第1章電工電子

1、第1章 電力電子器件主要內(nèi)容：p常用電力電子器件分類；p常用電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、主要參數(shù)和安全工作區(qū)；p常用電力電子器件的基本驅(qū)動電路、緩沖電路和保護(hù)方法；p常用電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù)。 1.1 引 言p電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，p新器件的誕生或器件特性的新進(jìn)展，都帶動了電力電子應(yīng)用技術(shù)的新突破，或?qū)е鲁霈F(xiàn)新的電路拓?fù)?。p電力電子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展又對電力電子器件提出了更新、更高的要求，進(jìn)一步推動了高性能、新器件的研制。p電力電子器件在電力電子電路中一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，在通態(tài)時應(yīng)能流過很大電流而壓降很低；在斷態(tài)時應(yīng)能承受很高電壓而漏電流很??；斷態(tài)與通態(tài)間的轉(zhuǎn)換時

2、間很短且功率損耗較小。1.2 電力電子器件的結(jié)構(gòu)、特性和主要常數(shù)1.2.1 1.2.1 功率二極管功率二極管1. 功率二極管的結(jié)構(gòu)功率二極管的結(jié)構(gòu)AKAKa)IKAPNJb)c)圖1-1 功率二極管外形、結(jié)構(gòu)和符號2. 2. 功率二極管的工作原理功率二極管的工作原理pP型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合一體，其中，N型半導(dǎo)體區(qū)電子濃度大，P型半導(dǎo)體區(qū)空穴濃度大，因此，N區(qū)電子要向P區(qū)擴(kuò)散與P區(qū)空穴復(fù)合，在N區(qū)邊界側(cè)留下正離子層， P區(qū)空穴要向N區(qū)擴(kuò)散與N區(qū)電子復(fù)合，在P區(qū)邊界側(cè)留下負(fù)離子層，在交界處漸漸形成空間電荷區(qū)；p多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和少數(shù)載流子漂移運(yùn)動到動態(tài)平衡，決定空間電荷區(qū)的寬度，形成PN結(jié)

3、； pPN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕O管是一個正方向單向?qū)щ?、反方向阻斷的電力電子器件?. 3. 功率二極管的特性功率二極管的特性(1) 功率二極管的伏安特性二極管具有單向?qū)щ娔芰ΓO管正向?qū)щ姇r必須克服一定的門坎電壓Uth(又稱死區(qū)電壓)。當(dāng)外加反向電壓時，二極管的反向電流IS是很小的，但是當(dāng)外加反向電壓超過二極管反向擊穿電壓URO后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加，二極管被電擊穿后將造成PN結(jié)的永久損壞。 圖1-2 功率二極管的伏安特性(2) 功率二極管的開關(guān)特性p因結(jié)電容的存在，功率二極管在通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，有一個過渡過程，這個過程中的特性為功率二極管的動態(tài)特性。p功率二極管由斷態(tài)轉(zhuǎn)為

4、通態(tài)時，功率二極管的正向壓降也會出現(xiàn)一個過沖UFP，然后逐漸趨于穩(wěn)態(tài)壓降值。這一動態(tài)過程的時間，稱為正向恢復(fù)時間tr。p當(dāng)原處于正向?qū)ǖ墓β识O管的外加電壓突然變?yōu)榉聪驎r，功率二極管不能立即關(guān)斷，其電流逐漸下降到零，然后有較大的反向電流和反向過沖電壓出現(xiàn)，經(jīng)過一個反向恢復(fù)時間才能進(jìn)入截止。其中，td為延遲時間，tf為電流下降時間，trr為反向恢復(fù)時間， trr td tf 。 圖1-3 功率二極管的開關(guān)特性p 由于PN結(jié)電容的存在，二極管從導(dǎo)通到截止的過渡過程與反向恢復(fù)時間trr、最大反向電流值IRM，與二極管PN結(jié)結(jié)電容的大小、導(dǎo)通時正向電流IFR所對應(yīng)的存儲電荷Q、電路參數(shù)以及反向電流d

