第一章-電力電子器件課件

1、第一章 電力電子器件電力電子器件概述電力二極管晶閘管及其派生器件典型全控型器件其他新型電力電子器件電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的串聯(lián)與并聯(lián)運(yùn)行第1頁(yè)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(hào)。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(xiàng)。重點(diǎn)第一章 電力電子器件第2頁(yè) 1.1 電力電子器件概述（一）基本概念主電路(Power Circuit):電力電子器件(Power Electronic Device): 在可直接用于處理電能的主電路中,實(shí)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

2、的變換或控制任務(wù)的電路。3能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)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(lái)控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。第4頁(yè)圖1.1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)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(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)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5頁(yè)（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(hào)所控制

3、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(hào)來(lái)控制其通斷。 1.1 電力電子器件概述半控型器件通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。6（1）按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)來(lái)分 電流驅(qū)動(dòng)型通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。（2）按照功率等級(jí)來(lái)分 微功率器件 小功率器件 大功率器件（3）按照導(dǎo)電機(jī)理來(lái)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7 從使用角度出發(fā)，主要可從以下5個(gè)方面考

4、查電力電子器件的使用特點(diǎn)： 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(yùn)行頻率器件的開關(guān)時(shí)間越短，器件可運(yùn)行的頻率越高 c.器件容量包括輸出功率、電壓及電流等級(jí)、功率損耗等參數(shù) d.耐沖擊能力主要是指器件短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)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(diǎn) 1.1 電力電子器件概述8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(shì) 1.1 電力電子器件概述9圖1.3 各種器件壽命的周期曲線 1.1 電力電子器件概述101.2 電力二極管電力二極管（Power Diode）結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可

5、靠，自20世紀(jì)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(chǎng)合，具有不可替代的地位。整流二極管及模塊111.2.1 結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性圖1.4 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)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(gè)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。12額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)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(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。1.2.2 電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流

6、IF(AV)13在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3） 反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 4）反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf1.2.2 電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降UF14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125175C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(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。 1.2.2 電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫TJM151.2.2 電力二極管的品種1.標(biāo)準(zhǔn)工頻型（普通型

7、）又稱整流二極管（Rectifier Diode）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(shí)間較長(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高,可以達(dá)到數(shù)千安或數(shù)千伏以上16 2.快速恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）簡(jiǎn)稱快速二極管，恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（一般在5s以下）。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。1.2.2 電力二極管的品種17 3.肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）(a)反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）。 (

8、b)正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。 (c)反向耐壓較低時(shí)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(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下。 (b)反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)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(diǎn)肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)1.2.2 電力二極管的品種181.3 晶閘管及其派生器件晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1

9、958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(shí)代。20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(chǎng)合具有重要地位。第19頁(yè)AAGGKKa)G圖1. 5 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)1.3.1 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(gè)。螺栓型螺栓是陽(yáng)極，與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。20螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理212.晶閘管的工作原理 圖1.6 晶閘管的工作條件的實(shí)驗(yàn)電路 承受反向陽(yáng)極電壓,處于關(guān)斷狀態(tài)，與門極無(wú)關(guān)

10、，有反向阻斷能力。 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理要使晶閘管關(guān)斷,必須去掉陽(yáng)極正向電壓,或給陽(yáng)極加反向電壓,或降低正向陽(yáng)極電壓,使通過(guò)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(yáng)極電流)。承受正向陽(yáng)極電壓時(shí),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。承受正向陽(yáng)極電壓,同時(shí)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?2晶閘管的工作原理 圖1.7 晶閘管的雙晶體管模型1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理I GIC2IAKAGV2V1IKIC123(1)陽(yáng)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：1.3.1 晶閘

11、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(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)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（Light Triggered ThyristorLTT）。其它幾種情況要盡量防止。(3)結(jié)溫較高，漏電流增大。241.3.2 晶閘管的特性圖1.8 晶閘管的陽(yáng)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)252. 動(dòng)態(tài)特性圖1.9 晶閘管的動(dòng)態(tài)過(guò)程延遲時(shí)間Td(0.51.5s) 開通過(guò)程1.3.2 晶閘管的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgr

