王云亮第三版第1章

1、第1章 電力電子器件主要內(nèi)容： 常用電力電子器件分類； 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)； 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； 常用電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù)。 1.1 引 言 電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)， 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)洹?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。 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小；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)、特性和主要參數(shù)1.2.1 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)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 P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)； 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和少數(shù)載流子漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡，決定空間電荷區(qū)的寬度，形成PN結(jié)； PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，二極管是一個正方向單向?qū)щ?、反方向?/p>

3、斷的電力電子器件。3. 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?，二極管正向?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。 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

4、。這一動態(tài)過程的時間，稱為正向恢復(fù)時間tfr。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 。 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di/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

5、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URR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；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；(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，則額定電流為 mIttdII1)(sin210mFR(3) 最大允許的全周期均方根正向電流IFrms二極管流過半波正弦電流的平均值為IFR時，與其

6、發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流IFrms 由式(1-1)和(1-2)可得 (4) 最大允許非重復(fù)浪涌電流IFSM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 晶閘管及派生器件 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

7、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) 晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。結(jié)構(gòu)和雙晶體管模型3 3. . 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理IGIB2IC2(IB1)IC1晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個條件：應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓。應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。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現(xiàn)。4. 4. 晶閘管的特性晶閘管的特性(1) 晶閘管的伏

8、安特性 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。晶閘管的伏安特性(3) 晶閘管的開關(guān)特性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普通晶閘管的導(dǎo)通時間約為幾微妙。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=trr+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

9、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；p普通晶閘管的關(guān)斷時間約為幾十至幾百微妙。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) 在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定冷卻條件下

10、，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。 晶閘管流過正弦半波電流波形 如圖所示 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： 正弦半波電流的有效值為： )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(21ItdtII57. 1)T(AVTfIIK(5)浪涌電流 這是晶閘管所允

11、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)計保護(hù)電路。(6)通態(tài)電壓UTM 晶閘管通以規(guī)定倍數(shù)的額定通態(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 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 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，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(24)倍。(9) 門極觸發(fā)電流IGT 在室溫且陽

12、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 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 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 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

13、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 ， 并計算波形系數(shù)Kf1、Kf2。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算如下：A3 .33333. 0)(21m3/20md2ItdII67. 1222dfIIK74. 1111dfIIKA2 .27272. 0)(sin21m4/md1ItdtIIA4 .47477. 0)()sin(21m42m1ItdtIIA7 .5531m2II思考思考1：如果晶閘管的額定電流是100A,考慮晶閘管

14、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)(AKIIfTd9467. 115722AKIIfTd2 .9074. 115711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 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 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

15、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。 雙向晶閘管在第和第象限有對稱的伏安特性。雙向晶閘管等效電路及符號雙向晶閘管的伏安特性(3)逆導(dǎo)晶閘管 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。 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。逆導(dǎo)晶閘管的等效電路及伏安特性(4)光控晶閘管 光控晶閘管(Light Activated Thyristor)是利用一定波長的光照信

16、號控制的開關(guān)器件。 光控晶閘管符號和等效電路 光控晶閘管的伏安特性光控晶閘管的符號及等效電路光控晶閘管的伏安特性1.2.3 可關(guān)斷晶閘管GTO 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) GTO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，這是為了便于實現(xiàn)門極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計。 可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號可關(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 GTO也可等效成兩個晶體管P1N1P2和

17、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 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，這是一個正反饋過程。 當(dāng)IC2和IC1的減小使1+21時，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿足維持導(dǎo)通條件，陽極電流下降到零而關(guān)斷。 由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的

18、方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關(guān)斷。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法不能使其關(guān)斷。3.3.可關(guān)斷晶閘管的特性可關(guān)斷晶閘管的特性(1) GTO的陽極伏安特性 GTO的陽極伏安特性 (2) GTO的開通特性 開通時間ton由延遲時間td和上升時間tr組成。 GTO的延遲時間一般為1-2s，上升時間隨著陽極電流的增大而增大。(3) GTO的關(guān)斷特性 關(guān)斷過程toff由儲存時間ts、下降時間tf、尾部時間tt組成。 GTO的儲存時間隨著陽極電流的增大而增大，下降時間一般為2s。GTO的開關(guān)特性 4. 4. 可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)GTO有許多參數(shù)與晶閘管相同

