第1章電力電子器件第四講

1、v 1.1 、電力電子器件的基本模型、電力電子器件的基本模型 v 1.2 、電力二極管電力二極管 v 1.3 、晶閘管晶閘管v 1.4 、可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v 1.5 、電力晶體管電力晶體管 v 1.6 、電力場效應(yīng)晶體管、電力場效應(yīng)晶體管 v 1.7 、絕緣柵雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管 v 1.8 、其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件v 1.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護、電力電子器件的驅(qū)動與保護第第1章、電力電子器件章、電力電子器件 1.7 、絕緣柵雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管 IGBTIGBT：絕緣柵雙極型晶體管：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate

2、Bipolar(Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor) 。 兼具功率兼具功率MOSFETMOSFET高速高速開關(guān)特性和開關(guān)特性和GTRGTR的的低導(dǎo)通壓降低導(dǎo)通壓降特性特性兩者優(yōu)點的一種復(fù)合器件。兩者優(yōu)點的一種復(fù)合器件。 IGBTIGBT于于19821982年開始研制，年開始研制，19861986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。且很有前途的一種混合型器件。 目前目前IGBTIGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A1800A，最高，最高電壓等級達(dá)電壓等級達(dá)4500V4500

3、V，工作頻率達(dá)，工作頻率達(dá)50kHZ50kHZ。 在電機控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其它高速在電機控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其它高速低損耗的中小功率領(lǐng)域，低損耗的中小功率領(lǐng)域，IGBTIGBT取代了取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市場。的市場。 1.7.1 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 及其工作原理及其工作原理 1.7.2 緣柵雙極型晶體管的緣柵雙極型晶體管的 特性與主要參數(shù)特性與主要參數(shù) 1.7 、絕緣柵雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管 1.7.1 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 及其工作原理及其工作原理 1. IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) IGB

4、TIGBT的結(jié)構(gòu)如圖的結(jié)構(gòu)如圖1.7.1(a)1.7.1(a)所示。所示。 簡化等效電路如圖簡化等效電路如圖1.7.1(b)1.7.1(b)所所示。示。 電氣符號如圖電氣符號如圖1.7.11.7.1（c c）所示）所示 它是在它是在VDMOSVDMOS管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個再增加一個P P+ +層，形成了一個層，形成了一個大面積的大面積的P+NP+N結(jié)結(jié)J1J1，和其它結(jié)，和其它結(jié)J J2 2、J J3 3一起構(gòu)成了一個相當(dāng)于一起構(gòu)成了一個相當(dāng)于由由VDMOSVDMOS驅(qū)動的厚基區(qū)驅(qū)動的厚基區(qū)PNPPNP型型GTR;GTR; IGBTIGBT有三個電極有三個電極: : 集電極、

5、集電極、發(fā)射極和柵極發(fā)射極和柵極; ;圖圖1.7.1 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等的結(jié)構(gòu)、簡化等 效電路效電路 與電氣符號與電氣符號 IGBT IGBT也屬場控器件，其驅(qū)動原也屬場控器件，其驅(qū)動原理與電力理與電力MOSFETMOSFET基本相同，是一基本相同，是一種由種由柵極電壓柵極電壓UGEUGE控制集電極電流控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。的柵控自關(guān)斷器件。v 導(dǎo)通：導(dǎo)通：U UGEGE大于開啟電壓大于開啟電壓U UGE(th)GE(th)時，時，MOSFETMOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，供基極電流，IGBTIGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通。v 導(dǎo)通壓降：導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)

6、制效應(yīng)使電阻電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻R RN N減小，使通態(tài)壓降小。減小，使通態(tài)壓降小。v 關(guān)斷：關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加?xùn)派錁O間施加反壓或不加信號時，信號時，MOSFETMOSFET內(nèi)的溝道消失，內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，晶體管的基極電流被切斷，IGBTIGBT關(guān)斷。關(guān)斷。1.7.1 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 及其工作原理及其工作原理圖圖1.7.2 IGBT1.7.2 IGBT伏安特性伏安特性2.IGBT2.IGBT的工作原理的工作原理 1.7.1 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 及其工作原理及其工作原理 1.7.2 緣柵雙極型晶體管的緣柵雙極型晶體管的 特性與主