5、i/dt等都有關(guān)。p普通二極管的trr=210s，快速恢復(fù)二極管的trr為幾十至幾百ns,超快恢復(fù)二極管的trr僅幾個ns。4. 4. 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù)(1) 額定電壓URRp反向不重復(fù)峰值電壓URSM是指即將出現(xiàn)反向擊穿的臨界電壓；p二極管的額定電壓URR（反向重復(fù)峰值電壓URRM）取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80；pURRM(或URR)小于二極管的反向擊穿電壓URO。(2) 額定電流IFR 功率二極管的額定電流IFR被定義為在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40和散熱條件下工作，其管芯PN結(jié)溫升不超過允許值時，所允許流過的正弦半波電流平均值 。若正弦電流的最大值為Im，則額定電

6、流為 (1-1)mIttdII1)(sin210mFR(3) 最大允許的全周期均方根正向電流IFrmsp二極管流過半波正弦電流的平均值為IFR時，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流IFrms (1-2)由式(1-1)和(1-2)可得 (1-3) (4) 最大允許非重復(fù)浪涌電流IFSMp這是二極管所允許的半周期峰值浪涌電流。該值比二極管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了二極管抗短路沖擊電流的能力。功率二極管屬于功率最大半導(dǎo)體器件，二極管參數(shù)是正確選用二極管依據(jù)。 m02mFrms21)()sin(21ItdtIIFRFRFrms57. 12III1.2.2 1.2.2 晶閘管及派生器件晶閘管及派

7、生器件p晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR, 普通晶閘管是一種具有開關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。小電流塑封式小電流塑封式小電流螺旋式小電流螺旋式大電流螺旋式大電流螺旋式大電流平板式大電流平板式圖形符號圖形符號2. 2. 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)p晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。A圖1-4 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號3 3. . 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理IGIb2IC2(Ib1)IC1圖1-5 晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖p欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個條件：p應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓。p應(yīng)在晶閘管的門極與陰極

8、之間也加上正向電壓和電流。p晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實(shí)現(xiàn)。4. 4. 晶閘管的特性晶閘管的特性(1) 晶閘管的伏安特性p晶閘管的伏安特性是晶閘管陽極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽極電流IA之間的關(guān)系特性。(2) 晶閘管的門極伏安特性圖1-7 晶閘管的伏安特性p由于實(shí)際產(chǎn)品的門極伏安特性分散性很大，常以一條典型的極限高阻門極伏安特性和一條極限低阻門極伏安特性之間的區(qū)域來代表所有器件的伏安特性，由門極正向峰值電流IFGM允許的瞬時最大功率PGM和正向峰值電壓UFGM劃定的區(qū)域

9、稱為門極伏安特性區(qū)域。PG為門極允許的最大平均功率。其中,OABCO為不可靠觸發(fā)區(qū),ADEFGCBA為可靠觸發(fā)區(qū)。圖1-8 晶閘管的門極伏安特性(3) 晶閘管的開關(guān)特性圖1-9 晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖開通過程 p開通時間ton包括延遲時間td與上升時間tr，即 ton=td+ tr (1-4)p延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間p上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間p普通晶閘管延遲時間為0.51.5s，上升時間為0.53s關(guān)斷過程 p關(guān)斷時間toff：包括 反向阻斷恢復(fù)時間trr與正向阻斷恢復(fù)時間tgr，即 toff=tr

10、r+tgr (1-5)p反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間；p正向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間5. 5. 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。（3）額定電壓 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的那個數(shù)值標(biāo)作器件型號上的額定電壓。通常選用晶閘管時，電壓選擇應(yīng)取(23)倍的安全裕量。(4) 額定電流IT(AV)p在環(huán)

11、境溫度為+40和規(guī)定冷卻條件下，器件在電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中,管子全導(dǎo)通(導(dǎo)通角 170)，在穩(wěn)定的額定結(jié)溫時所允許的最大通態(tài)平均電流。p晶閘管流過正弦半波電流波形 如圖所示 圖1-10 晶閘管流過正弦半波電流波形它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為： (1-6)正弦半波電流的有效值為： (1-7) (1-8)式中 Kf為波形系數(shù) 流過晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時，電流選擇應(yīng)取(1.52)倍的安全裕量。 m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21

