第2章电力电子开关器件应用技术2.1 电力电子器件的性能与选择2.2 电力电子器件的驱动2.3 电力电子器件的保护2.4 电力电子器件的串联和并联使用2.5 电力电子器件的散热2.1 电力电子器件的性能与选择电力电子器件往往主要指采用硅半导体材料的电力半导体器件；电力电子器件一般工作在开关状态；电力电子器件分为不可控性器件、半控型器件和全控型器件。
电力电子器件(电力二极管除外)分为电压驱动型和电流驱动型两类。
2.1 电力电子器件的性能与选择◆正确选择和使用电力电子器件是保证电能变换装置成功设计和可靠运行(工作)的关键；◆正确理解电力电子器件的参数和性能是合理选择和使用元件的基础。
2.1 电力电子器件的性能与选择器件在装置中的实际效能取决于以下因素：1）制作工艺(参数设计、材料性质、工艺水平和散热能力)，2）运行条件(电路特点、工作频率、环境温度和冷却条件)。
后一个因素与元件的选择和使用有关。
2.1.1 电力二极管1.电力二极管的主要参数①通态平均电流)(57.1)2~5.1(2/)2~5.1()(A I I I AV F ==π②正向压降F U ③反向重复峰值电压RRMU ④最高工作温度JMT ⑤反向恢复时间trr2. 常用电力二极管①普通二极管,反向恢复时间较长，一般在5μs以上，其正向额定电流和反向额定电压分别可达数千安和数千伏以上。
②快恢复二极管，其反向恢复过程很短，trr<5μs，简称快速二极管。
③肖特基二极管优点是反向恢复时间短(10ns～40ns)、正向压降小、且开关损耗小，效率高；其弱点是反向耐压较低。
螺栓型模块2.1.2 晶闸管1. 晶闸管的性能参数(1) 晶闸管的阻断能力(2) 晶闸管的载流能力(3) 开通过程的速度和电流上升率(4) 关断过程的速度和电压上升率(5) 强触发方式对元件开通时间的影响2．晶闸管的基本应用在整流领域中具有独特的优势而占有霸主地位。
在频率不高的逆变装置（如感应加热电源）以及AC-AC直接变频装置中获得应用。
交流电力电子开关，实现交流调压和交流调功。
螺栓型模块平板型双向晶闸管晶闸管模块组成的整流装置2.1.3 门极关断晶闸管1．GTO 的主要参数(1) 最大可关断阳极电流(2)电流关断增益(3) GTO 开通时间(4) GTO 关断时间ATO I GM ATO offI I =βont offt2. GTO的基本应用GTO与SCR都属于大容量器件。
6kA／6kV的GTO器件已实用化，并因其开关速度远高于SCR，主要应用于兆瓦级以上的大功率场合。
模块螺栓及平板型2.1.4 电力场效应晶体管1.电力MOSFET的主要特征（1）漏极和源极之间形成了一个与之反向并联的寄生二极管，使得漏源级间无反向阻断能力。
使用电力MOSFET时应注意寄生二极管的影响。
（2）MOSFET开关频率高，其开关时间在10ns~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是目前工作频率最高的电力电子器件。
（3）通态电阻具有正温度系数，这一点对器件并联时均流有利。
电力MOSFET的热稳定性也较好。
在实际应用中，为了增大电力MOSFET的电流容量，往往采用多只管子并联的方法。
（4）开关时间的长短主要决定于栅极输入电容Cin 充放电过程的快慢，一般靠尽量降低栅极驱动电路来减小栅极回路的充放电时间常数（即的内阻RSR S C in）,以加快管子的开关速度。
（5）属场控器件，在静态时几乎不需要输入电流。
但是，在开关工作中因需要对输入电容充放电，故仍需要一定的驱动功率。
开关频率越高，所需的驱动功率越大。
（6）电力MOSFET的缺点是漏源之间通态压降较大，并且通态压降随漏极电流的增大而增大比较明显；其耐压也偏低，一般只有几百伏。
2. 电力MOSFET的主要参数（1）漏极电压UDS这是标称电力MOSFET额定电压的参数。
（2）漏极直流电流ID 和漏极脉冲电流幅值IDM这是标称电力MOSFET额定电流的参数。
（3）栅源电压UDS栅源极之间的绝缘层很薄，|UGS|>20V将导致电场过强，会使绝缘层击穿。
在不使用时应将器件栅源极间短接，以防止静电感应导致绝缘层击穿。
3.电力MOSFET的应用由于电力MOSFET电压、电流的小容量和高工作频率的特点，它广泛应用在DC-DC的开关电源和DC-AC的小功率、低电压逆变器电路中。
开关电源小功率逆变器2.1.5 绝缘栅双极晶体管1. IGBT的主要性能参数（1）开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。
（2）最大集射极间电压UCESIGBT的额定电压标称值。
（3）最大集电极电流ICIGBT的额定电流标称值。
（4）最大集电极功耗PCM在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
（5）IGBT的擎住自锁效应2. IGBT的主要特点（1）IGBT开关速度高，开关损耗小。
（2）通态压降比电力MOSFET低，特别是在电流较大的区域。
（3）输入阻抗高，驱动电流小，驱动电路简单。
（4）电压、电流容量比电力MOSFET高得多。
（5）IGBT在相同电压和电流额定情况下，比GTR 和电力MOSFET具有耐脉冲电流冲击的能力，但不如SCR和GTO之类器件。
