電力電子器件概述new課件

1第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2不可控器件——二極管1.3半控型器件——晶閘管1.4典型全控型器件1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件的驅動1.7電力電子器件的保護1.8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

本章小結及作業(yè)21.1.1電力電子器件的概念和特征1.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.3電力電子器件的分類1.1.4本章內容和學習要點1.1電力電子器件概述356能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關狀態(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。1.1.1電力電子器件的概念和特征3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：7電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅動電路、保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅動電路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)正常可靠運行1.1.2應用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路9半控型器件---------通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。b.全控型器件---------通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。絕緣柵雙極晶體管電力場效應晶體管(簡稱為電力MOSFET）門極可關斷晶閘管（

-GTO）c.不可控器件---------不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅動電路電力二極管（PowerDiode）只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

1.1.3電力電子器件的分類一.按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：1011二.按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與

導電的情況分為三類：單極型器件----由一種載流子參與導電的器件。雙極型器件----由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件。復合型器件-----由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。13本章內容:介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題。集中講述電力電子器件的驅動、保護和串、并聯(lián)使用這三個問題。學習要點:最重要的是掌握其基本特性。掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。可能會主電路的其它電路元件有特殊的要求。1.1.4本章學習內容與學習要點141.2.1PN結與電力二極管的工作原理1.2.2電力二極管的基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類型1.2不可控器件—電力二極管15一.結構基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號1.2.1PN結與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK17

1.二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征。2.PN結的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導致熱擊穿1.2.1PN結與電力二極管的工作原理二.PN結的狀態(tài)18PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD。電容影響PN結的工作頻率，尤其是高速的開關狀態(tài)。1.2.1PN結與電力二極管的工作原理3.PN結的電容效應：192)動態(tài)特性——二極管的電壓-電流特性隨時間變化的——結電容的存在b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5電力二極管的動態(tài)過程波形

a)正向偏置轉換為反向偏置b)零偏置轉換為正向偏置延遲時間：td=t1-t0,電流下降時間：tf=t2-t1反向恢復時間：trr=td+tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tf/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。21正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。正向恢復時間tfr。電流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程1.2.2電力二極管的基本特性2.開通過程：1.關斷過程須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關斷過程22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)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1)

正向平均電流IF(AV)23結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結不致?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。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。1.2.3電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結溫TJM25功率二極管的型號和選擇原則

1、功率二極管的型號262.功率二極管的選擇原則（1）選擇額定正向平均電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于管子在電路中實際可能通過的最大電流有效值即可?？紤]元件的過載能力，實際選擇時應有1.5~2倍的安全裕量。計算公式為：（2）選擇額定電壓的原則選擇功率二極管的反向重復峰值電壓等級（額定電壓）的原則應為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時值電壓的2~3倍，即27簡稱快速二極管快恢復外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。1.2.4電力二極管的主要類型2)快恢復二極管29肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短（10~40ns）。正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復二極管。效率高，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還小。1.2.4電力二極管的主要類型3).肖特基二極管SBD以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。301.3半控器件—晶閘管1.3.1晶閘管的結構與工作原理1.3.2晶閘管的基本特性1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.3.4晶閘管的派生器件311.3半控器件—晶閘管·引言發(fā)展過程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)出第一只晶閘管產品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代。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。晶閘管

：晶體閘流管VT，可控硅整流器

SCR321.3.1

晶閘管的結構與工作原理一.結構:

具有四層PNPN結構、三端引出線(A、K、G)的器件。常見的外形有兩種：螺栓型和平板型。

螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。331.3.1

晶閘管的結構與工作原理常用晶閘管的結構螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構341.3.1

晶閘管的結構與工作原理351.3.1

晶閘管的結構與工作原理二.晶閘管的工作原理1、晶閘管工作原理的實驗說明361.3.1

晶閘管的結構與工作原理2.晶閘管導通必須同時具備兩個條件:

（1）晶閘管主電路加正向電壓。（2）晶閘管控制電路加合適的正向電壓。晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。3.晶閘管關斷條件:1)晶閘管主電路加反向電壓。2)必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有通過使陽極電壓減小到零或反向的方法來實現(xiàn)。371.3.1