12、ItdtII57. 1)T(AVTfIIK(5)浪涌電流p這是晶閘管所允許的半周期內(nèi)使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)正向過載電流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了晶閘管抗短路沖擊電流的能力?？捎脕碓O(shè)計(jì)保護(hù)電路。(6)通態(tài)電壓UTMp晶閘管通以規(guī)定數(shù)倍額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。從減少功耗和發(fā)熱的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該選擇通態(tài)電壓較小的晶閘管。(7)維持電流 IH p在室溫和門極斷路時，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽極電流(8) 擎住電流 IL p晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時移去觸發(fā)信號之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽極電流。對于同一個晶閘管來說，通常擎住電

13、流IL約為維持電流IH的(24)倍。(9) 門極觸發(fā)電流IGTp在室溫且陽極電壓為6V直流電壓時，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。(10) 門極觸發(fā)電壓UGT p對應(yīng)于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過其峰值IGFM 和 UGFM。(11) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/ dt p在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導(dǎo)通。(12) 通態(tài)電流臨界上升率di / dt p在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的

14、最大上升率。在晶閘管開通時，如果電流上升過快，會使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。例1-1 兩個不同的電流波形(陰影斜線部分)如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A，試計(jì)算各波形下晶閘管的電流平均值Id1、Id2，電流有效值I1、I2 ， 并計(jì)算波形系數(shù)Kf1、Kf2。圖1-11 流過晶閘管的電流波形解：如圖所示的平均值和有效值可計(jì)算如下：A3 .33333. 0)(21m3/20md2ItdII67. 1222dfIIKA2 .27272. 0)(sin21m4/md1ItdtIIA4 .47477. 0)()sin(21m42m1ItdtIIA7 .55

15、31m2II74. 1111dfIIK思考思考1：如果晶閘管的額定電流是100A,考慮晶閘管的安全裕量,請問在以上的情況下, 允許流過的平均電流是多少?AIIAVTT15757. 1)(AKIIfTd2 .9074. 115711AKIIfTd9467. 115722思考思考2：如果考慮晶閘管的安全裕量, 請問在以上的情況下, 允許流過的平均電流是多少?6.6.晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件(1)快速晶閘管p快速晶閘管的關(guān)斷時間50s，常在較高頻率(400Hz)的整流、逆變和變頻等電路中使用，它的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同。目前國內(nèi)已能提供最大平均電流1200A、最高斷態(tài)電壓1500

16、 V的快速晶閘管系列，關(guān)斷時間與電壓有關(guān)，約為25s50s。(2)雙向晶閘管 雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性方面來說，都可以看成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。圖1-12 雙向晶閘管等效電路及符號圖1-13 雙向晶閘管的伏安特性p雙向晶閘管在第和第象限有 對稱的伏安特性。(3)逆導(dǎo)晶閘管p逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。p由于逆導(dǎo)晶閘管等效于反并聯(lián)的普通晶閘管和整流管，因此在使用時，使器件的數(shù)目減少、裝置體積縮小、重量減輕、價格降低和配線簡單，特別是消除了整流管的配線電感，使晶閘管承受的反向偏置時間增加。圖1-14 逆導(dǎo)

17、晶閘管的等效電路及伏安特性(4)光控晶閘管p光控晶閘管(Light Activated Thyristor)是利用一定波長的光照信號控制的開關(guān)器件。p光控晶閘管符號和等效電路p光控晶閘管的伏安特性圖1-15 光控晶閘管的符號及等效電路圖1-16 光控晶閘管的伏安特性1.2.3 1.2.3 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管GTOp可關(guān)斷晶閘管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，門極信號不僅能控制其導(dǎo)通，也能控制其關(guān)斷。1. 可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)pGTO的內(nèi)部包含著數(shù)百個共陽極的小GTO元，它們的門極和陰極分別并聯(lián)在一起，這是為了便于實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計(jì)。

18、p可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號圖1-17可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號2. 可關(guān)斷晶閘管的工作原理可關(guān)斷晶閘管的工作原理(1) 開通過程pGTO也可等效成兩個晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后回路增益1+2數(shù)值不同。晶閘管的回路增益1+2常為1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。這為門極負(fù)脈沖關(guān)斷陽極電流提供有利條件。(2) 關(guān)斷過程p當(dāng)GTO已處于通態(tài)時，對門極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成IG，相當(dāng)于將IC1的電流抽出，使晶體管N1P2N2的基極電流減小，使IC2和IK隨之減小，IC2減小又使IA和IC1減小，這是一個正反

