准 232
项目3 外接两地控制电路 232
一、项目目的 232
二、项目内容 232
三、相关知识点分析 233
四、设备、工具和材料准备 235
五、操作方法 236
六、训练内容 238
七、评分标准 238
项目4 变频与工频切换的控制电路 239
一、项目目的 239
二、项目内容 239
三、相关知识点分析 239
四、设备、工具和材料准备 239
五、操作方法 240
六、训练内容 241
七、评分标准 241
项目5 PID控制电路 242
一、项目目的 242
二、项目内容 242
三、相关知识点分析 242
四、设备、工具和材料准备 244
五、操作方法 245
六、训练内容 248
七、评分标准 248
项目6 多段速控制电路 249
一、项目目的 249
二、项目内容 249
三、相关知识点分析 249
四、设备、工具和材料准备 252
五、操作方法 253
六、训练内容 255
七、评分标准 256
项目7 1控X切换电路 256
一、项目目的 256
二、项目内容 256
三、相关知识点分析 256
四、设备、工具和材料准备 260
五、操作方法 261
六、训练内容 262
七、评分标准 262
项目8 输入端子操作控制 263
一、项目目的 263
二、项目内容 263
三、相关知识点分析 263
四、设备、工具和材料准备 264
五、操作方法 264
六、训练内容 267
七、评分标准 267
项目9 模拟信号操作控制 267
一、项目目的 267
二、项目内容 268
三、相关知识点分析 268
四、设备、工具和材料准备 268
五、操作方法 269
六、训练内容 270
七、评分标准 271
项目10 多段速频率控制 271
一、项目目的 271
二、项目内容 271
三、相关知识点分析 272
四、设备、工具和材料准备 273
五、操作方法 274
六、训练内容 276
七、评分标准 276
项目11 PLC联机延时控制操作 277
一、项目目的 277
二、项目内容 277
三、相关知识点分析 277
四、设备、工具和材料准备 279
五、操作方法 280
六、训练内容 283
七、评分标准 283
项目12 PLC联机多段速频率控制 283
一、项目目的 283
二、项目内容 284
三、设备、工具和材料准备 284
四、操作方法 285
五、训练内容 287
六、评分标准 287
附录A 288
附录B 293
附录C 304
参考文献 314
|
| 內容試閱：
|
前 言
变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置，其内部结构中含有微处理器芯片，可以进行算术逻辑运算和信号处理，具有多种自动控制功能。
变频器的问世，使电气传动领域发生了一场技术革命，即以交流调速取代直流调速。交流电动机变频调速技术具有节能、改善工艺流程、提高产品质量和便于自动控制等诸多优点，被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。
本书第1版于2010年9月出版，该教材出版后，以其知识的实用性、内容的丰富性、编排的合理性，得到了教材使用者的广泛认同。在多年的教材使用过程中，我们一直不断地对教材内容进行审视，积累教材使用的经验，听取读者的意见；随着社会的发展，本书对应课程的教学要求也有了一定的变化。在本书第2版中，我们根据新的教育理念和实践，更新了部分内容，修正了相关的文字错误。
本书是一门实践性较强的综合性课程的教材。
通过该课程的理论教学和实践教学，能够使学生掌握电力电子器件、变频调速技术、变频器的应用与维护技术等多学科综合知识与基本技能，具备变频调速系统的设计、安装、调试、维护及设备改造的综合应用能力。课程的教学内容包括变频技术概述、常用电力电子器件介绍、变频调速的原理、电动机变频调速的机械特性、变频调速技术的应用、变频器的选择和参数的设置、变频器的安装与调试等。
本书由河南职业技术学院的徐海和施利春任主编，郑州工程技术学院的黄传金、滨州学院的孙佃升、河南职业技术学院的王东辉任副主编。徐海编写前言、第4章和第6章，施利春编写第9章，黄传金编写第2章和第8章，孙佃升编写第3章和第5章，王东辉编写第1章和第7章，刘成恩参与编写附录等。
在编写过程中，作者参阅了许多同行专家编著的文献，参考了部分变频器制造商提供的产品资料，在此一并表示衷心的感谢！
限于编者水平，不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正。
编 者
第2章 电力电子器件
* 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。
* 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的作用。
电力二极管与小功率二极管的结构、工作原理和伏安特性相似，但它的主要参数的规定、选择原则等不尽相同，使用时应当引起注意。
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，最新研制出的特殊二极管如快速恢复二极管，在制作工艺上有新的突破，使开关时间大为减少。
电力二极管引出两个极，分别称为阳极A和阴极K，使用的符号也与中、小功率二极管一样，如图2.1所示。由于电力二极管的功耗较大，它的外形有螺旋式和平板式两种。螺旋式二极管的阳极紧拴在散热器上。平板式二极管又分为风冷式和水冷式，它的阳极和阴极分别由两个彼此绝缘的散热器紧紧夹住。
2．伏安特性
电力二极管的阳极和阴极间的电压和流过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，一开始，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，二极管正向导通，如果电路中不接限流元件，二极管将被烧毁。
a 外形 c 电气图形符号
图2.1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号
图2.2 电力二极管的伏安特性
