電力電子器件教材課件

第1頁主電路和電力電子器件的基本概念。電力電子器件的分類和電氣圖形符號。晶閘管、電力晶體管和IGBT的工作原理、開關(guān)特性、主要參數(shù)以及在選擇和使用中應(yīng)注意的事項。重點第一章電力電子器件第1頁主電路和電力電子器件的基本概念。重點第一章電力電子第2頁1.1電力電子器件概述（一）基本概念主電路(PowerCircuit):電力電子器件(PowerElectronicDevice):

在可直接用于處理電能的主電路中,實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。

在電氣設(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。第2頁1.1電力電子器件概述（一）基本概念主電路(Po第3頁能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。（二）同處理信息的電子器件相比的一般特征1.1電力電子器件概述電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。第3頁能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。（二第4頁圖1.1

電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行電氣隔離控制電路(三)應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成1.1電力電子器件概述第4頁圖1.1電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路第5頁（四）電力電子器件的分類按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度，可以將電力電子器件分為以下3類:不可控型器件——不能用控制信號來控制其通斷。1.1電力電子器件概述半控型器件——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。第5頁（四）電力電子器件的分類按照電力電子器件能夠被控制電路第6頁（1）按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)來分

電流驅(qū)動型——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。

電壓驅(qū)動型——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。（2）按照功率等級來分

微功率器件

小功率器件

大功率器件（3）按照導(dǎo)電機理來分

雙極型單極型混合型其它分類方法:1.1電力電子器件概述第6頁（1）按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)來分其它分類方法:1.1第7頁

從使用角度出發(fā)，主要可從以下5個方面考查電力電子器件的使用特點：

a.導(dǎo)通壓降——電力電子器件的管耗與導(dǎo)通壓降成正比，應(yīng)盡量選擇低導(dǎo)通壓降的器件

b.運行頻率——器件的開關(guān)時間越短，器件可運行的頻率越高

c.器件容量——包括輸出功率、電壓及電流等級、功率損耗等參數(shù)

d.耐沖擊能力——主要是指器件短時間內(nèi)承受過電流的能力

e.可靠性——主要是指器件防止誤導(dǎo)通的能力(五)電力電子器件的使用特點1.1電力電子器件概述第7頁從使用角度出發(fā)，主要可從以下5個方面考只要V5、V6有一個截止，就會使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。(3)結(jié)溫較高，漏電流增大。在晶閘管從導(dǎo)通到阻斷過程中，由于晶閘管反向電流突變會因線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。30GTR的一種驅(qū)動電路1）脈沖形成與放大主要用N溝道、增強型、絕緣柵型。電流的波形系數(shù)——各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值I與平均值Id之比，稱為這個電流的波形系數(shù)，用Kf表示。晶閘管變流裝置的過電流保護——最大集電極電流Icp、最大集射極間電壓UCES和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。C5組成加速電路，用來提高觸發(fā)脈沖前沿陡度。晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理B、利用非線性過電壓保護元件保護(3)開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，經(jīng)過放大區(qū)?！冈谝?guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。電力MOSFET的主要參數(shù)42阻容過電壓保護的連接方法晶閘管變流裝置觸發(fā)電路3各種器件壽命的周期曲線主要用N溝道、增強型、絕緣柵型。第8頁圖1.2電力電子器件的種類和發(fā)展歷史（六）電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1電力電子器件概述只要V5、V6有一個截止，就會使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。第9頁圖1.3各種器件壽命的周期曲線1.1電力電子器件概述第9頁圖1.3各種器件壽命的周期曲線1.1電力電總的來說，由于場控制件的導(dǎo)電機理，IGBT的驅(qū)動電路比GTR的驅(qū)動電路簡單。典型全控型器件驅(qū)動電路充放電型RCD緩沖電路及波形1電力電子器件概述電力電子器件的并聯(lián)運行可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用。（4）驅(qū)動電路損耗要小，電路盡可能簡單可靠，便于集成。（2）GTR導(dǎo)通期間，驅(qū)動電路提供的基極電流在任何負載情況下都能保證GTR處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使GTR的飽和壓降較低，以保證低的導(dǎo)通損耗。圖1.在阻容保護中選擇合適的電阻。GTR對驅(qū)動電路的基本要求：31UAA4002原理框圖并加反偏截止電壓，使集電極電流迅速下降以減小下降時間tf。負偏壓-UGE使IGBT關(guān)斷，且能抑制集電極脈沖浪涌電流，避免發(fā)生動態(tài)擎住現(xiàn)象。④MOSFET開關(guān)時間在10～100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是常用電力電子器件中最高的；由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線及封裝組成。電力MOSFET的主要參數(shù)關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。第10頁1.2電力二極管電力二極管（PowerDiode）結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。整流二極管及模塊總的來說，由于場控制件的導(dǎo)電機理，IGBT的驅(qū)動電路比GTR第11頁結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性圖1.4a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號基本結(jié)構(gòu)和工作原理與微電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線及封裝組成。外形——螺栓型和平板型兩種封裝。第11頁結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性圖1.4a)外形第12頁額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。電力二極管的主要參數(shù)1)

正向平均電流IF(AV)第12頁電力二極管的主要參數(shù)1)正向平均電流IF(AV)第13頁在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。3）反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

4）反向恢復(fù)時間trrtrr=td+tf電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降UF第13頁電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降UF第14頁結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內(nèi)。6)

浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。

電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫TJM第14頁電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫TJM第15頁電力二極管的品種1.標準工頻型（普通型）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高,可以達到數(shù)千安或數(shù)千伏以上第15頁電力二極管的品種1.標準工頻型（普通型）又稱整流二極第16頁2.快速恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）簡稱快速二極管，恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5μs以下）。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20～30ns。電力二極管的品種第16頁2.快速恢復(fù)二極管（FastRecoveryD第17頁3.肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）

(a)反向恢復(fù)時間很短（10～40ns）。

(b)正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。

(c)反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。

(d)效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。(a)反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。

(b)反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。

(c)容量小、漏電流大。肖特基二極管的缺點肖特基二極管的優(yōu)點電力二極管的品種第17頁3.肖特基勢壘二極管（SchottkyBarri第18頁1.3晶閘管及其派生器件晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化，開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。第18頁1.3晶閘管及其派生器件晶閘管（Thyristo第19頁AAGGKKa)G圖1.5晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理1.晶閘管的結(jié)構(gòu)外形——螺栓型和平板型兩種封裝。聯(lián)接端——三個。螺栓型——螺栓是陽極，與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型——由兩個散熱器將其夾在中間。第19頁AAGGKKa)G圖1.5晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電第20頁螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理第20頁螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管的第21頁2.晶閘管的工作原理圖1.6晶閘管的工作條件的實驗電路

①承受反向陽極電壓,處于關(guān)斷狀態(tài)，與門極無關(guān)，有反向阻斷能力。晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理④要使晶閘管關(guān)斷,必須去掉陽極正向電壓,或給陽極加反向電壓,或降低正向陽極電壓,使通過晶閘管的電流小于維持電流(即保持晶閘管導(dǎo)通的最小陽極電流)。②承受正向陽極電壓時,若門極不施加電壓,晶閘管也處于關(guān)斷狀態(tài),有正向阻斷能力。③承受正向陽極電壓,同時加門極施正向電壓，晶閘管由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。單向?qū)щ娦浴５?1頁2.晶閘管的工作原理圖1.6晶閘管的工作條3)柵源電壓UGS——UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。原因——財產(chǎn)安全和人身安全6電力電子器件的驅(qū)動典型全控型器件驅(qū)動電路晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許連續(xù)流過的單相工頻正弦半波電流的最大平均值，也稱通態(tài)平均電流。（四）電力電子器件的分類選用參數(shù)和特性盡量一致的器件。正向阻斷恢復(fù)時間Tgr29比較理想的基極驅(qū)動電流波形包括快速晶閘管和高頻晶閘管，分別應(yīng)用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中。電流的波形系數(shù)——各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值I與平均值Id之比，稱為這個電流的波形系數(shù)，用Kf表示。反向電流大，控制復(fù)雜、控制功率較大。正弦半波電流平均值IT(AV)、電流有效值IT和電流最大值Im三者的關(guān)系：主電路和電力電子器件的基本概念。22a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性1)

漏源額定電壓UDS——電力MOSFET電壓定額外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因根據(jù)實際電流波形求出電流波形系數(shù)，算得晶閘管允許的實際電流平均值為:tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）開關(guān)速度快，工作頻率高。第22頁晶閘管的工作原理圖1.7晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理I

GIC2IAKAGV2V1IKIC13)柵源電壓UGS——UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿第23頁(1)陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)。其它幾種可能導(dǎo)通的情況：晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。(2)陽極電壓上升率du/dt過高，中間結(jié)電容產(chǎn)生位移電流。(4)光觸發(fā)——光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。其它幾種情況要盡量防止。(3)結(jié)溫較高，漏電流增大。第23頁(1)陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)。其它幾第24頁晶閘管的特性圖1.8晶閘管的陽極伏安特性和門極伏安特性1.靜態(tài)特性可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)第24頁晶閘管的特性圖1.8晶閘管的陽極伏安特性和門極伏第25頁2.動態(tài)特性圖1.9晶閘管的動態(tài)過程延遲時間Td(0.5~1.5s)①開通過程晶閘管的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA上升時間Tr

(0.5~3s)

開通時間Ton為以上兩者之和，

Ton=Td+Tr第25頁2.動態(tài)特性圖1.9晶閘管的動態(tài)過程延遲時第26頁反向阻斷恢復(fù)時間Trr正向阻斷恢復(fù)時間Tgr電路換向關(guān)斷時間Toff為以上兩者之和Tq=Trr+Tgr普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒圖1.9晶閘管的動態(tài)過程②關(guān)斷過程100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的特性第26頁反向阻斷恢復(fù)時間Trr圖1.9晶閘管的動態(tài)過程第27頁通態(tài)損耗

斷態(tài)損耗開通損耗

關(guān)斷損耗圖1.10晶閘管的動態(tài)過程及相應(yīng)損耗③晶閘管的損耗靜態(tài)損耗動態(tài)損耗晶閘管的特性第27頁圖1.10晶閘管的動態(tài)過程及相應(yīng)損耗③晶閘管的第28頁1.額定電壓UTN晶閘管的主要參數(shù)