19、饋過程。當(dāng)IC2和IC1的減小使1+21.6Ud， 電阻功率是 (1-27) )F( 10 2%) 1(047. 16-ddo2UIfikC)( ) 12(k2ddIUR)W( 800800dddRIUPP(5) 非線性電阻保護(hù)p非線性電阻具有近似穩(wěn)壓管的伏安特性，可把浪涌電壓限制在電力電子器件允許的電壓范圍；p常采用壓敏電阻實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，壓敏電阻是一種金屬氧化物的非線性電阻；p壓敏電阻具有正、反兩個方向相同但很陡的伏安特性正常工作時漏電流很小(微安級)，故損耗小。當(dāng)過壓時，可通過高達(dá)數(shù)千安的放電電流IY，因此抑制過壓的能力強(qiáng)。此外，它對浪涌電壓反應(yīng)快，體積小，是一種較好過壓保護(hù)器件。p缺點(diǎn)是

20、持續(xù)平均功率很小，如正常工作電壓超過它的額定值，則在很短時間內(nèi)就會燒毀圖1-66 壓敏電阻的伏安特性p由于壓敏電阻的正、反向特性對稱，因此單相電路只需一個，三相電路用3個，聯(lián)接成Y形或形 p壓敏電阻的主要參數(shù)： 額定電壓U1mA 指漏電流為1mA時的電壓值。 殘壓比UYU1mA UY為放電電流達(dá)規(guī)定值IY時的電壓。 允許的通流容量 指在規(guī)定的波形下(沖擊電流前沿10s，持續(xù)時間20s)允許通過的浪涌電流。圖1-67 壓敏電阻保護(hù)的接法1.5.2 1.5.2 變換器的過流保護(hù)變換器的過流保護(hù)1. 1. 引起過引起過流流的原因的原因p外部出現(xiàn)負(fù)載過載、交流電源電壓過高或過低、缺相時引起的電路過電流

21、 ；p電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、線路絕緣老化失效、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，引起的電路過電流 ；p控制電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動電路的故障或干擾信號的侵入引起的誤動作，引起的電路過電流；p配線等人為的錯誤引起的電路過電流。2. 2. 過流保護(hù)的方法過流保護(hù)的方法 圖1-68 過電流保護(hù)的方法 (1) 交流進(jìn)線電抗器，或采用漏抗大的整流變壓器，利用電抗限制短路電流。但正常工作時有較大的交流壓降。(2) 直流快速開關(guān)。對于大、中容量變換器，快速熔斷器的價格高且更換不方便。為避免過流時燒斷快速熔斷器，采用動作時間只2ms的直流快速開關(guān)，它可先于快速熔斷器動作而保護(hù)電力電子器件

22、。(3) 電流檢測裝置，過流時發(fā)出信號，過流信號一方面可以封鎖觸發(fā)電路，使變換器的故障電流迅速下降至零，從而有效抑制了電流。另一方面控制過電繼電器，使交流接觸器觸點(diǎn)跳開，切斷電源。但過流繼電器和交流接觸器動作都需一定時間(100200ms)。故只有電流不大的情況這種保護(hù)才能奏效。(4) 快速熔斷器p在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過流保護(hù)措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。p交流側(cè)接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護(hù) 作用較差。p直流側(cè)接快速熔斷器只 對負(fù)載短路起保護(hù)作用， 對元件無保護(hù)作

23、用。只 有晶閘管直接串接快速 熔斷器才對元件的保護(hù) 作用最好。 圖1-69 快速熔斷器在電路中的接法 曲線1是額定電流300A的快速熔斷器的安秒特性，表明當(dāng)流過快速熔斷器的電流大于額定電流后，電流越大，熔斷時間越短；在額定電流以下時，可以長期工作。曲線2是額定電流200A的晶閘管的安秒特性。在交點(diǎn)A左側(cè)，快速熔斷器的熔斷時間小于晶閘管燒毀的時間，所以快速熔斷器可以起到保護(hù)晶閘管的作用。在交點(diǎn)A右側(cè)，晶閘管燒毀的時間小于快速熔斷器的熔斷時間，即快速熔斷器保護(hù)不了晶閘管。因此快速熔斷器適用于短路過流保護(hù)，而不適宜過載保護(hù)。 圖1-70 快速熔斷器和晶閘管的安秒特性p與晶閘管串聯(lián)的快速熔斷器的選用原