当二极管加上反向电压时，起始段的反向电流也很小，而且随着反向电压的增大，反向电流只略有增加，但当反向电压增加到反向不重复电压值时，如图2.2中的URSM所示，反向漏电流开始急剧增加。同样，如果对反向电压不加限制的话，二极管将被击穿而损坏。
2.1.2
主要参数
1．额定电流正向平均电流IF
在规定的环境温度为40℃和标准散热条件下，元件PN结的温度稳定且不超过140℃时，允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值，取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。
2．反向重复峰值电压URRM
在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM见图2.2的80%，称为反向重复峰值电压URRM。将URRM值取规定的电压等级，就是该元件的额定电压。
3．正向平均电压UF
在规定的环境温度40℃和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均值电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别，称为正向平均电压UF，简称管压降，范围一般为0.45~1V。
4．最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJM表示。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。TJM的范围通常为125~175℃。
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。在规定的室温和冷却条件下，额定正向平均电流IF可按式2-1计算后取相应标准系列值，即：
2-1
式中IDM为流经二极管的最大电流有效值。考虑到元件的过载能力较小，因此选择时考虑1.5~2倍的安全余量。
2 额定电压URRM的选择原则。选择电力二极管的反向重复峰值电压URRM的原则是，电力二极管所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压UDM的2~3倍，即：
2-2
使用时取相应系列值。
2．电力二极管使用时的注意事项
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13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Silicon Controlled Rectifier，SCR是硅晶体闸流管的简称，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。普通晶闸管又叫可控硅，常用SCR表示，国际通用名称为Thyristor，简写为T。
2.2.1
晶闸管的外形和图形符号
晶闸管的种类很多，从外形上看，主要有螺栓形和平板形两种，如图2.3a、b所示。3个引出端分别叫作阳极A、阴极K和门极G，门极又叫控制极。晶闸管的图形符号如图2.3c所示。
图2.3 晶闸管的外形和图形符号
2.2.2
晶闸管的工作原理
晶闸管是四层P1、N1、P2、N2的三端器件，有J1、J2、J3三个PN结，如图2.4a所示。如果把中间的N1和P2分为两部分，就构成了一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管的复合管，如图2.4b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。
1 在晶闸管的阳极阴极之间加正向电压。
2 在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。
如图2.4c所示，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：
图2.4 晶闸管的内部工作过程
这时，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。门极触发电流一般只有几十毫安到几百毫安，而晶闸管导通后，从阳极到阴极可以通过几百安、几千安的电流。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
在图2.5中，第Ⅰ象限为正向特性，当ia=0时，如果在晶闸管两端所加的正向电压ua未增加到正向转折电压UB0时，器件处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流。当ua增加到UB0时，则漏电流急剧增大，器件导通，正向电压降低，其特性与二极管的正向伏安特性相仿。通常不允许采用这种方法使晶闸管导通，因为这样重复多次会造成晶闸管损坏。一般采用对晶闸管门极加足够大的触发电流使其导通，门极触发电流越大，正向转折电压就越低。晶闸管的反向伏安特性如图2.5中第Ⅲ象限所示，处于反向阻断状态时，只有很小的反向漏电流，当反向电压超过反向击穿电压UR0后，反向漏电流急剧增大，造成晶闸管反向击穿而损坏。
2.2.4
晶闸管的参数
为了正确选择和使用晶闸管，需要理解和掌握晶闸管的主要参数。
1．额定电压UTM
由图2.5所示晶闸管的阳极伏安特性曲线可见，当门极开路，器件处于额定结温时，根据所测定的正向转折电压UB0和反向击穿电压UR0，由制造厂家规定减去某一数值通常为100V，分别得到正向不可重复峰值电压UDSM和反向不可重复峰值电压URSM，再各乘以0.9，即得到正向断态重复峰值电压UDRM和反向阻断重复峰值电压URRM。将UDRM和URRM中较小的那个值取整后，作为该晶闸管的额定电压值。
晶闸管使用时，若外加电压超过反向击穿电压，会造成器件永久性损坏。若超过正向转折电压，器件就会误导通，经数次这种导通后，也会造成器件损坏。此外，器件的耐压还会因散热条件恶化和结温升高而降低。
因此，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UTM的2~3倍来选择晶闸管的额定电压，即：
=2~3
2-3
2．额定电流ITAV
