變頻器原理第2章課件

變頻器原理與應用

變頻器原理與應用

第2章電力電子器件第2章電力電子器件教學重點

晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、導通條件、使用要求等。教學難點

變頻技術中常用的集成觸發(fā)模塊。教學重點

電力電子器件是電力電子技術的核心，是電力電子電路的基礎，同時也是變頻技術的關鍵器件。本章講述晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、主要靜態(tài)及動態(tài)參數(shù)、選取原則及其觸發(fā)、保護電路，全控型器件GTR、MOSFET、IGBT等新型功率開關元件的結(jié)構(gòu)、性能及驅(qū)動、保護電路。

電力電子器件是電力電子技術的核心，是電力電子電2.1.1常用電力電子器件的類型

1.按器件被控制信號所控制的程度分類

1）不可控器件不可控器件不能用控制信號來控制其通斷。如電力二極管（PowerDiode）器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定。2.1常用電力電子器件2.1.1常用電力電子器件的類型2.1常用電力電子器2）半控型器件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。如晶閘管Thyristor及其大部分派生器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

3）全控型器件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，故又稱為自關斷器件。如絕緣柵雙極晶體管IGBT和門極可關斷晶閘管GTO等。2）半控型器件2.按驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)分類

1）電流驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。常見的有普通晶閘管、門極可關斷晶閘管GTO等。2.按驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號2）電壓驅(qū)動型通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。電壓驅(qū)動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件或場效應器件。常見的有功率場效應晶體管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT等。2）電壓驅(qū)動型3.按器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分類

1）單極型器件只有一種載流子參與導電的器件，常見的單極型器件有功率場效應晶體管MOSFET和靜電感應晶體管SIT。

2）雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件，常見的雙極型器件有晶閘管（包括普通晶閘管SCR、雙向晶閘管TRIAC、逆導晶閘管RCT、非對稱晶閘管ASCR、功率晶體管GTR、門極可關斷晶閘管GTO、靜電感應晶閘管SITH。3.按器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況3）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，一般是以普通晶閘管、GTR或GTO為主導元件，以MOSFET為控制元件復合而成的。常見的復合型器件有絕緣柵型雙極型晶體管IGBT、MOS控制晶閘管MCT以及功率集成電路。如圖2-1所示為電力電子器件分類樹。3）復合型器件圖2-1電力電子器件分類樹圖2-1電力電子器件分類樹2.1.2晶閘管的結(jié)構(gòu)原理及測試

晶閘管又稱晶體閘流管或可控硅整流器SCR，包括普通晶閘管、快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、可關斷晶閘管和光控晶閘管。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型——普通晶閘管。2.1.2晶閘管的結(jié)構(gòu)原理及測試

1.晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號，如圖2-2所示。圖2-2晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號1.晶閘管的結(jié)構(gòu)圖2-2晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.晶閘管的工作原理為了說明晶閘管的導電原理，可按如圖2-3所示的電路做一個簡單的實驗。

圖2-3晶閘管導通條件實驗電路2.晶閘管的工作原理

3.晶閘管的導通條件從上述實驗可以看出，晶閘管導通必須同時具備兩個條件：（1）晶閘管陽極電路加適當?shù)恼螂妷骸＃?）門極電路加適當?shù)恼螂妷海▽嶋H工作中，門極加正觸發(fā)脈沖信號），且晶閘管一旦導通，門極將失去控制作用。晶閘管的雙晶體管模型可以用一對互補三極管代替晶閘管的等效電路來解釋，如圖2-4所示。3.晶閘管的導通條件

圖2-4晶閘管的雙晶體管模型

按照上述等效原則，可將圖2-4（a）中的結(jié)構(gòu)圖改畫為圖2-4（b）中的電路圖，并用V1和V2管代替晶閘管。圖2-4晶閘管的雙晶體管模型4.晶閘管的工作狀態(tài)晶體管的特性是在低發(fā)射極電流下電流放大系數(shù)α很小，而當發(fā)射極電流建立起來之后，α迅速增大?？梢杂纱藖碚f明晶閘管的幾種工作狀態(tài)：（1）正向阻斷。（2）觸發(fā)導通。（3）晶閘管關斷。（4）反向阻斷。4.晶閘管的工作狀態(tài)

其他幾種可能導通的情況：（1）陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應，即硬開通。（2）陽極電壓上升率du/dt過高。（3）結(jié)溫較高。（4）光直接照射晶體管硅片上，即光觸發(fā)。變頻器原理第2章ppt課件

5.晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

1）晶閘管的靜態(tài)特性（1）晶閘管的陽極伏安特性。晶閘管的陽極伏安特性是指晶閘管陽極電流和陽極電壓之間的關系曲線，如圖2-5所示。其中，第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性。5.晶閘管的基本特性

圖2-5晶閘管陽極伏安特性曲線（IG2>IG1>IG=0）圖2-5晶閘管陽極伏安特性曲線

（2）晶閘管門極伏安特性。晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出，門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的。晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性，如圖2-6所示。（2）晶閘管門極伏安特性。晶閘管的門極觸發(fā)電流從門

圖2-6晶閘管門極伏安特性變頻器原理第2章ppt課件

①可靠觸發(fā)區(qū)。指ADEFGCBA所圍成的區(qū)域，對于正常使用的晶閘管元件，其門極的觸發(fā)電壓、電流及功率都應處于這個區(qū)域內(nèi)。②不可靠觸發(fā)區(qū)。指ABCJIHA圍成的區(qū)域，見圖2-6（b）。圖中的放大區(qū)域表示在室溫下對于同型號的晶閘管，在此區(qū)域內(nèi)有些器件能被觸發(fā)，而有些觸發(fā)電壓和電流較高的器件，觸發(fā)是不可靠的。③不觸發(fā)區(qū)。指OHIJO圍成的區(qū)域。指任何合格器件在額定結(jié)溫時，若門極信號在此區(qū)域內(nèi)時，晶閘管均不會被觸發(fā)導通。①可靠觸發(fā)區(qū)。指ADEFGCBA所圍成的區(qū)域，對于

2）晶閘管的動態(tài)特性晶閘管開通和關斷過程的波形圖如圖2-7所示。

圖2-7晶閘管開通和關斷過程的波形2）晶閘管的動態(tài)特性圖2-7

（1）開通過程包括延遲時間、上升時間和開通時間。普通晶閘管延遲時間為0.5~1.5μs，上升時間為0.5~3μs。（2）關斷過程包括反向阻斷恢復時間和正向阻斷恢復時間。關斷時間tq是反向阻斷恢復時間與正向阻斷恢復時間之和，即tq=trr+tgr。普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒，快速晶閘管的關斷時間為幾微秒到幾十微秒。（1）開通過程包括延遲時間、上升時間和開通時間。6.晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)包括電壓定額、電流定額、動態(tài)參數(shù)和門極參數(shù)等。