24、則： 快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓有效值。 快速熔斷器熔體的額定電流IKR是指電流有效值，晶閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值。選用時要求 (1-28) 式中 IT(AV)晶閘管通態(tài)電流平均值IKR快速熔斷器的熔體額定電流IT流過晶閘管的電流有效值 熔斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。q一般裝置中多采用過流信號控制觸發(fā)脈沖的方法抑制過流，再配合采用快熔，使快熔作為過流保護(hù)的最后措施?？烊圻m用于短路保護(hù)!TKRT(AV)57. 1III1. 電壓上升率電壓上升率dudt 的限制的限制(1) 產(chǎn)生電壓上升率dudt的原因 由電網(wǎng)侵入的過電壓。 由于電力電子器件換

25、相時產(chǎn)生的dudt(2) 電壓上升率du/dt的限制方法 阻容保護(hù)線路同串接的電感一起在出現(xiàn)電壓突變時，能起到限制電壓上升率du/dt 的作用。 變換器交流側(cè)如有整流變壓器和阻容保護(hù)電路，則變壓器漏感和阻容電路同樣能起到衰減侵入過電壓，減小過電壓上升率的作用。 在無整流變壓器的變換器中，則應(yīng)在電源輸入端串入交流進(jìn)線電感LT，配合阻容吸收裝置對du/dt進(jìn)行抑制。圖1-71 晶閘管電壓上升率的簡化等效電路2. 電流上升率電流上升率didt的限制的限制(1) 變換器中產(chǎn)生過大的didt 的原因p電力電子器件從阻斷到導(dǎo)通的電流增長過快。p交流側(cè)電抗小或交、直流側(cè)阻容吸收裝置電容量太大，當(dāng)電力電子器件

26、導(dǎo)通時，流過過大的附加電容的充、放電電流。p與電力電子器件并聯(lián)的緩沖保護(hù)電路在晶閘管開通時的放電電流。(2) 電流上升率di/dt的限制方法p上述的電力電子器件橋臂串聯(lián)的電感Lk和交流進(jìn)線側(cè)的串聯(lián)進(jìn)線電感LT(或整流變壓器的漏感)都能同時起到限制didt的作用。在交流側(cè)采用圖所示的整流式阻容保護(hù)，使電容放電電流不經(jīng)過導(dǎo)通時的電力電子器件，亦能減小管子開通時的電流上升率。1.5.4 1.5.4 全控器件的過電壓及過電流保護(hù)全控器件的過電壓及過電流保護(hù) 1. 過電壓保護(hù)過電壓保護(hù)(1) 柵源間的過電壓保護(hù)p對于功率MOSFET和IGBT來說，如果柵源間的阻抗過高，則漏源間電壓的突變會引起極間電容耦

27、合到柵級而產(chǎn)生相當(dāng)高的UGS電壓過沖，這一電壓會引起柵極氧化層永久性損壞。如果是正方向的UGS瞬態(tài)電壓還會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。采取的措施有： 為適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗，在柵源間并接阻尼電阻。 有些型號的功率MOSFET和IGBT內(nèi)部輸入端接有齊納保護(hù)二極管。 (2) 集射極或漏源極的過電壓保護(hù)p電路中有感性負(fù)載，或回路中有等效電感時，則當(dāng)器件關(guān)斷時，電流的突變會產(chǎn)生比電源電壓還高得多的集射極或漏源極的電壓過沖，導(dǎo)致器件的損壞。p對GTO、BJT、MOSFET、IGBT應(yīng)采取前面介紹的穩(wěn)壓管鉗位，二極管RC鉗位或RCD緩沖電路等保護(hù)措施。 2. 2. 過電流保護(hù)過電流保護(hù)p自關(guān)斷電力電子器件的

