電力電子器件58441PPT課件

1、電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征主電路中元部件要承受較高的電壓、通過(guò)較大的電流。直接用于主電路中實(shí)現(xiàn)電能變換或控制的電子器件稱為電力電子器件電力電子器件。電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路被稱為 主電路主電路。第1頁(yè)/共88頁(yè)與信息處理用電子器件相比，電力電子器件的一般具有如下特征：2-1-1 2-1-1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)。電力電子器件能承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)。如晶閘管：12000V/1000A1) 能處理的電功率較大第2頁(yè)/共88頁(yè)電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概

2、念與特征 2) 2) 電力電子器件一般工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)電力電子器件一般工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以減少器件自身?yè)p耗，提高系統(tǒng)工作可靠性與工作效率。電力電子器件導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，管壓降接近于零，相當(dāng)于短路，而電流由外電路決定。電力電子器件阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，電流幾乎為零，相當(dāng)于斷路，而管子兩端電壓由外電路決定。第3頁(yè)/共88頁(yè)電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征信息電子電路給出開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換的控制信息決定電力電子器件何時(shí)開(kāi)通、何時(shí)關(guān)斷 3) 3) 電力電子器件常采用信息電子電路進(jìn)行控制4) 4) 對(duì)電力電子器件通常采取一定保護(hù)措施電力電子器件通

3、常價(jià)格昂貴，同時(shí)電力電子器件直接用于處理電能的主電路中，器件的損壞將導(dǎo)致整個(gè)電氣設(shè)備或系統(tǒng)工作崩潰，從而會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失，因此，要采取一定措施保證電力電子器件可靠工作。第4頁(yè)/共88頁(yè)電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征 電力電子器件的應(yīng)用系統(tǒng)通常包括： 以電力電子器件為核心的主電路 對(duì)主電路狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)電路 確定電力電子器件開(kāi)關(guān)控制信息的控制電路 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路 電力電子器件的保護(hù)電路第5頁(yè)/共88頁(yè)電力電子器件的分類電力電子器件的分類 根據(jù)器件開(kāi)關(guān)控制能力分類根據(jù)器件參與導(dǎo)電的載流子類型分類根據(jù)器件制造材料分類不可控器件二極管 半控型器件晶閘管全控型器件如IGBT單

4、極型如MOSFET雙極型如GTR復(fù)合型如IGBT硅半導(dǎo)體器件,目前使用碳化硅器件 第6頁(yè)/共88頁(yè)電力電子器件的主要技術(shù)指標(biāo)電力電子器件的主要技術(shù)指標(biāo) 主要關(guān)注電氣容量、開(kāi)關(guān)特性、控制特性、熱特性等指標(biāo)。電氣容量指標(biāo):額定電壓、額定電流等 開(kāi)關(guān)特性主要描述器件從導(dǎo)通到關(guān)斷或從關(guān)斷到導(dǎo)通時(shí)器件的電壓、電流隨時(shí)間變化的特性。如開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間等 第7頁(yè)/共88頁(yè)電力電子器件的主要技術(shù)指標(biāo)電力電子器件的主要技術(shù)指標(biāo)控制特性指標(biāo)描述可控器件開(kāi)通與關(guān)斷條件及其對(duì)控制信號(hào)的要求。如驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流等指標(biāo)。熱特性主要描述器件損耗導(dǎo)致器件溫升的特性。如最高結(jié)溫、熱阻等指標(biāo)。 要使器件能在電路系統(tǒng)中可靠工作