晶闸管的额定电流也称为额定通态平均电流，即在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170的电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流。
由于晶闸管的过载能力差，实际应用时，额定电流一般取1.5~2倍的安全裕量，即：
=1.5~2IT1.57
2-4
式中IT为正弦半波电流的有效值。
3．通态平均电压UTAV
当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压的平均值，称为通态平均电压。当额定电流大小相同，而通态平均电压较小时，晶闸管的耗散功率也较小，该管子的质量较好。
4．其他参数
1 维持电流IH。在室温下，当门极断开时，器件从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维持电流。它一般为几毫安到几百毫安。
维持电流与器件的容量、结温有关，器件的额定电流越大，维持电流也越大。结温低时维持电流大。
2 擎住电流IL。晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能使器件保持导通所需要的最小阳极电流称为擎住电流。一般擎住电流IL为维持电流IH的几倍。
3 通态浪涌电流ITSM。由电路异常情况引起的，并使晶闸管结温超过额定值的不重复性最大正向通态过载电流称为通态浪涌电流，用峰值表示。
4 断态电压临界上升率dudt。在额定结温和门极开路情况下，不使器件从断态到通态转换的阳极电压最大上升率，称为断态电压临界上升率。
5 通态电流临界上升率didt。在规定条件下，晶闸管在门极触发导通时所能承受的不导致损坏的最大通态电流上升率，称为通态电流临界上升率。
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
门极伏安特性是指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结，所以电压与电流的关系与普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线如图2.6所示。
图2.6 晶闸管的门极伏安特性
同一型号的晶闸管，门极伏安特性曲线呈现较大的离散性，通常以高阻和低阻两条特性曲线为边界，划定一个区域，其他的门极伏安特性曲线都处于这个区域内。该区域又分为不触发区、不可靠触发区及可靠触发区。
2．门极的主要参数
1 门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD。不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压，称为门极不触发电压UGD，相应的最大门极电流称为门极不触发电流IGD。显然，小于该数值时，处于断态的晶闸管不可能被触发导通，当然，干扰信号应限制在该数值以下。
2 门极触发电压UGT和门极触发电流IGT。在室温下，对晶闸管加上一定的正向阳极电压时，使器件由断态转入通态所必需的最小门极电流，称为门极触发电流IGT，相应的门极电压称为门极触发电压UGT。
需要说明的是，为了保证晶闸管触发的灵敏度，各生产厂家的UGT和IGT的值不得超过标准规定的数值，但对用户而言，设计的实用触发电路提供给门极的电压和电流应适当大于标准值，才能使晶闸管可靠地触发导通。
3 门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM。在晶闸管触发过程中，不会造成门极损坏的最大门极电压、最大门极电流和最大瞬时功率，分别称为门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM。
2.3 门极可关断晶闸管
门极可关断Gate Turn-Off，GTO晶闸管，具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、控制功率小、使用方便和价格低等；但它具有自关断能力，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四层半导体结构、三端阳极A、阴极K、门极G器件。它的内部结构、等效电路及符号如图2.7所示。
图2.7 GTO晶闸管的内部结构、等效电路及符号
2.3.2
GTO晶闸管的工作原理
为了分析GTO晶闸管的工作原理，也可将其等效为两个三极管P1N1P2与N1P2N2互补连接，设互1和和2分别为晶体管P1N1P2和晶体管N1P2N2的共基极放大系数，的1比比2小，但都是随着发射极电流Ie的增加而增加的。
当GTO晶闸管的阳极加有正向电压，门极加有正向触发电流IG时，通过N1P2N2晶体管的放大作用，使IC2和IK增加，IC2又作为晶体管P1N1P2的基极电流，经晶体管P1N1P2放大，使IC1和IA增加。IC1又作为晶体管N1P2N2的基极电流，使IC2和IK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，这一过程与普通晶闸管的导通过程是一样的。
为了表征门极对GTO晶闸管关断的控制作用，引入门极控制增益晶，，可表示为：
2-5
上式中，IG＜0时的时表示关断增益。
由式2-5可见，增大关断增益可以提高关断控制灵敏度，，2增大意味着提高N1P2N2晶体管的控制灵敏度，从而使得GTO晶闸管易于关断；减少晶12，可使GTO晶闸管在导通时接近临界饱和，利于关断控制。
GTO晶闸管的关断过程分析如下。
当GTO晶闸管已处于导通状态且阳极电流为IA时，对门极加负的关断脉冲，形成-IG，相当于将IC1的电流抽出，使N1P2N2晶体管的基极电流减少，从而使IC2和IK减少，IC2的减少又使IA减少，也使IC2减少，也是一个正反馈过程，但它是衰减式的。当IA和IK的减少使12GTO晶闸管的外部虽然也是引出三个电极，但其内部却包含着数百个共阳极的小GTO晶闸管元件，它们的门极和阴极分别并联在一起。与普通晶闸管不同的是，GTO晶闸管是一种多元件的电力集成器件，这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。