19、，這里只介紹一些與晶閘管不同的參數(shù)。(1) 最大可關(guān)斷陽極電流IATO 電流過大時1+2稍大于1的條件可能被破壞，使器件飽和程度加深，導(dǎo)致門極關(guān)斷失敗。(2) 關(guān)斷增益off GTO的關(guān)斷增益off為最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IgM之比off通常只有5左右。1.2.4 雙極型功率晶體管1. 1. 雙極型功率晶體管的結(jié)構(gòu)雙極型功率晶體管的結(jié)構(gòu) BJT的結(jié)構(gòu)和符號 2. 2. 雙極型功率晶體管的工作原理雙極型功率晶體管的工作原理 與三極管的工作原理相同 單個BJT電流增益較低，驅(qū)動時需要較大的驅(qū)動電流，為了提高電流增益，常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。達(dá)林頓晶體管3.3.雙極型功率晶體管的特性

20、雙極型功率晶體管的特性(1) BJT的輸出特性BJT的輸出特性開通過程 延遲時間td 上升時間tr 開通時間ton ton=td+tr關(guān)斷過程 儲存時間ts 下降時間tf 關(guān)斷時間toff toff=ts+tfBJT的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間都是幾微妙。BJT的開關(guān)響應(yīng)特性(2) BJT的開關(guān)特性(4) 雙極型功率晶體管的二次擊穿一次擊穿一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿 只要Ic不超過限度， BJT一般不會損壞，工作特性也不變二次擊穿二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點(diǎn)時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變4.

21、 4. 雙極型功率晶體管的主要參數(shù)雙極型功率晶體管的主要參數(shù)(1) 最高工作電壓 即最高集電極電壓的額定值。BJT的反向擊穿電壓決定管子承受外加電壓的上限，也是BJT的重要參數(shù)。UEBO是集電極開路時射基極間的擊穿電壓；UCBO是發(fā)射極開路時集基極間的擊穿電壓。UCEO 是基極開路時集電極-發(fā)射極之間的擊穿電壓，UCEO 在BJT產(chǎn)品目錄中作為電壓容量給出。（2）集電極最大電流ICM 即集電極允許流過的最大電流值。（3）最大功率損耗額定值PCM 即最高允許工作溫度下的耗散功率。（4）BJT的電流放大倍數(shù)值 定義為晶體管的集電極電流和基極電流之比。（5） BJT的反向電流 BJT的反向電流會消耗

22、一部分電源能量，會影響管子的穩(wěn)定性。常希望反向電流盡可能小。有ICBO、ICEO和IEBO。（6）最大允許結(jié)溫TJM 雙極型功率晶體管結(jié)溫過高時將導(dǎo)致熱擊穿而燒毀。是晶體管能正常工作的最高允許結(jié)溫。1.2.5 功率場效應(yīng)晶體管 根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。 根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型可分為N溝道和P溝道兩大類； 根據(jù)零柵壓時器件的導(dǎo)電狀態(tài)又可分為耗盡型和增強(qiáng)型兩類； 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型1. 1. 功率場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)功率場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) 功率MOSFET在特性上的優(yōu)越之處在于沒有熱電反饋引起的二次擊穿、輸入阻抗高、跨導(dǎo)的線性度好和工作頻率高

23、。功率場效應(yīng)晶體管VDMOS的結(jié)構(gòu)、符號2. 功率場效應(yīng)晶體管的工作原理功率場效應(yīng)晶體管的工作原理 當(dāng)柵源極電壓UGS0時，漏極下的P型區(qū)表面呈現(xiàn)空穴的堆積狀態(tài)，不可能出現(xiàn)反型層，無法溝通漏源。此時即使在漏源之間施加電壓也不會形成P區(qū)內(nèi)載流子的移動，即VMOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。我們把這種正常關(guān)斷型的MOSFET稱為增強(qiáng)型。 當(dāng)柵源極電壓UGS0且不夠充分時，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無法溝通漏源，此時VMOS管仍保持關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)柵源極電壓UGS超過UG(th)時，柵極下面的硅的表面從P型反型成N型，形成N型表面層并把源區(qū)和漏區(qū)聯(lián)系起來,從而把漏源溝通，使VMOS管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。通常把

24、導(dǎo)電的反型層稱作溝道。此時，漏源之間施加電壓，電子從源極通過溝道移動到漏極形成漏極電流ID。 3.3.功率場效應(yīng)晶體管的特性功率場效應(yīng)晶體管的特性(1) 功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性表示功率MOSFET的輸入柵源電壓UGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)移特性 表示功率MOSFET的放 大能力，與BJT中的電 流增益相仿，由于功率 MOSFET是電壓控制器 件，因此用跨導(dǎo)這一參 數(shù)來表示。功率場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性(2) 功率MOSFET的輸出特性 當(dāng)柵源電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏源電壓UDS間關(guān)系曲線稱為VMOSFET的輸出特性。只有當(dāng)柵源電壓UGS超過UG(th)時

