電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之章-自關(guān)斷器件

一.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)符號11/18/20231第1頁，共128頁。工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖示的雙晶體管模型來分析

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當

1+

2>1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當

1+

2<1時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷11/18/20232第2頁，共128頁。GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：（1）設(shè)計

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷（2）導(dǎo)通時

1+

2更接近1（

1.05，普通晶閘管

1+

2

1.15）導(dǎo)通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流11/18/20233第3頁，共128頁。導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺關(guān)斷過程：強烈正反饋——門極加負脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流。當IA和IK的減小使

1+

2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強。11/18/20234第4頁，共128頁。二.GTO的開關(guān)特性開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr11/18/20235第5頁，共128頁。關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子——儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小——下降時間tf殘存載流子復(fù)合——尾部時間tt11/18/20236第6頁，共128頁。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當負電壓，則可縮短尾部時間

11/18/20237第7頁，共128頁。三.GTO的主要參數(shù)

許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)1)開通時間ton延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2

s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大2)關(guān)斷時間toff一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2

s不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)

11/18/20238第8頁，共128頁。3)

最大可關(guān)斷陽極電流IATOGTO額定電流4)

電流關(guān)斷增益

off最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益（1-8）

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A

11/18/20239第9頁，共128頁。1.4.2電力晶體管術(shù)語用法：電力晶體管（GTR）在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效11/18/202310第10頁，共128頁。一.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的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11/18/202311第11頁，共128頁。

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為（7-1）

——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力11/18/202312第12頁，共128頁。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為

ic=

ib+Iceo（7-2）產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE——在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認為

hFE單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益11/18/202313第13頁，共128頁。靜態(tài)特性共發(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)在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)11/18/202314第14頁，共128頁。二.開關(guān)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tontd主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程11/18/202315第15頁，共128頁。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toffts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大負偏壓來增大抽取載流子的基極負電流Ib2的幅值，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度減小飽和深度會使CE間的飽和壓降Uces增加，增大通態(tài)損耗GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多11/18/202316第16頁，共128頁。三.

GTR的極限運行參數(shù)前已述及：電流放大倍數(shù)

、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff(此外還有)：1)

最高工作電壓

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，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多E開路時，CB間的反向擊穿電壓Je反偏時，CE間的反向擊穿電壓BE短路時，CE間的反向擊穿電壓BE間接電阻時，CE間的反向擊穿電壓B開路時，CE間的反向擊穿電壓11/18/202317第17頁，共128頁。2)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為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3)

集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度11/18/202318第18頁，共128頁。四.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)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，GTR一般不會損壞，工作特性也不變11/18/202319第19頁，共128頁。二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，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

11/18/202320第20頁，共128頁。安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）由最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定11/18/202321第21頁，共128頁。二重達林頓復(fù)合管三重達林頓復(fù)合管電力晶體管模塊R1、R2分流電阻，用來減小ICEO的影響。VD2提供反向Ib1的通路，加快關(guān)斷速度。VD1起逆導(dǎo)作用。11/18/202322第22頁，共128頁。分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MOSFET）簡稱電力MOSFET結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（SIT）特點——用柵極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1.4.3電力場效應(yīng)晶體管11/18/202323第23頁，共128頁。一.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道耗盡型——當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11/18/202324第24頁，共128頁。t4時，C1電壓充到UC1(0)，W1能量釋放完，VD1截止。一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）第12頁，共128頁。IT（AV）為晶閘管額定電流增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程從原理來說，正向脈沖電流只要延續(xù)到GTO達到擎住電流即可；5其他新型電力電子器件每片硒片的額定電壓有效值一般為20~30V。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選用參數(shù)和特性盡量一致的器件第70頁，共128頁。為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic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85頁，共128頁。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)導(dǎo)通時只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MO結(jié)構(gòu)的VDMOSFET11/18/202325第25頁，共128頁。電力MOSFET的工作原理漏源極間加正電源截止：柵源極間電壓為零P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS柵極絕緣，無柵極電流。但柵極的正電壓將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將少子——電子吸引到柵極下P區(qū)的表面。當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，為N溝道，漏極和源極導(dǎo)電。11/18/202326第26頁，共128頁。二.電力MOSFET的基本特性1)