12、URRMIRMiA上升時(shí)間Tr (0.53s)開通時(shí)間Ton為以上兩者之和， Ton=Td+ Tr26反向阻斷恢復(fù)時(shí)間Trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間Tgr電路換向關(guān)斷時(shí)間Toff為以上兩者之和Tq=Trr+Tgr普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒圖1.9 晶閘管的動(dòng)態(tài)過(guò)程關(guān)斷過(guò)程100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1.3.2 晶閘管的特性27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(dòng)態(tài)過(guò)程及相應(yīng)損耗晶閘管的損耗靜態(tài)損耗動(dòng)態(tài)損耗1.3.2 晶閘管的特性281.額定電壓UTN1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件

13、的額定電壓。 實(shí)際選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為實(shí)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23倍的安全裕量.29 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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許連續(xù)流過(guò)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(jì)算方法1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 0 2圖1.11 單相工頻正弦半波電流303.維持電流 IH 在室溫與門極開路時(shí),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

14、 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。 對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍。1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)315.通態(tài)平均電壓UT(AV) 當(dāng)晶閘管流過(guò)正弦半波的額定電流平均值和穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)，元件陽(yáng)極與陰極之間電壓降的平均值（1V左右）。1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)6.斷態(tài)電壓臨界上升率dudt 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(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 327.通態(tài)電流臨界上升率didt 8.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(wú)有害影響的

15、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(guò)熱而使晶閘管損壞。IGT是指在室溫且陽(yáng)極電壓為6V直流電壓時(shí)，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(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流時(shí)的門極觸發(fā)電壓。 1.3.3 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(shí)所允許的最高結(jié)溫（器件內(nèi)部）。 331.3.4 晶閘管的派生器件1.快速晶閘管(Fast Switching ThyristorFST)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(shí)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(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘

16、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)。342. 雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）圖1.12 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管的集成。兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。1.3.4 晶閘管的派生器件353. 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor RCT）圖1.13 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性將晶閘

17、管反并聯(lián)一個(gè)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(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。1.3.4 晶閘管的派生器件364. 光控晶閘管（Light Triggered Thyristor LTT）圖1.14 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)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(chǎng)合。1.3.4 晶閘管的派生器件371.4 典型全控型器件20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。381

18、.4.1 電力晶體管(GTR)電力晶體管（Giant TransistorGTR，Bipolar Junction TransistorBJT），也稱為Power BJT。優(yōu)點(diǎn)耐高壓、大電流、開關(guān)時(shí)間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等。缺點(diǎn)二次擊穿、驅(qū)動(dòng)功率大等。應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，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。391. 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(gè)晶體管按達(dá)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 。1.4.1 電力晶體管(GTR)403. 靜態(tài)特性 (1)共發(fā)射極接法

19、時(shí)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(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，經(jīng)過(guò)放大區(qū)。 圖1.15 GTR內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào) 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的靜態(tài)特性 NNPPPN414. 動(dòng)態(tài)特性 開通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。 關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。圖1.16 GTR的開通和關(guān)斷過(guò)程電流波形ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstf

20、tontrtd1.4.1 電力晶體管(GTR)425. 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PcMGTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)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(shí)際使用時(shí)，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1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。 1.4.1 電力晶體管(GTR)436. 二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)(1) 一次擊穿集電極電壓升高

21、至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿；只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。(2)二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)，如果繼續(xù)增高外接電壓，則Ic繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，Uce會(huì)突然降低至一個(gè)小值，同時(shí)導(dǎo)致Ic急劇上升，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。二次擊穿的持續(xù)時(shí)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。1.4.1 電力晶體管(GTR)44圖1.17 GTR的安全工作區(qū)(3) 安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 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。1.4.1 電力晶體管(GTR)451

22、.4.2 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管特點(diǎn)用柵源電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)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(guò)10kW的電力電子裝置 。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)分為結(jié)型和絕緣柵型。通常主要指絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT）46主要用N溝道、增強(qiáng)型、絕緣柵型。和微電子里的MOS管導(dǎo)電機(jī)理相同。和微電子里的區(qū)別：前者是一次擴(kuò)散而成，后者是二次擴(kuò)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1.18 a

23、) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào)1.4.2 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管47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(shí)的柵極電壓類型分為耗盡型和增強(qiáng)型。耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。MOSFET的種類1.4.2 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管482.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1.19 a) 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(shí)，ID與UGS的關(guān)系近

24、似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。1.4.2 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管49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(lái)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(shí)器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)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1.19 b) 輸出特性1.4.2 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管503. 動(dòng)態(tài)特性 圖1.20 a) 測(cè)試電路 b) 開關(guān)過(guò)程波形 RsRGRFRLiDu