晶閘管的結構與工作原理

（1-5）4、晶閘管工作原理的等效電路說明

當晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時，形成了強烈的正反饋，正反饋過程如下：

IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

381.3.1

晶閘管的結構與工作原理391.3.1

晶閘管的結構與工作原理三.工作狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。401.3.1

晶閘管的結構與工作原理陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結溫較高光觸發(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用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導通的情況：411.3.2

晶閘管的基本特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管正常工作時的特性總結如下：基本特性:靜態(tài)特性(正向特性,反向特性)動態(tài)特性(開通過程,關斷過程)421.3.2

晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG431.3.2

晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性441.3.2

晶閘管的基本特性1)

開通過程延遲時間td(0.5~1.5s)上升時間tr

(0.5~3s)開通時間tgt

以上兩者之和，tgt

=td+tr

（1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

關斷過程反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關斷時間tq以上兩者之和tq=trr+tgr

（1-7)普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒2）

動態(tài)特性圖1-9晶閘管的開通和關斷過程波形451.3.3

晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

——在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。規(guī)定此電壓為正向不重復峰值電壓UDSM的80%。反向重復峰值電壓URRM

——在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。此電壓取反向不重復峰值電壓URSM的80%。通態(tài)（峰值）電壓UT——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。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。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。使用注意：一.主要參數(shù)1）電壓定額46UDRM、URRM——正、反向斷態(tài)重復峰值電壓；UDSM、URSM——正、反向斷態(tài)不重復峰值電壓；UBO——正向轉折電壓；URO——反向擊穿電壓。

471.3.3

晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流

IT(AV）——在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r應按有效值相等的原則來選取晶閘管。

又:額定電流IT(AV)

是指：在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負載時的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導通角不小于170度）的電路中，結溫穩(wěn)定在額定值125度時所允許的通態(tài)平均電流。注意：晶閘管是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額，這是因為晶閘管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來計算。2）電流定額48

它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關系表示為：

正弦半波電流的有效值為：

式中Kf―為波形系數(shù)

49流過晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實際應用中，應根據(jù)電流有效值相同的原則進行換算，通常選用晶閘管時，電流選擇應取(1.5～2)倍的安全裕量。501.3.3

晶閘管的主要參數(shù)元件允許流過的最大電流有效值元件允許流過的最大電流平均值5152維持電流IH

——使晶閘管維持導通所必需的最小電流。擎住電流IL

——晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。531.3.3

晶閘管的主要參數(shù)541.3.3

晶閘管的主要參數(shù)

除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉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，就會使晶閘管誤導通。

通態(tài)電流臨界上升率di/dt

——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。4）動態(tài)參數(shù)551.3.3

晶閘管的主要參數(shù)56K—可控快速型S—雙向型N—逆導型G—可關斷型57

2、普通晶閘管的選擇原則

（1）選擇額定電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于等于管子在電路中實際可能通過的最大電流有效值即可?？紤]元件的過載能力，實際選擇時應有1.5~2倍的安全裕量。計算公式為：然后取相應標準系列值。58（2）選擇額定電壓的原則選擇普通晶閘管額定電壓的原則應為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時值電壓的2~3倍，即然后取相應標準系列值。593．晶閘管的簡單測試方法

對于晶閘管的三個電極，可以用萬用表粗測其好壞。依據(jù)PN結單向導電原理，用萬用表歐姆擋測試元件的三個電極之間的阻值，可初步判斷管子是否完好。如用萬用表R×1kΩ擋測量陽極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大，在幾百千歐以上，且正、反向電阻相差很?。挥肦×10或R×100擋測量控制極G和陰極K之間的阻值，其正向電阻應小于或接近于反向電阻，這樣的晶閘管是好的。如果陽極與陰極或陽極與控制極間有短路，陰極與控制極間為短路或斷路，則晶閘管是壞的。601.3.4晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關斷時間數(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，不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。1.快速晶閘管