靜態(tài)特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性漏極電流ID和柵源電壓UGS的關(guān)系稱“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)Gfs11/18/202327第27頁，共128頁。電力MOSFET主要是N溝道增強型有10、50、100、200、350、500、750、1000A。1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH第59頁，共128頁。VS上的電壓使V基極反偏。（四）利用反饋控制作過流保護的原理等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小——下降時間tf圖1-40示出另兩種，其中RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件第113頁，共128頁。第20頁，共128頁。MOSFET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MOSFET的漏極伏安特性：截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）電力MOSFET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11/18/202328第28頁，共128頁。電力MOSFET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)通電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利11/18/202329第29頁，共128頁。2)

動態(tài)特性a)測試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流

11/18/202330第30頁，共128頁。開通過程開通延遲時間td(on)——up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段11/18/202331第31頁，共128頁。上升時間tr——uGS從UT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)uGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和11/18/202332第32頁，共128頁。關(guān)斷過程

關(guān)斷延遲時間td(off)——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段下降時間tf——uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消失，iD下降到零為止的時間段關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間和下降時間之和11/18/202333第33頁，共128頁。MOSFET的開關(guān)速度

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系使用者無法降低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MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速開關(guān)時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的場控器件，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。11/18/202334第34頁，共128頁。三.電力MOSFET的主要參數(shù)跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之還有1)

漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS柵源之間的絕緣層很薄，

UGS

>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS

廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss11/18/202335第35頁，共128頁。Ciss=CGS+CGD（1-14）Crss=CGD（1-15）Coss=CDS+CGD（1-16）輸入電容可近似用Ciss代替這些電容都是非線性的漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點實際使用中仍應(yīng)注意留適當?shù)脑Ａ?1/18/202336第36頁，共128頁。1.4.4絕緣柵雙極晶體管

GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜

MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件■11/18/202337第37頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）

GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有好的特性

1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,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■11/18/202338第38頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

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圖1-22IGBT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■11/18/202339第39頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

IGBT的結(jié)構(gòu)（顯示圖）

圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）

IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結(jié)J1——使IGBT導(dǎo)通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流能力簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管

RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻■11/18/202340第40頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

IGBT的原理

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

導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小

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■11/18/202341第41頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

2.IGBT的基本特性1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性■11/18/202342第42頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25

C時，UGE(th)的值一般為2~6V輸出特性（伏安特性）——以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關(guān)系分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)uCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)■11/18/202343第43頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

2)

IGBT的動態(tài)特性圖1-24IGBT的開關(guān)過程■11/18/202344第44頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

IGBT的開通過程

與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行開通延遲時間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10%ICM2

電流上升時間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間

開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和uCE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（開關(guān)過程圖）■11/18/202345第45頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

IGBT的關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖）關(guān)斷延遲時間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM

電流下降時間——iC從90%ICM下降至10%ICM關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間與電流下降之和電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT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

■11/18/202346第46頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間也是需要折衷的參數(shù)3.IGBT的主要參數(shù)1)最大集射極間電壓UCES由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)

最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗PCM正常工作溫度下允許的最大功耗■11/18/202347第47頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

IGBT的特性和參數(shù)特點(1)

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(2)

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(3)

通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域(4)

輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似(5)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■11/18/202348第48頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

4.IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)

寄生晶閘管——由一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成正偏安全工作區(qū)（FBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定圖1-22IGBT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■11/18/202349第49頁，共128頁。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對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IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件■11/18/202350第50頁，共128頁。一.MOS控制晶閘管MCTMCT——MOSFET與晶閘管的復(fù)合MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點：MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFETMCT曾一度被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀80年代以來一度成為研究的熱點。但經(jīng)過十多年的努力，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其他新型電力電子器件11/18/202351第51頁，共128頁。SIT——1970年，結(jié)型場效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而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)用缺點：柵極不加信號時導(dǎo)通，加負偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用二.靜電感應(yīng)晶體管SIT11/18/202352第52頁，共128頁。SITH——1972年，在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到，因其工作原理與SIT類似，門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流，因此SITH又被稱為場控晶閘管。比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結(jié)，SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，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。SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。三.靜電感應(yīng)晶閘管SITH11/18/202353第53頁，共128頁。四.集成門極換流晶閘管IGCTIGCT（也稱GCT），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，開關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(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11/18/202354第54頁，共128頁。五.功率模塊與功率集成電路