25、，使MOSFET進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。柵源電壓UGS越大，漏極電流越大，可見漏極電流ID受柵源電壓 UGS的控制。輸出特性分為三個區(qū)域，可調(diào)電阻區(qū)、飽和區(qū)和雪崩區(qū)。 可調(diào)電阻區(qū)，器件的電阻值是變化的。當(dāng)柵源電壓UGS一定時，器件內(nèi)的溝道已經(jīng)形成，若漏源電壓UDS很小時，對溝道的影響可忽略，溝道的寬度和電子的遷移率幾乎不變，所以ID與UDS幾乎呈線性關(guān)系。 飽和區(qū)，當(dāng)UGS不變時，ID趨于不變。 雪崩區(qū)，當(dāng)UDS增大至使漏極PN結(jié)反偏電壓過高，發(fā)生雪崩擊穿，ID突然增加，此時進(jìn)入雪崩區(qū)，直至器件損壞。使用時應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。(3) 功率MOSFET的開關(guān)特性 開通特性 在tt0時，加?xùn)艠O電壓信號uGG

26、，通過RG對柵源電容CGS充電，柵極電流iG呈指數(shù)曲線下降，柵極電壓uGS呈指數(shù)曲線上升。 當(dāng)tt1時，uGSUG(th)，器件開始導(dǎo)通，隨著uGS增加，iD按指數(shù)曲線上升。當(dāng)tt2時，漏極電流上升到iDIo，此時，柵極電壓達(dá)到恒定值，uGSuGG，iG下降到接近0。 當(dāng)tt2時，柵極電流iG全部流入柵漏電容CGD，漏極電流iD使漏源極電容放電，直到t=t3，漏源極電壓達(dá)到由其通態(tài)電阻決定的最小值UDS(ON) 。 當(dāng)tt3時，漏源極電壓保持通態(tài)最小值UDS(ON) ，此時柵極電流iG繼續(xù)對CGD充電，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線上升，直到t4時刻，uGS達(dá)到uGG，iG0，器件進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。

27、關(guān)斷特性 在tt5時，柵極電壓信號uGG降到零，此時CGS和CGD通過RG放電，柵極電壓uGS呈指數(shù)曲線下降，柵極電流iG突變到負(fù)最大值后呈指數(shù)曲線下降， 在tt6時，柵極電壓uGS達(dá)到恒定值并保持，此時柵極電流iG全部從CGD中吸取，漏源極電壓uDS線性變化，當(dāng)tt7時，uDSuDD， 當(dāng)tt7時，柵極電流iG、柵極電壓uGS和漏極電流iD均呈指數(shù)曲線下降，當(dāng)tt8時， uGSUG(th)，漏極電流iD接近為零，MOSFET關(guān)斷。 當(dāng)tt8時，柵極電壓uGS繼續(xù)按指數(shù)曲線下降到零，此時柵極電流iG為零。當(dāng)t=t9時，漏極電流iD0。從脈沖電壓下降到零到漏極電流開始減小。uGS下降，iD減小，

28、到uGSUG(th)，溝道關(guān)斷，iD下降到零。功率場效應(yīng)晶體管的開關(guān)特性 開通時間從脈沖電壓的前沿到iD出現(xiàn)，這段時間用t10t1-t0表示，也稱為開通延遲時間td，從iD開始上升到iD達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所用時間用t21t2-t1表示，也稱為上升時間tr。 tontdtr關(guān)斷時間這段時間用t75t7-t5表示，也稱為關(guān)斷延時時間ts，這段時間用t97t9-t7表示，也稱為下降時間tf。 tofftstf4. 4. 功率場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)功率場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)（1）漏源擊穿電壓BUDS 該電壓決定了功率MOSFET的最高工作電壓。（2）柵源擊穿電壓BUGS 該電壓表征了功率MOSFET柵源之間能