28、熱容量極小，過電流能力很低，其過流損壞在微秒級的時間內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于快速熔斷器的熔斷時間，所以諸如快速熔斷器之類的過電流保護(hù)方法對自關(guān)斷型電力電子器件來說是無用的。p為了使自關(guān)斷型器件組成的電力電子裝置安全運(yùn)行，保護(hù)的主要做法是：利用參數(shù)狀態(tài)識別對單個器件進(jìn)行保護(hù)；利用互鎖的辦法對橋臂中兩個器件進(jìn)行保護(hù)；利用電流檢測等辦法進(jìn)行保護(hù)。(1) 電壓狀態(tài)識別保護(hù)p當(dāng)BJT、GTO、IGBT等電力電子器件處于過載或短路故障狀態(tài)時,隨著集電極電流或陽極電流的增加,其集射極電壓UCE或陽極陰極的電壓UAK均發(fā)生相應(yīng)變化, BJT的基射極電壓UBE也發(fā)生變化，可利用這一特點(diǎn)對BJT等自關(guān)斷器件進(jìn)行過載和短路保護(hù)

29、。p基極電壓狀態(tài)識別保護(hù) 在基極電流和結(jié)溫一定時，UBE隨IC正比變化，其關(guān)系曲線如圖所示，BJT的基極電壓UBE與基準(zhǔn)值電壓UR 通過比較器進(jìn)行比較，正常工作條件 下：UBEUR，比較器輸出低電平保證 驅(qū)動管V的導(dǎo)通，一旦UBEUR，比較 器輸出 高電平使驅(qū)動管V截止，阻斷了 BJT的驅(qū)動信號，關(guān)斷已經(jīng)過流的BJT。p集射極電壓狀態(tài)識別保護(hù)電路 檢測UCE也可達(dá)到過電流保護(hù)的目的， 集射極電壓UCE與IC的關(guān)系曲線如圖 所示 圖1-72 監(jiān)測基極電壓狀態(tài)識別保護(hù)電路圖1-73 監(jiān)測集射極電壓狀態(tài)識別保護(hù)電路(2) 橋臂互鎖保護(hù)p逆變器運(yùn)行時，同一橋臂的兩個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通，由于開關(guān)管有關(guān)斷

30、時間，只有確認(rèn)一個開關(guān)管關(guān)斷后，另一個開關(guān)管才能導(dǎo)通。為防止同一橋臂的兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通，應(yīng)該設(shè)置橋臂互鎖時間，防止橋臂短路故障。橋臂互鎖時間的長短與開關(guān)管的關(guān)斷時間相關(guān)。 (3) 過飽和保護(hù)pBJT的二次擊穿多由于BJT工作于過飽和狀態(tài)引起的，而基極驅(qū)動引起的過飽和使BJT的存儲時間不必要地加長，直接影響著BJT的開關(guān)頻率，所以BJT的過飽和保護(hù)對它的安全可靠工作有著極其重要的作用。通常過飽和保護(hù)可根據(jù)被驅(qū)動BJT的基射極電壓降的高低來自動調(diào)節(jié)基極驅(qū)動電流的大小，構(gòu)成準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動電路來完成。GTO、IGBT在過飽和時也會使關(guān)斷時間增大，造成關(guān)斷損耗增大的問題，也可以采用準(zhǔn)飽和驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)過

31、飽和保護(hù) 。3. 3. 靜電保護(hù)靜電保護(hù) 功率MOSFET和IGBT的柵極絕緣的氧化層很薄，在靜電較強(qiáng)的場合，容易引起靜電擊穿，造成柵源短路。此外，靜電擊穿電流易將柵源的金屬化薄膜鋁熔化，造成柵極或源極開路。故應(yīng)采取如下措施：p應(yīng)存放在防靜電包裝袋、導(dǎo)電材料包裝袋或金屬容器中，不能放在塑料袋或紙袋中。取用器件時，應(yīng)拿器件管殼，而不要拿引線。p將開關(guān)管接入電路時，工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時電烙鐵功率應(yīng)不超過25W，最好是用內(nèi)熱式烙鐵，先焊柵極，后焊漏極與源極或集電極和發(fā)射極，最好使用12V24V的低電壓烙鐵，且前端作為接地點(diǎn)。p在測試開關(guān)管時，測量儀器和工作臺都必須良好接地，并盡量減少相