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，稱為功率模塊可縮小裝置體積，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）11/18/202355第55頁，共128頁。類似功率集成電路的還有許多名稱，但實際上各有側(cè)重高壓集成電路（HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成智能功率集成電路（SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成智能功率模塊（IPM）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IGBT11/18/202356第56頁，共128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以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11/18/202357第57頁，共128頁。1.6驅(qū)動電路驅(qū)動電路——主電路與控制電路之間的接口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對器件或整個裝置的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)11/18/202358第58頁，共128頁。驅(qū)動電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，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

對半控型器件只需提供開通控制信號對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號11/18/202359第59頁，共128頁。一、電力晶體管基極驅(qū)動電路（一）對驅(qū)動電路的要求為加速開關(guān)過程，減少損耗，使電力晶體管安全可靠地運行，驅(qū)動電路應(yīng)有如下特性：1.主電路電壓高，控制電路電壓低，對驅(qū)動電路有電氣隔離要求；2.驅(qū)動電流的前沿要足夠陡，并有一定的過沖，加速開通過程，減小開通損耗；3.電力晶體管導(dǎo)通期間，在任何負載下基極驅(qū)動電流都應(yīng)使電力晶體管飽和導(dǎo)通。為降低飽和壓降，應(yīng)使晶體管過飽和。而為縮短儲存時間，應(yīng)使晶體管臨界飽和。要根據(jù)電路工作情況折衷考慮。11/18/202360第60頁，共128頁。4.關(guān)斷時，應(yīng)能提供足夠大的反向基極驅(qū)動電流，并加反偏截止電壓，以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗。5.驅(qū)動電路應(yīng)有較強的抗干擾能力，并有一定的保護功能。較理想的基極驅(qū)動電流波形：11/18/202361第61頁，共128頁。驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離光隔離一般采用光耦合器普通型IC/ID較小為0.1~0.3，高傳輸比型的要大得多。普通型響應(yīng)時間為10s左右。高速型為1.5s。（二）驅(qū)動電路的隔離11/18/202362第62頁，共128頁。磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。為避免脈沖較寬時鐵心飽和，常采用高頻調(diào)制解調(diào)的方法。（三）驅(qū)動電路舉例11/18/202363第63頁，共128頁?；竟ぷ髟恚篈為高電平時，V1導(dǎo)通，經(jīng)光耦使V2導(dǎo)通，V3截止，V4和V5導(dǎo)通，V6（發(fā)射結(jié)反偏）截止。V5發(fā)射極電流經(jīng)R5、VD3，驅(qū)動電力晶體管V導(dǎo)通。同時C2上充有左正右負的電壓。A下跳為低電平時，V1截止，經(jīng)光耦使V2截止，V3導(dǎo)通，V4和V5截止，V6導(dǎo)通。C2電壓經(jīng)V6、V的e和b、VD4放電，使V截止。11/18/202364第64頁，共128頁。進一步分析：（1）加速電容電路當V5剛導(dǎo)通時，電源E經(jīng)R4、V5、C2、VD3驅(qū)動V，R5被C2短路。實現(xiàn)驅(qū)動電流過沖，增加前沿陡度，加快開通。過沖電流幅度可達額定基極電流兩倍以上。C2稱為加速電容。驅(qū)動電流的穩(wěn)態(tài)值由E、R4和R5確定。應(yīng)使負載電流最大時電力晶體管仍能飽和導(dǎo)通。11/18/202365第65頁，共128頁。（2）抗飽和電路箝位二極管VD2和電位補償二極管VD3構(gòu)成抗飽和電路。當負載較輕時，如V5發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了抗飽和電路后，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2會自動導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持Ubc≈0。使V導(dǎo)通時始終處于臨界飽和狀態(tài)。11/18/202366第66頁，共128頁。（3）截止反偏驅(qū)動電路由C2、V6、VS、VD4和R5構(gòu)成。V導(dǎo)通時C2充有電壓，V6導(dǎo)通時，C2先經(jīng)V6、V的Je和VD4放電,使V截止后，VS取代V使C2繼續(xù)放電。VS上的電壓使V基極反偏。C2在反偏驅(qū)動電路中起儲能電容作用。11/18/202367第67頁，共128頁。（四）大規(guī)模集成驅(qū)動電路分立元件驅(qū)動電路：使用元件多，穩(wěn)定性差。大規(guī)模集成驅(qū)動電路：集成度高，保護功能多，穩(wěn)定性好，使用方便。例UAA4002基極驅(qū)動電路，有如下特點：1.可把邏輯信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏w管的基極驅(qū)動電流，大小自動調(diào)節(jié)，使電力晶體管處于臨界飽和，減小關(guān)斷時的儲存時間。輸出電流可達0.5A。2.可提供3A的反向電流，使電力晶體管快速關(guān)斷，減小關(guān)斷時的下降時間，減少關(guān)斷損耗。3.有過流、過壓、過飽和、欠飽和等保護功能。還可監(jiān)控集成塊本身正負電源和芯片溫度并進行保護。有關(guān)功能可編程控制。11/18/202368第68頁，共128頁。