25、GSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfa) b)開通過(guò)程開通延遲時(shí)間td(on) 和上升時(shí)間tr之和為開通時(shí)間ton關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)和下降時(shí)間tf之和為關(guān)斷時(shí)間toff1.4.2 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管51 MOSFET的開關(guān)速度和輸入電容Cin的充放電有很大關(guān)系； 使用者無(wú)法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)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）； MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速； MOSFET開關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是常用電

26、力電子器件中最高的； 場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開關(guān)特點(diǎn)：1.4.2 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管524. 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 UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。 4)極間電容極間電容CGS、CGD和CDS1.4.2 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管531.4.3 絕緣柵雙極晶體管 特點(diǎn)器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)晶體管GTR開關(guān)時(shí)間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬 存在二次擊穿、驅(qū)動(dòng)功率較大、

27、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜電力MOSFET驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)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(wú)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-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）集二者的優(yōu)點(diǎn)于一身。1986年投入市場(chǎng)，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。541. 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E1.4.3 絕緣柵雙極晶體管圖1-21 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b)

28、簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)E55(1) 結(jié)構(gòu)IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)BJT。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。IGBT是以BJT為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)器件。圖1.22a是N溝道MOSFET與BJT組合N溝道IGBT。1.4.3 絕緣柵雙極晶體管E圖1-21 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)56(2)工作原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)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(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGB

29、T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(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。1.4.3 絕緣柵雙極晶體管57靜態(tài)特性2. 基本特性圖1. 22 a) 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1.4.3 絕緣柵雙極晶體管58動(dòng)態(tài)特性開通過(guò)程與MOSFET相似開通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間tr 開通時(shí)間tonuCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程； tfv2

30、MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。圖1. 23 IGBT的動(dòng)態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.3 絕緣柵雙極晶體管59圖1. 23 IGBT的動(dòng)態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）電流下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff電流

31、下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快。tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。IGBT的關(guān)斷過(guò)程1.4.3 絕緣柵雙極晶體管60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)1.4.3 絕緣柵雙極晶體管61IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)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(shí)，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

32、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(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。1.4.3 絕緣柵雙極晶體管624. 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)動(dòng)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(jì)90年代中后期開始逐漸解決。NPN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(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。1.4.3 絕緣柵雙極晶體管63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d

33、uCE/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)1.4.3 絕緣柵雙極晶體管641.5 其他全控型電力電子器件簡(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)合。在雷達(dá)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(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，使用不方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大

34、。 65靜電感應(yīng)晶閘管SITH MOS控制晶閘管MCTMOSFET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(guò)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(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。1.5 其他全控型電力電子器件簡(jiǎn)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(qiáng)。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(shí)需要較大的門極驅(qū)動(dòng)電流。66 集成門極換流晶閘管IGCT1.5 其他全控型電力電子器件簡(jiǎn)介20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與G

35、TO的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。6720世紀(jì)80年代中后期開始模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)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(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、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 （Power Integrated Circuit）。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(jiǎn)介68智能功率集成電路

36、SPIC（Smart Power IC）通常指縱向功率器件與控制和保護(hù)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(jī)驅(qū)動(dòng)、家用電器等產(chǎn)品上。高壓集成電路HVIC（High Voltage IC）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(jī)驅(qū)動(dòng)及電話交換機(jī)用戶電路等需要較高電壓的地方。智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。實(shí)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(jiǎn)介69功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高

37、低壓電路之間的絕緣問(wèn)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(chǎng)合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)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(jiǎn)介701.6 電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 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(hào)按照其控制目標(biāo)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(hào)。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(shí)間，減小開關(guān)損耗。對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通

38、過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路還提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。 1.6.1 電力電子變流裝置驅(qū)動(dòng)電路概述71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(lái)安全隱患和盡量減小主電路對(duì)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1.6.1 電力電子變流裝置驅(qū)動(dòng)電路概述72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1.6.1 電力電子變流裝置驅(qū)動(dòng)電路概述731.6.2 晶閘管變流裝置的觸發(fā)電路晶閘管相控裝置對(duì)觸發(fā)電路的要求圖1.27 常見(jiàn)的觸

39、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(gè)工作溫度范圍內(nèi)，對(duì)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(hào)的要 求在規(guī)定的范圍內(nèi)移動(dòng)。（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(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。74晶閘管變流裝置觸發(fā)電路簡(jiǎn)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、