5、，器件的應(yīng)用狀況必須符合器件技術(shù)指標(biāo)所限定的條件。 返回第8頁(yè)/共88頁(yè)2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 1二極管是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體元件2二極管的基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?電力二極管的容量很大4分為普通整流二極管，快速二極管等類第9頁(yè)/共88頁(yè)電力二極管的主要特性電力二極管的主要特性 1 靜態(tài)特性 穩(wěn)態(tài)時(shí)陽(yáng)極電流與其陽(yáng)極陰極間電壓的關(guān)系.UB：雪崩擊穿電壓UTO：門檻電壓，UFUTO時(shí)二極管導(dǎo)通額定運(yùn)行時(shí) UF*IF決定通態(tài)損耗第10頁(yè)/共88頁(yè)電力二極管的主要特性電力二極管的主要特性 2 動(dòng)態(tài)特性-開(kāi)通特性 反映器件在通態(tài)、斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程中電流、電壓隨時(shí)間變化的

6、特性，通常也稱為開(kāi)關(guān)特性二極管承受正向電壓時(shí),電流經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,這個(gè)時(shí)間tfr就是正向恢復(fù)時(shí)間,或稱開(kāi)通時(shí)間。第11頁(yè)/共88頁(yè)電力二極管的主要特性電力二極管的主要特性 2 動(dòng)態(tài)特性-關(guān)斷特性 第12頁(yè)/共88頁(yè)電力二極管的主要特性電力二極管的主要特性 2 動(dòng)態(tài)特性-關(guān)斷特性 第13頁(yè)/共88頁(yè)2-2-3 2-2-3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流IF（AV）指在規(guī)定的散熱條件與管殼溫度下，二極管長(zhǎng)期運(yùn)行所容許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱器件額定電流的參數(shù)。 2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM URRM通常規(guī)定為雪崩擊穿電壓的2/3。應(yīng)用中所選二

7、極管的反向重復(fù)峰值電壓應(yīng)為該二極管實(shí)際承受的反向電壓峰值的23倍。第14頁(yè)/共88頁(yè)2-2-3 2-2-3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)3) 正向壓降UF4) 反向恢復(fù)時(shí)間trr 一般稱反向恢復(fù)時(shí)間在5微秒以上的二極管為普通二極管，反向恢復(fù)時(shí)間在5微秒以下的二極管為快恢復(fù)二極管。普通二極管多用于開(kāi)關(guān)頻率在1kHz以下的整流電路中。在高頻開(kāi)關(guān)電路中，通常選擇二極管的trr為其開(kāi)關(guān)周期的百分之一以下。 5) 最高工作結(jié)溫Tjmax在規(guī)定電流和散熱條件下，PN結(jié)不致?lián)p壞條件下所能承受的最高平均溫度 返回第15頁(yè)/共88頁(yè)2.32.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 晶閘管Thyrister曾被稱

8、為可控硅整流器或可控硅 Silicon Controlled Rectifier.1957年被發(fā)明,三端四層半控型器件.工作頻率較低.能承受的電壓、電流在可控器件中最大.通常采用相控技術(shù)進(jìn)行控制.大量應(yīng)用于交流變直流的整流電路中第16頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 1) 晶閘管結(jié)構(gòu) 第17頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2) 晶閘管的工作原理（1）反向阻斷特性 （2）不加門極電壓時(shí)正向阻斷特性 此時(shí)PN結(jié)J1總是處于反偏狀態(tài)，因而晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài) 此時(shí)PN結(jié)J2 處于反偏狀態(tài)，晶閘管仍處于關(guān)斷狀態(tài) 第18頁(yè)/共88頁(yè)（3）導(dǎo)通工作狀態(tài) 2 2

9、 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理晶閘管處于阻斷狀態(tài)且 時(shí)，在門極加上驅(qū)動(dòng)電流 則： 0AKuGi正反饋過(guò)程將使晶體管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管導(dǎo)通，最后陽(yáng)極電流由外部限流電阻決定。 從阻斷到導(dǎo)通過(guò)程: 第19頁(yè)/共88頁(yè)（3）導(dǎo)通工作狀態(tài) 2 2 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理導(dǎo)通的維持: 晶閘管導(dǎo)通后，即使移掉門極觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)IC1大于觸發(fā)所需電流值，因此晶閘管會(huì)保持導(dǎo)通狀態(tài)不變。導(dǎo)通條件:1 UAK0 2 給門極加觸發(fā)脈沖第20頁(yè)/共88頁(yè)（4）關(guān)斷條件 2 2 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理1 給陽(yáng)極加反壓 此時(shí)PN結(jié)J1總是處于反偏狀態(tài)，晶閘管關(guān)斷 2 降低陽(yáng)極電流，使晶閘管內(nèi)等

