电力电子应用技术书 7.1节

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常被称为主电路（main power circuit），电力电子器件（power electronics device）是指可在直接处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。而由电力电子器件所构成的主电路常被称为电力电子变流器或功率变换器（power converter）。电力电子变流器如果从电路拓扑（circuit topology）形式来看，种类凡多。为了满足实际应用的需要，每个电路都有不同的考虑和设计方法，如果对不同种类的电路逐一进行描述是非常困难的。在这里我们把握电力电子变流器所具有的共性，将其分为如下几个组成部件或模块来描述。如电力电子器件，电力电子器件的驱动电路，电力电子器件与变流器的保护，电力电子器件与变流器的串并联，电力电子变流器的辅助部件，电力电子变流器的热设计，电力电子变流器的电磁兼容问题等。这些部件全部或部分的集成就构成了电力电子变流器。对这些部件的组成原理和功能的描述，以及为了满足实际应用的需要对各部件参数的计算、选择、考虑和分析就是电力电子变流器的设计过程。

7.1 电力电子器件的性能与选择

目前，电力电子器件往往指主要采用硅半导体材料的电力半导体器件。各种类型的电力电子器件具有的共同特征是：

一般工作在开关状态；所能处理的电压电流较大（处理的电功率可以从毫瓦级至兆瓦级）；功率损耗和散热问题是影响其处理功率能力的重要问题；一般需要驱动与隔离；还应特别注重对器件的保护。

按照电力电子器件能够被控制信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为三类：半控型器件，如晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件；全控型器件，也称为自关断器件，如绝缘栅极晶闸管（Insulated-Gate Bipolar Transistor—IGBT）、电力场效应晶体管（Power MOSFET，或称为电力MOSFET）、门极可关断晶闸管（Gate-Turn Off thyristor—GTO）等；不可控器件，如电力二极管、快速恢复型二极管等。

按照驱动电路的控制信号的性质，又可将电力电子器件（电力二极管除外）分为电流驱动型和电压驱动型两类。其中电压驱动型器件又被称为场控器件或者场效应器件。按照电力电力器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为单极型器件、双极型器件和复合型器件三类。

为便于对器件外特性的理解，在实际应用中一般采用第一种分类方法，即将器件分为

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不可控型器件、半控型器件和全控型器件。

正确选择和使用电力电子器件是保证电力电子变流器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。一个器件在装置中的实际效能取决于两方面的因素：制作工艺（参数设计、材料性质、工艺水平和散热能力）和运行条件（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。由于变流装置的运行条件千差万别，制造厂家只能根据典型的标准条件进行测试，因此使用者必须了解实际运行条件与标准测试条件的差别，以及这些差别对元件性能产生何等影响，这样才能合理地选择和使用元件，使它们在装置中最大限度地发挥效能。

在选择和使用电力电子器件时，要掌握器件的主要性能参数，包括静态参数和动态.参数参数、极限参数和特性参数、电气参数和热力参数等等。需要注意的是，各国、各厂家对各种电力电子器件型号的命名方法是有所不同的，一定要区别对待。

电力电子器件的工作原理及其外部特性在先修课程《电力电子技术》中已作了详细介绍，以下的内容将从使用者的角度着重分析对电路稳定可靠运行影响最直接的一些性能参数。

7.1.1 二极管

二极管具有单向导电性，是电子电气线路中运用极为广泛的一种电子元件。应用在强电领域中的二极管，一般具有大容量、耐高压大电流的特点，称为电力二极管，是电力电子变流器主电路中不可缺少的元气件。 1． 二极管的基本应用

二极管的五种基本应用如图7-1所示，相应地，常常又根据其在电路中的作用而分别取名为五种二极管，它们是：

（1）整流二极管，如图7-1(a) 所示，实现将交流变换为直流，这是最广泛的应用。 （2）续流二极管，如图7.1(b)所示，当开关S切断电感电路时，常接入二极管D为电感电流提供继续流动的回路，避免因电感断开而在开关器件S两端出现高电压。

（3）限幅二极管，如图7-1(c)所示，当输入电压Ui低于二极管阈值电压Vth时二极管截止不导通，U0=Ui；当Ui>Vth时，二极管导通，二极管电压被为正向导通电压。改变串联二极管的个数可以得到不同的限幅值。