40、數(shù)字觸發(fā)電路。1.6.2 晶閘管變流裝置的觸發(fā)電路75（2）一種比較典型的分立式觸發(fā)電路 同步信號(hào)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(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié) 5） 雙窄脈沖形成 環(huán)節(jié)1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電路圖1.28 同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路761）脈沖形成與放大環(huán)節(jié) E1R7E2-E1uco1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電路772） 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。1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電路78 3） 同步環(huán)節(jié) 同步環(huán)節(jié)

41、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(lái)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。R1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電路794） 強(qiáng)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(duì)C6充電，B點(diǎn)電位為50V。當(dāng)V8導(dǎo)通時(shí)，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(chǔ)能量有限，B點(diǎn)電位迅速下降。當(dāng)B點(diǎn)電位下降到14.3V時(shí)，VD15導(dǎo)通，B點(diǎn)電位被15V電源鉗位在14.3V，形成脈沖平臺(tái)。C5組成加速電路，用來(lái)提高觸發(fā)脈沖前沿陡度

42、。1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電路805） 雙窄脈沖形成環(huán)節(jié) 觸發(fā)電路自身在一個(gè)周期內(nèi)可輸出兩個(gè)間隔60o的脈沖，稱內(nèi)雙脈沖電路。而在觸發(fā)器外部通過(guò)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(shí)，V7、V8截止，沒(méi)有脈沖輸出。只要V5、V6有一個(gè)截止，就會(huì)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(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對(duì)應(yīng)的控制角使V4由截止變導(dǎo)通造成V5瞬時(shí)截止，使得V8輸出脈沖。隔60o的第二個(gè)脈沖是由后一相觸發(fā)單元通過(guò)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。1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電

43、路81 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(gè)觸發(fā)器的連接順序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電路826）脈沖封鎖二極管VD5陰極接零電位或負(fù)電位，使V7、V8截止，可以實(shí)現(xiàn)脈沖封鎖。VD5用來(lái)防止接地端與負(fù)電源之間形成大電流通路。1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電路83（3）模擬集成觸發(fā)電路分為3類： 第一類是利用運(yùn)算放大器、時(shí)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(kuò)充后，構(gòu)成了專用單片集成觸發(fā)電路 第三類是若干個(gè)觸發(fā)電路組成的集成觸發(fā)單

44、元1.6.2 晶閘管變流裝置觸發(fā)電路841.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路GTR驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)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(dòng)電路。GTR對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的基本要求： （1） GTR開通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流應(yīng)具有足夠的基極驅(qū)動(dòng)和快速的上升沿，并一開始有一定的過(guò)沖，以加速開通的過(guò)程，減小開通損耗。 （2） GTR導(dǎo)通期間，驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流在任何負(fù)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(chǔ)時(shí)間，能控制GTR在關(guān)斷前處于臨界飽和狀態(tài)，即準(zhǔn)飽和狀態(tài)。1. GTR驅(qū)動(dòng)電路85 （3）關(guān)斷瞬時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)

45、動(dòng)，以迅速抽出基區(qū)的剩余載流子，減小存儲(chǔ)時(shí)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(shí)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(dòng)電路損耗要小，電路盡可能簡(jiǎn)單可靠，便于集成。 （5）驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流波形tOib1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路86GTR驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介（1） GTR具體的驅(qū)動(dòng)電路形式繁多，這里僅簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)典型的GTR驅(qū)動(dòng)電路。圖1.30 GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路87圖1.31 UAA4002原理框圖 在GTR的驅(qū)動(dòng)專用集成電路中，法國(guó)湯姆

46、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(jiǎn)單介紹一下UAA4002。 1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路88圖1.32 由UAA4002組成的GTR驅(qū)動(dòng)電路UAA4002組成的GTR驅(qū)動(dòng)電路。 UAA4002的獨(dú)特設(shè)計(jì)使它也非常適用于驅(qū)動(dòng)電力場(chǎng)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(gè)并聯(lián)的電力場(chǎng)控器件。1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路892. IGBT的驅(qū)動(dòng)電路 GTR為電流型控制器件，用基極電流來(lái)控制集電極電流。而IGBT是電壓型控制器件，用柵極電壓來(lái)控制集

47、電極電流。因此，其對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求不同。IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求（1） 柵極正偏電壓+UGE 的影響 圖1.33 IGBT通態(tài)電壓與柵極電壓的關(guān)系1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路負(fù)載短路時(shí)，流過(guò)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(shí)間變短。通常使用+15V。90（2） 柵極負(fù)偏壓-UGE 的影響圖1.34 集電極浪涌電流與柵極負(fù)電壓的關(guān)系1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路負(fù)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(dòng)態(tài)擎住現(xiàn)象。通常使用-5V或更低。91IGBT的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介 IGBT實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要問(wèn)題是柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)得是否合理。總的來(lái)