611.3.4晶閘管的派生器件2.雙向晶閘管

圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極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。62(1)雙向晶閘管的型號63(2).雙向晶閘管與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，并且控制電路比較簡單，但有以下局限性：（1）雙向晶閘管重新施加du/dt的能力差，這使它難以用于感性負載。（2）電路靈敏度比較低。（3）管子的關斷時間tq比較長。641.3.4晶閘管的派生器件3.逆導晶閘管

a)AKGb)UOIIG=0圖1-11逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)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。具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點。651.3.4晶閘管的派生器件4.光控晶閘管

a)GKAAK光強度強弱b)OUIA圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)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。因此目前在高壓大功率的場合。661.4典型全控型器件1.4.1門極可關斷晶閘管1.4.2電力晶體管1.4.3電力場效應晶體管1.4.4絕緣柵雙極晶體管671.4典型全控型器件·引言門極可關斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。典型代表——門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。681.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊691.4.1

門極可關斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負的脈沖電流使其關斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。DATASHEET門極可關斷晶閘管（

GTO）701.4.1

門極可關斷晶閘管一.結構：與普通晶閘管的相同點：

PNPN四層,三端(陽極、陰極和極)。和普通晶閘管的不同點：GTO內部是由許多四層結構的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門極和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元，而普通晶閘管是獨立元件結構。

GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13GTO的內部結構和電氣圖形符號a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結構斷面示意圖c)電氣圖形符號1）GTO的結構和工作原理71721.4.1

門極可關斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理1+2=1是器件臨界導通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2

。73關斷過程：與普通晶閘管有所不同.

有三個不同的時間，即存儲時間ts、下降時間tf及尾部時間tt。儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf

尾部時間tt

—殘存載流子復合。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，ts越短。741.4.1

門極可關斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大?！话阒竷Υ鏁r間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2）關斷時間toff（1）開通時間ton

不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯(lián)

。許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。751.4.1

門極可關斷晶閘管（3）最大可關斷陽極電流IATO（4）

電流關斷增益off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A?！狦TO額定電流?！畲罂申P斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。（1-8）761.4.2電力晶體管(GTR)電力晶體管________也稱巨型晶體管,是一種雙極型、大功率、高反壓晶體管(BipolarJunctionTransistor-BJT)。GTR和GTO一樣具有自關斷能力，屬于電流控制型自關斷器件。

GTR可通過基極電流信號方便地對集電極-發(fā)射極的通斷進行控制，并具有飽和壓降低、開關性能好、電流較大、耐壓高等優(yōu)點。GTR已實現(xiàn)了大功率、模塊化、廉價化。

20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。771.4.2電力晶體管(又稱功率晶體管GTR)一）GTR的結構和工作原理1、電力晶體管的結構

GTR屬三端三層兩結的雙極型晶體管，結構與小功率晶體管相似.

三端:為B(基極)、C(集電極)、E(發(fā)射極)。三層:有兩種基本類型，NPN型和PNP型。

78與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。1.4.2電力晶體管圖1-15GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動

a)內部結構斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內部載流子的流動792.GTR的工作原理以NPN型晶體管為例，若外電源使UBC<0,則集電結的PN結處于反偏狀態(tài)；若UBE>0，則發(fā)射結的PN結處于正偏狀態(tài)。此時晶體管內部電流分布為：（1）由于UBC<0，集電結處于反偏狀態(tài)，形成反向飽和電流ICBO從N區(qū)流向P區(qū)。（2）由于UBE>0，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴不斷地向N區(qū)擴散形成空穴電流IPE，N區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷地向P區(qū)擴散形成電子電流INE。1.4.2電力晶體管801.4.2電力晶體管在應用中，GTR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（1-9）

——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。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為ic=

ib+Iceo

（1-10）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?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b)ib2.工作原理811.4.2電力晶體管

(1)

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工作在開關狀態(tài)。在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性2）GTR的基本特性821.4.2電力晶體管開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。加快開通過程的辦法。關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff

。加快關斷速度的辦法。GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖1-17GTR的開通和關斷過程電流波形(2)

動態(tài)特性831.4.2電力晶體管前已述及：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，還與外電路接法有關。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)841.4.2電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應的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。

2)

集電極最大允許電流IcM851.4.2電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

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。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。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、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)861.4.3電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小。開關速度快，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。電力場效應晶體管871.4.3電力場效應晶體管電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為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）零時才存在導電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。DATASHEET1）電力MOSFET的結構和工作原理881.4.3電力場效應晶體管電力MOSFET的結構是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別。采用多元集成結構，不同的生產廠家采用了不同設計。圖1-19電力MOSFET的結構和電氣圖形符號891.4.3電力場效應晶體管小功率MOS管是橫向導電器件。電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。電力MOSFET的結構901.4.3電力場效應晶體管截止：漏源極間加正電源，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J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。圖1-19電力MOSFET的結構和電氣圖形符號電力MOSFET的工作原理911.4.3電力場效應晶體管