1）電壓定額電壓定額包括斷態(tài)重復峰值電壓、反向重復峰值電壓、通態(tài)（峰值）電壓、額定電壓和通態(tài)平均電壓等。

6.晶閘管的主要參數(shù)

（1）正向重復峰值電壓。斷態(tài)重復峰值電壓UDRM是指在門極斷開而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。（2）反向重復峰值電壓。反向重復峰值電壓URRM是指在門極斷開而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。（3）通態(tài)（峰值）電壓。通態(tài)（峰值）電壓UTM是指晶閘管通以π倍的或某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。從減小器件損耗和發(fā)熱的角度，應選用UTM較小的晶閘管。（4）額定電壓。額定電壓是指晶閘管的UDRM和URRM中較小值，再取相應的標準電壓等級中較小的電壓值作為該器件的額定電壓。（1）正向重復峰值電壓。斷態(tài)重復峰值電壓UDRM是

選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓UTM的2～3倍，即UTn≥（2～3）UTM，選取電壓等級見表2-1。

應注意選取晶閘管時要取標準等級中較大的。如在電路中承受的峰值電壓為311V，取2～3倍為622～933V，則晶閘管的電壓等級應選8級。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為

表2-1晶閘管的電壓標準等級級別正反向重復峰值電壓/V級別正反向重復峰值電壓/V級別正反向重復峰值電壓/V11008800202000220099002222003300101000242400440012120026260055001414002828006600161600303000表2-1晶閘管的電壓標準等級

（5）通態(tài)平均電壓UT（AV）。器件流過正弦半波的額定電流平均值而結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定值時，陽極、陰極間的電壓降的平均值。實際當晶閘管流過較大的恒定直流電流時，其通態(tài)平均電壓比元件出廠時定義的值要大，約為1.5V，見表2-2。（5）通態(tài)平均電壓UT（AV）。器件流過正弦半波的

表2-2晶閘管通態(tài)平均電壓組別ABCDE通態(tài)平均電壓/VUT（AV）≤0.40.4＜UT（AV）≤0.50.5＜UT（AV）≤0.60.6＜UT（AV）≤0.70.7＜UT（AV）≤0.8組別FGHI通態(tài)平均電壓/V0.8＜UT（AV）≤0.90.9＜UT（AV）≤1.01.0＜UT（AV）≤1.11.1＜UT（AV）≤1.2表2-2晶閘管通態(tài)平

2）電流定額電流定額包括通態(tài)平均電流、擎住電流、斷態(tài)重復峰值電流、反向重復峰值電流和浪涌電流等。（1）正向重復峰值電流。（2）反向重復峰值電流。（3）通態(tài)平均電流IT（AV）（額定電流）。晶閘管在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫且穩(wěn)定時，晶閘管允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值，稱為通態(tài)平均電流IT（AV）。使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管，應留一定的裕量，一般取1.5～2倍。2）電流定額

在使用中還應注意，當晶閘管散熱條件不滿足規(guī)定要求時，則元件的額定電流應立即降低使用，否則元件會由于結(jié)溫超過允許值而損壞。四種波形的Kf值與100A晶閘管允許電流的平均值見表2-3。在使用中還應注意，當晶閘管散熱條件不滿足規(guī)定要表2-3四種波形的Kf值與100A晶閘管允許電流的平均值表2-3四種波形的Kf值與100A晶閘管允許電流的平均

（4）維持電流IH。在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降到剛好使晶閘管維持導通所必需的最小陽極電流稱為維持電流IH，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關，結(jié)溫越高，則IH越小。（5）擎住電流IL。在晶閘管加上觸發(fā)電壓，當晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)就移除觸發(fā)信號，此時能維持晶閘管導通所需的最小陽極電流，對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2～4倍。（4）維持電流IH。在室溫下門極斷開時，元件從較

（6）浪涌電流ITSM。浪涌電流指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復性最大正向過載電流。浪涌電流是用來設計保護電路的。（6）浪涌電流ITSM。浪涌電流指由于電路異常情況

3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)包括斷態(tài)電壓臨界上升率、通態(tài)電流臨界上升率和額定結(jié)溫。（1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。斷態(tài)電壓臨界上升率是指在額定結(jié)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(zhuǎn)換的外加陽極電壓最大上升率。（2）通態(tài)電流臨界上升率di/dt。通態(tài)電流臨界上升率是指在規(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。（3）額定結(jié)溫TJM

。器件在正常工作時所允許的最高結(jié)溫。在此溫度下，一切有關的額定值和特性都能得到保證。3）動態(tài)參數(shù)

4）門極參數(shù)門極參數(shù)包括門極觸發(fā)電流、門極觸發(fā)電壓。（1）門極觸發(fā)電流IGT。室溫下，在晶閘管的陽極、陰極間加上6V的正向電壓，晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)所必需的最小門極電流。（2）門極觸發(fā)電壓UGT。產(chǎn)生門極觸發(fā)電流IGT所必需的最小門極電壓。為了保證晶閘管的可靠導通，實際的觸發(fā)電流常常比規(guī)定的觸發(fā)電流大。常用晶閘管的參數(shù)，見表2-4。4）門極參數(shù)型號通態(tài)平均電流/A通態(tài)峰值電壓/V斷態(tài)正反向重復峰值電壓/V斷態(tài)正反向重復峰值電流/mA門極觸發(fā)電壓/V門極觸發(fā)電流/mA斷態(tài)電壓臨界上升率/(V/μs)推薦用散熱器安裝力/kN冷卻方式KP55≤2.2100～2000≤8＜3＜60SZ14自然冷卻KP1010≤2.2100～2000≤10＜3＜100250～800SZ15自然冷卻KP2020≤2.2100～2000≤10＜3＜150SZ16自然冷卻KP3030≤2.4100～2400≤20＜3＜20050～1000SZ16強迫風冷、水冷KP5050≤2.4100～2400≤20＜3＜250SL17強迫風冷、水冷KP100100≤2.6100～3000≤40＜3.5＜250SL17強迫風冷、水冷KP200200≤2.6100～3000≤40＜3.5＜350L1811強迫風冷、水冷KP300300≤2.6100～3000≤50＜3.5＜350L18B15強迫風冷、水冷KP500500≤2.6100～3000≤60＜4＜350100～1000SF1519強迫風冷、水冷KP800800≤2.6100～3000≤80＜4＜350SF1624強迫風冷、水冷KP10001000100～3000SS13KP15001000≤2.6100～3000≤80＜4＜350SF1630強迫風冷、水冷KP2000SS131500≤2.6100～3000≤80＜4＜350SS1443強迫風冷、水冷2000≤2.6100～3000≤80＜4＜350SS1450強迫風冷、水冷表2-4常用晶閘管的參數(shù)型號通態(tài)平均電流/A通態(tài)峰值電壓/V斷態(tài)正反向重復峰值2.1.3功率晶體管功率晶體管（GiantTransistor，簡稱為GTR）也稱為電力晶體管PTR，是一種具有發(fā)射極E、基極B、集電極C的耐高電壓、大電流的雙極型晶體管，有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)，故又稱為雙結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor，簡稱為BJT）。它既有晶體管的固有特性，又擴大了功率容量。GTR的缺點是耐沖擊能力差，易受二次擊穿而損壞。2.1.3功率晶體管