10、效雙晶體管進(jìn)入陽(yáng)極電流減小的正反饋過(guò)程，最終使陽(yáng)極電流為零而關(guān)斷 第21頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 1) 晶閘管的伏安特性 伏安特性-陽(yáng)極陰極間的電壓和陽(yáng)極電流間的關(guān)系正向轉(zhuǎn)折電壓IG =0 對(duì)應(yīng)的最大正向阻斷電壓擎住電流- - -由阻斷態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通態(tài)且維持導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流維持電流-維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流第22頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 1. 晶閘管的伏安特性 伏安特性-陽(yáng)極陰極間的電壓和陽(yáng)極電流間的關(guān)系反向擊穿電壓-使晶閘管由反向阻斷狀態(tài)變?yōu)榉聪驌舸┑淖钚‰妷壕чl管處于反向阻斷/正向阻斷時(shí)陽(yáng)極漏電流很小,相當(dāng)于開(kāi)路第23頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的基本特性晶閘管

11、的基本特性 2) 晶閘管的動(dòng)態(tài)特性 -開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電流、陽(yáng)極與陰極間電壓及晶閘管的損耗隨時(shí)間變化的特性 第24頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2) 晶閘管的動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通時(shí)間ton= td + tr導(dǎo)通延時(shí)td tr 上升時(shí)間trr反向阻斷恢復(fù)時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff=trr+tgrtgr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間第25頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管的參數(shù)很多，這里主要介紹陽(yáng)極電壓和電流參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)、門極參數(shù)、溫度特性參數(shù)等. 1) 晶閘管陽(yáng)極電壓和電流參數(shù) 規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（ ）的90%，而斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓的值應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓 ，

12、所留裕量由生產(chǎn)廠家自定。 DSMUFBOU正向(斷態(tài))重復(fù)峰值電壓 DRMU第26頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 1) 晶閘管陽(yáng)極電壓和電流參數(shù) 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓為反向不重復(fù)峰值電壓（ ）的90%，而反向不重復(fù)峰值電壓的值應(yīng)低于反向擊穿電壓 ，所留裕量由生產(chǎn)廠家自定。 RSMURBDU反向重復(fù)峰值電壓 RRMU通常把 和 中的較小值標(biāo)作器件的額定電壓 DRMURRMU選用器件時(shí)，應(yīng)使器件的額定電壓為正常工作電壓峰值的23倍。第27頁(yè)/共88頁(yè)1 1晶閘管陽(yáng)極電壓和電流參晶閘管陽(yáng)極電壓和電流參數(shù)數(shù) 通態(tài)平均電流 )(AVTI? 是在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻性

13、負(fù)載時(shí)通過(guò)工頻正弦半波電流，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定值時(shí)的最大平均電流值。 按我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，取該參數(shù)的整數(shù)值標(biāo)作器件的額定電流。)(AVTI晶閘管的額定電流是以平均電流方式定義的，但從發(fā)熱方面來(lái)看，決定管子結(jié)溫的是電流有效值而不是電流平均值，因此在應(yīng)用中應(yīng)按電流有效值相等的原則選擇晶閘管電流有效值相等的原則選擇晶閘管。第28頁(yè)/共88頁(yè)1) 1) 晶閘管陽(yáng)極電壓和電流參晶閘管陽(yáng)極電壓和電流參數(shù)數(shù) 通態(tài)平均電流 )(AVTIavavMMMMavIIIItdtIKIIIttdII57. 122)sin(21:sin21020從而有與峰值關(guān)系為相應(yīng)的有效值正弦半波電流平均值與有效值的關(guān)系第29頁(yè)/共88頁(yè)