29、承受的最高電壓。（3）漏極最大電流ID 表征功率MOSFET的電流容量。（4）開啟電壓UG(th) 又稱閾值電壓，它是指功率MOSFET流過一定量的漏極電流時的最小柵源電壓。(5) 通態(tài)電阻Ron 是指在確定的柵源電壓UGS下，功率MOSFET處于恒流區(qū)時的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。(6) 極間電容 是影響其開關(guān)速度的主要因素。其極間電容分為兩類；一類為CGS和CGD，它們由MOS結(jié)構(gòu)的絕緣層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；另一類是CDS，它由PN結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。1.2.6 絕緣柵雙極型晶體管IGBT絕緣柵雙極型晶體管

30、IGBT是80年代中期問世的一種新型復(fù)合電力電子器件，由于它兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗和BJT的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這幾年發(fā)展十分迅速。1. 絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)IGBT相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)BJT。從圖中我們還可以看到在集電極和發(fā)射極之間存在著一個寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。采用空穴旁路結(jié)構(gòu)并使發(fā)射區(qū)寬度微細(xì)化后可基本上克服寄生晶閘管的擎住作用。IGBT的低摻雜N漂移區(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。 當(dāng)UCE0時，J3PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。 當(dāng)UCE0時，分兩種情況： 若門極電壓UGE開啟電壓UG

31、(th)，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。 若門極電壓UGE開啟電壓UG(th)，IGBT正向?qū)?。IGBT的結(jié)構(gòu)、符號及等效電路2. 2. 絕緣柵雙極型晶體管的工作原理絕緣柵雙極型晶體管的工作原理(1) IGBT的伏安特性 伏安特性分3個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源放大區(qū)和飽和區(qū)。 當(dāng)UGEUG(th)，IGBT 工作于阻斷狀態(tài)。 當(dāng) UG E UG ( t h )， VMOS 溝道體區(qū)內(nèi)形成導(dǎo)電溝道， IGBT 進(jìn)人正向?qū)顟B(tài)。(2) IGBT的轉(zhuǎn)移特性 IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性3.3.絕緣柵雙極型晶體管的特性絕緣柵雙極型晶體管的特性 (3)開關(guān)特性IGBT的開關(guān)特性4. 絕緣柵雙極型晶體管的主要

32、參數(shù)絕緣柵雙極型晶體管的主要參數(shù)(1) 集射極額定電壓UCEO IGBT最大耐壓值。(2) 柵射極額定電壓UGES UGES是柵極的電壓控制信號額定值。只有柵射極電壓小于額定電壓值，才能使IGBT導(dǎo)通而不致?lián)p壞。(3) 柵射極開啟電壓UG(th) 使IGBT導(dǎo)通所需的最小柵-射極電壓,通常IGBT的開啟電壓UG(th)在3V5.5V之間。(4) 集電極額定電流IC 在額定的測試溫度(殼溫為25)條件下，IGBT所允許的集電極最大直流電流。(5) 集射極飽和電壓UCES IGBT在飽和導(dǎo)通時，通過額定電流的集射極電壓。通常IGBT的集射極飽和電壓在1.5V3V之間。1.3 電力電子器件的驅(qū)動電路

33、 驅(qū)動電路是電力電子器件與控制電路之間的環(huán)節(jié)，根據(jù)控制電路的輸入信號提供足夠的功率使電力電子器件在“斷開”與“導(dǎo)通”狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驅(qū)動電路應(yīng)該使電力電子器件快速的導(dǎo)通或關(guān)斷，并保持低開關(guān)損耗。驅(qū)動電路一般分為是單電源驅(qū)動還是雙電源驅(qū)動，是直接驅(qū)動還是隔離驅(qū)動。 電力電子器件的集成驅(qū)動電路由于具有和電力電子器件匹配好，具有過流保護(hù)功能而得到廣泛的應(yīng)用。1.3.1 晶閘管的門極驅(qū)動電路1.1.晶閘管對門極驅(qū)動電路的基本要求晶閘管對門極驅(qū)動電路的基本要求 驅(qū)動信號可以是交流、直流或脈沖，為了減小門極的損耗，驅(qū)動信號常采用脈沖形式。 驅(qū)動脈沖應(yīng)有足夠的功率。驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流應(yīng)大于晶閘管的門極觸發(fā)

