電力電子技術第六節(jié)

絕緣柵雙極晶體管IGBT絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT：一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)晶體管內部結構斷面示意圖

電氣圖形符號(N溝道)簡化等效電路GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入區(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1b)c)GCEIGBT往往與反并聯的快速二極管封裝在一起，成為逆導器件。絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的靜態(tài)特性O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a)轉移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的主要參數:最大集射極間電壓UCES

——由內部晶體管的擊穿電壓確定。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——正常工作溫度下允許的最大功耗。絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的擎住效應或自鎖效應：內部寄生晶閘管導致柵極失效。成因：集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應）；duCE/dt過高（動態(tài)擎住效應）正偏安全工作區(qū)──由最大集電極電流、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)──由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。EGCN+N-PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的應用特點：輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。通態(tài)壓降比MOSFET低。相對于GTO，開關速度高，損耗小。工藝較成熟，自鎖效應得到較好解決，與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提，以期再取代GTO的地位。其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件MCT（MOSControlledThyristor）SIT（StaticInductionTransistor） SITH（StaticInductionThyristor）IGCT/GCT（Gate-CommutatedThyristor）功率集成電路與集成電力電子模塊MOS控制晶閘管MCTMOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。

由數以萬計的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斷的MOSFET。

其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數值，未能投入實際應用。

靜電感應晶體管SIT結型場效應晶體管：多子導電，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，適用于高頻大功率場合。正常導通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應用。

靜電感應晶閘管SITHSIT與GTO復合而成。又被稱為場控晶閘管本質上是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。一般也是正常導通型，但也有正常關斷型，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。

集成門極換流晶閘管IGCT多個并聯的電力MOSFET和其它輔助元件組成的GTO門極驅動電路，與平板型的GTO集成。容量與普通GTO相當，但開關速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡化普通GTO應用時龐大而復雜的緩沖電路，不過其所需的驅動功率仍然很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭。其他新型電力電子器件MCT（MOSControlledThyristor）

MOSFET與晶閘管的復合，關鍵問題未攻克，限制了容量發(fā)展SIT（StaticInductionTransistor）

結型場效應晶體管，多子導電，工作頻率高，正常導通型器件，主要應用在大功率高頻環(huán)境 SITH（StaticInductionThyristor） 場控晶閘管，速度快，容量大。工藝復雜，一般為正常導通型器件IGCT/GCT（Gate-CommutatedThyristor）

門極換流晶閘管，GTO的派生器件，容量比IGBT大，受到IGBT挑戰(zhàn)其他新型電力電子器件功率模塊：將多個電力電子器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。利于縮小裝置體積，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。達林頓三極管功率模塊其他新型電力電子器件功率集成電路（PIC）： 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。

單片三相逆變器其他新型電力電子器件智能功率模塊（IPM） 專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成。將驅動、保護和控制電路的多個芯片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能的、相對獨立的單元。如構成一相或三相逆變器的專用模塊，用于電動機變頻調速裝置的需要。

小結當前的格局：光控晶閘管：容量最大：制造水平8kV/3.5kA，裝置最高達300MVA。GTO/IGCT：全控器件，兆瓦級以上應用，容量略低于晶閘管。IGBT：中大功率，千瓦－兆瓦級應用，仍不斷發(fā)展。電力MOSFET：中小功率（300V/180A）領域特別是低壓領域地位牢固。功率模塊和功率集成電路是電力電子發(fā)展的共同趨勢。小結當前器件應用的格局：電力電子器件的驅動（ch9）電力電子器件的驅動驅動電路:主電路與控制電路之間的接口。產生滿足需要的開通或關斷信號：強度、幅值、持續(xù)時間、關斷反偏；提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，對器件提供必要的保護。驅動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路。某些驅動芯片將光耦隔離電路也集成在內。為達到參數最佳配合，首選所用器件生產廠家專門開發(fā)的集成驅動電路。電氣隔離：磁隔離：脈沖變壓器，多用于對大功率器件的驅動，可以降低觸發(fā)電路的信號要求，降低設計難度，但是脈沖變壓器觸發(fā)容易在電路內部產生的相互干擾和寄生振蕩，且不能保證較陡的脈沖前沿。光隔離：光耦合器，開關速度快（開關頻率100K~1M），使用中須注意反向輸出特性電力電子器件的驅動晶閘管觸發(fā)電路電力電子器件的驅動GTO驅動電路電力電子器件的驅動GTR驅動電路電力電子器件的驅動POWERMOSFET驅動電路電力電子器件的驅動IGBT驅動器的原理和接線圖電力電子器件器件的保護電力電子器件器件的保護過電壓保護 外因過電壓：操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起雷擊過電壓：由雷擊引起 內因過電壓：換相過電壓：在換相過程，續(xù)流二極管在恢復反向阻斷時，在器件兩端感應出的過電壓。關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。電力電子器件器件的保護過電壓保護：過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靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側RC抑制電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路電力電子器件器件的保護RC過電壓抑制電路直流側閥側網側Cdc

Rdc

RaRaCaCa~+-Cdc

Rdc

RaRaCaCa+-~R2R1C1C2電力電子裝置反向阻斷式過電壓抑制電路圖1-35

RC過電壓抑制電路聯結方式

a)單相b)三相電力電子器件器件的保護緩沖電路(SnubberCircuit)：

又稱吸收電路，抑制器件的內因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。du/dt抑制電路（關斷緩沖電路）——吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗。di/dt抑制電路（開通緩沖電路）——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。電力電子器件器件的保護di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路b)tuCEiCOdidt抑制電路無時didt抑制電路有時有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC電力電子器件器件的保護RC吸收電路和放電阻止型RCD緩沖電路RC吸收電路主要用于小容量器件放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件電力電子器件器件的保護過電流保護過電流繼電器整定在過載時動作。電子電路作為第一保護措施；直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現保護；快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護。負載觸發(fā)電路開關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電力電子器件的串并聯使用電力電子器件的串并聯使用晶閘管串并聯使用：

當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯。當需要承擔較大的電流，可以采用多個器件并聯 問題：因特性差異，使器件電壓、電流分配不均勻

電力電子器件的串并聯使用均壓措施

選用參數和特性盡量一致的器件。 靜態(tài)均壓措施：采用電阻均壓Rp

（Rp阻值應顯著小于器件阻斷時的正、反向電阻）

動態(tài)均壓措施：用RC并聯支路作動態(tài)均壓。采用門極強脈