14、在實(shí)際選用晶閘管時(shí)，還應(yīng)留有一定的余量。通常選擇額定電流為正常工作值1.52倍的晶閘管。 1) 1) 晶閘管陽(yáng)極電壓和電流參數(shù)晶閘管陽(yáng)極電壓和電流參數(shù) 通態(tài)平均電流 )(AVTI電流有效值相等的原則選擇晶閘管電流有效值相等的原則選擇晶閘管額定電流為 時(shí)，容許通過(guò)的電流有效值為 。另一方面，電路設(shè)計(jì)有效值為 時(shí)，應(yīng)選擇額定電流為)(AVTI)(2AVTII2I第30頁(yè)/共88頁(yè)示例示例AIAIAIIdtITIMTM1001001,17.5710031,3/13.3310091,9/1)(132102時(shí)時(shí)時(shí)先計(jì)算實(shí)際有效值:第31頁(yè)/共88頁(yè);150,121257. 1;100,708 .6925

15、7. 17 .57257. 1;50,4021. 13 .33257. 13 .33257. 13)(2)(1)(的晶閘管選定額為的晶閘管選定額為的晶閘管選定額為AAIIAAAIIAAIIAVTAVTAVT解: 器件額定電流為 時(shí)，其電流有效值為I= 。 根據(jù)有效值相等原則， 并考慮到 2倍余量，額定電流可選擇為：)(AVTI)(2AVTI22I示例第32頁(yè)/共88頁(yè)2. 晶閘管的動(dòng)態(tài)參數(shù) -開(kāi)通時(shí)間 -關(guān)斷時(shí)間 -斷態(tài)電壓臨界上升率 -通態(tài)電流臨界上升率 3. 門極定額參數(shù) -門極觸發(fā)電流 -門極觸發(fā)電壓 4. 溫度特性參數(shù) -額定結(jié)溫 -結(jié)殼熱阻 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)第33頁(yè)/

16、共88頁(yè)晶閘管的門極觸發(fā)電路晶閘管的門極觸發(fā)電路 對(duì)門極觸發(fā)信號(hào)的要求是： 1) 門極電流上升率：觸發(fā)脈沖前沿要陡 2) 門極電流幅值：合理的電流幅值可使 器件導(dǎo)通，脈沖前沿較大的電流幅值 可使器件更快的導(dǎo)通，減少開(kāi)通損耗 3) 門極脈沖信號(hào)寬度：器件導(dǎo)通有一個(gè)過(guò) 程，需要門極脈沖信號(hào)具有一定寬度 4) 門極脈沖信號(hào)應(yīng)不超過(guò)門極電壓、電流、 功率等最大限定值 5) 觸發(fā)可靠，抗干擾能力強(qiáng)第34頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的門極觸發(fā)電路晶閘管的門極觸發(fā)電路 電容C的作用是：在T剛導(dǎo)通時(shí)，C上電壓為零，VD全部加在Tm原邊，此后C上電壓上升，Tm原邊電壓將下降，這樣副邊輸出一個(gè)前沿幅值較高的脈沖波形。D1、

17、RD的作用是T關(guān)斷時(shí)釋放儲(chǔ)存在Tm中的磁場(chǎng)能量，防止關(guān)斷時(shí)因脈沖變壓器原邊電感產(chǎn)生過(guò)高的反電勢(shì)而擊穿晶體管T。D3的作用是將關(guān)斷時(shí)脈沖變壓器副邊產(chǎn)生的負(fù)電壓信號(hào)短路，防止其損壞晶閘管門極。第35頁(yè)/共88頁(yè)晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 1) 雙向晶閘管 -通常采用負(fù)脈沖觸發(fā) -采用電流有效值作為額定電流參數(shù) -多用于交流調(diào)壓、固態(tài)繼電器等電路 第36頁(yè)/共88頁(yè)2) 逆導(dǎo)晶閘管 -逆導(dǎo)晶閘管的正向特性與普通晶閘管相同，具有開(kāi)通可控性，而反向特性與二極管正向?qū)щ娞匦韵嗤?-用于不需要阻斷反向電壓的電路 返回晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件第37頁(yè)/共88頁(yè)2.4 2.4 全控型器件全控型器