32、同儀器的使用次數(shù)和使用時間，開關(guān)管的三個電極未全部接入測試儀器或電路前，不要施加電壓。 1.6 電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù) p盡管電力電子器件的電流容量和電壓等級在不斷提高，但仍然不能滿足大容量整機(jī)應(yīng)用的要求，需要串聯(lián)使用以提高它們的電壓等級或并聯(lián)使用以提高它們的電流容量。1.6.1 1.6.1 晶閘管的串并聯(lián)晶閘管的串并聯(lián)1. 1. 晶閘管的串聯(lián)連接晶閘管的串聯(lián)連接圖1-74 晶閘管串聯(lián)后的反向電壓（1）靜態(tài)均壓 由于串聯(lián)各器件的正向(或反向)阻斷特性不同，但在電路中卻流過相等的漏電流，因而各器件所承受的電壓是不同的。p選用特性比較一致的器件進(jìn)行串聯(lián)p給每個晶閘管并聯(lián)均壓電阻Rj。如果均壓電阻

33、Rj大大小于晶閘管的漏電阻，則電壓分配主要決 定于Rj，但如Rj過小，則會 造成Rj上損耗增大，因此要 綜合考慮。（2） 動態(tài)均壓p晶閘管在開通和關(guān)斷的過程中，由于各器件的開通時間和關(guān)斷時間等參數(shù)不一致，而造成的動態(tài)不均壓問題。p晶閘管在開關(guān)過程中瞬時電壓的分配決定于各晶閘管的結(jié)電容導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間等差別，為了使開關(guān)過程中的電壓分配均勻，減小電容C對晶閘管放電造成過大的di/dt，還應(yīng)在電容C支路中串聯(lián)電阻R。晶閘管串聯(lián)連接時p應(yīng)盡可能選擇參數(shù)比較接近的晶閘管 串聯(lián)，串聯(lián)的各晶閘管開通時間之差 要??；p要求門極觸發(fā)脈沖的前沿要陡，觸發(fā) 脈沖的電流要大，使晶閘管的開通時 間短，趨于一致。 圖1

34、-75 晶閘管串聯(lián)均壓電路p由于晶閘管制造工藝的改進(jìn)，器件的電壓等級不斷提高，因此要求晶閘管串聯(lián)連接的情況會逐步減少。p器件串聯(lián)后，必須降低電壓的額定值使用，串聯(lián)后選擇晶閘管的額定電壓為 (1-30)式中 Um作用于串聯(lián)器件上的峰值電壓 ns串聯(lián)器件個數(shù)MTNs(2.2 3.8)UUn2. 2. 晶閘管的并聯(lián)連接晶閘管的并聯(lián)連接p串聯(lián)電阻法p由于串聯(lián)電阻增大損耗，對電力電子器件而言無實(shí)用價值。p串聯(lián)電抗法用一個均流電抗器(鐵心上帶有兩個相同的線圈)接在兩個并聯(lián)的晶閘管電路中。但因鐵心笨重，線圈繞制不便，在并聯(lián)支路數(shù)很多時，線路的配置就較復(fù)雜了。圖1-76 晶閘管并并聯(lián)時的電流分配圖1-77 晶

35、閘管并聯(lián)均流電路p采用兩個耦合較好的空心電感，也可起到一定的均流效果。它的優(yōu)點(diǎn)是接線簡單，還有限制di/dt和du/dt的作用。由于空心電抗器的線圈都有電阻，因此實(shí)際上它是電阻串電感均流。p器件并聯(lián)后，必須降低電流的額定值使用，并聯(lián)后選擇晶閘管的額定電流為 (1-31) 式中 I允許過載時流過的總電流平均值 np并聯(lián)器件個數(shù)晶閘管并聯(lián)連接時p應(yīng)盡可能選擇參數(shù)比較接近的晶閘管進(jìn)行并聯(lián)；p觸發(fā)脈沖前沿要陡，電流要大，使各晶閘管開通時間之差要小。p適當(dāng)增大電感，可以減少各并聯(lián)支路中動態(tài)電流的偏差。p安裝時使各支路銅線長短相同，使各支路分布電感和導(dǎo)線電阻相近。p需要同時采取串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用