閘管的觸發(fā)電路

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)通廣義上講，還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通（結(jié)合擎住電流的概念）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離■11/18/202369第69頁，共128頁。

V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)

V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2

脈沖前沿上升時間（<1

s）t1~t3

強脈寬度IM

強脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4

脈沖寬度I

IGT~2IGT）圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路■11/18/202370第70頁，共128頁。二.GTO門極驅(qū)動電路（1）GTO的開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流（2）GTO的關(guān)斷控制需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力（一）GTO門極驅(qū)動特性及對驅(qū)動電路的要求11/18/202371第71頁，共128頁。（3）推薦的GTO門極脈沖波形

從原理來說，正向脈沖電流只要延續(xù)到GTO達到擎住電流即可；反向門極驅(qū)動電壓的持續(xù)時間只要略大于關(guān)斷時間toff和尾部時間tt之和即可。但右圖波形正向脈沖電流后沿和反向脈沖電流前沿相連，反向電壓后沿和正向電流前沿相連。在GTO導(dǎo)通期間，保持正向門極電流可降低管壓降，減小損耗。在關(guān)斷期間，保持門極反向電壓可防止誤觸發(fā)。另外，開通和關(guān)斷脈沖后沿極易出現(xiàn)過沖，成為誤關(guān)斷或誤開通信號。現(xiàn)把二者相連，卻可利用過沖增加前沿陡度。11/18/202372第72頁，共128頁?？煞譃槊}沖變壓器耦合式（間接驅(qū)動）和直接耦合式（直接驅(qū)動）兩種類型（二）直接驅(qū)動和間接驅(qū)動（1）間接驅(qū)動可起到主電路和控制電路的隔離作用。利用脈沖變壓器匝數(shù)比，可大電流低電壓驅(qū)動。而驅(qū)動電路功率器件的電流大幅度減小。但是，變壓器漏感使脈沖陡度受到限制。并使脈沖前、后沿出現(xiàn)振蕩，對GTO正確導(dǎo)通關(guān)斷不利。（2）直接驅(qū)動可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低11/18/202373第73頁，共128頁。（三）驅(qū)動電路舉例GTO右邊是門極直接驅(qū)動開通電路，左邊是門極間接驅(qū)動關(guān)斷電路。11/18/202374第74頁，共128頁。（1）開通過程開通前，-8V電源經(jīng)R5加到GTO門極，使GTO可靠關(guān)斷。同時經(jīng)R3加到V2柵極，使V2截止。C2電壓為零。開通信號來時，uG3、uG4是相位相反的兩組高頻調(diào)制脈沖。頻率為幾十千赫，T2、T3體積很小。VD6、VD8整流后得uAB。VD7、VS3、VD9、VS4是V3、V4關(guān)斷后T2、T3的放電回路。uAB使V2導(dǎo)通，E2通過R1、C2、V2向GTO門極提供正向驅(qū)動電流。C2充電電壓升高，驅(qū)動電流轉(zhuǎn)移到R2支路，其大小由E2和R2確定。R6和VS2為防止V2的柵極過電壓。11/18/202375第75頁，共128頁。（2）關(guān)斷過程W1=W2，關(guān)斷前C1被充到高于E1的電壓UC1(0)。t=0時，給出關(guān)斷信號，V1導(dǎo)通，C1經(jīng)W2放電，W1自耦升壓，VD1反向截止。門極電流開始反向增大。