18、件 電流控制型電流控制型電流控制型器件從控制極注入或抽取電流信號(hào)來(lái)控制器件的開(kāi)通或關(guān)斷. 如可關(guān)斷晶閘管（GTO）、 集成門極換流晶閘管（IGCT）。全控型器件利用控制信號(hào)可控制開(kāi)通與關(guān)斷的器件。通常也稱為自關(guān)斷器件。分類：電流控制型 電壓控制型主要特點(diǎn)是：控制功率較大、控制電路復(fù)雜、工作頻率較低。第38頁(yè)/共88頁(yè)電壓控制型電壓控制型通過(guò)在控制極建立電場(chǎng)提供電壓信號(hào)實(shí)施器件的開(kāi)通與關(guān)斷控制.如功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.4 2.4 全控型器件全控型器件 主要特點(diǎn)是：控制功率小、控制電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高。第39頁(yè)/共88頁(yè)可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 1) 可關(guān)

19、斷晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 GTO的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路與電氣符號(hào) 第40頁(yè)/共88頁(yè)可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管-GTO的開(kāi)通原理和普通晶閘管相同 -GTO能關(guān)斷的關(guān)鍵是：能從門極抽取電流改變二個(gè)晶體管的工作狀態(tài)。GTO是從制造工藝上做到這點(diǎn)的。 第41頁(yè)/共88頁(yè)GTO能從門極抽取電流使雙晶體管進(jìn)入放大狀態(tài) 而關(guān)斷可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管第42頁(yè)/共88頁(yè)可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管2. 主要參數(shù) 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 ATOI利用門極脈沖可以關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流.這是標(biāo)稱GTO額定電流容量的參數(shù). 門極關(guān)斷電流 GMI使GTO從通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)所需的門極反向瞬時(shí)峰值電流的最小值. |GMATOoffII5

20、off通常 10電流關(guān)斷增益 第43頁(yè)/共88頁(yè)功率場(chǎng)效應(yīng)管功率場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型、絕緣柵型兩類。本節(jié)以絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管為例介紹場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理及其主要特性、參數(shù)。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管利用柵極與源極間的電壓來(lái)控制漏極與源極間的等效電阻從而控制器件的開(kāi)通與關(guān)斷狀態(tài)。第44頁(yè)/共88頁(yè)1) 1) 功率場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與工作原理功率場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與工作原理垂直導(dǎo)電擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)、電路符號(hào) 絕緣層第45頁(yè)/共88頁(yè)1) 1) 功率場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與工作原理功率場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與工作原理-反向?qū)ㄌ匦裕郝O源極間的電壓uDS0） VGS0 時(shí)，柵源結(jié)相當(dāng)于一電容，柵極帶正電荷，將在靠近柵極

21、的P內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生電子，即在P區(qū)內(nèi) 形成一個(gè)反型層反型層（P P變到變到N N）。反型層反型層作為導(dǎo)電溝道將源極 與漏極 連接在一起，形成電流通道 NN單極型器件？注： 撤除柵源電壓，反型層消失，DS間恢復(fù)阻斷狀態(tài)第47頁(yè)/共88頁(yè)1) 1) 功率場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與工作原理功率場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與工作原理使MOSFET導(dǎo)通只需建立柵源間電場(chǎng), 即給柵源間結(jié)電容充電即可，而給柵源間結(jié)電容放電即可使MOSFET關(guān)斷 電壓控制型器件電壓控制型器件MOSFET柵源間結(jié)電容很小，柵源間結(jié)電容沖放電時(shí)間很短，因此MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快。漏源間電流由反型層提供通道，容許通過(guò)電流的能力有限 功率MOSFET