7、要參數(shù)特性與主要參數(shù) 1.7 、絕緣柵雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管 1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性 與主要參數(shù)與主要參數(shù) （1）IGBT的伏安特性（如圖的伏安特性（如圖a)a) 反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓U UGEGE下器件的輸出下器件的輸出端電壓端電壓U UCECE與電流與電流I Ic c的關(guān)系。的關(guān)系。 IGBTIGBT的伏安特性分為的伏安特性分為: :截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。區(qū)和擊穿區(qū)。圖圖1.7.2 IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性的伏安特性和

8、轉(zhuǎn)移特性 U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)( (開啟電壓開啟電壓, ,一般為一般為3 36V) 6V) ；其輸出電流；其輸出電流I Ic c與驅(qū)動與驅(qū)動電壓電壓U UGEGE基本呈線性關(guān)系；基本呈線性關(guān)系； 圖圖1.7.2 IGBT的伏安特的伏安特 性和轉(zhuǎn)移特性性和轉(zhuǎn)移特性1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性 與主要參數(shù)與主要參數(shù) 1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性（2 2）IGBTIGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖b b）IGBTIGBT關(guān)斷：關(guān)斷：IGBTIGBT開通：開通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)； 2、IG

9、BT的開關(guān)特性的開關(guān)特性 （1）IGBT的開通過程：的開通過程： 從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^程。到正向?qū)ǖ倪^程。 v 開通延遲時間開通延遲時間td(on) ： IC從從10%UCEM到到10%ICM所需時間。所需時間。v 電流上升時間電流上升時間tr ： IC從從10%ICM上升至上升至90%ICM所需時間。所需時間。v 開通時間開通時間ton ton ： ton = td(on) + + tr1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性 與主要參數(shù)與主要參數(shù) 圖圖1.7.3 IGBT的開關(guān)特性的開關(guān)特性 2、IGBT的開關(guān)特性的開關(guān)特性（2）IGBT的關(guān)

10、斷過程的關(guān)斷過程v 關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off) ：從從UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的時刻的時刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v 電流下降時間：電流下降時間：ic從從90%ICM下降至下降至10%ICM 。v 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。與電流下降之和。 電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為tfi1和和tfi2 tfi1IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的MOSFET的的關(guān)斷過程，關(guān)斷過程，ic下降較快；下降較快； tfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶體管晶體管的關(guān)斷過程，的關(guān)斷過程，ic下降較慢。下降較慢。1.7.2 緣柵雙極型

11、晶體管的特緣柵雙極型晶體管的特 性與主要參數(shù)性與主要參數(shù) 圖圖1.7.3 IGBT的開關(guān)特性的開關(guān)特性 v （1 1）最大集射極間電壓）最大集射極間電壓U UCEMCEM： IGBTIGBT在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。最高電壓。 v （2 2）通態(tài)壓降：）通態(tài)壓降： 是指是指IGBTIGBT在導(dǎo)通狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的管壓在導(dǎo)通狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的管壓降。降。v （3 3）集電極電流最大值）集電極電流最大值I ICMCM： IGBTIGBT的的 I IC C增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)，此時為增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)，此時為防

12、止防止 發(fā)生擎住效應(yīng)，規(guī)定的集電極電流最大值發(fā)生擎住效應(yīng)，規(guī)定的集電極電流最大值I ICMCM。 v （4 4）最大集電極功耗）最大集電極功耗P PCMCM： 正常工作溫度下允許的最大功耗正常工作溫度下允許的最大功耗 。 1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)與主要參數(shù) l3、IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 3、IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)v (5) (5) 安全工作區(qū)安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在開通在開通時為時為正向偏置正向偏置時的安全工作區(qū)，如圖時的安全工作區(qū)，如圖1.7.5(a)1.7.5(a)所示。所示。反偏安