34、電壓和門極觸發(fā)電流。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度和陡度。觸發(fā)脈沖的寬度一般應(yīng)保證晶閘管陽極電流在脈沖消失前能達(dá)到擎住電流，使晶閘管導(dǎo)通，這是最小的允許寬度。一般觸發(fā)脈沖前沿陡度大于10V/s或800mA/s。2.2.觸發(fā)電路的型式觸發(fā)電路的型式 控制電路應(yīng)該和主電路隔離，隔離可采用脈沖變壓器或光電耦合器。 基于脈沖變壓器Tr和晶體管放大器的驅(qū)動電路如圖所示，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平信號加至晶體管V1后，變壓器輸出電壓經(jīng)VD2輸出脈沖電流IG觸發(fā)SCR導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號為零后，VD1、R2續(xù)流，防止過壓。 變壓器原邊上面接的是強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)帶脈沖變壓器的驅(qū)動電路1.3.2 1.3.2 可關(guān)斷晶

35、閘管的門極驅(qū)動電路可關(guān)斷晶閘管的門極驅(qū)動電路1. 1. 對門極驅(qū)動信號的要求對門極驅(qū)動信號的要求p根據(jù)GTO的特性，在其門極加正的驅(qū)動電流，GTO將導(dǎo)通；要使GTO關(guān)斷，需要在其門極加很大的負(fù)電流。因此，通常采用不同回路實現(xiàn)GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷。p門極驅(qū)動信號要足夠大，脈沖前沿越陡越有利，而后沿平緩些好。正脈沖后沿太陡會產(chǎn)生負(fù)尖峰脈沖；負(fù)脈沖后沿太陡會產(chǎn)生正尖峰脈沖，會使剛剛關(guān)斷的GTO的耐壓和陽極承受的du/dt降低。2. 2. 門極驅(qū)動電路型式門極驅(qū)動電路型式（1）恒壓源關(guān)斷控制 晶體管V1控制GTO觸發(fā)導(dǎo)通；V2控制GTO關(guān)斷。關(guān)斷電源E2須小于GTO的門極反向電壓UGRM之值，否則會引起

36、GTO產(chǎn)生雪崩電流。（2）變壓源關(guān)斷控制p晶體管V通過電容C供給GTO觸發(fā)脈沖信號，GTO導(dǎo)通時，電容C充電。當(dāng)關(guān)斷信號加到可控硅SCR使其導(dǎo)通，電容C經(jīng)SCR放電，為GTO門陰極提供一個負(fù)脈沖電壓，從而關(guān)斷GTO。恒壓源關(guān)斷控制電路變壓源關(guān)斷控制電路1.3.3 雙極型功率晶體管的基極驅(qū)動電路1. BJT的驅(qū)動電路的重要性的驅(qū)動電路的重要性 驅(qū)動電路性能不好，輕則使BJT不能正常工作，重則導(dǎo)致BJT損壞。其特性是決定電流上升率和動態(tài)飽和壓降大小的重要因素之一。 增加基極驅(qū)動電流使電流上升率增大，使BJT飽和壓降降低，從而減小開通損耗。 過大的驅(qū)動電流，使BJT飽和過深，退出飽和時間越長，對開關(guān)

37、過程和減小關(guān)斷損耗越不利。 驅(qū)動電路是否具有快速保護(hù)功能，是決定BJT在過電壓或過電流后是否損壞的關(guān)鍵因素之一。2.BJT對基極驅(qū)動電路的基本要求對基極驅(qū)動電路的基本要求 BJT導(dǎo)通時，基極電流值在最大負(fù)載下應(yīng)維護(hù)BJT飽和導(dǎo)通，電流的上升率應(yīng)充分大，以減小開通時間。 BJT關(guān)斷時，反向注入的基極電流峰值及下降率應(yīng)充分大，以縮短關(guān)斷時間。 為防止關(guān)斷時的尾部效應(yīng)而導(dǎo)致BJT的損壞，驅(qū)動電路應(yīng)提供給基射結(jié)合適的反偏電壓，促使BJT快速關(guān)斷，防止二次擊穿。 BJT瞬時過載時，驅(qū)動電路應(yīng)能相應(yīng)地提供足夠大的驅(qū)動電流，保證BJT不因退出飽和區(qū)而損壞。 BJT導(dǎo)通過程中，如果BJT集射結(jié)承受電壓或流過它