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。
外加电压超过正向转折电压UB0时，GTO晶闸管正向导通，正向导通次数多了，就会引起GTO晶闸管的性能变差；但若外加电压超过反向击穿电压UR0，则发生雪崩击穿，造成元件的永久性损坏。
对GTO晶闸管门极加正向触发电流时，GTO晶闸管的正向转折电压随门极正向触发电流的增大而降低。
2．GTO晶闸管的动态特性
图2.9给出了GTO晶闸管导通和关断过程中门极电流iG和阳极电流iA的波形。
与普通晶闸管类似，导通过程中，需要经过延迟时间tdiA
图2.8 GTO晶闸管的阳极伏安特性图2.9 GTO晶闸管的导通和关断过程中的电流波形
通常，tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流的幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts就越短。若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在ts阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间tt。
关断损耗基本集中在下降时间tf内，过大的瞬时功耗会造成GTO晶闸管的损坏，其瞬时功耗与阳极尖峰电压有关。阳极尖峰电压随着阳极可关断电流的增加而增加，过高则可能导致GTO晶闸管失效。阳极尖峰电压的产生是由器件外接保护与缓冲电流的引线电感、二极管正向恢复电压和电容中的电感造成的，因此，应用中要尽量减少缓冲电路的杂散电感。
2.3.4
GTO晶闸管的主要参数
GTO晶闸管的大多数参数与普通晶闸管相同，这里仅讨论一些意义不同的参数。
1．最大可关断阳极电流IATO
GTO晶闸管的最大阳极电流受两个方面的限制：一是额定工作结温的限制；二是门极负电流脉冲可以关断的最大阳极电流的限制，这是由GTO晶闸管只能工作在临界饱和导通状态所决定的。阳极电流过大，GTO晶闸管便处于较深的饱和导通状态，门极负电流脉冲不可能将其关断。通常，将最大可关断阳极电流IATO作为GTO晶闸管的额定电流。应用中，最大可关断阳极电流IATO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
关断增益为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，其表达式为：
=IATO|| 2-6
比晶体管的电流放大系数比小得多，一般只有5左右，关断增益低是GTO晶闸管的一个主要缺点。
3．阳极尖峰电压Up
阳极尖峰电压Up是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关断电流线性增加，Up过高，可能导致GTO晶闸管失效。Up的产生是由缓冲电路中的引线电感、二极管正向恢复电压和电路中的电感造成的。
4．维持电流IH
GTO晶闸管的维持电流IH是指阳极电流减小到开始出现GTO晶闸管元不能再维持导通的数值。
由此可见，当阳极电流略小于维持电流时，仍有部分GTO晶闸管元继续维持导通，这时，若阳极电流恢复到较高数值，已截止的GTO晶闸管元不能再导电，就会引起维持导通的GTO晶闸管元的电流密度增加，出现不正常的工作状态。
5．擎住电流IL
擎住电流IL是指GTO晶闸管经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO晶闸管元导通的最低值。
由此可见，擎住电流最大的GTO晶闸管元对整个GTO晶闸管的擎住电流影响最大，若该GTO晶闸管元刚达到其擎住电流时，遇到门极正脉冲电流极陡的下降沿，则内部载流子增生的正反馈过程受阻而返回到截止状态，因此必须加宽门极脉冲，使所有的GTO晶闸管元都达到可靠导通。
2.4 电力晶体管
电力晶体管Giant Transistor，GTR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动机调速、中频电源等电力变流装置中。
2.4.1
GTR的结构
电力晶体管主要用作开关，工作于高电压、大电流的场合，一般为模块化，内部为2级或3级达林顿结构，如图2.10所示。
图2.10 GTR模块
图2.10a所示为电力晶体管GTR的结构示意图；图2.10b所示为GTR模块的外形；图2.10c所示为其等效电路。为了便于改善器件的开关过程和并联使用，中间级晶体管的基极均有引线引出，即图2.10c中的be11、be12等端子。目前，生产的GTR模块可将多达6个互相绝缘的单元电路做在同一个模块内，可以方便地组成三相桥式电路。
2.4.2
GTR的主要参数
1 开路阻断电压UCEO。即基极开路时，集电极发射极间能承受的电压值。
2 集电极最大持续电流ICM。即当基极正向偏置时，集电极能流入的最大电流。
3 电流增益hFE。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PCM。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ton。包括延迟时间td和上升时间tr。
6 关断时间toff。包括存储时间ts和下降时间tf。
2.4.3
二次击穿现象
当集电极电压UCE逐渐增加到某一数值时，集电结的反向电流IC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UCE，而外接的限流电阻又不变，反向电流IC将继续增大，此时，若GTR仍在工作，GTR将迅速出现大电流，并在极短的时间内，会使器件中出现明显的电流集中和过热点，且电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。
一旦发生二次击穿，轻者将使GTR电压降低、特性变差，重者会导致集电结和发射结熔通，使晶体管被永久性损坏。
二次击穿最终是由于器件局部过热引起的，而热点形成需要能量的积累，即需要一定的电压、电流乘积和一定的时间。因此，诸如集电极电压、电流、负载特性，导通脉冲宽度，基极电路的配置，管芯材料及制造工艺等因素都对二次击穿有一定的影响。