（4）钳位二极管，如图7-1(d)所示，只要二极管D处于导通状态，则输出端电压U0 =UC+UD，与负载无关，即U0被钳位到UC+UD。

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（5）稳压二极管，如图7-1(e)所示。这种二极管的正常工作区是在反向击穿区。当Ui改变时，通过稳压管的反向电流发生改变，使稳压电阻R上的压降改变，从而使负载电压U0基本不变。应确保稳压管在结构设计、制造上能承受在反向击穿区工作时的发热功耗，不至过热损坏。

uiRSLUiD1uiD2RiDUoD3D4（a）整流udiRD（b）续流R（c）限幅UiRUCUiiDZIZRLUo（e）稳压DUoRL（d）钳位图7-1 二极管的应用

2．电力二极管

电力二极管，早期称整流二极管，大量应用于电气设备中。在工业应用中，三相桥式不

控整流电路、三相桥式半控整流电路等都是由电力二极管和晶闸管组成的典型电路。特别是快速恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合占据了不可替代的地位。 （1） 电力二极管的主要参数

① 通态平均电流IF(AV) 是二极管参数手册上给出的标称额定电流。它指二极管持续运行时，在指定的管壳温度（简称壳温）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。元件的损耗造成元件的结温升高，因此器件的载流能力受其电流的发热效应所。而决定发热的因素是电流的有效值，因此按照工作中实际波形的电流与通态平均电流发热效应相等的原则，即有效值相等的原则，来选取管子的电流定额，其产生的结温为元件所允许。通过换算，并考虑（1.5~2）倍的裕量，可得二极管的电流定额选取值为

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IF(AV)(1.5~2）I2I(1.5~2） （A） （7-1）

1.57式中，I—通过二极管电流的有效值

IF(AV)—换算成的二极管标称额定平均电流

在频率较高的场合，除正向通态电流造成的通态损耗外，其动态开关损耗往往不能忽略；当采用反向漏电流较大的二极管时，其断态损耗造成的发热效应同样应予重视。 ② 正向压降UF 在指定温度下，流过某一指定的稳定正向电流时对应的正向压降，一般在1V左右。有时也给出在指定的温度下流过某一瞬态正向大电流时电力二极管的最大瞬时正向压降。

③ 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常为其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定二极管的电压定额。

④ 最高工作温度TJM 最高工作结温TJM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通常在125~175℃范围之内。

⑤ 反向恢复时间trr 普通电力二极管的反向恢复时间trr在5µs以上，快恢复二极管在5µs以下。常用的快恢复二极管在数十ns至数百ns。trr对于电力二极管的开关特性及开关频率而言是一个至关重要的参数。

⑥ 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的、连续一个或几个工频同期的过电流。浪涌电流是描述电力二极管耐电流冲击能力的一个参数。 （2）常用电力二极管

常用电力二极管，按照半导体物理结构和工艺的差别，即正向压降、反向压降、反向漏电流，特别是反向恢复特性的不同，可分成如下三类：

① 普通二极管（General Purpose Diode） 又称为整流二极管（Rectifier Diode），多用于低工作（开关）频率（1kHz以下）的整流电路中。反向恢复时间较长，一般在5µs以上，其正向电流定额和反向电压定额分别可达数kA和数kV以上。

② 快恢复二极管（Fast Recovery Diode—FRD） 其反向恢复过程很短，trr<5µs,简称快速二极管。特别是超快速二极管，其反向恢复时间可低于50ns，但其反向电压和正向电流定额要低于普通二极管。

③ 肖特基二极管（Schottky Barrier Diode—SBD） 以金属和半导体接触形成的势垒为基础

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而形成的，它与以PN结为基础的电力二极管相比，优点是反向恢复时间短（10~40ns）、正向压降小、正向恢复过程中没有明显的电压过冲、其开关损耗和正向导通损耗比快速二极管要小，效率高。其弱点在于反向耐压较低，因此多用于200V以下的低压场合，当其所能承受的反向耐压较高时，其正向压降也会较高；反向漏电流较大且对温度敏感，反向稳态损耗不能忽略，因此必须严格地其工作温度。