13、全工作區(qū)反偏安全工作區(qū)RBSOARBSOA：IGBTIGBT在關(guān)斷在關(guān)斷時為時為反向偏置反向偏置時的安全工作區(qū)，如圖時的安全工作區(qū)，如圖1.7.5 (b) 1.7.5 (b) IGBTIGBT的導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，的導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。安全工作區(qū)越小。 在使用中一般通過選擇適當(dāng)?shù)脑谑褂弥幸话阃ㄟ^選擇適當(dāng)?shù)腢CEUCE和和柵極驅(qū)動電阻控制柵極驅(qū)動電阻控制 ，避免，避免IGBTIGBT因因 過高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。過高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)與主要參數(shù) l圖圖1.7.5 IGBT1.7.5 IGBT的的l 安全工作區(qū)

14、安全工作區(qū) dtdUCEdtdUCE (6) 輸入阻抗：輸入阻抗：IGBT的輸入阻抗高，可達(dá)的輸入阻抗高，可達(dá)1091011數(shù)量級，呈純電容性，驅(qū)動功率小，這數(shù)量級，呈純電容性，驅(qū)動功率小，這些與些與VDMOS相似。相似。 (7) 最高允許結(jié)溫最高允許結(jié)溫TjM：IGBT的最高允許結(jié)溫的最高允許結(jié)溫TjM為為150。VDMOS的通態(tài)壓降隨結(jié)溫升高而顯的通態(tài)壓降隨結(jié)溫升高而顯著增加，而著增加，而IGBT的通態(tài)壓降在室溫和最高結(jié)溫之的通態(tài)壓降在室溫和最高結(jié)溫之間變化很小，具有良好的溫度特性。間變化很小，具有良好的溫度特性。1.7.2 緣柵雙極型晶體管緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)的特性與主要參數(shù)

15、 3、IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)v 1.1 、電力電子器件的基本模型、電力電子器件的基本模型 v 1.2 、電力二極管電力二極管 v 1.3 、晶閘管晶閘管v 1.4 、可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v 1.5 、電力晶體管電力晶體管 v 1.6 、電力場效應(yīng)晶體管、電力場效應(yīng)晶體管 v 1.7 、絕緣柵雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管 v 1.8 、其它新型電力電子器件、其它新型電力電子器件v 1.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護、電力電子器件的驅(qū)動與保護第第1章、電力電子器件章、電力電子器件1.8 、其它新型電力電子器件、其它新型電力電子器件 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管 1.8.

16、2 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管 1.8.3 MOS控制晶閘管控制晶閘管 1.8.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管 1.8.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SIT） 它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具有輸出功率大、輸入阻抗高、開關(guān)特性有輸出功率大、輸入阻抗高、開關(guān)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點；好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點； 廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備( (例如例如200kHz200kHz、200kW200kW的高頻感應(yīng)加熱電源的高頻感應(yīng)加熱電源) )。并適用

17、于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中并適用于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機、電視發(fā)射機、差轉(zhuǎn)機微頻廣播發(fā)射機、電視發(fā)射機、差轉(zhuǎn)機微波以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。波以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。 1 1、SITSIT的工作原理的工作原理 1 1）結(jié)構(gòu)：）結(jié)構(gòu)：SITSIT為為三層結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)，其元胞，其元胞結(jié)構(gòu)圖如圖結(jié)構(gòu)圖如圖1.8.1(a)1.8.1(a)所示，其三個所示，其三個電極分別為電極分別為柵極柵極G G，漏極，漏極D D和源極和源極S S。其表示符號如圖其表示符號如圖1.8.1 (b)1.8.1 (b)所示。所示。 2 2）分類：）分類：SITSIT分分N N溝道、溝道、P P溝道溝道兩種，兩種，箭頭

