電力電子基礎(chǔ)

本講要電力電子器件概3.半控型器件——不可控器件——電3.半控型器件——典型全控型器6.電力電子器件的驅(qū)6.電力電子器件的驅(qū)電力電子器件的保22電力電子器件直接用于主電路（MainPowerCircuit）中，用于（PowerElectronicSwitching第二講電力電子器 電力電子器件主要存在損耗導(dǎo)通時存在導(dǎo)通壓降von，導(dǎo)致通態(tài)損耗阻斷時有微小的漏電流，有斷態(tài)損耗Poff，電應(yīng)力限制

第二講電力電子器 電力電子器件的依控制特性將器件分類POWERMOSFET, ,GTO,IGCT,MCT

（（復(fù)

單極型

（型（

雙極型復(fù)合型

第二講電力電子器 電力電子器件的電路HVIC－High成電路SPIC－SmartPowerIC、智能功率模塊IPM－In PowerModule等第二講電力電子器 7不控器件-電力二極7PN電力二極管的主要電力二極管的主要整流二極管及模電力二極管工作由一個面積較大的由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以AKAIPN KJAAK

電力二極 第二講電力電子器 電力二極管工作.～—PN結(jié)的反向擊PN結(jié)的電容效PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電9電力二極管基本 門檻電壓正向電流IF開始明顯F承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的 與IF承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的

第二講電力電子器 電力二極管基本F

動態(tài)特性 UFP越高。延遲時間：tdt1電流下降時間：tt

tF

R trr=td+正向恢復(fù)時間

電力二極管的主要技術(shù)正向平均電流值相等的原則(有效值=1.57IFAV)來選取電流 第二講電力電子器 電力二極管的主要技術(shù)反向恢復(fù)時間最高工作結(jié)溫trr=td+最高工作結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示TJM通常在125~175TJM通常在125~175C浪涌電流IFSM：指電力二極管所能承受最大的連第二講電力電子器 １、額定電流IFZP[電流]─[電壓/100][電力二極管的主要通 (GeneralPurpose 快恢復(fù)二極管(FastRecoveryDiode—快恢復(fù)外延二極管(FastRecoveryEpitaxialDiodes—FRED)，其反向恢復(fù)時間更肖特基二極管(SchottkyBarrierDiode第二講電力電子器 3.半控器件-晶閘晶閘管的結(jié)構(gòu)與工晶閘管的主要晶閘管的派生第二講電力電子器 晶閘管結(jié)構(gòu)與工作JA晶閘管(Thyristor):又稱SCR(SiliconControlledRectifier)JAK 3外形有螺栓型和平板型兩種封裝 3A 有三個聯(lián)接端。有控制用門極

晶閘a外形b結(jié)構(gòu)c)第二講電力電子器 常用晶閘管結(jié)構(gòu)與螺栓型晶閘 晶閘管模平板型晶閘管外形及結(jié)第二講電力電子器 結(jié)構(gòu)：四層（P-N-P- 三端（A、K、晶閘管的工作IcIcIcIc1IICBO2IKICBOIKIAIIAIc1Ic（1-（1-（1-式可（1- 12A（1-a)雙晶體管模型b)工作原晶閘管的工作阻斷狀態(tài)：IG=0,1+2高高備中，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor—LTT） 第二講電力電子器 晶閘管的基本承受正向電壓晶閘管一旦導(dǎo)到接近于零的某一到接近于零的某一數(shù)值以下第二講電力電子器 晶閘管的靜態(tài) 正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓

第二講電力電子器 22確保觸發(fā)：IgIGT,Ug加反壓10晶閘管的動態(tài)普通晶閘管的關(guān)斷時URRMd上升時間tr普通晶閘管的關(guān)斷時URRMd上升時間tr(開通時間tgt=td+正向阻斷恢復(fù)時間關(guān)斷時間延遲時間t0tdtrtOt第二講電力電子器 晶閘管的主要技術(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM—反向重復(fù)峰值電壓URRM—通態(tài)（峰值）電壓UT—