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。

實際選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為實際工作電路中可能承受到的正向阻斷重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM的最大峰值電壓,再取2～3倍的安全裕量.第28頁1.額定電壓UTN晶閘管的主要參數(shù)通常取晶閘晶閘管、電力晶體管和IGBT的工作原理、開關(guān)特性、主要參數(shù)以及在選擇和使用中應(yīng)注意的事項。第一章電力電子器件驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極間電壓uGE決定。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。應(yīng)用——20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。選用參數(shù)和特性盡量一致的器件。思考：非正弦電流波形，如何計算波形系數(shù)？33IGBT通態(tài)電壓與柵極電壓的關(guān)系關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。其它幾種情況要盡量防止。5）最高工作結(jié)溫TJM如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。(1)共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。1電力電子器件概述7晶閘管變流裝置的保護電路正向阻斷恢復(fù)時間Tgr關(guān)斷過程——儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。典型全控型器件驅(qū)動電路第29頁

晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許連續(xù)流過的單相工頻正弦半波電流的最大平均值，也稱通態(tài)平均電流。2.額定電流IT(AV)（P19）額定電流的計算方法晶閘管的主要參數(shù)0π2π圖1.11單相工頻正弦半波電流晶閘管、電力晶體管和IGBT的工作原理、開關(guān)特性、主要參數(shù)以典型全控型器件驅(qū)動電路16GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形圖1-48關(guān)斷時的負載線對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。22a是N溝道MOSFET與BJT組合——N溝道IGBT。圖1-21IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號快速恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）雷擊過電壓：由雷擊所產(chǎn)生的大氣干擾引起——最大集電極電流Icp、最大集射極間電壓UCES和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。典型全控型器件驅(qū)動電路一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管變流裝置觸發(fā)電路緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路、開通緩沖電路和復(fù)合緩沖電路。優(yōu)點——耐高壓、大電流、開關(guān)時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等。在三相橋式全控整流電路中，雙脈沖環(huán)節(jié)的可按下圖接線。通常用于小型電機驅(qū)動及電話交換機用戶電路等需要較高電壓的地方。晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第30頁3.維持電流IH——在室溫與門極開路時,使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小。4.

擎住電流IL——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2～4倍。晶閘管的主要參數(shù)典型全控型器件驅(qū)動電路第30頁3.維持電流IH—第31頁5.通態(tài)平均電壓UT(AV)——當(dāng)晶閘管流過正弦半波的額定電流平均值和穩(wěn)定的額定結(jié)溫時，元件陽極與陰極之間電壓降的平均值（1V左右）。晶閘管的主要參數(shù)6.斷態(tài)電壓臨界上升率du／dt——指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。第31頁5.通態(tài)平均電壓UT(AV)——當(dāng)晶閘管流過正第32頁7.通態(tài)電流臨界上升率di／dt8.門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT

——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞?！狪GT是指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電流。UGT是對應(yīng)于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。

晶閘管的主要參數(shù)9.額定結(jié)溫Tjm——晶閘管在正常工作時所允許的最高結(jié)溫（器件內(nèi)部）。第32頁7.通態(tài)電流臨界上升率di／dt8.門極觸發(fā)電流第33頁晶閘管的派生器件1.快速晶閘管(FastSwitchingThyristor——FST)包括快速晶閘管和高頻晶閘管，分別應(yīng)用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中。開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。第33頁晶閘管的派生器件1.快速晶閘管(FastSwitc第34頁2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖1.12a)電氣圖形符號b)伏安特性可認為是一對反并聯(lián)的普通晶閘管的集成。兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。晶閘管的派生器件第34頁2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch—逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻而導(dǎo)致器件的損壞?！冈陬~定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。開通過程——延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。挑選動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。41壓敏電阻過電壓保護的接法BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo。3晶閘管及其派生器件晶閘管變流裝置的過電流保護1電力電子器件概述充放電型RCD緩沖電路及波形——RCT）晶閘管變流裝置觸發(fā)電路時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。(3)結(jié)溫較高，漏電流增大。晶閘管變流裝置觸發(fā)電路前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20～30ns。36M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖9晶閘管的動態(tài)過程第35頁3.逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）圖1.13a)電氣圖形符號b)伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyri第36頁4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）圖1.14a)電氣圖形符號b)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。主要應(yīng)用于高壓大功率的場合。晶閘管的派生器件第36頁4.光控晶閘管（LightTriggeredT第37頁1.4典型全控型器件20世紀80年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個嶄新時代。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。第37頁1.4典型全控型器件第38頁電力晶體管(GTR)電力晶體管（GiantTransistor——GTR，BipolarJunctionTransistor——BJT），也稱為PowerBJT。優(yōu)點——耐高壓、大電流、開關(guān)時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等。缺點——二次擊穿、驅(qū)動功率大等。應(yīng)用——20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。第38頁電力晶體管(GTR)電力晶體管（GiantTran第39頁1.基本工作原理與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。2.結(jié)構(gòu)

通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。電力晶體管(GTR)第39頁1.基本工作原理與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一第40頁3.靜態(tài)特性

(1)共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。

(2)電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。

(3)開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，經(jīng)過放大區(qū)。圖1.15GTR內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號

共發(fā)射極接法時GTR的靜態(tài)特性

NNPPPN第40頁3.靜態(tài)特性(1)共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：第41頁4.動態(tài)特性

開通過程——延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。

關(guān)斷過程——儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。圖1.16GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd電力晶體管(GTR)第41頁4.動態(tài)特性開通過程——延遲時間td和上第42頁5.GTR的主要參數(shù)(1)