2.4.4
GTR的驱动电路模块
1．对驱动电路的要求
1 电力晶体管位于主电路，电压较高，控制电路电压较低。所以，驱动电路应对主电路和控制电路有电气隔离作用。
2 电力晶体管导通时，驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定的过冲，以加速导通过程，减小损耗。
3 电力晶体管导通期间，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。而为了缩短存储时间，则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Power MOS Field-Effect Transistor，P-MOSFET，是对功率小的一般MOSFET的工艺结构进行改进，在功率上有所突破，获得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MOSFET的结构与工作原理
1．电力MOSFET的结构
由电子技术基础可知，功率较小的普通场效应管MOSFET的栅极G、源极S和漏极D位于芯片的同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件，这种结构限制了它的电流容量。电力MOSFET采取了两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片另一侧的表面上，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。这种采用垂直导电方式的MOSFET称为VMOSFET。
电力MOSFET的导电沟道也分为N沟道和P沟道两种，栅偏压为零时漏极源极之间存在导电沟道的称为耗尽型；栅偏压大于零N沟道才存在导电沟道的称为增强型。下面以N沟道增强型为例，说明电力MOSFET的结构。图2.12表示的是其结构和符号，电力MOSFET是多元集成结构，即一个器件由多个MOSFET元件组成。
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，栅极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，漏极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UGS大于某一电压值UT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型反转成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ID。电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力就越强，漏极电流ID也就越大。
电力MOSFET的多元结构，使得每个MOSFET元的沟道长度大为缩短，而且使所有MOSFET元的沟道并联，这势必使沟道电阻大幅度减小，从而使得在同样的额定结温下，器件的通态电流大大提高。此外，沟道长度的缩短，使载流子的渡越时间减小；沟道的并联，允许更多的载流子同时渡越，使器件的开通时间缩短，提高了工作频率，改善了器件的性能。
2.5.2
电力MOSFET的特性
1．转移特性
栅源电压UGS与漏极电流ID之间的关系称为转移特性，如图2.13所示，特性曲线的斜率dIDdUGS表示电力场效应管的放大能力，用跨导gm表示，即：
2-7
2．输出特性
以栅源电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏极电压UDS间关系的曲线簇，称为电力MOSFET的输出特性，如图2.14所示。输出特性可划分为4个区域：非饱和区Ⅰ、饱和区Ⅱ、截止区Ⅲ、雪崩区Ⅳ。在非饱和区UDS较小，当UGS为常数时，ID与UDS几乎呈线性关系。在饱和区，漏极电流几乎不再随漏源电压变化。当UDS大于一定的电压值后，漏极PN结发生雪崩击穿，进入雪崩区Ⅳ，此时漏电流突然增大，直至器件损坏。在图2.14中，UGS5＞UGS4＞UGS3＞UGS2＞UGS1。
图2.13 电力MOSFET的转移特性 图2.14 电力MOSFET的输出特性
3．开关特性
图2.15是电力MOSFET的开关特性的测试电路及其开关过程的波形。图2.15中，up为矩形脉冲电压信号源，RS为信号源内阻，RG为栅极电阻RS，RL为漏极负载电阻，漏极电流可在RF两端测得。
图2.15 电力MOSFET的开关特性
由于器件内部存在输入电容Cin，因而up的前沿到来时，Cin有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升。当UGS上升到开启电压UT时，漏极电流iD开始出现。从up前沿到iD出现的这段时间定义为导通延迟时间tdon。此后，iD随UGS的上升而上升，UGS从开启电压UT逐渐上升到使电力场效应管刚刚进入非饱和区的栅极电压UGSP，漏极电流iD也达到稳态值，这一过程对应的时间称为上升时间tr。iD稳态值的大小由漏极电源电压UE和漏极负载电阻RL决定，UGSP的大小与iD的稳态值有关。UGS在up的作用下继续上升，直至达到稳态。但此后iD不再变化。电力MOSFET的导通时间ton为导通延迟时间与上升时间之和，即：
2-8
当up减小到零时，栅极输入电容Cin通过RS和RG进行放电，UGS按指数规律下降，当降至UGSP时，iD开始减小，这段时间称为关断延迟时间tdoff。此后，Cin继续放电，UGS从UGSP继续下降，iD减小，直至UGS 2-9
综上所述，电力MOSFET的开关时间与输入电容Cin的充、放电时间常数有很大的关系。使用时，Cin的大小无法改变，但可以改变信号源内阻RS的值，从而缩短时间常数，提高开关速度。电力MOSFET的工作频率可达100kHz以上。尽管电力MOSFET的栅极绝缘，且为电压控制器件，但在开关状态，驱动信号要给Cin提供充电电流，因此需要驱动电路提供一定的功率。开关频率越高，驱动功率就越大。
2.5.3
电力MOSFET的主要参数