18、向外的為箭頭向外的為NSITNSIT，箭頭向內(nèi)的，箭頭向內(nèi)的為為PSITPSIT。 3 3）導(dǎo)通、關(guān)斷：）導(dǎo)通、關(guān)斷：SITSIT為常開器件，為常開器件，即柵源電壓為零時，兩柵極之間的即柵源電壓為零時，兩柵極之間的導(dǎo)電溝道使漏極導(dǎo)電溝道使漏極D-SD-S之間的導(dǎo)通。則之間的導(dǎo)通。則SITSIT導(dǎo)通導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵源電壓；當(dāng)加上負(fù)柵源電壓U UGSGS時，時，柵源間柵源間PNPN結(jié)產(chǎn)生耗盡層。隨著負(fù)偏結(jié)產(chǎn)生耗盡層。隨著負(fù)偏壓壓U UGSGS的增加，其耗盡層加寬，漏源的增加，其耗盡層加寬，漏源間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)U UGSGS=U=UP P( (夾斷電夾斷電壓壓) )時，導(dǎo)電溝道被

19、耗盡層所夾斷，時，導(dǎo)電溝道被耗盡層所夾斷，SITSIT關(guān)斷關(guān)斷。1.8.1 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SITSIT） SIT的漏極電流的漏極電流ID不但受柵不但受柵極電壓極電壓UGS控制，同時還受漏極控制，同時還受漏極電壓電壓UDS控制。控制。 l圖圖1.8.1 SIT1.8.1 SIT的結(jié)構(gòu)及其符號的結(jié)構(gòu)及其符號 2 2、SITSIT的特性的特性 靜態(tài)伏安特性曲線（靜態(tài)伏安特性曲線（N N溝道溝道SITSIT）：當(dāng)柵源電壓）：當(dāng)柵源電壓U UGSGS一定時，一定時，隨著漏源電壓隨著漏源電壓UDSUDS的增加，漏的增加，漏極電流極電流I ID D也線性增加，其大小也線性增加，

20、其大小由由SITSIT的通態(tài)電阻所決定的通態(tài)電阻所決定 ； SITSIT采用采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu), ,其導(dǎo)其導(dǎo)電溝道短而寬電溝道短而寬, ,適應(yīng)于高電壓適應(yīng)于高電壓, ,大電流的場合；大電流的場合； SITSIT的漏極電流具有的漏極電流具有負(fù)溫度負(fù)溫度系數(shù)系數(shù), ,可避免因溫度升高而引可避免因溫度升高而引起的惡性循環(huán)；起的惡性循環(huán)； 1.8.1 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SITSIT）圖圖1.8.2 N-SIT1.8.2 N-SIT靜態(tài)靜態(tài) 伏安特性曲線伏安特性曲線SITSIT的漏極電流通路上不存在的漏極電流通路上不存在PNPN結(jié)結(jié), ,一般不會發(fā)生熱不穩(wěn)定性和二次擊

21、一般不會發(fā)生熱不穩(wěn)定性和二次擊穿現(xiàn)象穿現(xiàn)象, ,其其安全工作區(qū)安全工作區(qū)范圍較寬；范圍較寬； SITSIT是短溝道多子器件是短溝道多子器件, ,無電荷積無電荷積累效應(yīng)累效應(yīng), ,它的開關(guān)速度相當(dāng)快它的開關(guān)速度相當(dāng)快, ,適應(yīng)適應(yīng)于高頻場合；于高頻場合； SITSIT的的柵極驅(qū)動電路比較簡單柵極驅(qū)動電路比較簡單：關(guān)斷關(guān)斷SITSIT需加數(shù)十伏的負(fù)柵壓需加數(shù)十伏的負(fù)柵壓-U-UGSGS , , 使使SITSIT導(dǎo)通，也可以加導(dǎo)通，也可以加5 56V6V的正柵的正柵偏壓偏壓+U+UGSGS, ,以降低器件的通態(tài)壓降；以降低器件的通態(tài)壓降；1.8.1 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SIT