38、的電流超過了設(shè)定的極限值，應(yīng)能自動切除BJT的基極驅(qū)動信號。為了提高工作速度，降低開關(guān)損耗，多采用抗飽和措施；為了確保器件使用安全，盡可能采用多種保護(hù)措施，為了使電路簡化，功能齊全，應(yīng)盡可能采用集成器件。3. BJT驅(qū)動電路的設(shè)計方法驅(qū)動電路的設(shè)計方法 BJT的基極驅(qū)動方式直接影響著它的工作狀態(tài)，可使某些參數(shù)和特性得到改善或是遭到損害，基極驅(qū)動電路的特性是決定集電極電流上升率di/dt和動態(tài)飽和壓降的重要因素，過驅(qū)動可以減小開通損耗，但對關(guān)斷過程不利，增加了關(guān)斷損耗。(1) 開通與通態(tài) 由于器件一般在100120的結(jié)點(diǎn)溫度下使用，考慮到溫度條件，則應(yīng)取比標(biāo)稱值低20%30%的數(shù)值?；鶚O電流應(yīng)盡

39、可能大，以便開通或關(guān)斷大的集電極電流。但基極電流過大會造成電路過飽和，增大了關(guān)斷時間，反而降低了承受破壞的能力。因此，應(yīng)限制基極電流過大。 在開通與通態(tài)的情況下，基極電流按下式取值： IB1=(1.52) ICmax/ (2) 關(guān)斷與斷態(tài) 在BJT的基極加入反向驅(qū)動電流，可加速其關(guān)斷，而且基射極的狀態(tài)會影響集射極承受電壓的能力。如果基射極被反偏置，可控制集射極的耐壓，也能防止由于噪聲引起的操作失誤和抑制du/dt產(chǎn)生的電流。 反向基極電流IB2較大，BJT的關(guān)斷時間縮短，但是IB2增大，浪涌電壓增大，反向偏置安全工作區(qū)變窄，確定IB2必須考濾到使用頻率、反向偏置安全工作區(qū)、存儲時間和下降時間。

40、由于浪涌電壓與IB2的大小和主電路的設(shè)置密切相關(guān) 實際應(yīng)通過實驗來確定IB2，IB2最大峰值為IB1的(23)倍。4.基極驅(qū)動電路的基本型式基極驅(qū)動電路的基本型式（1）固定反偏驅(qū)動電路 為了減小存儲時間加速BJT關(guān)斷，常用截止反偏驅(qū)動以迅速抽出基區(qū)的過剩載流子。晶體管V1及V2導(dǎo)通，正電源+VCC經(jīng)過電阻R3及V2向BJT提供正向基極電流，使BJT導(dǎo)通。當(dāng)ui為低電平時，V1及V2截止而V3導(dǎo)通，負(fù)電源-VCC加于BJT的發(fā)射結(jié)上，BJT基區(qū)中的過剩載流子被迅速抽出，BJT迅速關(guān)斷。 固定反偏驅(qū)動電路 （2）恒流驅(qū)動電路 “恒流驅(qū)動”是指BJT的基極電流保持恒定，恒流驅(qū)動使空載時飽和深度加劇，

41、存儲時間大。為了克服上述弊端常需采用其他輔助措施。 抗飽和貝克箝位電路 將多余的基極電流從集電極引出，使BJT在不同集電極電流情況下都處于飽和狀態(tài)，使集電結(jié)處于零偏置或輕微正向偏置的狀態(tài)。圖中VD1、VD2為抗飽和二極管，VD3為反向基極電流提供回路。輕載時，當(dāng)BJT飽和深度加劇而使UCE減小時，A點(diǎn)電位高于集電極電位，使流過二極管VD1的基極電流IB減小，從而減小了BJT的飽和深度?？癸柡拓惪梭槲浑娐?.3.4 功率MOSFET、IGBT的柵極驅(qū)動電路1.1.對柵極驅(qū)動電路的要求對柵極驅(qū)動電路的要求 能向柵極提供需要的柵壓，以保證功率MOSFET、IGBT可靠開通和關(guān)斷，所以觸發(fā)脈沖要具有足

42、夠快的上升和下降速度，即脈沖前、后沿要求陡峭。 減小驅(qū)動電路的輸出電阻，以提高柵極充、放電速度，從而提高功率MOSFET、IGBT的開關(guān)速度。 為了使功率MOSFET、IGBT可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在功率MOSFET、IGBT截止時，最好能提供負(fù)的柵源電壓。 功率MOSFET、IGBT開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充、放電電流。 驅(qū)動電源必須并聯(lián)旁路電容，它不僅濾除噪聲，也用于給負(fù)載提供瞬時電流，加快功率MOSFET的開關(guān)速度。2.功率功率MOSFET、IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動電路 功率MOSFET與IGBT的是電壓型控制器件，其驅(qū)動電路比較簡單，如圖1-4