t1時，C1放電到E2/2，VD1導(dǎo)通u1+u2=E1。門極電流繼續(xù)增大。t2時，V1柵極電壓變零，V1截止，E1經(jīng)VD1、W1給C1充電，uC1上升，u1下降，u3也下降，門極電流達到最大后回落。t3時，uC1=E1，u1=0，W1能量釋放使uC1繼續(xù)上升。W3電壓反向，VD2~VD4電壓反向，流過很少的反向電流后截止。對GTO是正向電流，為防止誤導(dǎo)通，VD2~VD4應(yīng)選用反向恢復(fù)電流小的快速二極管。t4時，C1電壓充到UC1(0)，W1能量釋放完，VD1截止。C1無放電回路，保持到下一次門極關(guān)斷信號。開通信號送到GTO門極時，VD2~VD4三個PN結(jié)使正向電流通過GTO門極的PN結(jié)，而不旁路。11/18/202376第76頁，共128頁。柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15~20V關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小三.電力MOSFET柵極驅(qū)動電路11/18/202377第77頁，共128頁。TTL電路后面加一級互補對稱電路，提高驅(qū)動電壓，減小信號源電阻。（a）是晶體管作互補對稱電路。（b）是場效應(yīng)管作互補對稱電路。電阻給輸入電容提供放電回路。11/18/202378第78頁，共128頁。IGBT的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）11/18/202379第79頁，共128頁。內(nèi)部具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應(yīng),關(guān)斷IGBT，并給出故障信號。M57962L輸出的正驅(qū)動電壓均為+15V左右，負驅(qū)動電壓為-10V。11/18/202380第80頁，共128頁。1.7晶閘管的保護一.晶閘管的過電流及其保護 晶閘管在規(guī)定的冷卻條件下，通過兩倍通態(tài)平均電流時，可經(jīng)受的時間為；通過三倍通態(tài)平均電流時，可經(jīng)受的時間為60ms；通過六倍通態(tài)平均電流時，可經(jīng)受的時間為20ms；通過二十倍通態(tài)平均電流時，可經(jīng)受的時間為10ms。浪涌電流ITSM11/18/202381第81頁，共128頁。

過電流——過載和短路兩種情況

常用措施：

快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性二.過電流保護的一般方法11/18/202382第82頁，共128頁。

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11/18/202383第83頁，共128頁。（一）快速熔斷器（快熔）的過載特性與晶閘管的配合

快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施曲線1是300A快熔的保護特性，表明流過快熔的電流越大，其熔斷時間越短。當短路電流通過時，熔斷時間可縮短到5ms以下。在額定電流下工作時，熔斷時間為無窮大，可長期工作。11/18/202384第84頁，共128頁。曲線2是額定電流200A晶閘管的過載特性。在交點A的左側(cè)，快溶的熔斷時間小于晶閘管達到額定結(jié)溫所需時間，快熔起到保護作用。在A點的右側(cè)快熔不起保護作用。再考慮到快熔和晶閘管的特性都有分散性，而且還隨溫度而變化，所以快熔用作短路保護是合適的，但不宜作過載保護。11/18/202385第85頁，共128頁。（二）快速熔斷器的主要參數(shù)1.額定電壓根據(jù)熔斷后快熔能實際承受的電壓。有250、500、750、1000、1500V五個等級。2.額定電流指快熔能能長期通過的電流有效值。有10、50、100、200、350、500、750、1000A。3.允通能量通常用表示?？烊鄣闹祽?yīng)小于被保護器件的允許值。為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間