7.1.2 晶闸管

晶闸管（Thyristor）又称为可控硅（Silicon Controlled Rectifier-SCR），属于半控型器件。在电力电子器件中，它能承受的电压和电流量仍然是目前最高的，且工作可靠，因此在大容量的应用场合占有重要的地位。除普通晶闸管，还有很多派生型，如快恢复晶闸管（Fast Switching Thyristor—FST）、双向晶闸管（Triode AC Switch—TRIAC）、逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor—RCT）、光控晶闸管(Light Triggered Thyristor—LTT)等。

晶闸管的的性能参数很多，但扼要说来是，断态下的阻断能力和通态下的载流能力、开通过程的速度和电流上升率、关断过程的速度和电压上升率。 1．晶闸管的性能参数 （1）晶闸管的阻断能力

晶闸管的正反向阻断能力分别用断态重复峰值电压UDRM 和反向重复峰值电压URRM 表示，规定断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM 分别为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM和反向不重复峰值电压URSM的90%。

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小者作作该器件的额定电压。选取电压定额时，要留有裕量，一般取额定电压为正常工作时间晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。 （2）晶闸管的载流能力

晶闸管的载流能力用通态平均电流IT(AV) 表示。国标规定，通态平均电流为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。

晶闸管的标称额定电流就是指其通态平均电流IT(AV)，其定义和元件电流定额的计算和选择与电力二极管相同，见式（7-1），不再赘述。 （3）开通过程的速度和电流上升率

表征晶闸管开通性能的重要参数是开通时间tgt。 tgt=td+tr，其中td为晶闸管导通的延迟时间，普通晶闸管一般为0.5~1.5µs，tr是晶闸管电流的上升（对应电压下降）时间，普通晶闸

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管一般为0.5~3µs。开通时间是衡量元件进入导通状态速度快慢的一项动态参数。

通态电流临界上升率di/dt是衡量开通性能的另一项动态参数。过高的电流上升率将使元件局部瞬时结温超过其允许值，元件将因此过热烧毁。为了保证元件的安全开通，必须导通初期的载流强度，即电流上升率di/dt。 （4）关断过程的速度和电压上升率

晶闸管必须藉助阳极电路实现关断，表征晶闸管关断性能的重要参数是关断时间tq。tq=trr+tqr，其中trr是晶闸管反向阻断恢复时间，是正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；tqr 为正向阻断恢复时间，指其反向恢复过程结束到其恢复正向阻断能力

tq是衡量元件关断速度的一项动态参数，所需要的时间。一般普通晶闸管的tq约为几百微秒。

断态电压临界上升率du/dt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态转为通态的外加电压最大上升率。电压上升率过大，易使晶闸管误导通，或导致晶闸管关断时间越长，在实际中应断态电压上升率低于此临界值。 （5）强触发方式对元件开通时间的影响

门级触发电流IGT 是指室温下阳极加直流电压UAK=6V时，使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流，通常IGT在数十至数百mA；门极触发电压UGT指产生IGT所需要的最小门极电压。由于门极特性的差异，同一厂家的同型号晶闸管，其触发特性的差异可能很大，为此，厂家规定了最大和最小触发电流、电压的范围，例如100A晶闸管，其触发电压、电流分别在0.15V/1mA~3.5V/250mA的范围内，门极正向脉冲极限峰值电压不允许超过10V，反向脉冲极限峰值电压不允许超过5V，正向脉冲极限峰值电流不能超过2A。

凡按厂家提供的触发电流和触发电压进行触发的方式称为常规触发。所谓强触发是指向门极注入比常规值大得多的电流 ，其优点是能够明显地改善元件的开通性能，在元件的串并联技术中，采用强触发可以减小元件的开通时间 tgt，从而相应地降低了元件开通时间的分散性。

2. 晶闸管的基本应用

正如第2章所显示的，晶闸管变流器易于实现大容量和高可靠性的特点，使其在整流领域中具有独特的优势而占有霸主地位。目前数kV、数十kV的元件在整流电路中得到广泛应用。其他在频率不高的逆变装置，如晶闸管中频电源，以及AC/AC直接变频装置中获得应用。把晶闸管反并联或采用双向晶闸管串入交流电路中，就成为交流电力电子开关，可以