除了前面已经涉及的跨导gm、开启电压UT、开通时间ton及关断时间toff之外，电力MOSFET还有以下主要参数。
1．漏源击穿电压BUDS
漏源击穿电压BUDS决定了电力MOSFET的最高工作电压，使用时，应注意结温的影响，结温每升高100℃，BUDS就增加10%。这与双极型器件SCR及GTR等随结温升高而耐压降低的特性恰好相反。
2．漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM
在器件内部温度不超过最高工作温度时，电力MOSFET允许通过的最大漏极连续电流和脉冲电流称为漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM。它们是电力MOSFET的电流额定参数。
3．栅源击穿电压BUGS
造成栅源极之间绝缘层被击穿的电压，称为栅源击穿电压BUGS。在栅极源极之间的绝缘层很薄，UGS20V就将发生绝缘层击穿。
4．极间电容
电力MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS。一般生产厂家提供的是漏极源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容COSS和反馈电容Crss。它们之间有以下关系：
Ciss=CGS CGD 2-10
COSS=CDS CGD 2-11
Crss=CGD 2-12
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 Bipolar Transistor，IGBT是20世纪80年代中期发展起来的一种新型器件。它综合了电力晶体管GTR和场效应管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及以下的中等容量变流装置中得到广泛应用，已取代了GTR和电力场效应管的一部分市场，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可使装置的工作频率提高到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。由图可知，IGBT也是四层的三端器件，IGBT与电力MOSFET的结构非常相似，是在VDMOSFET的基础上，增加了一层P 注入区，因而形成了一个大面积的P N 结J1，并由此引出集电极C，而其栅极G和发射极E则完全与电力场效应管的栅极和源极相似。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其等效电路及图形符号如图2.17所示。可见，IGBT是以MOSFET为驱动元件，GTR为主导元件的达林顿结构器件。图中的电阻RN是厚基区GTR内的调制电阻，RS是体区电阻。图中器件的MOSFET为N沟道型，称为N沟道IGBT。相应的还有P沟道IGBT，其图形符号仅将箭头反向即可。
图2.16 IGBT的结构剖面 图2.17 IGBT等效电路及图形符号
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，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，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
IGBT的静态特性主要包括转移特性和输出特性。
1 转移特性。
转移特性用来描述IGBT集电极电流iC与栅射电压UGE之间的关系，如图2.18a所示。它与电力MOSFET的转移特性类似。开启电压UGEth是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。
2 输出特性。
输出特性也称伏安特性，描述以栅射电压为参变量时，集电极电流iC与集－射极间电压UCE之间的关系。
IGBT的输出特性与GTR的输出特性类似，不同的是控制变量，IGBT的控制变量为栅射电压UGE，而GTR的控制变量为基极电流IB。IGBT的输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区，如图2.18b所示，与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。当UCE
图2.18 IGBT的静态特性
2．动态特性
IGBT的动态特性包括导通过程和关断过程，如图2.19所示。
图2.19 IGBT的导通与关断过程
1 导通过程。
IGBT的导通过程与电力MOSFET的开通过程相类似，这是因为IGBT在导通过程中大部分时间是作为电力MOSFET运行的。导通时间由四部分组成：一段是从外施栅极脉冲UGM由负到正跳变开始，到栅射电压充电到UT的时间对应的导通延迟时间td。另一段是集电极电流从零开始，上升到90%稳态值的时间，称为电流上升时间tr。在这两段时间内，集射极间电压UCE基本不变。以后，集射极电压UCE开始下降，UCE的下降过程分为vf1和vf2两段。下降时间vf1是MOSFET单独工作时集射极电压下降时间，tvf2是MOSFET和PNP晶体管同时工作时集射极电压下降时间，由于UCE下降时，IGBT中MOSFET的栅、漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此，tvf2段电压的下降过程变缓。只有在tvf2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态。所以，总导通时间vf1 vf2。
2 关断过程。