電流特性。11/18/202386第86頁，共128頁?？烊蹖ζ骷谋Ｗo方式：全保護和短路保護兩種全保護：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方式：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（很難用快熔保護），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)置電子電路過電流保護環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快11/18/202387第87頁，共128頁。（三）快速開關(guān)和過流繼電器快速開關(guān)都用在直流電路，全分斷時間最快為10ms。過流繼電器有直流和交流兩種，動作時間一般都是幾百毫秒。在容易發(fā)生過流的裝置中，加設(shè)快速開關(guān)或過流繼電器。動作值整定得低些，當出現(xiàn)過流時，總是快速開關(guān)或過流繼電器首先動作，即使動作速度不如快熔，也不致危及晶閘管。此后經(jīng)過復(fù)位，又可恢復(fù)正常工作。11/18/202388第88頁，共128頁。（四）利用反饋控制作過流保護的原理

(電子電路過電流保護環(huán)節(jié))保護特點：動作速度比上述任何一種過流保護電器都快。常用于容易發(fā)生短路的設(shè)備如逆變器中。但內(nèi)部發(fā)生短路時還得靠快熔來保護。11/18/202389第89頁，共128頁。偏移電壓預(yù)先整定在使控制角

>90o的位置，使整流電壓下降，抑制了短路電流，由于電路處于逆變狀態(tài)，釋放電抗器中的能量，直到逆變電壓降低到晶閘管阻斷。正常情況下，電流信號小于過電流整定值，電壓比較器輸出使控制門開，由給定電壓控制觸發(fā)系統(tǒng)工作，晶閘管正常導(dǎo)通。當負載短路或過載時電壓比較器輸出關(guān)閉控制門，11/18/202390第90頁，共128頁。三.過電壓及晶閘管的過電壓保護（一）幾種主要的過電壓情況

外因過電壓和內(nèi)因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因。 (1)操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起。 (2)雷擊過電壓：由雷擊引起。11/18/202391第91頁，共128頁。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(1)換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復(fù)了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。(2)關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。11/18/202392第92頁，共128頁。（二）過電壓保護概述抑制過電壓的方法：（1）用非線性元件限制過電壓的幅度；（2）用電阻消耗過電壓的能量；（3）用儲能元件吸收過電壓的能量。11/18/202393第93頁，共128頁。避雷器變壓器靜電屏蔽層靜電感應(yīng)過電壓抑制電容11/18/202394第94頁，共128頁。閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路閥側(cè)浪涌過電壓抑制用三相整流式RC電路11/18/202395第95頁，共128頁。壓敏電阻過電壓抑制器閥器件換相過電壓抑制用RC電路11/18/202396第96頁，共128頁。直流側(cè)RC抑制電路閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路

電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。

其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。11/18/202397第97頁，共128頁。（三）限制過電壓的非線性元件1.硒堆若干片硒整流元件組成硒堆。具有較陡的反向非線性特性，當超過轉(zhuǎn)折電壓時，反向電流增加很快，消耗較大瞬時功率，過電壓被限制在硒堆的反向擊穿電壓。每片硒片的額定電壓有效值一般為20~30V。硒片的缺點是，長期不用反向電阻會下降。初次使用時，必須先加50%額定電壓10min，再加額定電壓2h，才能恢復(fù)其原有的反向伏安特性。11/18/202398第98頁，共128頁。2.金屬氧化物壓敏電阻擊穿前漏電流為微安級，損耗小。擊穿后能通過數(shù)千安的浪涌電流，但是每次擊穿流過較大浪涌電流之后，擊穿電壓有所降低，因此不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。11/18/202399第99頁，共128頁。壓敏電阻的主要參數(shù)：U1mA