22、SIT）l2 2、SITSIT的特性的特性 圖圖1.8.3 SIT1.8.3 SIT的的 安全工作區(qū)安全工作區(qū) 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管 1.8.2 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管 1.8.3 MOS控制晶閘管控制晶閘管 1.8.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管 1.8.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路 1.8 、其它新型電力電子器件、其它新型電力電子器件1.8.2 靜電感應(yīng)晶閘管（靜電感應(yīng)晶閘管（SITH） 它自它自1972年開始研制并生產(chǎn)年開始研制并生產(chǎn)；優(yōu)點：優(yōu)點：與與GTO相比，相比，SITH的的通態(tài)電阻小、通態(tài)電阻小、通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快、損耗

23、小、通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快、損耗小、 及及 耐量高等；耐量高等； 應(yīng)用：應(yīng)用：應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)，高頻加熱電應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)，高頻加熱電源和開關(guān)電源等領(lǐng)域；源和開關(guān)電源等領(lǐng)域； 缺點：缺點：SITH制造工藝復(fù)雜，成本高；制造工藝復(fù)雜，成本高； dtdidtdu 1 1、SITHSITH的工作原理的工作原理 1 1）結(jié)構(gòu)：）結(jié)構(gòu)：在在SITSIT的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個加一個P P+ +層即形成了層即形成了SITHSITH的元胞結(jié)構(gòu)，的元胞結(jié)構(gòu)，如圖如圖1.8.4(a)1.8.4(a)。 2 2）三極：）三極：陽極陽極A A、陰極、柵極、陰極、柵極G G， 3 3）原理：）原

24、理： 柵極開路，在陽極和陰極之間加正柵極開路，在陽極和陰極之間加正向電壓，有電流流過向電壓，有電流流過SITHSITH； 在柵極在柵極G G和陰極和陰極K K之間加負(fù)電壓，之間加負(fù)電壓，G-G-K K之間之間PNPN結(jié)反偏，在兩個柵極區(qū)之間的結(jié)反偏，在兩個柵極區(qū)之間的導(dǎo)電溝道中出現(xiàn)耗盡層，導(dǎo)電溝道中出現(xiàn)耗盡層，A-KA-K間電流被間電流被夾斷，夾斷，SITHSITH關(guān)斷；關(guān)斷； 柵極所加的負(fù)偏壓越高，可關(guān)斷的柵極所加的負(fù)偏壓越高，可關(guān)斷的陰極電流也越大。陰極電流也越大。 1.8.2 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管（SITH） 圖圖1.8.4 SITH1.8.4 SITH元胞元胞 結(jié)構(gòu)其及符號結(jié)構(gòu)

25、其及符號 特性曲線的正向偏置部分與特性曲線的正向偏置部分與SIT相似。柵極負(fù)壓相似。柵極負(fù)壓-UGK可控制陽可控制陽極電流關(guān)斷，已關(guān)斷的極電流關(guān)斷，已關(guān)斷的SITH，A-K間只有很小的漏電流存在。間只有很小的漏電流存在。 SITH 為場控少子器件，其動為場控少子器件，其動態(tài)特性比態(tài)特性比GTO優(yōu)越。優(yōu)越。SITH的電導(dǎo)調(diào)的電導(dǎo)調(diào)制作用使它比制作用使它比SIT的通態(tài)電阻小、的通態(tài)電阻小、壓降低、電流大，但因器件內(nèi)有大壓降低、電流大，但因器件內(nèi)有大量的存儲電荷，量的存儲電荷， 所以它的關(guān)斷時間所以它的關(guān)斷時間比比SIT要長、工作頻率要低。要長、工作頻率要低。 1.8.2 靜電感應(yīng)晶閘管（靜電感應(yīng)晶

26、閘管（SITH） 圖圖1.8.5 SITH1.8.5 SITH的的 伏安特性曲線伏安特性曲線2 2、SITHSITH的特性：的特性：靜態(tài)伏安特性曲線（圖靜態(tài)伏安特性曲線（圖1.8.5）： 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管 1.8.2 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管 1.8.3 MOS控制晶閘管控制晶閘管 1.8.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管 1.8.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路1.8 、其它新型電力電子器件、其它新型電力電子器件1.8.3 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT） MCTMCT自自2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代末問世，已生產(chǎn)出年代末問世，已生產(chǎn)