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实现交流调压和交流调功。交流调压和交流调功电路也是晶闸管比较广泛应用的电路之一，交流调压电路通过晶闸管的相控来实现调压，交流调功电路通过通、断控制来调节负载的平均功率。

而在直流电源供电的DC/DC、DC/AC变换电路中，SCR须采用强迫换相或谐振电路换相而使关断电路变得十分复杂，且开关频率不宜太高（一般只用到几百Hz）。随着全控型器件的迅速发展，晶闸管在这方面的应用已逐渐被全控型器件所取代。

7.1.3 门极关断晶闸管

门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off thyristor—GTO)是晶闸管的一种派生器件，因可以通过在门极施加负脉冲电流而使其关断而得名。GTO用正脉冲电流触发开通，负脉冲电流触发而关断，因此属全控型器件。GTO的许多性能虽然与后续描述的绝缘栅极晶体管、电力场效应晶体管相比要差，但其电压、电流容量较大，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 1. GTO的主要参数 （1）最大可关断阳极电流IATO 是指通过GTO的最大阳极电流，它是标称GTO额定电流

的参数，这一点与普通晶闸管用通态平均电流作为额定电流是不同的。 （2）电流关断增益OFF 最大可关断阳极电流 I称为电流关断增益，即

OFFIATO/IGM (7-2)

ATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比

注意此处IGM指门极负向电流，OFF一般很小，只有5左右，作为一种电流驱动型全控器件，要求其门极驱动负电流峰值如此大是GTO的一个主要缺点。例如一个1000A的GTO，关断时门极负脉冲电流的峰值要200A，对于驱动电路来说这是一个相当大的数值，实现起来有一定的难度，当然其作用时间很短。

（3）GTO开通时间ton GTO的开通过程经过延迟时间td和上升时间tr，ton=td+tr，延迟时间td一般约1~2µs，上升时间tr则随通态阳极电流值的增大而增大，通常开通时间为数µs。 （4）GTO关断时间toff toff=tstftt，GTO关断需要在门极加幅值较大的负脉冲电流

iG。关断过程经历储存时间ts，在这个时间内抽取等效晶体管饱和导通时储存的大量载流

子使GTO退出饱和导通状态；再经过下降时间tf，使等效晶体管从饱和区退至放大区；最

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后还有残存载流子复合所需时间，叫做尾部时间tf，且有关系tfGTO与SCR都属于大容量器件，6kA/6kV的GTO器件已实用化。因其开关速度远高于SCR而使GTO的应用领域较SCR宽广，主要应用于兆瓦级以上的大功率场合。在大功率的AC/DC逆变器中，一般将GTO制造成逆导型，即与快速电力二极管反并联集成于一体，便于续流。但这样的连接不具备反向阻断能力，当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。GTO有关断增益小，门极关断负脉冲电流大，驱动困难，通态压降较大等主要缺点。

7.1.4 电力场效应晶体管

电力MOSFET（Power MOSFET）是用栅极电压来控制漏极电流的，它驱动电路简单、所需驱动功率小、开关速度快、工作频率高。但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置中。

MOSFET按导电沟道可分为P沟道和N沟道，对于N(P)沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。而目前电力MOSFET大都采用了具有垂直导电双扩散MOS结构的VD-MOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）,简称VDMOS器件。这种工艺结构大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。电力MOSFET大多是N沟道增强型VDMOS。 1. 电力MOSFET的主要特点

（1）由于本身结构所致，在其漏极和源极之间形成了一个与之反向并联的寄生二极管，它与MOSFET构成了一个不可分割的整体，使得漏源极间无反向阻断能力。因此，使用电力MOSFET时应注意这个寄生二极管的影响。

（2）属于单极型器件，是通过电场感应形成反型层导电沟道的，这正是电力MOSFET开关频率高的根本原因。其开关时间在10~100ns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

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驱动电路的内阻Rs来减小栅极回路的充放电时间常数（即RsCin），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，在开关工程中需要对输入电容充放电，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：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电压定额的参数。