—漏電流為1mA時的額定電壓值；U

—放電電流達到規(guī)定值I

使的電壓；通流容量—在規(guī)定沖擊電流波形下，允許通過的浪涌電流值；殘壓—壓敏電阻通過電流時在其兩端的電壓降。非線性元件還有：轉(zhuǎn)折二極管BOD、對稱硅過電壓抑制器SSOS等。11/18/2023100第100頁，共128頁。（四）用非線性元件抑制過電壓硒堆正向為二極管特性，使用時將兩組硒堆反向?qū)?，使雙向具有穩(wěn)壓管特性。11/18/2023101第101頁，共128頁。壓敏電阻：11/18/2023102第102頁，共128頁。外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結(jié)方式見圖。RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)。（五）用RC抑制過電壓11/18/2023103第103頁，共128頁。在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻電容，可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場能量儲存起來。電容器電壓不能突變，有效地抑制過電壓。串聯(lián)電阻能消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的振蕩。11/18/2023104第104頁，共128頁。大容量電力電子裝置可采用圖示的三相整流式RC電路（P131圖6-9）多用一組三相整流橋，只用一個電容，并因只承受直流電壓，可采用體積小容量大的電解電容，縮小了保護裝置的體積。又可避免電容放電增加晶閘管的di/dt。11/18/2023105第105頁，共128頁。

直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同的方法，阻容保護和非線性元件保護。在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路，抑制晶閘管關(guān)斷過電壓。晶閘管關(guān)斷時，變壓器電流可經(jīng)RC續(xù)流，減小di/dt，抑制過電壓。電阻可阻尼LC振蕩，限制晶閘管開通時電容放電的di/dt。11/18/2023106第106頁，共128頁。四.晶閘管的du/dt和di/dt承受能力及保護（一）電壓上升率du/dt

在阻斷狀態(tài)下，晶閘管的J2結(jié)面相當于一個電容，如果突然受到正向陽極電壓，就有充電電流流過門極與陰極的PN結(jié)，相當于流過一觸發(fā)電流。當正向陽極電壓上升率du/dt較大時，充電電流也較大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。因此對du/dt有一定限制。11/18/2023107第107頁，共128頁。

電壓上升率du/dt過大的原因：1.由電網(wǎng)侵入的過電壓。2.換相時相當于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓又升高，每一次換相都可能du/dt造成過大。 限制du/dt過大可在電源輸入端串聯(lián)電抗器和晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電抗，利用電感的濾波特性，使du/dt降低。11/18/2023108第108頁，共128頁。（二）電流上升率di/dt

晶閘管在正向陽極電壓作用下，當門極流入觸發(fā)電流后，最初的導(dǎo)通瞬間，主電流集中在門極附近，隨著時間的增長，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴大，直到全部結(jié)面導(dǎo)通為止，這個過程約需幾微秒到幾十微秒。如果導(dǎo)通時電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此，對晶閘管的電流上升率di/dt必須有所限制。11/18/2023109第109頁，共128頁。

電流上升率di/dt過大的原因：晶閘管導(dǎo)通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護電路中的電容突然向晶閘管放電。晶閘管向直流側(cè)保護電容充電。3.直流側(cè)負載突然短路。 限制di/dt過大,除了在阻容保護電路中選擇合適的電阻外，可在每個橋臂上與晶閘管串聯(lián)一個電抗，與限制du/dt的方法相同。11/18/2023110第110頁，共128頁。

限制du/dt和di/dt的電感L值，一般很小，約幾到幾十微亨，一般采用空心電抗器，即用導(dǎo)線繞上一定圈數(shù)構(gòu)成，或者導(dǎo)線上套上一個或幾個磁環(huán)即可。11/18/2023111第111頁，共128頁。1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）

緩沖電路（吸收電路）：抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗關(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，減小器件的開通損耗將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起——復(fù)合緩沖電路其他分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路■11/18/2023112第112頁，共128頁。1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）緩沖電路作用分析無緩沖電路：V開通時電流迅速上升，di/dt很大關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓有緩沖電路V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢V關(guān)斷時：負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形■11/18/2023113第113頁，共128頁。1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）關(guān)斷時的負載曲線無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應(yīng)電壓使VD通，負載線從A移到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移到C有緩沖電路時：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負載線經(jīng)過D到達C負載線ADC安全，且經(jīng)過的都是小電流或小電壓區(qū)域，關(guān)斷損耗大大降低