1.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

GTR是一種雙極型半導體器件，即其內(nèi)部電流由電子和空穴兩種載流子形成。其基本結(jié)構(gòu)有NPN和PNP兩種。而在電力電子電路中主要采用NPN結(jié)構(gòu)。為了提高GTR的耐壓，一般采用NPνN三重擴散結(jié)構(gòu)，如圖2-8所示。1.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖2-8GTR內(nèi)部結(jié)構(gòu)與元件符號圖2-8GTR內(nèi)部結(jié)構(gòu)與元件符號

2.GTR的基本特性

GTR的基本特性包括輸出特性、動態(tài)特性、主要參數(shù)和安全工作區(qū)等。

1）GTR的輸出特性共發(fā)射極接法時，GTR的輸出特性，如圖2-9所示。

圖2-9GTR的輸出特性2.GTR的基本特性圖2-92）GTR的動態(tài)特性

GTR的動態(tài)特性與晶閘管類似，但GTR作為高頻開關使用，經(jīng)常處于開通和關斷的動態(tài)過程中。因此，對GTR的開關特性要重視，如圖2-10所示為GTR開通和關斷過程中的電流波形。圖2-10GTR開通和關斷過程中的電流波形2）GTR的動態(tài)特性圖2-10GTR開通

（1）開通過程。（2）關斷過程。

3）GTR的主要參數(shù)前已述及電流放大倍數(shù)β、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等參數(shù)。此外還有：（1）最高工作電壓UCEmax。（2）集電極最大允許電流ICM。（3）集電極最大耗散功率PCM。（4）最高工作結(jié)溫TJM。（1）開通過程。

4）GTR的安全工作區(qū)（1）一次擊穿。（2）二次擊穿。（3）安全工作區(qū)（SafeOperatingArea，簡稱為SOA）。GTR的安全工作區(qū)，如圖2-11所示。

圖2-11GTR的安全工作區(qū)4）GTR的安全工作區(qū)圖2GTR工作的安全范圍由圖2-11中的四條曲線限定：①集電極最大允許直流電流線ICM由集電極允許承受的最大電流決定。②集電極允許最高電壓UCEM由雪崩擊穿決定。③集電極最大耗散功率線PCM由熱阻決定。④二次擊穿功耗臨界線PSB由二次擊穿觸發(fā)功率決定。考慮二次擊穿后，安全工作區(qū)的范圍與只考慮集電極最大允許電流ICM、最大允許電壓UCEM、集電極最大允許功耗PCM時的安全工作區(qū)相比變小了。GTR工作的安全范圍由圖2-11中的四條曲線限定2.1.4功率場效應晶體管功率場效應晶體管（MetalOxideSemiconductorFET，簡稱為MOSFET）與小功率場效應晶體管（FieldEffectTransistor，簡稱為FET）一樣，也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型。結(jié)型電力場效應晶體管一般稱為靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor，簡稱為SIT）。功率MOSFET是一種單極型電壓控制器件，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、開關速度快、工作頻率高、熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但電流容量小、耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。2.1.4功率場效應晶體管

1.功率MOSFET的種類、結(jié)構(gòu)和工作原理

1）功率MOSFET的種類功率MOSFET按導電溝道可分為P溝道類型和N溝道類型。N溝道中主要載流子是電子，P溝道中主要載流子是空穴。其中每一類又可分為增強型和耗盡型兩種。功率MOSFET的漏極D、柵極G和源極S分別類似于晶體管中的集電極、基極和發(fā)射極。幾種常用的功率場效應晶體管的外形如圖2-12所示。1.功率MOSFET的種類、結(jié)構(gòu)和工作原理

圖2-12幾種常用的功率MOSFET的外形圖2-12幾種常用的功率MOSFET的外形

2）功率MOSFET的結(jié)構(gòu)功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號如圖2-13所示。

圖2-13功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號2）功率MOSFET的結(jié)構(gòu)圖2

3）功率MOSFET的工作原理功率MOSFET是利用柵源電壓的大小來改變半導體表面感生電荷的大小，從而控制漏極電流的大小。其工作過程可分為：（1）關斷。（2）導通。3）功率MOSFET的工作原理2.功率MOSFET的基本特性1）功率MOSFET的靜態(tài)特性

圖2-14功率MOSFET的靜態(tài)特性2.功率MOSFET的基本特性圖2-14功率MOSFET

2）功率MOSFET的動態(tài)特性功率MOSFET開通、關斷過程的波形，如圖2-15所示。圖2-15功率MOSFET的動態(tài)特性2）功率MOSFET的動態(tài)特性圖2-15功率

（1）功率MOSFET的開通過程。開通過程包括開通延遲時間td(on)、上升時間tr和開通時間ton。（2）功率MOSFET的關斷過程。關斷過程包括關斷延遲時間td(off)

、下降時間tf和關斷時間toff。（3）功率MOSFET的開關速度。MOSFET的開關速度和柵極輸入電容Cin充放電有很大關系。（1）功率MOSFET的開通過程。開通過程包括開通

3.功率MOSFET的主要參數(shù)功率MOSFET的主要參數(shù)包括漏極電壓UDS，漏極直流電流ID、漏極脈沖電流幅值IDM和柵源電壓UGS等。3.功率MOSFET的主要參數(shù)2.1.5絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管簡稱為IGBT，結(jié)合了GTR與功率MOSFET兩者之間的優(yōu)點，既具有輸入通態(tài)電壓低、耐壓高、承受電流大、驅(qū)動功率小的優(yōu)點，又具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點。2.1.5絕緣柵雙極晶體管

1.IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT是三端器件，它的三個極分別為柵極G、集電極C和發(fā)射極E，如圖2-16所示為IGBT的結(jié)構(gòu)。圖2-16IGBT的結(jié)構(gòu)1.IGBT的結(jié)構(gòu)圖2-16IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT也是多元集成結(jié)構(gòu)，每個IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號，如圖2-17所示。圖2-17IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號IGBT也是多元集成結(jié)構(gòu)，每個IGBT的簡化等效

2.IGBT的工作原理

IGBT的工作原理與功率MOSFET基本相同，也是場控器件，其開通、關斷由柵設極電壓UGE決定。其具體工作過程如下：（1）導通過程。UGE大于開啟電壓UGE（th）時，功率MOSFET內(nèi)形成溝道，為PNP晶體管提供基極電流，IGBT導通。此時，由于電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使高耐壓的IGBT也有低的通態(tài)壓降。（2）關斷過程。當柵射極間施加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。2.IGBT的工作原理2.1.6門極可關斷晶閘管