43、5所示。為加快開關(guān)時間，應(yīng)減小柵極電阻。 日本三菱公司M57962AL是為驅(qū)動IGBT而設(shè)計的厚膜集成電路，其內(nèi)有2500V隔離電壓光電耦合器，具有短路保護(hù)功能。M57962A L主要特點(diǎn)有：高速輸入輸出隔離，輸入輸出電平與TTL電平兼容，內(nèi)部有定時邏輯短路保護(hù)電路，同時具有延時保護(hù)特性，具有可靠通斷措施（采用雙電源），可以驅(qū)動600A / 600V或400A/1200V的IGBT模塊。驅(qū)動電路 M57962AL主要引腳功能是：引腳13和引腳14為控制信號輸入端，引腳5為驅(qū)動信號輸出端，引腳4和引腳6分別接正電源+E1和負(fù)電源-E1，引腳8為故障信號輸出。1.3.5 全控器件的過電壓及過電流保

44、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) 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) 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。 對GTO、BJT

45、、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) 自關(guān)斷電力電子器件的熱容量極小，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。 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) 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

46、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)。 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)斷將要過流的BJT。 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 監(jiān)測基極電壓狀態(tài)識別保護(hù)電路監(jiān)測

47、集射極電壓狀態(tài)識別保護(hù)電路(2) 橋臂互鎖保護(hù) 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) BJT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

48、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)動電路實現(xiàn)過飽和保護(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： 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。 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

49、好使用12V24V的低電壓烙鐵，且前端作為接地點(diǎn)。 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。 1.4 電力電子器件的緩沖電路1.4.1 緩沖電路的作用 電力電子器件的PN結(jié)在工作時，都有多數(shù)載流子存儲。這些載流子的存儲電荷為QS，在PN結(jié)進(jìn)行換向時，具有電感的電路中可能產(chǎn)生很大的過電壓US=Ldi/dt，當(dāng)此過電壓施加在器件的PN結(jié)上時，如果不加以吸收，這個過電壓就可能擊穿PN結(jié)而損壞器件。 附加各種緩沖電路，目的不僅是降低浪涌電壓、du/dt和di/dt,還希望能減少器件的開關(guān)損耗、避免

50、器件損壞和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。 圖1-49所示的未加緩沖電路時電力電子器件的開關(guān)波形，在開通和關(guān)斷過程中的某一時刻，會出現(xiàn)開關(guān)管端電壓和開關(guān)管電流同時達(dá)到最大值的情況，這時瞬時開關(guān)損耗也最大。其開關(guān)過程的負(fù)載線軌跡如圖1-56的虛線所示。 如圖1-50所示的復(fù)合緩沖電路，其中電感LS提供開通緩沖電路的作用，減少電力電子器件的di/dt及開通損耗；電容CS和二極管VDS組成有極性的關(guān)斷緩沖電路，減少電力電子器件的du/dt及關(guān)斷損耗，電阻RS提供放電回路，避免了開關(guān)管端電壓和開關(guān)管電流同時出現(xiàn)最大值的情況。電力電子器件的開關(guān)波形 開關(guān)過程的負(fù)載線軌跡 緩沖電路p其負(fù)載線軌跡如圖1-5

51、0的實線所示，p緩沖電路所以能夠減小開關(guān)器件的開關(guān)損耗，是因為把開關(guān)損耗由器件本身轉(zhuǎn)移至緩沖電路內(nèi)；p根據(jù)這些被轉(zhuǎn)移的能量如何處理、怎樣消耗掉，引出了兩類緩沖電路：一類是耗能式緩沖電路，即轉(zhuǎn)移至緩沖器的開關(guān)損耗能量消耗在電阻上，這種電路簡單，但效率低；另一類是饋能式緩沖電路，即將轉(zhuǎn)移至緩沖器的開關(guān)損耗能量以適當(dāng)?shù)姆绞皆偬峁┙o負(fù)載或回饋給供電電源，這種電路效率高但電路復(fù)雜。1.4.2 緩沖電路的類型1. 1. 耗能式緩沖電路耗能式緩沖電路(1) RC關(guān)斷緩沖電路 在晶閘管的陽極和陰極并聯(lián)RC緩沖電路，用來防止 晶閘管兩端過大的du/dt造成晶閘管的誤觸發(fā)，其中 電阻RS能減小晶閘管開通時電容CS