(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20電力MOSFET的轉移特性和輸出特性

a)轉移特性b)輸出特性2）電力MOSFET的基本特性921.4.3電力場效應晶體管截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應GTR的飽和區(qū)）工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。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。圖1-20電力MOSFET的轉移特性和輸出特性

a)轉移特性b)輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A931.4.3電力場效應晶體管開通過程開通延遲時間td(on)

上升時間tr開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和關斷過程關斷延遲時間td(off)下降時間tf關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流(2)

動態(tài)特性941.4.3電力場效應晶體管

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系?？山档万寗与娐穬茸鑂s減小時間常數(shù)，加快開關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在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。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET的開關速度951.4.3電力場效應晶體管3)電力MOSFET的主要參數(shù)

——電力MOSFET電壓定額(1)

漏極電壓UDS

(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——UGS>20V將導致絕緣層擊穿。

除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS961.4.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）(DATASHEET1

2)GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。971.4.4絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的結構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的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號981.4.4絕緣柵雙極晶體管圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。圖1-22IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號

IGBT的結構991.4.4絕緣柵雙極晶體管

驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。

IGBT的原理100a)b)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的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性轉移特性——IC與UGE間的關系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。1011.4.4絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開關過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時間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。(2)

IGBT的動態(tài)特性1021.4.4絕緣柵雙極晶體管圖1-24IGBT的開關過程關斷延遲時間td(off）電流下降時間

關斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。

IGBT的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1031.4.4絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的主要參數(shù)——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——由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES1041.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：開關速度高，開關損耗小。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VDMOSFET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，同時保持開關頻率高的特點。1051.4.4絕緣柵雙極晶體管擎住效應或自鎖效應：

IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件?！畲蠹姌O電流、最大集射極間電壓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、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。——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生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，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。1061.5其他新型電力電子器件1.5.1MOS控制晶閘管MCT1.5.2靜電感應晶體管SIT1.5.3靜電感應晶閘管SITH1.5.4集成門極換流晶閘管IGCT1.5.5功率模塊與功率集成電路1071.5.1

MOS控制晶閘管MCTMCT結合了二者的優(yōu)點：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關過程，開關損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。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(shù)值，未能投入實際應用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復合(DATASHEET)1081.5.2靜電感應晶體管SIT多子導電的器件，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。在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用。缺點：柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通型器件，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)電力電子設備中得到廣泛應用。SIT（StaticInductionTransistor）——結型場效應晶體管1091.5.3靜電感應晶閘管SITHSITH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。

SITH一般也是正常導通型，但也有正常關斷型。此外，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——場控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）110問題:如何防止電力MOSFET因靜電感

應引起的損壞？答：電力MOSFET的柵極絕緣層很薄弱，容易被擊穿而損壞。MOSFET的輸入電容是低泄漏電容，當柵極開路時極易受靜電干擾而充上超過20的擊穿電壓，所以為防止MOSFET因靜電感應而引起的損壞，應注意以下幾點：①一般在不用時將其三個電極短接；②裝配時人體、工作臺、電烙鐵必須接地，測試時所有儀器外殼必須接地；③電路中，柵、源極間常并聯(lián)齊納二極管以防止電壓過高④漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過電壓。1111.5.4集成門極換流晶閘管IGCT20世紀90年代后期出現(xiàn)，結合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關速度快10倍?？墒∪TO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。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。DATASHEET

1

2IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）1121.5.5

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（PowerIntegratedCircuit——PIC）。DATASHEET基本概念1131.5.5

功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（HighVoltageIC——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（SmartPowerIC——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（IntelligentPowerModule——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。實際應用電路1141.5.5

功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術難點：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1151.6

電力電子器件器件的驅動1.6.1電力電子器件驅動電路概述1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路1.6.3典型全控型器件的驅動電路1161.6.1電力電子器件驅動電路概述使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗。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在驅動電路中，或通過驅動電路實現(xiàn)。1.驅動電路的基本任務：按控制目標的要求施加開通或關斷的信號。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，又要提供關斷控制信號。一.驅動電路——主電路與控制電路之間的接口1171.6.1電力電子器件驅動電路概述2.驅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

