第2章-變頻器常用電力電子器件

第二章變頻器常用電力電子器件

2.1功率二極管（D）

功率二極管的內(nèi)部是P-N或P-I-N結(jié)構(gòu)，圖示為功率二極管的電路符號和外形。

a)b)c)圖2-1功率二極管的符號和外形a)功率二極管的符號b)螺旋式二極管的外形c)平板式二極管的外形《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.伏安特性

功率二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性，其伏安特性曲線如圖所示。正向特性：當(dāng)從零逐漸增大正向電壓時，開始陽極電流很小，當(dāng)正向電壓大于0.5V時，正向陽極電流急劇上升，管子正向?qū)ā?/p>

反向特性：當(dāng)二極管加上反向電壓時，起始段的反向漏電流也很小，而且隨著反向電壓增加，反向漏電流只略有增大，但當(dāng)反向電壓增加到反向不重復(fù)峰值電壓值時，反向漏電流開始急劇增加。

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2.1.2主要參數(shù)

1.額定正向平均電流IF

在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件所允許長時間連續(xù)流過50Hz正弦半波的電流平均值。

2.反向重復(fù)峰值電壓URRM

在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。

3.正向平均電壓UF

在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均電流時，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值

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2.1.3功率二極管的選用

1.選擇額定正向平均電流IF

的原則

IDn=1.57IF=(1.5～2)IDM2.選擇額定電壓URRM

的原則

URRM

=（2～3）UDM

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2.1.4功率二極管的分類

功率二極管一般分為三類：(1)標(biāo)準(zhǔn)或慢速恢復(fù)二極管；

(2)快速恢復(fù)二極管；

(3)自特基二極管?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.2晶閘管（SCR）

2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖所示。

a)b)c)

圖2-3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路

a)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)b)以三個PN結(jié)等效c)以互補(bǔ)三極管等效《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章晶閘管的外形及符號

a)b)c)

圖2-4晶閘管的外形及符號

a)晶閘管的符號b）螺栓式外形b）帶有散熱器平板式外形《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.2.2晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷控制晶閘管的導(dǎo)通控制：

在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時在它的門極和陰極間也加正向電壓形成觸發(fā)電流，即可使晶閘管導(dǎo)通。導(dǎo)通的晶閘管的關(guān)斷控制：令門極電流為零，且將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下。

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2.2.3晶閘管的陽極伏安特性

晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。圖2-5晶閘管的陽極伏安特性

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2.2.4晶閘管的參數(shù)

1.正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓ＵDRM

2.反向重復(fù)峰值電壓ＵRRM

3.通態(tài)平均電壓ＵT(AV)

4.晶閘管的額定電流ＩT(Ａv)

5.維持電流ＩH

6.擎住電流ＩL

《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.2.5晶閘管的門極伏安特性及主要參數(shù)

1.門極伏安特性

門極伏安特性是指門極電壓與電流的關(guān)系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個PN結(jié)，所以電壓與電流的關(guān)系和普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特性曲線如圖2-6所示。

圖2-6《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.門極主要參數(shù)

（1）門極不觸發(fā)電壓ＵGD和門極不觸發(fā)電流ＩGD（2）門極觸發(fā)電壓ＵGT和門極觸發(fā)電流ＩGT（3）門極正向峰值電壓ＵGM、門極正向峰值電流ＩGM和門極峰值功率ＰGM《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.2.6晶閘管觸發(fā)電路

1.晶閘管對觸發(fā)電路的要求

①觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率和一定的寬度；②觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步；③觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿足變流裝置提出的要求。2.觸發(fā)電路的分類

依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。

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2.觸發(fā)電路的分類

觸發(fā)電路可按不同的方式分類，依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。

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2.2.7晶閘管的保護(hù)

1.晶閘管的過電流保護(hù)

1)快速熔斷器保護(hù)(見下圖）2）過電流繼電器保護(hù)。過電流繼電器可安裝在交流側(cè)或直流側(cè)。3）限流與脈沖移相保護(hù)?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.晶閘管過電壓保護(hù)

晶閘管過電壓產(chǎn)生的原因主要有：關(guān)斷過電壓、操作過電壓和浪涌過電壓等。對過電壓的保護(hù)方式主要是接入阻容吸收電路、硒堆或壓敏電阻等。圖2-8為交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法。硒堆或壓敏電阻的聯(lián)結(jié)方法與此相同?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法

圖2-8

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2.3門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

2.3.1GTO的結(jié)構(gòu)

GTO的結(jié)構(gòu)也是四層三端器件

a)

b)