22、主要用于高頻、小功率場(chǎng)合。 第48頁(yè)/共88頁(yè)2) 2) 功率功率MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 MOSFET的基本特性包括靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性。MOSFET的靜態(tài)特性指其轉(zhuǎn)移特性與輸出特性，動(dòng)態(tài)特性主要指其開(kāi)關(guān)特性。1.轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性:一定漏源電壓下漏極電流和柵源電壓之間的關(guān)系。 開(kāi)啟電壓 第49頁(yè)/共88頁(yè)2) 2) 功率功率MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性2. 輸出特性 描述一定柵源電壓下，漏極電流與漏源電壓的關(guān)系 區(qū)-非飽和區(qū) 區(qū)-飽和區(qū)， 也稱恒流區(qū) 區(qū)-截止區(qū) IV區(qū)-雪崩擊穿區(qū) 電力電子電路中MOSFET主要工作在非飽和區(qū)、截止區(qū)，即工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 第

23、50頁(yè)/共88頁(yè)2) 2) 功率功率MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性3. 動(dòng)態(tài)特性 -反映MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程 上升延遲時(shí)間td(on)上升時(shí)間tr 開(kāi)通時(shí)間 ton=td(on)+tr 下降延遲時(shí)間td(off) 下降時(shí)間tf 關(guān)斷時(shí)間 toff=td(off)+tf 第51頁(yè)/共88頁(yè)3) 3) 功率功率MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管能承受的最高工作電壓 在規(guī)定測(cè)試條件下場(chǎng)效應(yīng)管能承受的最 大漏極連續(xù)電流、漏極脈沖電流的幅值 一定柵源電壓下，MOSFET從可變電 阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)的直流電阻值 通態(tài)電阻越小，通態(tài)損耗越少 漏極擊穿電壓UDS 漏極

24、連續(xù)電流ID /漏極脈沖電流幅值 IDM通態(tài)電阻RON 第52頁(yè)/共88頁(yè)3) 3) 功率功率MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 主要參數(shù)漏源之間形成導(dǎo)電溝道所需的最小柵源電壓。 開(kāi)啟電壓多為5V左右。 開(kāi)啟電壓UGS(th) 保證柵源絕緣不被擊穿的最高電壓 BUGS通常為20伏 柵源擊穿電壓BUGS 開(kāi)通時(shí)間 ton與關(guān)斷時(shí)間toff第53頁(yè)/共88頁(yè)4) MOSFET4) MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路 MOSFET是電壓控制型器件，開(kāi)關(guān)過(guò)程中只開(kāi)關(guān)過(guò)程中只要對(duì)等效輸入電容充放電要對(duì)等效輸入電容充放電即可。 設(shè)MOSFET穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時(shí)柵源電壓為UGS 等效柵極輸入電容為C

25、in 開(kāi)通時(shí)驅(qū)動(dòng)電路提供的充電電流近似為: 關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)電路抽取的電流近似為: onGSinonGtUCI)(offGSinoffGtUCI)(第54頁(yè)/共88頁(yè)4) MOSFET4) MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路采用光耦隔離的MOSFET的典型驅(qū)動(dòng)電路 tubtuatuGStui?輸入電容在開(kāi)通過(guò)程中是變化的!第55頁(yè)/共88頁(yè)絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT） 1) 絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理 IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor C-集電極 E-發(fā)射極 G-柵極第56頁(yè)/共88頁(yè)絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管