（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电流定额的参数。 （3）栅源电压UGS 栅源之间的绝缘层很薄，UGS20V将导致电场过强，会使绝缘层击穿。所以，在不使用时应将器件G-S间短接，以防止静电感应导致绝缘层击穿。

漏源极间的耐压、漏极最大允许电流、最大耗散功率这三个参数决定了电力MOSFET的安全工作区。一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。在实际使用中，选择器件仍应注意留适当的裕量。

由于电力MOSFET电压、电流的小容量，高工作频率的特点，它广泛应用在DC-DC的开关电源，DC-AC的小功率、低电压逆变器电路中。

7.1.5 绝缘栅极晶体管

绝缘栅极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor-IGBT）综合了大功率晶体管GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。从1986年开始投放市场，IGBT就迅速扩展了其应用领域，目前已完全取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流等级，以期再取代GTO的地位。

PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT， N沟道IGBT在实际中应用较多。 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。UGE(th)随温度升高而略有降低，温度每升高1℃，其值下降约5mV。在+25℃时，UGE的值一般为2~6V。 当UGE>UGE(th)时，IGBT正常开通处于饱和区；当UGE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。由于IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。

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（2）最大集射极间电压UCES IGBT的电压定额标称值。

（3）最大集电极电流IC IGBT的电流定额标称值，或用1ms脉宽最大电流ICP表征。 （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 由于某种原因，IGBT的栅极失去了对集电极电流的控制作用，导致集电极电流急剧增大，造成器件功耗过高而损坏。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duCE/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。擎住效应曾经是IGBT电流容量进一步提高的主要原因之一，自20世纪90年代后期，这个问题已得到了极大的改善，促进了IGBT研究和制造水平的迅速提高。

2． IGBT的主要特点：

（1） IGBT开关速度高，开关损耗小。IGBT的开关频率比GTO要高得多，但比电力MOSFET低一些。一般用在几kHZ至几十kHz。它的开关损耗与电力MOSTET相当。 （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在相同电压和电流定额情况下，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。

为了满足实际电路应用的要求，IGBT往往与反并联的快速二极管集成封装在一起，构成逆导开关器件，并制成IGBT功率模块。IGBT主要应用于中小功率的DC-AC逆变器中，随着其电压、电流等级的逐步提高，也逐步向大功率逆变器应用领域发展，势有取代GTO的趋势。

7.1.6 功率模块与智能功率模块

1．功率模块

自20世纪80年代中后期开始，电力电子器件研制和开发共同趋势是模块化。按照典型电力电子电路所需要的拓扑结构，将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中。其优点是：缩小装置的体积，降低成本，提高可靠性，更重要的是对工作频率较高的电路，可以达到减小线路电感，从而简化对吸收或缓冲电路的要求。这种模块称为功率模块（Power Module），如IGBT模块（IGBT Module）。

如图7-2(a)、(b)、(c)、(d)是电力二极管和晶闸管组成的一些功率模块形式，还有多个

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晶闸管组成的功率模块，如用于三相桥电路的模块和用于三相交流调压模块，都由六个晶闸管组成。图7-3(a)、(b)、(c)、(d)为几个MOSFET组成的功率模块，或为了构成电路组合起来安装方便，或为了增大器件的容量。

（a）两只二极管串联（b）晶闸管与二极管串联（a）（b）（c）两只晶闸管串联（d）两只晶闸管反并联图7-2 电力二极管和晶闸管模块

图7-4所示模块为由7个IGBT和13个电力二极管组成的三相AC-DC-AC变换电路（变频器）功率模块。其集成度已经很高了，可以作为小容量变频器的主电路。A、B、C三端引入交流输入电源，U、V、W三端输出至交流负载，L、P、Q、N四端子引出外接体积大而不能装在模块内的电路元件，例如P、N两端或L、N两端外接滤波电容C，L、Q两端外接能耗制动电阻R，P、L两端外接三相桥的输入电路开关或熔断器等元器件。

PABCL（c）图7-3 MOSFET功率模块(a)双开关管模块(b)三相桥模块(c)四个开关并联QNUVW图7-4 三相AC-DC-AC变换电路（变频器）功率模块