功率模块2.1.6 功率模块与智能功率模块1．功率模块图2-2 MOSFET功率模块（a）双开关模块（b）三相桥模块（c）四个开关并联图2-3 三相AC-DC-AC变换电路（变频器）功率模块2. 智能功率模块智能功率模块（IPM）在一定程度上回避了功率集成电路（PIC)高低压电路之间的绝缘问题，以及温升和散热的问题，只将保护和驱动电路与IGBT 器件集成在一起，也称智能IGBT ,这些年来获得了迅速发展，在中小功率有广泛的应用场合，在个别较大功率场合也有一定的应用。
图2-4 IPM的电路结构（a）单管封装；（b）双管封装；（c）六合一封装；（d）七合一封装；2.2 电力电子器件的驱动2.2.1 电力电子器件驱动电路概述驱动电路的基本任务：就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
以保证器件按要求可靠导通或关断。
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。
图2-5 光耦合器的类型及接法a) 普通型b) 高速型c) 高传输比型2.2.2 晶闸管的触发电路晶闸管触发电路应满足下列要求：（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，（2）触发脉冲应有足够的幅度，脉冲前、后沿要陡。
（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。
（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
图2-6理想的晶闸管触发脉冲电流波形输出脉冲隔离变压器图2-7 常见的晶闸管触发电路2.2.3 典型全控型器件的驱动电路1．电流驱动型器件的驱动电路GTO 和GTR 是电流驱动型器件。
O t t O u Gi G图2-8 推荐的GTO 门极电压电流波形tOi b图2-10 理想的GTR 基极驱动电流波形2.2.3 典型全控型器件的驱动电路2. 电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。
电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V，IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15 ~ 20V。
关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ~ -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。
2.3 电力电子器件的保护在电力电子电路中，需要采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护2.3.1 过电压的产生及过电压保护1．过电压产生的原因(1)外因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。
（2）内因过电压内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：换相过电压、关断过电压。
2．过电压保护措施图2-14过电压抑制措施及配置位置F−避雷器C0−静电感应过电压抑制电容R1C1−阀侧浪涌过电压抑制用RC电路R2C2−阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路R−压敏电阻过电压抑制器抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。
图2-15 三相RC 过电压抑制电路联结方式对大容量的电力电子装置，可采用图2-16所示的反向阻断式RC电路。
图2-16 反向阻断式RC过电压抑制电路联结方式2.3.2过电流保护图2-17 过电流保护措施及配置位置123452.3.3 缓冲电路◆缓冲电路（Snubber Circuit）又称为吸收电路。
其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。
◆缓冲电路可分为关断缓冲电路(du/dt抑制电路)和开通缓冲电路(di/dt抑制电路)。
2.3.3 缓冲电路图2-18d i/d t抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a) 电路b) 波形下图给出器件关断时的负载曲线图2-19关断时的负载曲线2.4 电力电子器件的串联和并联使用对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作，或者将电力电子装置串联或并联起来工作。
2.4.1 晶闸管的串联图2-20 晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施静态均压动态均压2.4.2 晶闸管的并联◆大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。
◆均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，此外还可以采用均流电抗器；同样，用门极强脉冲触发也有助于动态均流。
◆当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。
2.4.3 电力MOSFET的并联和IGBT的并联均具有电力MOSFET 和IGBT的通态电阻Ron正温度系数，并联时有一定的电流自动均衡能力，因而并联使用容易。