欲使IGBT关断时，给栅极施加反向脉冲电压-UGM，在此反向电压作用下，内部等效 MOSFET输入电容放电，内部等效GTR仍然导通，时间内，集电极电流、电压无明显变化，这段时间定义为存储时间ts。t6时刻后，MOSFET开始退出饱和，器件电压随之上升，PNP晶体管集电极电流无明显变化。时刻UCE上升到接近UCM，这段时间称电压上升时间tvr。之后，MOSFET退出饱和，GTR基极电流下降，集电极电流减小，从栅极电压 UGE的脉冲后沿下降到其幅值的90%的时刻起，到集电极电流下降至90%止约为t5~t7，这段时间为关断延迟时间tdoff。此后，UGE继续衰减，到t8时刻，UGE下降到UT，MOSFET关断，PNP晶体管基极电流为零，集电极电流下降到接近于零。集电极电流从90%ICM下降至10%ICM的这段时间为电流下降时间tif。由于晶体管内部存储电荷的消除还需要一定时间，因此以后，还有一个尾部时间tt，这段时间内，由于集射极电压已经建立，会产生较大的损耗。定义这段时间为关断时间toff，即。IGBT内部由于双极型PNP晶体管的存在，带来了通流能力增大、器件耐压提高、器件通态压降降低等好处，但由于少了储存现象的出现，使得IGBT的开关速度比电力MOSFET的速度要低。
2.6.3
IGBT的主要参数
1 集射极额定电压UCES。它是栅射极短路时的IGBT最大耐压值，是根据器件的雪崩击穿电压规定的。
2 栅射极额定电压UGES。IGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号来控制IGBT的导通和关断，而UGES是栅极的电压控制信号额定值。通常，IGBT对栅极的电压控制信号相当敏感，只有栅极在额定电压值很小的范围内，才能使IGBT导通，而不致损坏。
3 栅射极开启电压UGEth。它是指使IGBT导通所需的最小栅射极电压。通常，IGBT的开启电压UGEth在3~5.5V之间。
4 集电极额定电流IC。它是指在额定的测试温度壳温为25℃条件下，IGBT所允许的集电极最大直流电流。
5 集射极饱和电压UCEO。IGBT在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压，代表了IGBT的通态损耗大小。通常，IGBT的集射极饱和电压UCEO在1.5~3V之间。
2.6.4
IGBT的驱动电路
1．IGBT对栅极驱动电路的特殊要求
IGBT的驱动电路在其应用中有着特别重要的作用，IGBT应用的关键问题之一，是驱动电路的合理设计。
1 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。
2 IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度。
3 栅极驱动电路提供给IGBT的正向驱动电压 U增加时，IGBT输出级晶体管的导通压降和导通损耗值下降，并不是说 U值越高越好。
4 IGBT在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于IGBT的快速关断。
5 IGBT的栅极驱动电路应尽可能地简单、实用，最好自身带有对被驱动IGBT的完整保护能力，并且有很强的抗干扰性能，且输出阻抗尽可能低。
6 由于栅极信号的高频变化很容易相互干扰，为防止造成同一个系统多个IGBT中的某个误导通，因此要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且不要将多个IGBT的栅极驱动线捆扎在一起。
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，应特别注意导通特性、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的导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 Thyristor，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集成为一个整体而形成的。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。
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。
由于IGCT的设计比较理想，使得IGCT的导通损耗可以忽略不计，再加上它的低导通损耗，使得它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下运行。它是一种耐高压大电流器件，具有很强的关断能力，开关速度比GTO晶闸管高10倍。目前IGCT的最高阻断电压为6kV，工作电流为4kA，此外，其最突出的优点是可以取消浪涌电路。
图2.20所示为IGCT的原理框图和电路符号。
图2.20 IGCT的原理框图和电路符号
IGCT采用缓冲层透明发射极Buffer Layer Transparent Emitter技术取代了GTO晶闸管阳极短路技术，从而克服了GTO晶闸管的触发及维持电流急剧增大的弊端，显著降低了触发电流和电荷存储时间。
IGCT还采用了低电感封装技术，使阳极电流在11s的时间内全部经门极流出，而不流经阴极，使PNPN的四层结构的晶闸管暂时变为稳定的PNP三层结构，无需GTO晶闸管复杂的缓冲电路。
在获得相同阻断电压的前提下，IGCT芯片可以比GTO晶闸管芯片制作得更薄，薄得如同二极管，故可与反并联的续流二极管集成在同一个芯片上。
2.7.2
IGCT的特点
由于IGCT像IGBT一样具有快速开关功能，像GTO晶闸管一样具有导电损耗低的特点，故在各种高电压、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。对于4.16kV的变频器，逆变器中需要24个高压IGBT，如使用低压IGBT，则需60个；而同类型变频器若采用IGCT，则只需12个。
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15。并且，由于IGCT的损耗很小，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，常串入适当的电抗。
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。MCT采用多胞元集成工艺制成，一个MCT约含有10万个单细胞。图2.21所示为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