48、說(shuō)，由于場(chǎng)控制件的導(dǎo)電機(jī)理，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路比GTR的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 圖1.35 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路92圖1.36 M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路93圖1.37 經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后驅(qū)動(dòng)(用來(lái)驅(qū)動(dòng)大電流模塊)1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路94圖1.38 直接驅(qū)動(dòng)（采用驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)）1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路95 IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)圖1.39 典型柵極驅(qū)動(dòng)電路框圖1.6.2 典型全控型器件驅(qū)動(dòng)電路96 1.7 晶閘管變流裝置的保護(hù)電路原因財(cái)產(chǎn)安全和人身安全通常有五種保護(hù)電路：晶閘管過(guò)流保護(hù)晶閘管過(guò)壓保護(hù)

49、晶閘管du/dt保護(hù)晶閘管di/dt保護(hù)晶閘管門極保護(hù) 971.7.1 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因雷擊過(guò)電壓：由雷擊所產(chǎn)生的大氣干擾引起操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過(guò)程 在晶閘管從導(dǎo)通到阻斷過(guò)程中，由于晶閘管反向電流突變會(huì)因線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。電力電子裝置可能的過(guò)電壓外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓98A、避雷器保護(hù)1.7.1 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)保護(hù)措施B、利用非線性過(guò)電壓保護(hù)元件保護(hù)圖1.40 壓敏電阻的伏安特性圖1.41 壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)的接法99 C、利用儲(chǔ)能元件保護(hù)圖1.42 阻容過(guò)電壓保

50、護(hù)的連接方法 圖1.43 RCD過(guò)電壓吸收電路1.7.1 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)100圖1.44 晶閘管變流裝置過(guò)電壓保護(hù)主要措施及設(shè)置位置A 避雷器；B 接地電容，C 阻容保護(hù)；D 整流式阻容保護(hù)； E 壓敏電阻保護(hù)；F 器件側(cè)阻容保護(hù)D、利用引入電壓檢測(cè)的電子保護(hù)電路作過(guò)電壓保護(hù)1.7.1 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)1011.7.2 晶閘管變流裝置的過(guò)電流保護(hù)保護(hù)措施：過(guò)電流過(guò)載和短路兩種情況同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分 區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。負(fù)載觸發(fā)電路開關(guān)電路過(guò)電流

51、繼電器交流斷路器動(dòng)作電流整定值短路器電流檢測(cè)電子保護(hù)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(guò)電流保護(hù)措施及其配置位置102全保護(hù)：過(guò)載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。對(duì)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(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快 ?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種1.7.2 晶閘管變流裝置的過(guò)電流保護(hù)1031.7.3 限制晶閘管的du/dt和di/dt保護(hù)（1） 限制du/dt保護(hù)措施(1)產(chǎn)生電壓上升率dudt的

52、原因由電網(wǎng)侵入的過(guò)電壓。由于晶閘管換相時(shí)造成的dudt過(guò)大。(2) 電壓上升率dudt的限制方法在晶閘管兩端并聯(lián)一個(gè)RC或RCD吸收電路。（2） 限制di/dt保護(hù)措施(1)變換器中產(chǎn)生過(guò)大的didt 的原因在晶閘管開通時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護(hù)中的電容突然向晶閘管放電。交流電源通過(guò)晶閘管向直流側(cè)保護(hù)電容充電。直流側(cè)負(fù)載突然短路。(2) 電流上升率didt的限制方法在阻容保護(hù)中選擇合適的電阻。在每個(gè)橋臂上與晶閘管串聯(lián)一個(gè)約幾到幾十微亨的小電感。1041.7.4 晶閘管的門極保護(hù)（1）在主電路和觸發(fā)電路，一些瞬變電壓也可能通過(guò)布線電容或空間傳播進(jìn)入門極電路。（2）晶閘管的門極保護(hù)的目的除了防止本

53、身免遭過(guò)電壓（過(guò)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(hù)措施1051.7.5 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(guò)電壓、du/dt或者過(guò)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(guò)程軟化，減小器件的開關(guān)損耗并對(duì)器件給予可靠的保護(hù)，維護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)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。 106關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)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(shí)的電流過(guò)沖和di/dt，減小器件的開通損耗。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。按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無(wú)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。1.7.5 緩沖電路107b)tuCEiCOdidt