最高工作電壓（即額定電壓）(2)

集電極最大允許電流IcM(3)集電極最大耗散功率PcM

GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿。

擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。

BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。

通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。

電力晶體管(GTR)第42頁5.GTR的主要參數(shù)(1)

最高工作電壓（即額第43頁6.二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)(1)一次擊穿①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；②只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。(2)二次擊穿①一次擊穿發(fā)生時，如果繼續(xù)增高外接電壓，則Ic繼續(xù)增大，當(dāng)達到某個臨界點時，Uce會突然降低至一個小值，同時導(dǎo)致Ic急劇上升，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。②二次擊穿的持續(xù)時間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，必需避免。電力晶體管(GTR)第43頁6.二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)(1)一次擊穿①集電第44頁圖1.17

GTR的安全工作區(qū)(3)安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線PSB限定。電力晶體管(GTR)第44頁圖1.17GTR的安全工作區(qū)(3)安全工作區(qū)通常用于小型電機驅(qū)動及電話交換機用戶電路等需要較高電壓的地方。1電力電子器件概述復(fù)合緩沖電路——關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(jié)合。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。①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；相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路（3）觸發(fā)脈沖的前沿應(yīng)盡量陡些。（a）串電阻均流（b）串電抗器均流（c）互感器均流內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。(1)共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。3晶閘管及其派生器件根據(jù)實際電流波形求出電流波形系數(shù)，算得晶閘管允許的實際電流平均值為:在三相橋式全控整流電路中，雙脈沖環(huán)節(jié)的可按下圖接線?！阎чl管的額定電流，根據(jù)實際工作情況，計算晶閘管允許通過的平均電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。介紹了驅(qū)動電路的作用和常見器件的驅(qū)動電路。35IGBT的驅(qū)動電路第45頁電力場效應(yīng)晶體管特點——用柵源電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。電力場效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)——分為結(jié)型和絕緣柵型。通常主要指絕緣柵型場效應(yīng)晶體管。結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）通常用于小型電機驅(qū)動及電話交換機用戶電路等需要較高電壓的地方第46頁主要用N溝道、增強型、絕緣柵型。和微電子里的MOS管導(dǎo)電機理相同。和微電子里的區(qū)別：前者是一次擴散而成，后者是二次擴散而成，前者是橫向?qū)щ娦?，后者是垂直?dǎo)電型。1.結(jié)構(gòu)和工作原理圖1.18a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號電力場效應(yīng)晶體管第46頁主要用N溝道、增強型、絕緣柵型。1.結(jié)構(gòu)和工作原理第47頁按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。按源漏極存在導(dǎo)電溝道時的柵極電壓類型分為耗盡型和增強型。耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。電力MOSFET主要是N溝道增強型。MOSFET的種類電力場效應(yīng)晶體管第47頁按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。MOSFET的種類電第48頁2.靜態(tài)特性(注意和GTR的區(qū)別，特別是飽和區(qū)的位置不同)圖1.19a)轉(zhuǎn)移特性010203050402468a)ID/AUTUGS/V漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。電力場效應(yīng)晶體管第48頁2.靜態(tài)特性(注意和GTR的區(qū)別，特別是飽和區(qū)的位置第49頁截止區(qū)（GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1.19b)輸出特性電力場效應(yīng)晶體管第49頁截止區(qū)（GTR的截止區(qū)）10203050400b)1第50頁3.動態(tài)特性

圖1.20a)測試電路b)開關(guān)過程波形RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfa)b)開通過程——開通延遲時間td(on)

和上升時間tr之和為開通時間ton關(guān)斷過程——關(guān)斷延遲時間td(off)和下降時間tf之和為關(guān)斷時間toff電力場效應(yīng)晶體管第50頁3.動態(tài)特性圖1.20a)測試電路b)開第51頁①MOSFET的開關(guān)速度和輸入電容Cin的充放電有很大關(guān)系；②使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度，所以選擇RS很關(guān)鍵（一般為幾十歐姆）；③MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速；④MOSFET開關(guān)時間在10～100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是常用電力電子器件中最高的；⑤場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)特點：電力場效應(yīng)晶體管第51頁①MOSFET的開關(guān)速度和輸入電容Cin的充放電有第52頁4.電力MOSFET的主要參數(shù)1)

漏源額定電壓UDS

——電力MOSFET電壓定額2)漏極額定電流ID和漏極峰值電流IDM——電力MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS

——UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS電力場效應(yīng)晶體管第52頁4.電力MOSFET的主要參數(shù)1)