如果是N-MCT，其图形符号阳极的箭头方向相反。由图2.21可见，MCT的电极和晶闸管一样，也是阳极A、阴极K和门极G，但MCT是电压控制器件；晶闸管的控制信号加在门极与阴极两端，而MCT控制信号是加在门极与阳极之间的。
当门极G相对于阳极A加负电压脉冲时，ON-FET导通，ON-FET的漏极电流作为NPN晶体管的基极电流，经NPN晶体管放大倍后的集电极电流又作为PNP晶体管的基极电流，PNP晶体管又放大倍重新送入NPN晶体管的基极，如此循环，形成强烈的正反馈，当1时，MCT进入导通状态。
当门极相对于阳极加正电压脉冲时，OFF-FET导通，PNP晶体管的基极电流经OFF-FET流向阳极，使PNP晶体管截止，从而破坏了晶闸管的正反馈，使MCT关断。
一般，使MCT导通的负脉冲电压为-5~-15V，使MCT关断的正脉冲电压为 10~20V。
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。SIT的单管耗散功率已做到数千瓦，工作频率已做到10MHz，电压电流容量已达2000V300A水平。
2.9.1
SIT的基本结构和工作原理
SIT的基本结构及电路图形符号如图2.22所示，在N型衬底上外延高阻N-层，然后在N-高阻外延层内扩散若干个P 区，再在其顶部另外扩散一个N 层。从衬底上引出的电极叫漏极D，将P区连在一起后，引出的电极叫栅极G，从扩散的N 层上引出的电极称为源极S。SIT也是采用垂直导电形式的多细胞集成结构。
SIT的工作原理如下：当栅源和漏源之间都不加电压时，相邻两个P 区之间存在电中性区沟道，这时，若在漏源两端加正向电压，则有电流流过沟道，漏源电压越高，沟道电流越大，相当于器件处于导通状态。SIT工作时，是在栅源间加负偏压，使得PN结的空间电荷区变厚，沟道变窄，电子势垒变大。进一步分析表明，电子势垒的大小，不仅与负栅偏压UGS有关，而且与正的漏源电压UDS有关。负栅偏压UGS的绝对值越大，电子势垒越高；正漏源电压UDS越大，电子势垒越低。因此，可以通过改变UGS和UDS的大小，控制沟道的电位分布与势垒高度，从而控制漏源电流的大小。由于SIT的沟道电位分布及势垒高度是由UGS和UDS的静电场形成的，因而将器件命名为静电感应晶体管。
图2.22 SIT的基本结构及图形符号
2.9.2
SIT的伏安特性
伏安特性是指SIT的漏源电压UDS与漏极电流ID之间的关系。SIT是电压控制器件，其沟道势垒是由栅源电压UGS与漏源电压UDS共同决定的，沟道势垒的高度决定了漏源电流的大小，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
图中，栅源电压UGS为参变量，转折电压UDSS是UGS=-U的伏安特性曲线与横轴的交点所对应的漏源电压。
由图2.23所示的SIT的伏安特性曲线可以看出，当UGS=0时，ID和UDS近似为线性关系，很小的漏源电压就会产生很大的漏源电流。这是因为UGS=0时，沟道中没有势垒存在，只表现为很小的体电阻。当栅源之间加有负偏压UGS=-U后，沟道中的电位分布会发生变化，而出现势垒，当UDSUDDS时，几乎没有漏源电流，即ID和UDS之间的关系存在一段死区；当UDS继续增大时，则沟道势垒逐步降低，并开始有载流子越过势垒流动，即出现漏源电流，随着UDS的进一步增加，势垒高度越来越大。分析表明，在小电流区ID随UDS增大，呈指数关系，在较大电流区则呈线性关系。
2.9.3
SIT的极限参数
1 栅源击穿电压UGSO：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UGDO：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IDmax：器件工作时漏极允许通过的最大峰值电流。
4 允许功耗PT：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所示为内部只有一个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模块的内部结构。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，大大方便了模块的应用和系统的设计，并使可靠性大大提高，特别适用于正弦波输出的变压变频VVVF式变频器中。
图2.24 一种IPM产品的内部框图 图2.25 另一种IPM模块的内部结构
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。
由于IPM是靠焊丝将内部各功率元件与控制等电路连接起来的，焊丝引入的线电感与焊丝、焊点的可靠性限制了IPM的进一步发展。为此，在国外一些研究机构的支持下，提出了IPEMIntelligent Power Electronic Module，智能功率电子模块这一系统集成概念。
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，晶闸管导通，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晶闸管的导通与晶闸管一样，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，是属于电压控制的，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。
思考与练习
1 晶闸管的导通条件是什么？截止条件是什么？
2 说明GTO晶闸管的导通和关断原理。与普通晶闸管相比，有何不同？
3 GTO晶闸管有哪些主要参数？其中哪些参数与普通晶闸管相同？哪些不同？
4 GTR的应用特点及选择方法是什么？
5 画出GTR的理想基极驱动电流波形，并加以说明。
6 MOSFET的应用特点及选择方法是什么？
7 说明IGBT的结构与工作原理，IGBT的应用特点及选择方法是什么？
8 IGCT和GTO晶闸管相比，具有什么特点？
9 IPM的应用特点是什么？
10 收集目前生产IPM模块的较大厂家的产品型号及其达到的容量、性能等参数。
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