門極可關斷晶閘管與普通晶閘管一樣，也是PNPN四層三端半導體結(jié)構(gòu)，引出電極包括陽極A、陰極K和門極G。2.1.6門極可關斷晶閘管門極

集成門極換流晶閘管結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，而開關速度比GTO快10倍，且可省去GTO龐大而復雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動功率仍很大。

IGCT的特點是將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的器件。它的特點有：（1）高速、低功耗，具有較強的關斷能力。（2）控制方便。

2.1.7集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，

（3）芯片可以比GTO芯片做得很薄，薄得如同二極管的PN結(jié)，故可與反并聯(lián)的續(xù)流二極管集成在一個芯片上。（4）IGCT可以在以往大功率半導體器件所無法滿足的高頻率下運行，是一種高耐壓大電流器件，目前IGCT的最高阻斷電壓為6kV，工作電流為4kA。（3）芯片可以比GTO芯片做得很薄，薄得2.1.8MOS控制晶閘管

MOS控制晶閘管（MOSControlledThyristor，簡稱為MCT）是將功率MOSFET與晶閘管復合而得到的器件，即在晶閘管結(jié)構(gòu)中引進一對MOSFET管構(gòu)成的，通過這一對MOSFET管來控制晶閘管的開通和關斷。MCT把MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關過程與晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降的特點相結(jié)合，構(gòu)成大功率、快速的全控型電力電子器件。2.1.8MOS控制晶閘管

1.MCT的結(jié)構(gòu)

MCT的結(jié)構(gòu)如圖2-20所示。1.MCT的結(jié)構(gòu)

如圖2-21所示為MCT的等效電路和電氣圖形符號，T1、T2為構(gòu)成晶閘管的兩個三極管。

圖2-21MCT的等效電路和電氣圖形符號如圖2-21所示為MCT的等效電路和電氣圖形符號

2.MCT的工作原理在圖2-21（a）中，當正電壓加在MCT開關管陽極A、陰極K之間時，如果門極G相對陽極A加負脈沖電壓驅(qū)動信號時，uAG>0，則igon向P溝道MOS管提供驅(qū)動信號，P溝道的on-FET導電，為T2提供基極電流，從而引發(fā)T1、T2管內(nèi)部的正反饋機制：uAG使ib2↑→ic2↑→IK≈IA↑→ib1↑→ic1↑→ib2↑。隨著IA的增大，T1、T2的電流分配系數(shù)α1＋α2=1。最終導致MCT從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)。MCT中晶閘管部分一旦導通，其通道電阻(Tl的等效電阻)要比on-FET的導通電阻小得多，因此主電流由晶閘管T1、T2承擔，on-FET管只起最初引發(fā)晶閘管電流正反饋機制的作用，一旦晶閘管導通后，撤除on-FET的外加門極控制電壓uAG，MCT仍繼續(xù)導通。2.1常用電力電子器件2.MCT的工作原理2.1常用電力電子器

若門極G相對于陽極A加上正脈沖電壓信號時，uAG<0，igoff向N溝道MOS管提供驅(qū)動信號使N溝道的off-FET管開通，Off-FET導電后其端電壓變小，使T1管基極電流減小，從而引發(fā)T1、T2管內(nèi)部正反饋控制：ib1↓→ic1↓→ib2↓→IK≈IA↓→ic2↓→ib1↓。隨著IA、IC1和IC2的不斷減小，Tl、T2的電流分配系數(shù)α1、α2越來越小，最終導致MCT從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。若門極G相對于陽極A加上正脈沖電壓信號時，uA2.1.9功率集成電路將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。功率集成電路（PowerIntegratedCircuits，簡稱為PIC），是將輸出的功率器件及其驅(qū)動電路、保護電路和接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，也稱為智能功率集成電路。功率集成電路是電力半導體技術與微電子技術結(jié)合的產(chǎn)物，實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。2.1.9功率集成電路

如圖2-22所示為PIC的典型構(gòu)成框圖。

圖2-22PIC的典型構(gòu)成框圖如圖2-22所示為PIC的典型構(gòu)成框圖。1.PIC技術的分類與應用

PIC包括高壓功率集成電路HVIC和智能功率集成電路SPIC。

PIC的應用范圍如圖2-23所示。1.PIC技術的分類與應用圖2-23PIC的應用范圍圖2-23PIC的應用范圍

2.SPIC的基本功能功率控制功能、保護功能和接口功能是SPIC的三個基本功能。2.SPIC的基本功能2.1.10智能功率模塊隨著IGBT的工作頻率在20kHz的硬開關及更高的軟開關應用中，IGBT逐漸取代了MOSFET和GTR。

IPM有兩種類型，如圖2-25所示。一種是小功率IPM，采用一種基于多層環(huán)氧樹脂粘合的絕緣技術，見圖2-25（a）；另一種是大功率IPM，采用陶瓷絕緣和銅箔直接鑄接工藝，見圖2-25（b）。2.1.10智能功率模塊（a）小功率IPM（b）大功率IPM圖2-25IPM的兩種類型（a）小功率IPM（b）大功率IPM圖2-25IPM

如圖2-26所示，IPM有四種電路形式：單元封裝H型、雙管封裝D型、六合一封裝C型和七合一封裝R型。

圖2-26IPM的四種電路形式如圖2-26所示，IPM有四種電路形式：單元封

1.IPM的優(yōu)點

IPM的優(yōu)點有以下幾個方面：（1）開關速度快。（2）低功耗。（3）快速的過流保護。（4）過熱保護。（5）橋臂對管互鎖。（6）抗干擾能力強。（7）驅(qū)動電源欠壓保護。（8）PM內(nèi)藏相關的外圍電路。（9）無須對功率開關器件采取防靜電措施。（10）減少了元器件數(shù)量，縮小了體積。（11）采用了專用IC對門極進行控制、保護，不需要考慮短路及開關浪涌電壓帶來的裕量問題，實現(xiàn)了真正的高性能化。1.IPM的優(yōu)點2.IPM的保護功能

IPM中的每一個IGBT器件都設置有各自獨立的驅(qū)動電路和多種保護，能夠?qū)崿F(xiàn)過電流、過電壓、欠電壓以及過熱保護等功能。

IPM的各種保護功能為控制電源欠電壓保護、過電流保護、短路保護、過熱保護等。2.IPM的保護功能1）控制電源欠電壓保護控制電源欠電壓保護UV用于監(jiān)測控制電源電壓。

2）過電流保護過電流保護OC是指由內(nèi)藏的電流傳感器檢測各橋臂電流。

3）短路保護短路保護SC是指由內(nèi)藏的電流傳感器檢測各橋臂電流，有無短路保護時的電流、電壓波形圖，如圖2-27所示。

4）過熱保護過熱保護用于監(jiān)測IPM基板的溫度。1）控制電源欠電壓保護圖2-27有無短路保護時的電流、電壓波形圖圖2-27有無短路保護時的電流、電壓波形圖