26、（IGBTIGBT） 1) 絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理 MOSFET關(guān)斷時(shí)，PNP管也關(guān)斷，IGBT處于阻斷狀態(tài)MOSFET導(dǎo)通時(shí)PNP管隨之導(dǎo)通，IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)。通過(guò)控制MOSFET來(lái)控制PNP三極管，從而控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷。第57頁(yè)/共88頁(yè)2) 2) 絕緣柵雙極晶體管的基本特絕緣柵雙極晶體管的基本特性性 1. 轉(zhuǎn)移特性 指在一定C、E電壓下，輸出集電極電流iC與G、E間電壓uGE之間的關(guān)系。 開(kāi)啟電壓 )(thGEU)(thGEGEUU才產(chǎn)生集電極電流時(shí)IGBT第58頁(yè)/共88頁(yè)2. 伏安特性 2) 2) 絕緣柵雙極晶體管的基本特絕緣柵雙極晶體管的基本特性性 指以柵極電

27、壓uGE為參變量時(shí)，集電極電流iC與集射極電壓iCE之間的關(guān)系。 UFBR 正向擊穿電壓 URM 反向擊穿電壓 第59頁(yè)/共88頁(yè)3.3.動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性指IGBT開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中集電極電流、集射極電壓及動(dòng)態(tài)損耗隨時(shí)間變化的特性。 第60頁(yè)/共88頁(yè)3) 3) 擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)很小，通常情況下 上壓降不足以使 導(dǎo)通,MOSFET的開(kāi)通與關(guān)斷可控制 的開(kāi)與關(guān) bR2T1TbR擎住效應(yīng) 上壓降較大使 導(dǎo)通， 開(kāi)與關(guān)不受MOSFET控制bR2T1T.過(guò)大的 Ci原因.過(guò)快集射極 電壓變化.過(guò)高集射 極電壓第61頁(yè)/共88頁(yè)4) IGBT4) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 柵極發(fā)射極開(kāi)啟電壓 柵極發(fā)射

28、極擊穿電壓 集電極發(fā)射極正向擊穿電壓 最大集電極電流 飽和壓降 開(kāi)關(guān)時(shí)間 結(jié)殼熱阻 IGBT驅(qū)動(dòng)電路工作原理和MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路是相同的。目前對(duì)大中容量器件常采用集成驅(qū)動(dòng)電路如EXB840等。第62頁(yè)/共88頁(yè)4) IGBT4) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)目前IGBT的最高柵極電壓通常為20V， 最高容許結(jié)溫為150。中小容量IGBT的開(kāi)關(guān)工作頻率在20 kHz40 kHz, 大容量IGBT的開(kāi)關(guān)工作頻率通常在5 kHz左右IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓通常為1215V目前商用IGBT的集電極電流最大可做到3600A， 集射極電壓可達(dá)到4500V以上IGBT是目前應(yīng)用最為廣泛的電力電子器件, 使

29、用功率范圍從幾百瓦到數(shù)百千瓦。第63頁(yè)/共88頁(yè)集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管(IGCT) (IGCT) IGCT：Integrated Gate Commutated Thyristor 集成門極換流晶閘管是將門極換流晶閘管GCT與其門極驅(qū)動(dòng)電路集成于一體形成的器件。 IGCT自1997年商品化以來(lái)，已成功應(yīng)用于工業(yè)和牽引傳動(dòng)、電力傳輸?shù)却蠊β蕬?yīng)用場(chǎng)合，是一種較理想的兆瓦級(jí)、中壓開(kāi)關(guān)器件。 第64頁(yè)/共88頁(yè)1) GCT1) GCT的結(jié)構(gòu)及其等效電路的結(jié)構(gòu)及其等效電路 與GTO的重要差別是：GCT陽(yáng)極內(nèi)側(cè)P與N-半導(dǎo)體之間多了N型緩沖層，同時(shí)陽(yáng)極是由利于電子通過(guò)的較薄的P型半導(dǎo)體構(gòu)成。