2．智能功率模块

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更进一步，如果将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，则称为功率集成电路（Power Integrated Circuit-PIC）。高低压电路之间的绝缘问题，以及温升和散热的有效处理，是功率集成电路的主要技术难点。

智能功率模块（Intelligent Power Module-IPM）则是在一定程度上回避了这两个难点，只将保护和驱动电路与IGBT器件集成在一起，也称智能IGBT（Intelligent 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。

IPM是先进的混合集成功率器件，由高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的有电流传感功能的IGBT芯片，从而实现了高效的过流保护和短路保护。IPM还集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的可靠性得到了进一步提高。日本三菱电机于1991年首次推出系列IPM，至今已发展到了第三代。 （1） IPM的结构和特点

IPM采用了两种不同的封装技术使得内置的栅驱动电路和保护电路能适用的电流范围很宽。小功率器件（10~50A/600V，10~15A/1200V）采用一种多层环氧树脂粘合绝缘，而中、大功率器件采用陶瓷绝缘，铜铂直接键合的结构。IPM有四种电路形式：单管封装（H）、双管封装（D）、六合一封装（C）和七合一封装（R），如图7-5所示。

C1CC2E1E(a) H型(b) D型PUVWE2N(c) C型PBUVW(d) R型N图7-5 IPM电路结构

与IGBT相比较，IPM将驱动电路和保护电路集成于模块中，所以在控制上就有它自身

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的特点。如图7-6所示是IPM内部结构框图。

VI设计和开发IPM产品的主导思想是为应用装置的生产厂家降

UVC低在设计、开发和制造上的成本。

IDriveOCSC(RTC)OT温度传感器与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，使设计

E和开发变得简单。由于IPM集成了驱动和保护电路，使用户产品设计变得相对容易，缩短产品上市的时

FO图7-6 IPM内部结构框图间。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而

系统尺寸也减小。所有的IPM均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相联的栅极接口，在产品系列扩充时，不需要另行设计驱动电路。IPM在故障情况下的自保护能力，减低了器件在开发测试和使用中过载情况下的损坏机会。 （2） IPM的保护

IPM有精良的内置保护电路以避免因电路相互干扰或承受过应力而使功率器件损坏。所设置的故障检测和关断功能允许最大限度地利用功率器件的容量而不牺牲其可靠性。 ① 控制电源欠压锁定（UV）

内部控制电路由一个DC15V电源供电。如果由于某种原因这一电源低于规定的欠压动

作数值(UV)，该功率器件将被关断并输出一个故障信号。如果小毛刺干扰时间小于规定的

tdUV（约为10µs），则不影响控制电路工作，欠压保护电路也不予理睬。要恢复正常工作，

电源电压必须超过欠压复位数值（UVr）。系统控制器的程序可以通过检测故障信号脉冲（tFO）的宽度，从而加以识别故障的类型。值得注意的是：在控制电源上电后未稳压之前，如主电路直流母线电压上升率大于20V/µs，则可能会损坏功率器件，控制电源电压毛刺的dv/dt大于5V/µs时，也可能引起欠压锁定误动作。 ② 过热保护

在靠近IGBT芯片的绝缘基极上已安装了一个温度传感器。如果基极温度超出过热动作

数值（OT），IPM内部控制电路将截止栅驱动，不响应控制输入信号，直到温度恢复正常，这样就保护了功率器件。在六合一和七合一模块中，所有下臂三个器件都将被关断并产生一

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个下臂信号，上臂的开关则不受影响仍然由系统控制器来控制开通和关断。与此类似，在双管模块中只有下臂器件可被截止。当温度回落至过热复位数值（OTr）以下，并且控制输入为高电平（关断状态），功率器件被复位，将接受下一个低电平（开通状态）输入信号而恢复正常工作。 ③ 过流保护（OC）

如果流过IGBT的电流超出过流动作值（OC）的时间大于toff(OC) (约为10µs)，IGBT

关断。超出OC数值但时间小于toff(OC)的短时间脉冲电流并不危险，过流保护电路将不予理睬。当检测出过电流时，IGBT将被软关断，同时输出一个故障信号。软关断能控制关断大电流而发生的浪涌电压。 ④ 短路保护（SC）