圖2-9GTO的結(jié)構(gòu)與符號

a)GTO的結(jié)構(gòu)剖面b)圖形符號《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.3.2GTO的主要參數(shù)1.最大可關(guān)斷陽極電流ＩＡTO

通常將最大可關(guān)斷陽極電流ＩＡTO作為GTO的額定電流。2.關(guān)斷增益βoff

關(guān)斷增益βoff為最大可關(guān)斷陽極電流ＩATO與門極負(fù)電流最大值ＩGM之比，其表達(dá)式為

βoff＝ＩATO/│ＩGM│

βoff比晶體管的電流放大系數(shù)β小得多，一般只有５左右。

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2.3.3GTO的門極控制

GTO橋式門極驅(qū)動電路的工作原理是：當(dāng)V1與V2飽和導(dǎo)通時，形成門極正向觸發(fā)電流，使GTO導(dǎo)通；當(dāng)觸發(fā)VT1、VT2這兩只普通晶閘管導(dǎo)通時，形成較大的門極反向電流，使GTO關(guān)斷。

GTO橋式門極驅(qū)動電路

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2.3.4GTO的緩沖電路

圖2-13GTO斬波器及其保護(hù)電路圖中R、L為負(fù)載，VD為續(xù)流二極管，LA是GTO導(dǎo)通瞬間限制di／dt的電感。RsCs和VDs組成了緩沖電路。GTO的陽極電路串聯(lián)一定數(shù)值的電感LＡ來限制di／dt。《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.4功率晶體管（GTR）2.4.1GTR的結(jié)構(gòu)a)b)c)圖2-14GTR摸塊a)GTR的結(jié)構(gòu)示意圖b)GTR摸塊的外形c)GTR摸塊的等效電路《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.4.2GTR的參數(shù)

(1)UCEO：既基極開路CE間能承受的電壓。

(2)最大電流額定值ICM：

(3)最大功耗額定值PCM

（4）開通時間ton：包括延遲時間td和上升時間tr。（5）關(guān)斷時間ｔoff：包括存儲時間ｔs和下降時間ｔf

。《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.4.3二次擊穿現(xiàn)象當(dāng)集電極電壓UCE逐漸增加，到達(dá)某一數(shù)值時，如上述UCEO，IC劇增加，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。首先出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象稱為一次擊穿，這種擊穿是正常的雪崩擊穿。這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的辦法加以控制，只要適當(dāng)限制晶體管的電流(或功耗)，流過結(jié)的反向電流不會太大，進(jìn)入擊穿區(qū)的時間不長，一次擊穿具有可逆性，一般不會引起晶體管的特性變壞。但是，一次擊穿出現(xiàn)后若繼續(xù)增大偏壓UCE，而外接限流電阻又不變，反向電流IC將繼續(xù)增大，此時若GTR仍在工作，GTR的工作狀態(tài)將迅速出現(xiàn)大電流，并在極短的時間內(nèi)，使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(diǎn)。電流急劇增長，此現(xiàn)象便稱為二次擊穿。一旦發(fā)生二次擊穿，輕者使GTR電壓降低、特性變差，重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通，使晶體管受到永久性損壞?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.4.4GTR的驅(qū)動電路

抗飽和恒流驅(qū)動電路

圖2-16抗飽和恒流驅(qū)動電路《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.4.5GTR的緩沖電路緩沖電路也稱為吸收電路，它是指在GTR電極上附加的電路，通常由電阻、電容、電感及二極管組成，如圖2-17所示為緩沖電路之一。

圖2-17GTR的緩沖電路《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.5功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）

2.5.1功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

a)b)

圖2-18P-MOSFET的結(jié)構(gòu)與符號a)P-MOSFET的結(jié)構(gòu)b)P-MOSFET符號

《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.5.2P-MOSFET的工作原理當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負(fù)極，柵源之間電壓為零或?yàn)樨?fù)時，Ｐ型區(qū)和Ｎ-型漂移區(qū)之間的ＰＮ結(jié)反向，漏源之間無電流流過。如果在柵極和源極加正向電壓UGS，不會有柵流。但柵極的正電壓所形成電場的感應(yīng)作用卻會將其下面Ｐ型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的Ｐ型區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時，柵極下面Ｐ型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使Ｐ型半導(dǎo)體反型成Ｎ型半導(dǎo)體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID。電壓UT稱為開啟電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。漏極電流ID越大?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.5.3P-MOSFET的特性１.轉(zhuǎn)移特性２．輸出特性《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