通常取晶閘管的的標(biāo)值作為該器選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰第二講電力電子器 晶閘管的主要技術(shù)IIT(AV）在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷IH浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。第二講電力電子器 晶閘管的主要技術(shù)開通時間關(guān)斷時間斷態(tài)電壓臨界上升率態(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)通通態(tài)電流臨界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第二講電力電子器 晶閘管的門極特性與門極正向峰值電壓門極正向峰值電壓門極正向峰值電流門極峰值功率門極觸發(fā)電流門極平均功率 ABPKFHICABCGLJ0第二講電力電子器 11、晶閘管的型Ｐ—普通Ｋ—快速型，Ｓ—雙向型，Ｎ—逆導(dǎo)型，Ｇ—KP[電流]─[電壓/100][

KP500-晶閘管的派生快速晶閘管(FastSwitching 第二講電力電子器 晶閘管的派生T雙向晶閘管（TriodeACSwitch—TRIAC或BidirectionalTriode T

IIG 2接的普通晶閘管的集成。 2

雙向晶閘a)電氣圖形符號b)第二講電力電子器 晶閘管的派生ConductingThyristor—

I

a)電氣圖形符號b)a)電氣圖形符號b) 晶閘管的派生TriggeredThyristor—

第二講電力電子器 4.典型的全控門極可關(guān)斷晶閘管電力場效應(yīng)晶體管絕緣柵雙極晶體管 第二講電力電子器 門極可關(guān)斷晶閘管OffThyristor—GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過在門極施加負(fù)的脈

G G 出陽極、陰極和門出陽極、陰極和門極GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管的相同點(diǎn)PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部

P2GKA GTO 結(jié)門極可關(guān)斷晶閘管A

I

G A A由P1N1P2和N1P2N2流增益1和2,其中12=1

KK 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原第二講電力電子器 門極可關(guān)斷晶閘管設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易導(dǎo)通時1+2更接近1(1.05，普通晶閘總體歸納起來如下

GTO的工作原第二講電力電子器 門極可關(guān)斷晶閘管導(dǎo)通時1+2更接近1(.

GTO的工作原第二講電力電子器 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動態(tài)特關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不 時間ts，使等效晶體管退出

O

t 尾部時間tt—?dú)埓孑d流子復(fù)合 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越

第二講電力電子器 門極可關(guān)斷晶閘管開通時間ton:延遲時間與上升時間之開通時間ton:延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約關(guān)斷時間toff：一般指 最大可關(guān)斷陽極電流IATO:最大可關(guān)斷陽極電流IATO:GTO電流關(guān)斷增益off=IATOIGM：最大可關(guān)斷陽極電流與門GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A。 電力晶體管大電流的雙極結(jié)型晶體管(BipolarJunctionTransistor—BJT),有時亦作PowerBJT取代晶閘管，但目前又大多 和電MOSFET取代第二講電力電子器 路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。應(yīng)用中GTR一般采用共發(fā)射極接法。路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。應(yīng)用中GTR一般采用共發(fā)射極接法。 基極電流對集電極電流的控制能力。單管GTR的值比小功率的晶體管小得多， +第二講電力電子器 電力晶體管O共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、大區(qū)和飽和區(qū)在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡在電力電子電路中第二講電力電子器 電力晶體管開通過

90%10%

延遲時間td和上升時間tr，二者 關(guān)斷過 時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。

90%10%

td

GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。

t0 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波第二講電力電子器 電力晶體管GTR的主要參電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間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)BUcboBUcexBUcesBUcerBuceo集電極最大允許電流通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)集電極最大允許電流通常規(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(diǎn)第二講電力電子器 電力晶體管GTR二次擊穿現(xiàn)象與一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓Ic迅速增大。只要Ic不超過限度， 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的損壞，或者工作特性明顯衰

P P變 區(qū)（Safe OperatingArea—電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿

UGTR

U第二講電力電子器 電力場效應(yīng)晶PP溝PP溝G S分為結(jié)分為結(jié)型和絕緣柵型。通常主要指絕緣柵型MOS型(MetalSemiconductorFET)，簡稱電力MOSFET(Power

SP溝道

特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電第二講電力電子器 電力場效應(yīng)晶按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型小功率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VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討第二講電力電子器 電力場效應(yīng)晶P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓 ，漏極和源極導(dǎo)電。溝道 溝道D

DGSN溝道

DSP溝道 第二講電力電子器 電力場效應(yīng)晶漏極電流ID和柵壓UGS的關(guān)系MOSFET的轉(zhuǎn)移特性I較大時，I與 的

50飽40區(qū)

2UT

010203040 率定義為跨導(dǎo)

fs

電力a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特第二講電力電子器 電力場效應(yīng)晶MOSFET漏極伏安特截止區(qū)(對應(yīng)GTR截止區(qū) 飽和區(qū)(對應(yīng)GTR放大區(qū)非飽和區(qū)(對應(yīng)GTR飽和區(qū)工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截

50飽40

U=5V止區(qū)和非飽和區(qū)之間來 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

2UT

10203040 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

電力第二講電力電子器 電力場效應(yīng)晶關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延遲

測試電路b)開通過開通延遲時間上升時間開通時間ton：開通延遲up開通過開通延遲時間上升時間開通時間ton：開通延遲upEROLtiDuuuTRsO RiDtFi關(guān)斷過uDp關(guān)斷延遲時間下降時間Ottrt t電力MOSFET的開關(guān)過第二講電力電子器 電力場效應(yīng)晶 電力場效應(yīng)晶跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT、td(on)、tr、td(off)和極間電容:極間電容CGS、CGD和第二講電力電子器 —，，，通流能力很—，，，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)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，以期再取代繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO第二講電力電子器 絕緣柵雙極型晶體管 柵極G、集電極C和發(fā)

C極柵 極

VIDV溝道VDMOSFET與組合—N溝 層P+注入?yún)^(qū)具有很

PP

+ -的通流能力簡化等效電路表明，是GTR與組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一

C

由MOSFET驅(qū)動的厚 制電阻區(qū)制電阻RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的

c)絕緣柵雙極型晶體管 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電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 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 第二講電力電子器 絕緣柵雙極型晶體管 ?分為三個區(qū)域：正向阻斷

有源區(qū)區(qū)

O

正向阻

UFMUCE轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移特a轉(zhuǎn)移特性b第二講電力電子器 絕緣柵雙極型晶體管 的開的開通過程與MOSFETU90%UU相開通延遲時間