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型1181.6.1電力電子器件驅動電路概述按照驅動信號的性質分，可分為電流驅動型和電壓驅動型。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。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路。為達到參數(shù)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。3.分類1191.6.2晶閘管的觸發(fā)電路作用：產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為導通。晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度。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。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。tIIMt1t2t3t4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（<1s）t1~t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）二.晶閘管的觸發(fā)電路1201.6.2晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構成脈沖輸出環(huán)節(jié)。

V1、V2導通時，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。圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路1.常見的晶閘管觸發(fā)電路1211.6.3

典型全控型器件的驅動電路(1)GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似。GTO關斷控制需施加負門極電流。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1)電流驅動型器件的驅動電路正的門極電流5V的負偏壓GTO驅動電路通常包括開通驅動電路、關斷驅動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。1221.6.3

典型全控型器件的驅動電路直接耦合式驅動電路可避免電路內部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿。目前應用較廣，但其功耗大，效率較低。圖1-29典型的直接耦合式GTO驅動電路1231.6.3

典型全控型器件的驅動電路開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗。關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。tOib

圖1-30理想的GTR基極驅動電流波形(2)GTR1241.6.3

典型全控型器件的驅動電路GTR的一種驅動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。圖1-31GTR的一種驅動電路驅動GTR的集成驅動電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。1251.6.3

典型全控型器件的驅動電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件。為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅動電壓一般15~20V。關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。2)電壓驅動型器件的驅動電路1261.6.3

典型全控型器件的驅動電路(1)電力MOSFET的一種驅動電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分圖1-32電力MOSFET的一種驅動電路專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。

1271.6.3

典型全控型器件的驅動電路(2)IGBT的驅動圖1-33M57962L型IGBT驅動器的原理和接線圖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）。

多采用專用的混合集成驅動器。1281.7電力電子器件器件的保護1.7.1過電壓的產生及過電壓保護1.7.2過電流保護1.7.3緩沖電路1291.7.1過電壓的產生及過電壓保護1.外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起雷擊過電壓：由雷擊引起2.內因過電壓：來自電力電子裝置內部器件的開關過程換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。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。一．過電壓產生的原因：

在變流電路中，電感性電路的開與關、整流變壓器的合閘分閘、快速熔斷器的熔斷以及電源側侵入的浪涌內電壓等，都會產生過電壓。130二.過電壓保護措施1．晶閘管關斷過電壓及其保護1)產生原因:在晶閘管導通換相瞬間，兩相晶閘管同時導通，在換相重疊角γ期間相當于線電壓被短路，因而在輸出電壓波形上出現(xiàn)一個缺口，當加在晶閘管上的電壓變化率du/dt為正時，有可能造成晶閘管誤導通。2)過電壓保護的目的--------是使元件在任何情況下不致受到超過元件所能承受的電壓的侵害,因此必須采取有效措施消除和抑制可能產生的各種過電壓。3).保護方法及保護元件：1）只并電容C，使電壓不能突變，但會產生振蕩，使U上升。

2）只并電阻R，一方面產生阻尼LC振蕩；另一方面將限制元件的開通損耗與電流的上升率方法：并RC元件，形成阻容吸收電路。注意：電路要盡量靠近晶閘管，引線要短，最好采用無電感電阻。1314)晶閘管過電壓保護（1）防止du/dt過大造成誤導通的方法是在

每個橋臂串接一個空心電抗器LS，(2)晶閘管換相過電壓的保護。通常是在

晶閘管元件兩端并聯(lián)RC電路，圖換相過電壓保護電路

1322.交流側過電壓及其保護

1)產生原因：高壓側合閘瞬間負載切除或整流直流側開關斷開，回路中的電感產生感應電動勢將造成過電壓。在整流變壓器空載且電源電壓過零時，一次側拉閘，二次側感應出瞬時高電壓。電網(wǎng)受雷擊或有干擾電壓時，將產生偶發(fā)性的浪涌電壓。1332)交流側過電壓保護方法：(1)交流側過電壓常用保護有三種方法：采用避雷器、RC過電壓抑制電路非線性元件。避雷器用以保護由大氣雷擊所產生的過電壓，主要用于保護變壓器。因這種過電壓能量較大，持續(xù)時間也較長，一般采用閥型避雷器。RC過電壓抑制電路通常并聯(lián)在變壓器次級（元件側），以吸收變壓器鐵心磁場釋放的能量，并把它轉換為電容器的電場能而儲存起來。串聯(lián)電阻是為了在能量轉換過程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能產生的振蕩。當整流器容量較大時，RC電路也可接在變壓器的電源側，134圖交流側阻容過電壓保護電路的接法135(2)交流側過電壓其他保護有三種方法：