3.IPM的選用

IC值選擇合適的IPM見表2-5。

3.IPM的選用電動機額定值/kWIC(峰值)/A可用的IPM最小過電流動作值/A0.46.410A，600V，六合一120.7510.715A，600V，六合一181.51720A，600V，六合一282.223.330A，600V，六合一393.73650A，600V，七合一655.55175A，600V，七合一1157.57075A，600V，七合一1151198100A，600V，七合，600V，七合一21018.5161150A，600V，七合一21022191200A，600V，六合一31030244300A，600V，雙單元3個39037308400A，600V，雙單元3個5004537l400A，600V，雙單元3個50055456600A，600V，雙單元3個740

表2-5220V電動機變頻用IPM參數(shù)表電動機額定值/kWIC(峰值)/A可用的IPM最小過電流動2.2.1對觸發(fā)電路的要求

1.觸發(fā)信號要有足夠的功率

2.觸發(fā)脈沖必須與主回路電源電壓保持同步

3.觸發(fā)脈沖要有一定的寬度，前沿要陡

4.觸發(fā)脈沖的移相范圍應能滿足主電路的移相要求2.2電力電子器件的觸發(fā)與驅(qū)動電路2.2電力電子器件的觸發(fā)與驅(qū)動電路2.2.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形如圖2-28所示。2.2.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

圖2-28單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形圖2-28單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形2.2.3同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路，如圖2-29所示。圖2-29同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路2.2.3同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路圖2-29同步電

1.同步環(huán)節(jié)在鋸齒波觸發(fā)電路中，同步就是要求鋸齒波的頻率與主回路的頻率相同。圖2-29中同步環(huán)節(jié)由同步變壓器TS，晶體管V2，二極管VDl、VD2，Rl及Cl等組成。在鋸齒波觸發(fā)電路中，同步就是要求鋸齒波的頻率與主回路電源的頻率相同。鋸齒波產(chǎn)生是由起開關作用的V2的周期性通斷來控制電容C2的充電與放電，從而在C2兩端產(chǎn)生鋸齒波電壓。V2截止期間產(chǎn)生鋸齒波，V2截止持續(xù)時間就是鋸齒波的寬度，V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率。要使觸發(fā)脈沖與主回路電源同步，必須使V2開關的頻率與主回路電源頻率達到同步。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器二次側(cè)電壓來控制V2的通斷，這就保證了觸發(fā)脈沖與主回路電源的同步。1.同步環(huán)節(jié)

2.鋸齒波形成及脈沖移相環(huán)節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路中所包含的主要元件有V1、V9、V3、RP1、R2、R4、C2等，其中V1、V9、RP1、R4為恒流源，恒流源電流為V1的集電極電流ICl。V2作為同步開關控制C2的充放電轉(zhuǎn)換。V3為射極跟隨器，起阻抗變換和前后級隔離作用，以減小后級對鋸齒波的影響。2.鋸齒波形成及脈沖移相環(huán)節(jié)

當V2截止時，恒流源以恒流ICl對電容C2充電，由于采用恒流源充電，C2兩端電壓uC2隨時間t作線性增加，充電斜率為ICl/C2。調(diào)節(jié)RP1可改變恒流源電流ICl，從而改變鋸齒波的斜率。當V2導通時，C2經(jīng)電阻R5、V2放電，由于R5阻值很小，放電很快，使uC2迅速降至接近零。當V2截止時，恒流源以恒流ICl對電容C2充電

工作時，把負偏移電壓Ub調(diào)整到某值固定后，改變控制電壓UC，就能改變ub4波形與時間橫軸的交點，就改變了V4由截止轉(zhuǎn)為導通的時刻，從而改變了觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時刻，也就是改變控制角α，達到移相控制的目的。通常設置UC＝0對應α角的最大值，UC增大時，α角隨之減小。設置負偏移電壓的目的是為了使控制電壓UC為正，以實現(xiàn)單極性調(diào)節(jié)。若晶體管發(fā)射集和二極管的正向壓降均以0.7V計，飽和壓降以0.3V計，則圖2-29中的各點的電壓波形如圖2-30所示。工作時，把負偏移電壓Ub調(diào)整到某值固定后，改圖2-30鋸齒波觸發(fā)電路個點的電壓波形圖2-30鋸齒波觸發(fā)電路個點的電壓波形

3.脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)這部分電路由晶體管V4、V5、V6組成脈沖形成環(huán)節(jié)，V7、V8組成脈沖放大和輸出環(huán)節(jié)，脈沖變壓器TP的一次側(cè)接在V8集電極回路中，TP的二次側(cè)輸出觸發(fā)脈沖。3.脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)

4.雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)三相全控橋式電路要求觸發(fā)脈沖為雙窄脈沖，相鄰兩個脈沖間隔為60°，該電路可以實現(xiàn)雙窄脈沖輸出。對于三相全控橋電路，電源三相U、V、W為正相序時，6只晶閘管的觸發(fā)順序為VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6彼此間隔60°，為獲得雙窄脈沖，相鄰兩個脈沖的間隔為60°。4.雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)

六塊觸發(fā)板的X、Y可按如圖2-31所示方式連接，即后相的X端與前相的Y端相連。在安裝使用這種觸發(fā)電路的晶閘管裝置時，應先測定電源的相序，再正確連接。如果電源相序相反，裝置將不會正常工作。

圖2-31觸發(fā)電路實現(xiàn)雙窄脈沖連接圖六塊觸發(fā)板的X、Y可按如圖2-31所示方式連

5.強觸發(fā)及脈沖封鎖環(huán)節(jié)在晶閘管串并聯(lián)使用或全控橋式電路中，為了保證被觸發(fā)的晶閘管同時導通，可采用輸出幅值高、前沿陡的強脈沖觸發(fā)電路。使用強觸發(fā)脈沖可以縮短晶閘管的開通時間，有利于保證串并聯(lián)使用的晶閘管或全控橋電路中的晶閘管被觸發(fā)時能同時導通，提高觸發(fā)的可靠性。在大中容量系統(tǒng)的觸發(fā)電路中都帶有強觸發(fā)環(huán)節(jié)。5.強觸發(fā)及脈沖封鎖環(huán)節(jié)2.2.4移相集成觸發(fā)電路和數(shù)字觸發(fā)電路電力電子技術的重要發(fā)展方向之一就是電力電子器件及其門控電路的集成化和模塊化。

1.KC04移相集成觸發(fā)器

KC04移相集成觸發(fā)器是具有16個引腳的雙列直插式集成元件，適用于單相、三相全控橋式裝置中作晶閘管雙路脈沖相控觸發(fā)。KC04與分立元件構(gòu)成的同步電壓為鋸齒波觸發(fā)電路相似，也是由同步、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成與放大輸出等環(huán)節(jié)構(gòu)成，其內(nèi)部電路如圖2-32所示。2.2.4移相集成觸發(fā)電路和數(shù)字觸發(fā)電路圖2-32KC04內(nèi)部電路圖圖2-32KC04內(nèi)部電路圖