30、第65頁(yè)/共88頁(yè)2) GCT2) GCT工作原理工作原理 忽略N和N-半導(dǎo)體間的差異，則GCT和GTO結(jié)構(gòu)相同，都可用雙晶體管模型來(lái)模擬 GCT正向偏置時(shí)從門極注入電流可使其導(dǎo)通 從門極抽取足夠多電流可使GCT關(guān)斷 第66頁(yè)/共88頁(yè)2) GCT2) GCT工作原理工作原理采用“硬驅(qū)動(dòng)”很快將陰極電流轉(zhuǎn)換到門極（門極換流概念的來(lái)源），從而使T2首先關(guān)斷GCT的關(guān)斷采用“硬驅(qū)動(dòng)” 技術(shù)-“硬驅(qū)動(dòng)”是指在GCT開(kāi)關(guān)過(guò)程中的短時(shí)間內(nèi)給其門極加以電流幅值及其上升率都很大的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 GCT關(guān)斷過(guò)程說(shuō)明 T2關(guān)斷后,GCT相當(dāng)于一個(gè)基極斷開(kāi)的PNP管與驅(qū)動(dòng)電路串聯(lián)，因?yàn)榇藭r(shí)等效PNP晶體管基極開(kāi)路，因

31、而將很快關(guān)斷 GCT門極關(guān)斷增益僅為1 , 因此驅(qū)動(dòng)脈沖電流很大第67頁(yè)/共88頁(yè)3) GCT3) GCT的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路GCT門極驅(qū)動(dòng)電路通常分為通信電路、邏輯控制電路、開(kāi)通電路、關(guān)斷電路及電源部分。 返回第68頁(yè)/共88頁(yè)2.5 2.5 功率集成電路功率集成電路 功率集成電路（PIC：Power Integrated Circuit）是指將功率半導(dǎo)體器件和其驅(qū)動(dòng)電路等組合在同一個(gè)芯片或是同一個(gè)封裝中。目前功率集成電路內(nèi)部使用的功率器件通常為MOSFET或IGBT。采用功率集成電路可以提高電路的功率密度，簡(jiǎn)化安裝工藝，提高電力電子裝置性能。第69頁(yè)/共88頁(yè)功率集成電路有很多品種: 智能

32、功率模塊 (IPM) 用戶專用智能功率模塊（ASIPM) 簡(jiǎn)單PIC 2.5 2.5 功率集成電路功率集成電路 IPM將電力電子器件與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在一個(gè)芯片或模塊內(nèi)ASIPM按照用戶提供的整機(jī)線路，把所有元器件以裸片(或半裸片)和芯片的形式集成到一個(gè)模塊中簡(jiǎn)單PIC 指處理功率較小、包含控制電路等部分的功能較完整的一種功率集成電路 第70頁(yè)/共88頁(yè)典型的IPM功能框圖變頻器用IPM模塊內(nèi)常含有6個(gè)或7個(gè)IGBT返回第71頁(yè)/共88頁(yè)2.6 2.6 電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的保護(hù) 電力電子電路中可能出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱及過(guò)高的電壓電流上升率等不利器件可靠工作的因素應(yīng)

33、采用一定手段避免/降低這些因素對(duì)電力電子器件造成損害常用過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等措施第72頁(yè)/共88頁(yè)過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓原因：外因過(guò)電壓與內(nèi)因過(guò)電壓外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等 內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程 開(kāi)關(guān)操作導(dǎo)致電感電流急劇變化從而容易產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓第73頁(yè)/共88頁(yè)過(guò)電壓抑制措施及配置位置過(guò)電壓抑制措施及配置位置 F 避雷器 D 變壓器靜電屏蔽層 C 靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容RC1 /RC2浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路 RC電路RV 壓敏電阻過(guò)電壓抑制器 RCD 開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷過(guò)電壓抑制用RCD電路第74頁(yè)/共88頁(yè)過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)典型RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)形式 第75頁(yè)/共88頁(yè)過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù) 過(guò)電流原因： 由負(fù)載引起,如負(fù)載過(guò)重甚至發(fā)生短路 電力電子變換裝置內(nèi)部故障引起。如電 路參數(shù)變化、器件損壞、電磁干擾導(dǎo)致 控制電路工作不正常等情況均可能發(fā)生 過(guò)流保護(hù)電路分類：限流型或截