52、的放電電流。 (2) RCD關(guān)斷緩沖電路 CS將吸收電路中產(chǎn)生的過電壓。 開關(guān)管導(dǎo)通，電容CS有很大的放電電流流過開關(guān)管，在電容器上串聯(lián)一個吸收電阻RS限制放電電流。 在吸收電阻RS的兩端又并聯(lián)了二極管VDS，這樣在吸收過電壓時不經(jīng)過RS，以加快對過電壓的吸收，而電容CS只能通過電阻RS放電，這樣就可以衰減放電電流以保護(hù)開關(guān)管。 晶閘管RC緩沖電路 RCD關(guān)斷緩沖電路(3) 母線吸收式緩沖電路 RCD組成的關(guān)斷緩沖電路雖具有較明顯的抑制du/dt的作用，但電阻R的功耗很大，既造成散熱困難，又影響了系統(tǒng)的效率。數(shù)個開關(guān)管共用一個母線吸收式緩沖電路的方案既具有抑制du/dt的作用，又可大大降低電阻

53、R的功耗，其緩沖電路如圖所示。(4) 開通緩沖電路 開關(guān)管開通時穩(wěn)態(tài)電流值越大，開通時間越短，則di/dt越大。母線吸收式緩沖電路 為了限制di/dt的大小，常采用串聯(lián)電感的方法，開通緩沖電路由電感LS和二極管VDS組成，與開關(guān)管串聯(lián)，在開關(guān)管開通過程中，電感LS限制電流的上升率di/dt；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，儲存在電感LS中的能量通過二極管VDS的續(xù)流作用而消耗在VDS和電感本身的電阻上。(5) 復(fù)合緩沖電路 當(dāng)開關(guān)管開通時，LS限制電流上升率di/dt，而緩沖電容中的能量經(jīng)CS、RS和LS回路放電，也減少了開關(guān)管承受的電流上升率di/dt。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，由于CS、VDS限制了開關(guān)管兩端的電壓

54、上升率du/dt。開通緩沖電路復(fù)合緩沖電路2. 2. 饋能式緩沖電路饋能式緩沖電路 將儲能元件中的儲能通過適當(dāng)?shù)姆绞交仞伣o負(fù)載或電源，可以提高裝置的效率。在饋能過程中，由于采用的元件不同，又可分為無源和有源兩種方式。 無源饋能式能量的回饋主要由C0和VDC來實現(xiàn)，C0稱為轉(zhuǎn)移電容，VDC稱為回饋二極管。在開關(guān)管關(guān)斷時，緩沖電容器CS充電至電源電壓VCC，在開關(guān)管下一次開通時，負(fù)載電流從續(xù)流二極管VDf轉(zhuǎn)移至開關(guān)管；同時電容CS上的電壓轉(zhuǎn)移至電容C0上。當(dāng)開關(guān)管再次關(guān)斷時，電容CS再次充電，而電容C0向負(fù)載放電，能量得到回饋。 饋能式復(fù)合緩沖電路1.4.3 緩沖電路元件的選擇 增加緩沖電容CS，

55、可以有效的抑制過電壓，但抑制過電壓，不宜采用過分增大CS的方法，增大CS會增加整體損耗。 緩沖電路元器件的參數(shù)選擇不當(dāng)，或連線過長造成分布電感LS過大等，也可能產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓。因此盡量減小連接線的分布電感LS,這就意味著要盡可能縮短二極管VDS、電容器CS和開關(guān)管的連線長度。 要求二極管VDS能快速開通、反向恢復(fù)時間trr短和反向恢復(fù)電荷Qr盡量小，吸收電路中的CS和RS應(yīng)當(dāng)是無感元件，以盡可能減小吸收電路的雜散分布電感LS。例如RS不應(yīng)選用線繞式的，而應(yīng)是涂膜工藝制作的無感電阻，電容CS應(yīng)選用低串聯(lián)電阻、電感小且頻率特性好的電容。1.5 電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù) 盡管電力電子器件的電流容量

56、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。圖1-74 晶閘管串聯(lián)后的反向電壓1. 晶閘管的串聯(lián)連接（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。1.5.1 晶閘管的串并聯(lián)（2） 動態(tài)均壓 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

57、一致，而造成的動態(tài)不均壓問題。 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 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 要小； 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。 晶閘管串聯(lián)均壓電路 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。 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 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（1）串聯(lián)電阻法由于串聯(lián)電阻增大損耗，對電力電子器件而言無實用價值。（2）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。 晶閘管并并聯(lián)時的電流分配 晶閘管并聯(lián)均流電路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，因此實際上它是電阻串電感均流。器件并聯(lián)后