如果负载发生短路或系统控制器故障而导致上下臂同时导通，IPM内置短路保护电路

将关断IGBT。如果流经IGBT的电流超过短路动作数值(SC)，受控软关断立即启动并输出一个故障信号。为缩短SC检测和SC关断之间的响应时间，第三代IPM采用了实时电流控制电路（RTC）。SC动作时，RTC直接监测IGBT驱动的末级电路，响应时间可减小到不足100ns。值得注意的是：过流和短路保护动作都是IGBT的强应力运行，应避免其反复动作。

当IPM保护功能中的一个功能动作时，会产生一种故障输出信号，其持续时间tFO=1.8ms（典型值），发生故障的IPM开关单元将关断并使相关的输入信号无效。在故障输出脉冲宽度tFO结束后，内部自动复位，同时使输入信号重新有效。当产生tFO信号时，控制电路必须使IPM输入端的PWM控制信号在小于tFO的时间内无效。输入信号在故障完全消除后才能重新有效。

在过流/短路故障情况下，一定要避免因重复过流/短路保护动作，而导致结温升高而损坏IPM。系统控制器通过检查tFO时间长度很容易确定故障信号是因过热还是过流/短路引起的。短路和过流故障信号时间间隔是1.8ms。过热故障信号将会长一些。当基极温度超过OT值，过热故障信号启动并一直维持到基极温度冷却至OTr以下才复位。一般这需要几十秒钟。

（3） IPM的驱动

IPM的驱动需要隔离电源，包含六个或七个IGBT单元的IPM需要一个公用电源给下臂的IGBT单元供电，而上臂的每一个IGBT单元都需要单独的隔离电源供电。采用双管或

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单管封装的IPM模块组成的三相大功率逆变器（如三相变频器）需要六个隔离电源。因为这样的大电流应用时，下臂的每个器件都必须有自己的隔离控制电源以避免接地回路噪声。为避免过压损坏或欠压保护误触发，控制电源应调整在15V10%的范围。电源应该有至少二倍于IPM的VCES额定值的绝缘隔离电压值（即对于1200V模块，VISO2400V）。隔离控制电源初级与次级间的耦合电容要控制到最小，因为寄生电容超过100pF会产生噪声而误触发控制电路。IPM控制电源端子间应接一个至少10F的退耦电容，这个电容帮助滤掉控制电源的共模噪声并提供IPM内部栅驱动电路所需的大电流脉冲。

一个低电平输入信号将使IGBT开通。当高电平时，有效的低控制输入将使IGBT保持关断状态。故障输出表现为集电极开路，在内部对其最大下陷电流有所。

隔离接口允许上下桥臂的控制信号以一个公用逻辑电平为参考。这种隔离通常由高速光耦器件实现，适用的光耦合器有HCPL4503，HCPL4504（惠普公司产），PS2041（NEC公司产），在光耦合端要接0.1uF的退耦电容。故障输出用普通的光耦合器，如TLP521等。大多数低速的光耦合器没有内部屏蔽，一些开关噪声会耦合进光耦合器，采用一组时间常数约为10µs的RC滤波器加在光耦合器的输出端可以消除这一噪声，此滤波器对IPM的1.8ms的故障输出信号几乎没有影响。

驱动接口电路设计最重要的是布线。为避免dv/dt噪声耦合到控制电路，屏蔽和印制板布线都需仔细考虑。在上臂接口电路间，上臂和下臂接口电路间以及隔离接口的初级和次级间的寄生电容都会产生噪声问题。控制电源的精心安排和隔离电路走线都需要精心地设计。详细的设计说明请参阅参考文献[9]。

二单元的IPM的输入引脚被设计成可与印制版直接连接的形式。把接口电路做在PCB板上，靠近模块输入脚处可减小噪声。小功率模块的控制和电源引脚是镀锡的，可直接焊接在PCB板上。大功率模块引脚镀金，可利用一个反装专用连接插座（Hirose连接器），连接到PCB板上。这种通过专用连接器的连接技术也适用于大电流六单元和七单元的IPM模块。

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