KC04電路各引腳電壓波形，如圖2-33所示。

圖2-33KC04各引腳電壓波形KC04電路各引腳電壓波形，如圖2-33所示。圖2

2.KC41C六路雙脈沖形成器

KC41C是一種六路雙脈沖形成器件，用一塊KC41C與三塊KC04（或KC09）可組成三相全控橋雙脈沖觸發(fā)電路，輸出六路雙脈沖觸發(fā)信號。KC41C的內(nèi)部電路及引腳示意圖如圖2-34所示。2.KC41C六路雙脈沖形成器圖2-34KC41C的內(nèi)部電路及引腳示意圖圖2-34KC41C的內(nèi)部電路及引腳示意圖

KC41C各引腳的脈沖電壓波形如圖2-35所示。圖2-35KC41C各引腳的脈沖電壓波形KC41C各引腳的脈沖電壓波形如圖2-35所示。

3.KC04、KC41C組成的三相集成觸發(fā)電路由KC04、KC41C組成三相全控橋雙窄脈沖集成觸發(fā)電路，如圖2-36所示。3.KC04、KC41C組成的三相集成觸發(fā)電路圖2-36三相全控橋式整流雙窄脈沖集成觸發(fā)電路圖2-36三相全控橋式整流雙窄脈沖集成觸發(fā)電路

4.集成電路MC787和MC788

集成電路MC787和MC788與KC系列相比較，具有功能強、外接元器件少、不需要雙電源供電、功耗少等多項優(yōu)點，對于電力電子產(chǎn)品的小型化和方便設計具有重要意義。如圖2-37所示為該電路的結(jié)構(gòu)框圖。4.集成電路MC787和MC788圖2-37MC787和MC788內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)框圖圖2-37MC787和MC788內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)框圖

由MC787和MC788組成的三相觸發(fā)電路原理圖，如圖2-38所示。圖2-38三相觸發(fā)電路由MC787和MC788組成的三相觸發(fā)電路原理圖

5.數(shù)字觸發(fā)電路在各種數(shù)字觸發(fā)電路中，微機組成的數(shù)字觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、準確可靠。其系統(tǒng)框圖如圖2-39所示。圖2-39微機控制觸發(fā)系統(tǒng)框圖5.數(shù)字觸發(fā)電路圖2-39微機控制觸發(fā)系統(tǒng)框圖

圖2-39的觸發(fā)系統(tǒng)中，控制角α的設定值以數(shù)字形式通過接口電路傳給微機，微機以同步電壓基準點作為計時起點開始計數(shù)。當計數(shù)器與控制角α所對應的設定值一致時，微機就發(fā)出觸發(fā)信號，該信號再經(jīng)接口電路、輸出脈沖放大、整形電路，由隔離電路送至晶閘管。

圖2-39的觸發(fā)系統(tǒng)中，控制角α的設定值以數(shù)字形

1）單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)的工作原理單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)是通過單片機的定時/計數(shù)器來實現(xiàn)的。三相全控橋電路及其觸發(fā)脈沖，如圖2-40所示。圖2-38三相全控橋電路及其觸發(fā)脈沖1）單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)的工作原理圖2-38三相

圖2-40（a）為三相全控橋電路，由三相全控橋電路工作原理可知，在一個工頻周期內(nèi)，若采用雙脈沖觸發(fā)方式，6只晶閘管的組合觸發(fā)順序應為：6、1；1、2；2、3；3、4；4、5；5、6。圖2-38（b）為三相全控橋觸發(fā)脈沖圖形，每個工頻周期要發(fā)出6對脈沖。為了使微機輸出的觸發(fā)脈沖與晶閘管主回路電源電壓同步，必須設法在交流電源每一周期的相同位置都產(chǎn)生一個同步基準信號。本系統(tǒng)以線電壓過零點作為同步電壓基準點。圖2-40（b）中的A點為線電壓uUW的過零點，即為本周期的同步電壓基準點。圖2-40（a）為三相全控橋電路，由三相全

單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)采用每一工頻周期取一次同步信號作為參考點，每一對觸發(fā)脈沖調(diào)整一次控制角的方法，按輸出脈沖工作順序編寫的程序流程圖，如圖2-41所示。單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)采用每一工頻周期取一次同步信號圖2-418031程序流程圖圖2-418031程序流程圖

2）單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)的硬件設置單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)的硬件配置框圖，如圖2-42所示。圖2-42單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)的硬件配置框圖2）單片機控制觸發(fā)系統(tǒng)的硬件設置圖2-42單片2.2.5觸發(fā)電路與主電路的同步

1.同步的概念所謂同步，是指把一個與主電路晶閘管所受電源電壓保持合適相位關系的電壓提供給觸發(fā)電路，確保主電路各晶閘管在每一個周期中按相同的順序和觸發(fā)延遲角被觸發(fā)導通。因此，將提供給觸發(fā)電路合適相位的電壓稱為同步信號電壓。確定同步信號電壓與晶閘管主電壓的相位關系稱為同步或定相。同步或定相問題是三相變流電路的重要組成部分。2.2.5觸發(fā)電路與主電路的同步2.實現(xiàn)同步的方法實現(xiàn)同步的方法如下：（1）根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)、負載的性質(zhì)及觸發(fā)電路的型式與脈沖移相范圍的要求，確定該觸發(fā)電路的同步電壓uS與對應晶閘管陽極電壓uU之間的相位關系。（2）根據(jù)整流變壓器TR的接法，以某線電壓作參考矢量，畫出整流變壓器二次電壓即晶閘管陽極電壓的矢量圖，再根據(jù)步驟１確定的同步電壓uS與晶閘管陽極電壓uU的相位關系，畫出電源的同步相電壓和同步線電壓矢量圖，確定同步變壓器的接線組標號。（3）根據(jù)同步變壓器二次線電壓矢量位置，定出同步變壓器TS的鐘點數(shù)的接法，然后確定出uSU、uSV、uSW分別接到VT1、VT3、VT5管觸發(fā)電路輸入端；確定出uS(-U)、uS(-V)、uS(-W)分別接到VT4、VT6、VT2管觸發(fā)電路的輸入端，這樣就保證了觸發(fā)電路與主電路的同步。2.實現(xiàn)同步的方法3.觸發(fā)電路同步電壓的確定觸發(fā)電路同步電壓的確定方法如下：（1）根據(jù)晶閘管主電路的結(jié)構(gòu)、所帶負載的性質(zhì)及采用的觸發(fā)電路的形式，確定出該觸發(fā)電路能夠滿足移相要求的同步電壓與晶閘管陽極電壓的相位關系。（2）用三相同步變壓器的不同連接方式或再配合阻容移相得到上述確定的同步電壓。3.觸發(fā)電路同步電壓的確定