10%U 電流上升時間

r

90%I

t

t t開通時間tfv1—中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程tfv2—MOSFET和

10%I0UO

UCEMt

t

UtPNP晶體管同時工作的下降過程

絕緣柵雙極型晶體管 U U90%U的關(guān)斷過關(guān)斷延遲時間電流下降時關(guān)斷時間

10%U090%II

t

I

tt tt t電流下降時間又可分為

U

tU

t 和tfi2兩段。 器的MOSFET的關(guān)斷iC的PNP晶體管

t tO

Ut關(guān)斷過程，iC下降較

的開關(guān)過第二講電力電子器 絕緣柵雙極型晶體管 最大集射極間電壓UCES 最大集電極電流—包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP最大集電極功耗PCM— 高的特點(diǎn)。第二講電力電子器 絕緣柵雙極型晶體管 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：NPN晶體管基極與動態(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 曾限 電流容量提高，20世紀(jì)90年中后期開始逐漸解 成為逆導(dǎo)器件。第二講電力電子器 其他新型電力電子MOS控制晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管集成門極換流晶閘管功率模塊與功率集第二講電力電子器 MOS控制晶閘管一個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承受極高di/dt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 第二講電力電子器 靜電感應(yīng)晶體管（SITSIT(StaticInductionTransistor)— 缺點(diǎn)中得到廣泛應(yīng)用通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多中得到廣泛應(yīng)用第二講電力電子器 靜電感應(yīng)晶閘管（SITH(StaticInductionThyristorSITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。第二講電力電子器 mutated 仍很大。目前正在與等新型器件激烈第二講電力電子器 功率模塊與功率集成基本概 為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。實際應(yīng) ligentPowerModule—IPM）則專指 第二講電力電子器 功率模塊與功率集成 第二講電力電子器 電力電子器件的驅(qū)動驅(qū)動電將電力開關(guān)器件由關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)樘峁┳銐虻尿?qū)動電力使電力開關(guān)器件保持導(dǎo)將電力開關(guān)器件由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樘峁┢秒娔艽_保電力開關(guān)提供偏置電能確保電力開關(guān)器件保持關(guān)當(dāng)檢測到過電壓或過電流時實現(xiàn)電力開關(guān)器件的用于放大控制信號及控制電路之間的電氣。一般采用光或磁隔離。光一般采用光耦合器；磁的元件通常是第二講電力電子器 電力電子器件的驅(qū)動分 第二講電力電子器 和功率，且在可靠有良好的性能、和功率，且在可靠有良好的性能、IM強(qiáng)脈沖幅值溫度穩(wěn)定性及與主電路t1~t4脈沖寬。I功能：生符合要求的門I晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足 脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅 t1 不超過門極電壓、電流第二講電力電子器 晶閘管的觸發(fā)常見的 VD1和R3是為了V1V2 典型全控型器件的驅(qū)動使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門

O 正的門極電

t5V的負(fù)偏

第二講電力電子器 典型全控型器件的驅(qū)動直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路的大，效率較典型的直接耦合式GTO

C2

VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路

2 4V4提供+15V電VD4和電容C4提供-15V電

第二講電力電子器 典型全控型器件的驅(qū)動titb開通驅(qū)動電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)關(guān)斷GTR時，施加一定的負(fù)基 電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷一定幅值（6V左右）一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓第二講電力電子器 典型全控型器件的驅(qū)動二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成

1負(fù)載較輕時，如V5發(fā)射極電流全注入V， 1會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)1V過飽和使得集電極電位低于基極電 1時，VD2會自動導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動電流

2

V5

V流入集電極，維持

C2為加速開通過程的電容。開通時 第二講電力電子器 典型全控型器件的驅(qū)動 的驅(qū)動電壓一般15~20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取-5~15V）第二講電力電子器 典型全控型器件的驅(qū)動電力MOSFET 一種驅(qū)動電

1無輸入信號時高速放大器A負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電

2當(dāng)有輸入信號時A輸出正電平 V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號

脈沖電流為+2A和-3A，輸出

典型全控型器件的驅(qū)動 常用的有三菱公司的M579系列（如M57962LEXB850和EXB851）等M57959L）和富士公司的EXB系列（EXB850和EXB851）等第二講電力電子器 電力電子器件器件的過電壓的產(chǎn)生及過緩沖電第二講電力電子器 過電壓的產(chǎn)生及過電壓 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，反向電流急劇減小，會由線路電感在關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低第二講電力電子器 過電壓的產(chǎn)生及過電壓過電壓保護(hù)措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，屬于緩沖電路范疇外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見 RC4直流側(cè)RC抑制電 RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電第二講電力電子器 過電壓的產(chǎn)生及過電壓RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方反向阻斷式過電壓抑制用RC電a)單相b)過電流保同時采用幾種過電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性變壓

負(fù)電流互感負(fù)

快速熔斷 變流器直流快速斷路交流斷路

繼電

短路動作電

電流檢 過電流保護(hù)措施及配置位第二講電力電子器 過電流保短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。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。對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快。第二講電力電子器 緩沖電相過電壓，抑制du/d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)合制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制電路第二講電力電子器 緩沖電緩沖電路作用分