當發(fā)生雷擊或從電網(wǎng)侵入更高的浪涌電壓時，僅用阻容保護是不夠的，此時過電壓仍可能超過元件所能承受的電壓值，因此必須同時設置非線性元件保護。非線性元件有與穩(wěn)壓管相近似的伏安特性，可以把浪涌過電壓抑制在晶閘管元件允許的范圍。常用的非線性元件有硒堆和金屬氧化物壓敏電阻。136RC保護：1).應用范圍：一般操作引起的過電壓；對大容量的裝置，三相阻容吸收設備龐大，硒堆保護：1)應用范圍：交流側2)特點：優(yōu)點：硒片的體積大，擊穿時只燒焦幾個點，過電壓消失后，硒片恢復正常，可繼續(xù)起保護作用。缺點：體積大，反向伏安特性不陡，易老化3)運用方法：三相交流側的連接方法可采用星形或三角形連接方法。3.壓敏電阻保護：1)應用范圍：直流側、交流側、橋臂2)特點：優(yōu)點：正反向特性對稱，反應快，體積小，價格便宜。缺點：持續(xù)平均功率小（幾瓦），一旦電壓超出額定電壓，很快燒毀。3)注意事項：三相交流側的連接方法可采用星形或三角形連接方法。137(3)交流側過電壓整流式保護方法

(只用一個電容）

特點：應用廣泛，性能可靠；但運行時能耗較大，易發(fā)熱，且體積大，對能量較大的過電壓不能完全吸收。1383．直流側過電壓及其保護1)產生原因：整流器直流側斷開時，如出現(xiàn)直流側快速開關斷開或橋臂快速熔斷等情況，則也會產生過電壓。前者因變壓器儲能的釋放產生過電壓，后者則由于直流電抗器儲能的釋放產生過電壓，都可使晶閘管元件損壞。當直流端處在短路情況下斷開直流電路時，產生的浪涌峰值電壓特別嚴重，所以對直流側過電壓必須采取措施加以抑制139圖9-5直流側快速開關斷開或快速熔斷引起的過電壓1402)直流側過電壓保護方法：

1.壓敏電阻2.直流快速開關3.RC吸收回路用非線性元件抑制直流側過電壓

1411.7.1過電壓的產生及過電壓保護過電壓保護措施圖1-34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1421.7.2過電流保護1.過電流——過載和短路兩種情況·外部短路，如直流輸出端發(fā)生短路；·內部短路，如整流橋主臂中某一元件被擊穿而發(fā)生的短路；·可逆系統(tǒng)中產生換流失敗和環(huán)流過大；·生產機械發(fā)生過載或堵轉等。1432.保護措施：交流進線中串接電抗器，或采用漏抗較大的變壓器。采用靈敏過電流繼電器進行保護。采用限流與脈沖移相的保護。采用直流快速開關保護。采用快速熔斷器保護。（圖4.16）

接法：1）接入橋臂與晶閘管串聯(lián)。2）接入交流側，每相分別串接。3）接入直流側。144晶閘管變流裝置可能采用的過流保護措施有:交流斷路器、進線電抗器、靈敏過電流繼電器、短路器、電流反饋控制電路、直流快速開關及快速熔斷器等，1451.7.2過電流保護全保護：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動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)，響應最快?？烊蹖ζ骷谋Ｗo方式：全保護和短路保護兩種146147快熔的選用原則如下：·額定電壓的選擇?？烊垲~定電壓URN不小于線路正常工作電壓的方均根值。

·額定電流的選擇?？烊鄣念~定電流IRN應按它所保護的元件實際流過的電流IR（方均根值）來選擇