如圖2-43所示為三相全控橋式電路帶電感性負載主電路接線。圖2-43三相全控橋式整流電路帶電感性負載的分析如圖2-43所示為三相全控橋式電路帶電感性負2.2.6全控型電力電子器件的驅(qū)動電路晶閘管的控制端只能控制其導通，而不能控制其關斷，因而屬于半控型器件。與晶閘管不同的是，另有一類具有自關斷能力的電力電子器件，屬于全控型器件，其控制端具有控制器件導通和關斷的雙重功能，這類器件也稱為自關斷器件。為了實現(xiàn)上述功能，需要在這些器件的控制端接入驅(qū)動電路。驅(qū)動電路是全控型電力電子器件主電路與控制電路之間的接口，對整個電力電子裝置的性能影響很大。由于各種自關斷器件的導通和關斷機理差別很大，因此，其驅(qū)動電路也有很大不同。2.2.6全控型電力電子器件的驅(qū)動電路

1.GTR基極驅(qū)動電路

1）對GTR基極驅(qū)動電路的要求理想的功率晶體管基極驅(qū)動電流波形如圖2-44所示。對GTR基極驅(qū)動電路的要求一般有：

圖2-44理想的GTR基極驅(qū)動電流波形1.GTR基極驅(qū)動電路1）對GT

（1）導通時，要采用強驅(qū)動，驅(qū)動電流前沿要陡，并有一定幅度的過沖電流Ib1，以加速開通過程，減小開通損耗，過飽和系數(shù)—般為1.5～2。（2）功率晶體管導通后，應相應減小驅(qū)動電流Ib2，使GTR處在臨界飽和狀態(tài)，這樣既可降低導通飽和壓降，以降低驅(qū)動功率，又可縮短關斷時間。（1）導通時，要采用強驅(qū)動，驅(qū)動電流前沿要陡，并有

（3）功率晶體管關斷時，應向基極提供足夠大的反向基極電流Ib3，迅速抽取基區(qū)的剩余載流子，以加快關斷速度，減少關斷損耗。（4）應能實現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離，以保證安全，提高抗干擾能力。（5）應有較強的抗干擾能力，并具有一定的保護功能。（3）功率晶體管關斷時，應向基極提供足夠大的反向基

2）驅(qū)動電路中的電氣隔離在驅(qū)動電路中，常采用光隔離或磁隔離來實現(xiàn)主電路與控制電路之間的電氣隔離。如圖2-45所示為光耦合器的隔離情況。

圖2-45光耦合器的隔離情況2）驅(qū)動電路中的電氣隔離圖2-45光耦合器的

磁隔離所采用的器件，較典型的是脈沖變壓器，如圖2-46所示為脈沖變壓器的電氣符號及外形。圖2-46脈沖變壓器的電氣符號及外形磁隔離所采用的器件，較典型的是脈沖變壓器，如圖

2.功率MOSFET柵極驅(qū)動電路

1）柵極驅(qū)動電路的特點及要求功率MOSFET是電壓控制型器件，柵極的輸入阻抗高，靜態(tài)時幾乎不需要輸入電流。但由于柵極存在輸入電容Ci在開通和關斷過程中需要對輸入電容充放電，因而需要驅(qū)動電路提供一定的驅(qū)動電流。2.功率MOSFET柵極驅(qū)動電路理想的柵極控制電壓波形如圖2-47所示。圖2-47理想的柵極控制電壓波形理想的柵極控制電壓波形如圖2-47所示。圖2-47理想的2）對功率MOSFET柵極驅(qū)動電路的要求對功率MOSFET柵極驅(qū)動電路的要求有：（1）觸發(fā)脈沖的前后沿要陡。（2）減小柵極電容充放電回路的電阻值，以提高柵極充放電速度，從而提高功率MOSFET的開關速度。（3）柵極驅(qū)動電路向柵極提供需要的柵源電壓應高于功率MOSFET的開啟電壓UGS(th)，以保證其可靠開通，但應小于其柵源擊穿電壓U(BR)GS（通常為+20V）。2）對功率MOSFET柵極驅(qū)動電路的要求

（4）為了防止功率MOSFET截止時誤導通，故應在其截止時提供負的柵源電壓，該電壓還應小于U(BR)GS。（5）應能實現(xiàn)主電路與控制電路的電氣隔離。（6）由于功率MOSFET通常工作頻率高、輸入電阻大、易被干擾，應具有較強的抗干擾能力。（4）為了防止功率MOSFET截止時誤導通，故應

3.IGBT柵極驅(qū)動電路

IGBT是以GTR為主導組件、MOSFET為驅(qū)動組件的復合結(jié)構(gòu)器件，因此其柵極驅(qū)動電路與功率MOSFET的柵極驅(qū)動電路有相似之處。

1）對IGBT柵極驅(qū)動電路的要求對IGBT柵極驅(qū)動電路的要求有：（1）IGBT為電壓驅(qū)動，輸入極為絕緣柵極，有一個容性輸入阻抗，對電荷積聚很敏感，因此，驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線應盡量短。3.IGBT柵極驅(qū)動電路

（2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UGE的前后沿足夠陡峭，減少IGBT的開關損耗。IGBT開通后，柵極驅(qū)動源能提供足夠的功率，以使IGBT的開、關可靠，并避免在開通期間因退飽和而使IGBT損壞。（2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵

（3）要提供大小適當?shù)恼聪蝌?qū)動電壓UGE。正向偏壓UGE增大時，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降。但若UGE過大，則在有短路過程的設備中，

IC隨UGE的增大而增大，使IGBT能承受短路電流的時間減小，不利于其本身的安全。因此，UGE應取得小一些，一般選UGE為12～15V。（3）要提供大小適當?shù)恼聪蝌?qū)動電壓UGE。正向偏

（4）在關斷時，為盡快抽取IGBT的存儲電荷，防止因關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，應對其施加負偏壓（－UGE），但其值又受C、E間最大反向耐壓限制，一般?。?～－10V。（5）要提供合適的開關時間?？焖匍_通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗，但在大電感負載情況下，IGBT的開關時間不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，防止元器件擊穿。（4）在關斷時，為盡快抽取IGBT的存儲電荷，防止

（6）要有較強的抗干擾能力并帶有對IGBT的保護功能。（7）IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，因此驅(qū)動電路與信號控制電路在電位上應嚴格隔離。（6）要有較強的抗干擾能力并帶有對IGBT的保護功2.2.7電力電子器件的保護

1.晶閘管的保護

1）過電流及其保護當線路發(fā)生超載或短路等情況時，晶閘管的工作電流會超過允許值，形成過電流。此時，由于流過管內(nèi)PN結(jié)的電流過大，熱量來不及散發(fā)，使結(jié)溫迅速升高，最后燒毀結(jié)層，造成晶閘管永久損壞。2.2.7電力電子器件的保護