漏源額定電壓U第53頁絕緣柵雙極晶體管

特點器件優(yōu)點缺點晶體管GTR開關(guān)時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬存在二次擊穿、驅(qū)動功率較大、驅(qū)動電路復(fù)雜電力MOSFET驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬電流容量小，耐壓低，通態(tài)電阻大，只適用于中小功率電力電子裝置絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）集二者的優(yōu)點于一身。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。第53頁絕緣柵雙極晶體管特點晶體管開關(guān)時間短、飽和壓降第54頁1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E絕緣柵雙極晶體管圖1-21IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號E第54頁1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集第55頁(1)結(jié)構(gòu)IGBT相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)BJT。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的擴展電阻。IGBT是以BJT為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動元件的達林頓結(jié)構(gòu)器件。圖1.22a是N溝道MOSFET與BJT組合——N溝道IGBT。絕緣柵雙極晶體管E圖1-21IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號第55頁(1)結(jié)構(gòu)IGBT相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚目的：多個器件串聯(lián)以承擔(dān)較大的電壓。典型全控型器件驅(qū)動電路典型全控型器件驅(qū)動電路絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）集二者的優(yōu)點于一身。并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián)。在器件陽極串均流電抗器；IGBT對驅(qū)動電路的要求充放電型RCD緩沖電路及波形UAA4002的獨特設(shè)計使它也非常適用于驅(qū)動電力場控器件，如電力MOSFET或IGBT?！~定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。外形——螺栓型和平板型兩種封裝。1電力電子器件概述晶閘管、電力晶體管和IGBT的工作原理、開關(guān)特性、主要參數(shù)以及在選擇和使用中應(yīng)注意的事項?！猂CT）快速晶閘管(FastSwitchingThyristor——FST)兩種載流子導(dǎo)電、雙極型，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強。(3)結(jié)溫較高，漏電流增大。通態(tài)電流臨界上升率di／dt第56頁(2)工作原理

驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極間電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。絕緣柵雙極晶體管目的：多個器件串聯(lián)以承擔(dān)較大的電壓。第56頁(2)工作原理

第57頁靜態(tài)特性2.基本特性圖1.22a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加絕緣柵雙極晶體管第57頁靜態(tài)特性2.基本特性圖1.22a)轉(zhuǎn)移特第58頁動態(tài)特性開通過程與MOSFET相似開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。圖1.23IGBT的動態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管第58頁動態(tài)特性開通過程與MOSFET相似圖1.23第59頁圖1.23IGBT的動態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM關(guān)斷延遲時間td(off）電流下降時間tf關(guān)斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。IGBT的關(guān)斷過程絕緣柵雙極晶體管第59頁圖1.23IGBT的動態(tài)特性ttt10%9第60頁——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)最大集射極間電壓UCES3.主要參數(shù)絕緣柵雙極晶體管第60頁——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)最大集第61頁IGBT的特性和參數(shù)特點總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比電力MOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。絕緣柵雙極晶體管第61頁IGBT的特性和參數(shù)特點總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損第62頁4.擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決?！狽PN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P型體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。絕緣柵雙極晶體管第62頁4.擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。GTR驅(qū)動電路的設(shè)計原則——保證輸出比較理想的基極電流波形和選擇高效可靠的驅(qū)動電路。結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性(3)開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，經(jīng)過放大區(qū)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。33IGBT通態(tài)電壓與柵極電壓的關(guān)系29比較理想的基極驅(qū)動電流波形（1）限制du/dt保護措施高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。柵極不加信號時導(dǎo)通，加負偏壓時關(guān)斷，使用不方便。介紹了電力電子器件的分類及其各自的特點。(2)電流上升率di／dt的限制方法螺栓型——螺栓是陽極，與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大?！冈谝?guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。52晶閘管并聯(lián)運行均流措施應(yīng)用——20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。圖1-21IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號電流的波形系數(shù)——各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值I與平均值Id之比，稱為這個電流的波形系數(shù)，用Kf表示。在晶閘管兩端并聯(lián)一個RC或RCD吸收電路。第63頁——最大集電極電流Icp、最大集射極間電壓UCES和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——最大集電極電流Icp、最大集射極間電壓UCES和最大集電極功耗PCM確定。正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）5.安全工作區(qū)絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關(guān)斷過電壓和第64頁1.5其他全控型電力電子器件簡介門極可關(guān)斷晶閘管GTO高電壓、大電流雙極全控型器件。反向電流大，控制復(fù)雜、控制功率較大。適用于大功率場合。靜電感應(yīng)晶體管SIT多子導(dǎo)電，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，適用于高頻大功率場合。在雷達通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。柵極不加信號時導(dǎo)通，加負偏壓時關(guān)斷，使用不方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大。

第64頁1.5其他全控型電力電子器件簡介門極可關(guān)斷晶閘管第65頁靜電感應(yīng)晶閘管SITHMOS控制晶閘管MCT——MOSFET與晶閘管的復(fù)合器件承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。1.5其他全控型電力電子器件簡介兩種載流子導(dǎo)電、雙極型，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

制造工藝復(fù)雜，成本較高。關(guān)斷時需要較大的門極驅(qū)動電流。第65頁靜電感應(yīng)晶閘管SITHMOS控制晶閘管MCT——M第66頁

集成門極換流晶閘管IGCT1.5其他全控型電力電子器件簡介20世紀90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。第66頁集成門極換流晶閘管IGCT1.5其他全控型電力第67頁20世紀80年代中后期開始模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路PIC（PowerIntegratedCircuit）。6.功率模塊與功率集成電路1.5其他全控型電力電子器件簡介第67頁20世紀80年代中后期開始模塊化趨勢，將多個器件封裝第68頁智能功率集成電路SPIC（SmartPowerIC）通常指縱向功率器件與控制和保護電路的集成。通常用于電壓調(diào)節(jié)器、汽車功率開關(guān)、開關(guān)電源、電機驅(qū)動、家用電器等產(chǎn)品上。高壓集成電路HVIC（HighVoltageIC）一般指高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。通常用于小型電機驅(qū)動及電話交換機用戶電路等需要較高電壓的地方。智能功率模塊IPM（IntelligentPowerModule）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。實際應(yīng)用電路——按照制作工藝及應(yīng)用范圍分1.5其他全控型電力電子器件簡介第68頁智能功率集成電路SPIC（SmartPowerI第69頁功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。目前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀1.5其他全控型電力電子器件簡介第69頁功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題第70頁1.6電力電子器件的驅(qū)動作用和任務(wù)——主電路與控制電路之間的接口，將控制電路輸出的信號按照其控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路還提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。