36、先串后并的方法T(AV)p(1.7 2.5)1.57IIn1.6.2 1.6.2 GTO的串并聯(lián)的串并聯(lián) pGTO的串聯(lián)連接的串聯(lián)連接GTO串聯(lián)時，采用與晶閘管相似的方法解決均壓問題。GTO的動態(tài)不均壓的過電壓產(chǎn)生于器件開通瞬間電壓的后沿和關(guān)斷瞬間電壓的前沿，精心設(shè)計(jì)門極控制電路，采用強(qiáng)觸發(fā)脈沖驅(qū)動，以消除動態(tài)不均壓的影響。pGTO串聯(lián)均壓電路2. GTO的并聯(lián)連接的并聯(lián)連接 一個GTO內(nèi)部就是由幾百個小GTO單元 并聯(lián)工作的，這就給多個GTO之間 的并聯(lián)工作創(chuàng)造了先天性的有利條件。圖1-78 GTO串聯(lián)均壓電路p GTO并聯(lián)均流電路pGTO并聯(lián)要解決的是在開通和關(guān)斷過程中產(chǎn)生的動態(tài)不均流問題

37、。隨結(jié)溫的上升，開通時間將縮短，而關(guān)斷時間卻有延長的趨勢，這就更加大了并聯(lián)工作的GTO1與 GTO2之間的開關(guān)時間差異，從而導(dǎo)致GTO 的開關(guān)損耗進(jìn)一步增大，溫度再增高，這樣繼續(xù)下去，惡性循環(huán)的結(jié)果就會燒壞器件。p除了嚴(yán)格挑選并聯(lián)工作的GTO通態(tài)電壓相等外，精心設(shè)計(jì)門極控制電路，采用強(qiáng)觸發(fā)脈沖驅(qū)動，力爭做到并聯(lián)的GTO同時開通和同時關(guān)斷。1.6.3 1.6.3 BJT的串并聯(lián)的串并聯(lián)1. BJT的串聯(lián)連接的串聯(lián)連接p由于BJT對過電壓敏感，通常BJT是不進(jìn)行串聯(lián)運(yùn)行的2. BJT的并聯(lián)連接的并聯(lián)連接p大電流BJT管芯中采用了若干小電流的BJT并聯(lián)，因此用并聯(lián)來增大BJT電流容量是比較常用的方法

38、。p當(dāng)負(fù)載電流比較小時，并聯(lián)的兩個管子的集電極電流分配是極不均勻的，但是隨著負(fù)載電流的增大，電流分配將大為改善。使用同一個廠家同一型號的管子，多管并聯(lián)時可以不采用負(fù)載均衡措施。開關(guān)過程中，BJT的負(fù)載分配是不均勻的，必須設(shè)計(jì)一種合適的電路，使它能夠在動態(tài)下自動保持并聯(lián)的管子的均衡負(fù)載能力。p單管自適應(yīng)驅(qū)動電路p多管自適應(yīng)驅(qū)動電路 通過二極管VDAS的自適應(yīng)作用，BJT總是能使基極電流自動和集電極電流相適應(yīng)圖1-80 多管自適應(yīng)驅(qū)動電路圖1-79 單管自適應(yīng)驅(qū)動電路1.6.4 1.6.4 功率功率MOSFET的串并聯(lián)的串并聯(lián)1. 功率功率MOSFET的串聯(lián)連接的串聯(lián)連接p一般來說，因功率MOSF

39、ET經(jīng)常工作在高頻開關(guān)電路中，常用的電阻與電容串并聯(lián)在解決動態(tài)均壓時，由于分布參數(shù)的影響，難以做到十分滿意，所以除非必要，通常不將它們串聯(lián)工作。2. 功率功率MOSFET的并聯(lián)連接的并聯(lián)連接p由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻是單極載流子承載的，具有正的電阻溫度系數(shù)。當(dāng)電流意外增大時，附加發(fā)熱使導(dǎo)通電阻自行增大，對電流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET對電流有一定的自限流能力，比較適合于并聯(lián)使用而不必采用并聯(lián)均流措施。1.6.5 1.6.5 IGBT的串并聯(lián)的串并聯(lián)1. IGBT的串聯(lián)連接的串聯(lián)連接p與BJT一樣，通常IGBT不串聯(lián)使用。2. IGBT的并聯(lián)連接的并聯(lián)連接 (1) 并聯(lián)時的注意事項(xiàng)p當(dāng)并聯(lián)使用時，使用同一等級UCES的模塊。p并聯(lián)時，各IGBT之間的IC