產(chǎn)生過電流的常見原因有以下幾個方面：電網(wǎng)電壓波動太大；電動機拖動的負載過大；整流電路直流輸出側(cè)短路、逆變電路因逆變失敗引起的很大的短路電流；可逆?zhèn)鲃迎h(huán)流過大、控制系統(tǒng)故障，產(chǎn)生的過電流；內(nèi)部晶閘管損壞或觸發(fā)電路故障使晶閘管誤導通，造成相鄰橋臂上的晶閘管導通，引起兩相電源短路。晶閘管承受過電流的能力較差，要在過電流還未造成晶閘管損壞之前，快速切斷相應電路而消除過電流或?qū)﹄娏骷右韵拗?。可采用的過電流保護措施，如圖2-48所示。產(chǎn)生過電流的常見原因有以下幾個方面：電網(wǎng)電壓波圖2-48晶閘管裝置可采用的過電流保護措施1—進線電抗限流；2—電流檢測和過流繼電器；3、4、5—快速熔斷器；6—過電流繼電器；7—直流快速斷路器圖2-48晶閘管裝置可采用的過電流保護措施

如圖2-49所示為快熔常見的三種接法?？刹捎玫谋Ｗo措施主要有以下幾種：（1）快速熔斷器保護?？焖偃蹟嗥骱喎Q為快熔。圖2-49快熔常見的三種接法如圖2-49所示為快熔常見的三種接法。圖2-49

快熔選用時應注意以下幾點：①快熔的額定電壓應大于或等于線路正常工作的電壓（有效值）。②快熔的額定電流應大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流（有效值）。③熔體的額定電流是有效值，由于晶閘管額定電流在選擇時已考慮到安全裕量為1.5～2倍，因此，熔體的額定電流，通常按IT(AV)＝IFU選配即可，其中，IT(AV)

為被保護晶閘管額定電流（A）；IFU為快熔熔體的額定電流（有效值），單位為A?？烊圻x用時應注意以下幾點：

（2）過電流繼電器保護及脈沖移相保護。過電流繼電器保護及脈沖移相保護電路，如圖2-50所示。圖2-50過電流繼電器保護及脈沖移相保護電路（2）過電流繼電器保護及脈沖移相保護。過電流繼電

（3）拉逆變過電流保護。拉逆變過電流保護電路，如圖2-51所示。圖2-51拉逆變過電流保護電路（3）拉逆變過電流保護。拉逆變過電流保護電路，如圖

（4）直流快速斷路器保護。（5）進線電抗限制保護。

2）過電壓及其保護（1）電路產(chǎn)生過電壓的外部原因主要有雷擊過電壓和操作過電壓。①雷擊過電壓。②操作過電壓。③電網(wǎng)劇烈波動及干擾引起的過電壓。變頻器原理第2章ppt課件

（2）電路產(chǎn)生過電壓的內(nèi)部原因主要是電路狀態(tài)變化時積聚的電磁能量不能及時消散。其主要表現(xiàn)有器件開、關引起的沖擊過電壓；其他外來干擾引起的浪涌過電壓。晶閘管的過電壓保護措施如圖2-52所示。（2）電路產(chǎn)生過電壓的內(nèi)部原因主要是電路狀態(tài)變化圖2-52晶閘管的過電壓保護措施A—避雷器；B—接地電容；C—阻容保護；D—整流式阻容保護；E—硅堆保護；F—壓敏電阻保護；G—晶閘管泄能保護；H—換相過電壓保護圖2-52晶閘管的過電壓保護措施

（3）晶閘管關斷過電壓及保護。晶閘管關斷過電壓波形如圖2-53所示。圖2-53晶閘管關斷過電壓波形（3）晶閘管關斷過電壓及保護。晶閘管關斷過電壓波形

針對這種尖峰狀瞬時過電壓，最常用的方法是在晶閘管兩端并聯(lián)RC吸收元件，利用電容兩端電壓不能突變的特性來吸收尖峰電壓，把電壓限制在晶閘管允許的范圍內(nèi)。串聯(lián)電阻R的作用是為了限制晶閘管開通損耗和電流上升率，并防止電路產(chǎn)生振蕩。如不串電阻，電容兩端將會產(chǎn)生比電源電壓高得多的振蕩電壓，將導致晶閘管被擊穿。而且，在晶閘管承受正向電壓未導通時，電容C已充電，極性如圖2-54所示。針對這種尖峰狀瞬時過電壓，最常用的方法是在晶閘

如圖2-54中所示電路。阻容吸收電路要盡量靠近晶閘管，引線要盡量短。圖2-54抑制關斷過電壓的阻容吸收電路如圖2-54中所示電路。阻容吸收電路要盡量靠近晶

表2-6阻容吸收電路的元件經(jīng)驗數(shù)據(jù)晶閘管額定電流IT(Av)/A1000500200100502010電容C/μF210.50.250.20.150.1電阻R/Ω2510204080100表2-6阻容吸收電路的元件經(jīng)驗數(shù)據(jù)晶閘管額定電

（4）交流側(cè)過電壓及保護。交流側(cè)過電壓是指在接通或斷開晶閘管整流電路的交流側(cè)相關電路時所產(chǎn)生的過電壓。這種過電壓又分為以下幾種情況，如圖2-55所示。（4）交流側(cè)過電壓及保護。交流側(cè)過電壓是指在接通圖2-55交流側(cè)過電壓圖2-55交流側(cè)過電壓

交流側(cè)操作過電壓都是瞬時的尖峰電壓，一般來說，抑制這種過電壓最有效的方法是并聯(lián)阻容吸收電路，接法如圖2-56所示。交流側(cè)操作過電壓都是瞬時的尖峰電壓，一般來說，圖2-56交流側(cè)阻容吸收電路圖2-56交流側(cè)阻容吸收電路

硅堆就是成組串聯(lián)的硅整流片。單相時用兩組對接后再與電源并聯(lián)，三相時用三組對接成形或六組接成△形，如圖2-57所示。圖2-57硅堆保護的接法硅堆就是成組串聯(lián)的硅整流片。單相時用兩組對接后

壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)而成的金屬氧化物非線性電阻，具有正反向都很陡的穩(wěn)壓特性，其伏安特性如圖2-58所示。圖2-58壓敏電阻的伏安特性壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)而成的金屬氧化如圖2-59所示為壓敏電阻的幾種接法。圖2-59壓敏電阻的幾種接法（5）直流側(cè)過電壓及保護。2.2電力電子器件的觸發(fā)與驅(qū)動電路如圖2-59所示為壓敏電阻的幾種接法。圖2-59壓敏電

（6）正向電壓上升率和電流上升率的抑制。①正向電壓上升率的抑制。限制電壓變化率的措施有兩種，第一種是給整流裝置接上整流變壓器，利用變壓器漏感及晶閘管兩端的阻容吸收電路的濾波特性，可以限制晶閘管的正向電壓上升率du/dt不會太大。第二種是對于沒有整流變壓器而直接由電網(wǎng)供電的裝置，可在交流電源輸入端串接空心小電感（電感量約為20～30μH）并加阻容吸收電路，構(gòu)成濾波電路，從而用來限制正向電壓上升率du/dt不致太大，如圖2-60所示。（6）正向電壓上升率和電流上升率的抑制。圖2-60