電力電子變流裝置驅(qū)動電路概述第70頁1.6電力電子器件的驅(qū)動作用和任務(wù)——主電路與控第71頁圖1.24光耦的類型及接發(fā)(a)普通型(b)高速型(c)高傳輸比型

變流裝置中，為了防止主電路的高壓引入控制電路帶來安全隱患和盡量減小主電路對控制電路的電磁干擾，控制電路和主電路之間一般要采取電氣隔離措施。常常用光隔離或磁隔離。電氣隔離措施電力電子變流裝置驅(qū)動電路概述第71頁圖1.24光耦的類型及接發(fā)變流裝置中，為了防第72頁圖1.25光耦的輸入和輸出脈沖波形圖1.26脈沖變壓器隔離電路電力電子變流裝置驅(qū)動電路概述第72頁圖1.25光耦的輸入和輸出脈沖波形圖1.26脈沖第73頁晶閘管變流裝置的觸發(fā)電路晶閘管相控裝置對觸發(fā)電路的要求圖1.27常見的觸發(fā)脈沖波形（1）觸發(fā)脈沖必須有足夠的功率，保證在允許的整個工作溫度范圍內(nèi)，對所有合格的元件都能可靠觸發(fā)。（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度，以保證晶閘管可靠導(dǎo)通。。（3）觸發(fā)脈沖的前沿應(yīng)盡量陡些。（4）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能夠根據(jù)控制信號的要求在規(guī)定的范圍內(nèi)移動。（5）觸發(fā)脈沖與晶閘管主回路電源電壓必須同步。（6）觸發(fā)電路與晶閘管主回路之間有必要的電氣隔離。

作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。第73頁晶閘管變流裝置的觸發(fā)電路晶閘管相控裝置對觸發(fā)電路的要第74頁晶閘管變流裝置觸發(fā)電路簡介（1）主要有3種類型

A、由分立元件組成的觸發(fā)電路，一般稱之為分立式觸發(fā)電路。

B、由模擬集成電路和少量的外圍元件組成的模擬集成觸發(fā)電路。

C、數(shù)字觸發(fā)電路。晶閘管變流裝置的觸發(fā)電路第74頁晶閘管變流裝置觸發(fā)電路簡介（1）主要有3種類型晶閘第75頁（2）一種比較典型的分立式觸發(fā)電路—

同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

1）脈沖形成與放大環(huán)節(jié)

2）鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)

3）同步環(huán)節(jié)

4）強觸發(fā)環(huán)節(jié)

5）雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)晶閘管變流裝置觸發(fā)電路圖1.28同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路第75頁（2）一種比較典型的分立式觸發(fā)電路—同步信號為鋸第76頁1）脈沖形成與放大環(huán)節(jié)

E1R7E2-E1uco晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第76頁1）脈沖形成E1R7E2-E1uco晶閘管變流裝置觸第77頁2）鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)

鋸齒波電壓形成電路由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路。晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第77頁2）鋸齒波的形成鋸齒波電壓形成電路由V1第78頁3）同步環(huán)節(jié)

同步環(huán)節(jié)是由同步變壓器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶體管V2組成。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器的二次電壓來控制V2的通斷作用，這就保證了觸發(fā)脈沖與主電路電源同步。R晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第78頁3）同步環(huán)節(jié)同步環(huán)節(jié)是由同步變壓器TS第79頁4）強觸發(fā)環(huán)節(jié)36V交流電壓經(jīng)整流、濾波后得到50V直流電壓，經(jīng)R15對C6充電，B點電位為50V。當(dāng)V8導(dǎo)通時，C6經(jīng)脈沖變壓器一次側(cè)R16、V8迅速放電，形成脈沖尖峰，由于有R15的電阻，且電容C6的存儲能量有限，B點電位迅速下降。當(dāng)B點電位下降到14.3V時，VD15導(dǎo)通，B點電位被15V電源鉗位在14.3V，形成脈沖平臺。C5組成加速電路，用來提高觸發(fā)脈沖前沿陡度。晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第79頁4）強觸發(fā)環(huán)節(jié)36V交流電壓經(jīng)整流、濾第80頁5）雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)

觸發(fā)電路自身在一個周期內(nèi)可輸出兩個間隔60o的脈沖，稱內(nèi)雙脈沖電路。而在觸發(fā)器外部通過脈沖變壓器的連接得到雙脈沖稱為外雙脈沖。本觸發(fā)電路屬于內(nèi)雙脈沖電路。當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時，V7、V8截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個截止，就會使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。因此本電路可以產(chǎn)生符合要求的雙脈沖。第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角α使V4由截止變導(dǎo)通造成V5瞬時截止，使得V8輸出脈沖。隔60o的第二個脈沖是由后一相觸發(fā)單元通過連接到引腳Y使本單元V6截止，使本觸發(fā)電路第二次輸出觸發(fā)脈沖。晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第80頁5）雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)觸發(fā)電路自身在一個周第81頁