３.開關(guān)特性３.開關(guān)特性《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.5.4P-MOSFET的主要參數(shù)

1.漏源擊穿電壓BUDS

2.漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM

3.柵源擊穿電壓BUGS

4.開啟電壓UT

5.極間電容

6.通態(tài)電阻Ron

《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.5.5Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的柵極驅(qū)動

1）觸發(fā)脈沖的前后沿要陡峭，觸發(fā)脈沖的電壓幅值要高于器件的開啟電壓，以保證Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的可靠觸發(fā)導(dǎo)通。2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電容提供低電阻放電回路，減小柵極電容的充放電時間常數(shù)，提高Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的開關(guān)速度。3）Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電流。Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的極間電容越大，所需的驅(qū)動電流也越大。為了使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅(qū)動電流要具有較大的數(shù)值?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.5.6P-ＭＯＳＦＥＴ的保護(hù)

1.工作保護(hù)

柵源過電壓的保護(hù)

漏源過電壓的保護(hù)

過電流保護(hù)

2.靜電保護(hù)

器件應(yīng)存放在抗靜電包裝袋、金屬容器或?qū)щ姴牧习b袋中，工作人員取用器件時，必須使用腕帶良好接地，且應(yīng)拿器件管殼，不要拿引線；安裝時，工作臺和電烙鐵應(yīng)良好接地；測試時，測量儀器和工作臺要良好接地，器件的三個電極必須都接入測試儀器或電路，才能施加電壓。改換測試時，電壓和電流要先恢復(fù)到零。

《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.6絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

2.6.1IGBT的結(jié)構(gòu)a)b)c)d)

圖2-24IGBT結(jié)構(gòu)示意圖、電路符號和等效電路a)IGBT模塊b)IGBT結(jié)構(gòu)示意圖c)電路符號d)等效電路《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.6.2IGBT的基本特性

1)傳輸特性2)輸出特性

《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.6.3IGBT的主要參數(shù)

1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES

2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES

3)額定集電極電流IC，

4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat)

5)開關(guān)頻率《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.6.4IGBT的驅(qū)動電路

1)驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電。3)驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。4)驅(qū)動電平+UGE的選擇必須綜合考慮。5)在關(guān)斷過程中，應(yīng)施加一負(fù)偏壓UGE。6)在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以確保IGBT的安全。

7)驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。

《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.7集成門極換流晶閘管（IGCT）

2.7.1IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理1.結(jié)構(gòu)

a）b）圖2-25

GTO、GCT的結(jié)構(gòu)圖圖2-26IGCT的符號a）GTO的結(jié)構(gòu)圖b）GCT的結(jié)構(gòu)圖《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.IGCT的工作原理

IGCT的導(dǎo)通原理與GTO完全一樣，但關(guān)斷原理與GTO完全不同，在GCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個PNP晶體管以后再關(guān)斷，所以它不受外加電壓變化率du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制外加電壓變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下GCT的等效電路可認(rèn)為是一個基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯(lián)電路。

《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.7.2IGCT的特點(diǎn)

（1）緩沖層（2）透明陽極（3）逆導(dǎo)技術(shù)（4）門極驅(qū)動技術(shù)《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.8智能功率模塊(1PM)

2.8.1IPM的結(jié)構(gòu)

IPM智能功率模塊內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖

《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.8.2IPM的主要特點(diǎn)

IPM內(nèi)含驅(qū)動電路，可以按最佳的IGBT驅(qū)動條件進(jìn)行設(shè)定；IPM內(nèi)含過流（OC）保護(hù)、短路（SC）保護(hù)，使檢測功耗小、靈敏、準(zhǔn)確；IPM內(nèi)含欠電壓（UV）保護(hù)，當(dāng)控制電源電壓小于規(guī)定值時進(jìn)行保護(hù)；IPM內(nèi)含過熱（OH）保護(hù)，可以防止IGBT和續(xù)流二極管過熱，在IGBT內(nèi)部的絕緣基板上設(shè)有溫度檢測元件，結(jié)溫過高時即輸出報警（ALM）信號，該信號送給變頻器的單片機(jī)，使系統(tǒng)顯示故障信息并停止工作。IPM還內(nèi)含制動電路，用戶如有制動要求可另購選件，在外電路規(guī)定端子上接制動電阻，即可實(shí)現(xiàn)制動?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.8.3IPM選擇注意事項(xiàng)

（1）采用光電耦合器由于IPM驅(qū)動電路要求信號傳輸延遲時間不應(yīng)超過0.5μs，因而器件只能采用快速光電耦合器，可選用邏輯門光電耦