在三相橋式全控整流電路中，雙脈沖環(huán)節(jié)的可按下圖接線。六個觸發(fā)器的連接順序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第81頁在三相橋式全控整流電路中，雙脈沖環(huán)節(jié)的可按下圖第82頁6）脈沖封鎖二極管VD5陰極接零電位或負電位，使V7、V8截止，可以實現(xiàn)脈沖封鎖。VD5用來防止接地端與負電源之間形成大電流通路。晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第82頁6）脈沖封鎖二極管VD5陰極接零電位或負電位，使V7第83頁（3）模擬集成觸發(fā)電路分為3類：第一類是利用運算放大器、時基電路(如555、556)等集成電路和部分分立元件構(gòu)成的觸發(fā)電路第二類是在分立式觸發(fā)電路基礎(chǔ)上經(jīng)功能擴充后，構(gòu)成了專用單片集成觸發(fā)電路第三類是若干個觸發(fā)電路組成的集成觸發(fā)單元晶閘管變流裝置觸發(fā)電路第83頁（3）模擬集成觸發(fā)電路分為3類：晶閘管變流裝置觸發(fā)電第84頁典型全控型器件驅(qū)動電路GTR驅(qū)動電路的設(shè)計原則——保證輸出比較理想的基極電流波形和選擇高效可靠的驅(qū)動電路。GTR對驅(qū)動電路的基本要求：

（1）GTR開通時，驅(qū)動電路提供的基極電流應(yīng)具有足夠的基極驅(qū)動和快速的上升沿，并一開始有一定的過沖，以加速開通的過程，減小開通損耗。（2）GTR導(dǎo)通期間，驅(qū)動電路提供的基極電流在任何負載情況下都能保證GTR處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使GTR的飽和壓降較低，以保證低的導(dǎo)通損耗。為了減小存儲時間，能控制GTR在關(guān)斷前處于臨界飽和狀態(tài)，即準飽和狀態(tài)。1.GTR驅(qū)動電路第84頁典型全控型器件驅(qū)動電路GTR驅(qū)動電路的設(shè)計原則——保第85頁

（3）關(guān)斷瞬時，驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動，以迅速抽出基區(qū)的剩余載流子，減小存儲時間ts；并加反偏截止電壓，使集電極電流迅速下降以減小下降時間tf。而在功率管開通前功率管基射極間的反偏電壓應(yīng)為零或很小。（4）驅(qū)動電路損耗要小，電路盡可能簡單可靠，便于集成。（5）驅(qū)動電路中常要解決控制電路與主電路之間的電氣隔離。圖1.29比較理想的基極驅(qū)動電流波形tOib典型全控型器件驅(qū)動電路第85頁（3）關(guān)斷瞬時，驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動，第86頁GTR驅(qū)動電路簡介（1）GTR具體的驅(qū)動電路形式繁多，這里僅簡單介紹幾個典型的GTR驅(qū)動電路。圖1.30GTR的一種驅(qū)動電路典型全控型器件驅(qū)動電路第86頁GTR驅(qū)動電路簡介（1）GTR具體的驅(qū)動電路形式繁第87頁圖1.31UAA4002原理框圖

在GTR的驅(qū)動專用集成電路中，法國湯姆森半導(dǎo)體公司的UAA4002和日本三菱公司的M57215BL得到較為廣泛的應(yīng)用。下面簡單介紹一下UAA4002。

典型全控型器件驅(qū)動電路第87頁圖1.31UAA4002原理框圖在GTR第88頁圖1.32由UAA4002組成的GTR驅(qū)動電路UAA4002組成的GTR驅(qū)動電路。

UAA4002的獨特設(shè)計使它也非常適用于驅(qū)動電力場控器件，如電力MOSFET或IGBT。且由于UAA4002的輸出電流足以快速地控制輸入電容為納法的器件，所以它特別適用于控制若干個并聯(lián)的電力場控器件。典型全控型器件驅(qū)動電路第88頁圖1.32由UAA4002組成的GTR驅(qū)動電路U第89頁2.IGBT的驅(qū)動電路

GTR為電流型控制器件，用基極電流來控制集電極電流。而IGBT是電壓型控制器件，用柵極電壓來控制集電極電流。因此，其對驅(qū)動電路的要求不同。IGBT對驅(qū)動電路的要求（1）柵極正偏電壓+UGE

的影響圖1.33IGBT通態(tài)電壓與柵極電壓的關(guān)系典型全控型器件驅(qū)動電路負載短路時，流過器件的的集電極電流隨UGE的增大而增大，并使器件承受短路電流的時間變短。通常使用+15V。第89頁2.IGBT的驅(qū)動電路GTR為電流型第90頁（2）柵極負偏壓-UGE

的影響圖1.34集電極浪涌電流與柵極負電壓的關(guān)系典型全控型器件驅(qū)動電路負偏壓-UGE使IGBT關(guān)斷，且能抑制集電極脈沖浪涌電流，避免發(fā)生動態(tài)擎住現(xiàn)象。通常使用-5V或更低。第90頁（2）柵極負偏壓-UGE的影響圖1.34集電第91頁IGBT的驅(qū)動電路簡介IGBT實際應(yīng)用中的一個重要問題是柵極驅(qū)動電路設(shè)計得是否合理?？偟膩碚f，由于場控制件的導(dǎo)電機理，IGBT的驅(qū)動電路比GTR的驅(qū)動電路簡單。圖1.35IGBT的驅(qū)動電路典型全控型器件驅(qū)動電路第91頁IGBT的驅(qū)動電路簡介IGBT實際應(yīng)用中的一第92頁圖1.36M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖典型全控型器件驅(qū)動電路第92頁圖1.36M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和第93頁圖1.37經(jīng)過一級放大后驅(qū)動(用來驅(qū)動大電流模塊)典型全控型器件驅(qū)動電路第93頁圖1.37經(jīng)過一級放大后驅(qū)動(用來驅(qū)動大電流模第94頁圖1.38直接驅(qū)動（采用驅(qū)動IC驅(qū)動）典型全控型器件驅(qū)動電路第94頁圖1.38直接驅(qū)動（采用驅(qū)動IC驅(qū)動）典型全控第95頁IGBT的柵極驅(qū)動設(shè)計圖1.39典型柵極驅(qū)動電路框圖典型全控型器件驅(qū)動電路第95頁IGBT的柵極驅(qū)動設(shè)計圖1.39典型柵極驅(qū)動第96頁1.7晶閘管變流裝置的保護電路原因——財產(chǎn)安全和人身安全通常有五種保護電路：晶閘管過流保護晶閘管過壓保護晶閘管du/dt保護晶閘管di/dt保護晶閘管門極保護第96頁1.7晶閘管變流裝置的保護電路原因——財產(chǎn)安全第97頁晶閘管的過電壓保護外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因雷擊過電壓：由雷擊所產(chǎn)生的大氣干擾引起操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程在晶閘管從導(dǎo)通到阻斷過程中，由于晶閘管反向電流突變會因線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。電力電子裝置可能的過電壓——外因過電壓和內(nèi)因過電壓第97頁晶閘管的過電壓保護外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作第98頁A、避雷器保護晶閘管的過電壓保護保護措施B、利用非線性過電壓保護元件保護圖1.40壓敏電阻的伏安特性圖1.41壓敏電阻過電壓保護的接法第98頁A、避雷器保護晶閘管的過電壓保護保護措施B、利用非線第99頁C、利用儲能元件保護圖1.42阻容過電壓保護的連接方法

圖1.43RCD過電壓吸收電路晶閘管的過電壓保護第99頁C、利用儲能元件保護圖1.42阻容過電壓保護的第100頁圖1.44晶閘管變流裝置過電壓保護主要措施及設(shè)置位置A─避雷器；B─接地電容，C─阻容保護；D─整流式阻容保護；E─壓敏電阻保護；F─器件側(cè)阻容保護D、利用引入電壓檢測的電子保護電路作過電壓保護晶閘管的過電壓保護第100頁圖1.44晶閘管變流裝置過電壓保護主要措施及設(shè)第101頁晶閘管變流裝置的過電流保護保護措施：過電流——過載和短路兩種情況同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性。電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。負載觸發(fā)電路開關(guān)電路過電流繼電器交流斷路器動作電流整定值短路器電流檢測電子保護電路快速熔斷器變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器圖1.45過電流保護措施及其配置位置第101頁晶閘管變流裝置的過電流保護保護措施：過電流——過載第102頁全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用。對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進行過電流保護。常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快。快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種晶閘管變流裝置的過電流保護第102頁全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝第103頁限制晶閘管的du/dt和di/dt保護（1）限制du/dt保護措施(1)

產(chǎn)生電壓上升率du／dt的原因由電網(wǎng)侵入的過電壓。由于晶閘管換相時造成的du／dt過大。(2)電壓上升率du／dt的限制方法在晶閘管兩端并聯(lián)一個RC或RCD吸收電路。（2）限制di/dt保護措施(1)

變換器中產(chǎn)生過大的di／dt的原因在晶閘管開通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電。交流電源通過晶閘管向直流側(cè)保護電容充電。直流側(cè)負載突然短路。(2)電流上升率di／dt的限制方法在阻容保護中選擇合適的電阻。在每個橋臂上與晶閘管串聯(lián)一個約幾到幾十微亨的小電感。第103頁限制晶閘管的du/dt和di/dt保護（1）限制第104頁晶閘管的門極保護（1）在主電路和觸發(fā)電路，一些瞬變電壓也可能通過布線電容或空間傳播進入門極電路。（2）晶閘管的門極保護的目的除了防止本身免遭過電壓（過電流）的損壞外，還要防止門極受干擾的影響而使晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)通。圖1.46晶閘管的門極保護措施第104頁晶閘管的門極保護（1）在主電路和觸發(fā)電路，一些瞬變第105頁緩沖電路1.電力電子變流裝置緩沖電路的作用緩沖電路又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，降低電力電子開關(guān)器件的開關(guān)應(yīng)力，將開關(guān)過程軟化，減小器件的開關(guān)損耗并對器件給予可靠的保護，維護系統(tǒng)安全運行。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路、開通緩沖電路和復(fù)合緩沖電路。

第105頁緩沖電路1.電力電子變流裝置緩沖電路的作用緩沖電第106頁關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路（di/dt抑制電路）——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開