27、出300A/2000V300A/2000V、1000A/1000V1000A/1000V的器件；的器件； 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：是晶閘管是晶閘管SCR和場效應(yīng)管和場效應(yīng)管MOSFET復(fù)合而成的新型器件，其復(fù)合而成的新型器件，其主導(dǎo)主導(dǎo)元件元件是是SCR，控制元件控制元件是是MOSFET； 特點：特點：耐高電壓、大電流、通態(tài)壓降耐高電壓、大電流、通態(tài)壓降低、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速低、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高；度高； 1 1）結(jié)構(gòu)：）結(jié)構(gòu)： MCTMCT是在是在SCRSCR結(jié)構(gòu)中集成一對結(jié)構(gòu)中集成一對MOSFETMOSFET構(gòu)成的，通過構(gòu)成的，通過MOSFETMOSFET來控制來控制SCR

28、SCR的的導(dǎo)導(dǎo)通通和和關(guān)斷關(guān)斷。 使使MCTMCT導(dǎo)通的導(dǎo)通的MOSFETMOSFET稱為稱為ON-FETON-FET，使，使MCTMCT關(guān)斷的關(guān)斷的MOSFETMOSFET稱為稱為OFF-FETOFF-FET。 MCTMCT的元胞有兩種結(jié)構(gòu)類型，一種的元胞有兩種結(jié)構(gòu)類型，一種為為N-MCTN-MCT，另一種為，另一種為P-MCTP-MCT。 三個三個電極電極稱為柵極稱為柵極G G、陽極、陽極A A和陰極和陰極K K。 圖圖1.8.61.8.6中中(a)(a)為為P-MCTP-MCT的典型結(jié)構(gòu)，圖的典型結(jié)構(gòu)，圖(b)(b)為其等效電路，圖為其等效電路，圖(c)(c)是它的表示符是它的表示符號號

29、(N-MCT(N-MCT的表示符號箭頭反向的表示符號箭頭反向) )。 對于對于N-MCTN-MCT管，要將圖管，要將圖1.8.61.8.6中各區(qū)的中各區(qū)的半導(dǎo)體材料用相反類型的半導(dǎo)體材料代半導(dǎo)體材料用相反類型的半導(dǎo)體材料代替，并將上方的陽極變?yōu)殛帢O，而下方替，并將上方的陽極變?yōu)殛帢O，而下方的陰極變?yōu)殛枠O。的陰極變?yōu)殛枠O。 1.8.3 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT） 圖圖1.8.6 P-MCT的結(jié)構(gòu)、的結(jié)構(gòu)、 等效電路和符號等效電路和符號1、MCT的工作原理的工作原理 控制信號：控制信號：用雙柵極控制，柵極信號以陽用雙柵極控制，柵極信號以陽極為基準(zhǔn)；極為基準(zhǔn)； 導(dǎo)通：導(dǎo)通：當(dāng)柵極相對于陽

30、極加負(fù)脈沖電壓時，當(dāng)柵極相對于陽極加負(fù)脈沖電壓時，ON-FETON-FET導(dǎo)通，其漏極電流使導(dǎo)通，其漏極電流使NPNNPN晶體管導(dǎo)通。晶體管導(dǎo)通。NPNNPN晶體管的導(dǎo)通又使晶體管的導(dǎo)通又使PNPPNP晶體管導(dǎo)通且形晶體管導(dǎo)通且形成正反饋觸發(fā)過程，最后導(dǎo)致成正反饋觸發(fā)過程，最后導(dǎo)致MCTMCT導(dǎo)通；導(dǎo)通； 關(guān)斷：關(guān)斷：當(dāng)柵極相對于陽極施加正脈沖電壓當(dāng)柵極相對于陽極施加正脈沖電壓時，時，OFF-FETOFF-FET導(dǎo)通，導(dǎo)通，PNPPNP晶體管基極電流中晶體管基極電流中斷斷, PNP, PNP晶體管中電流的中斷破壞了使晶體管中電流的中斷破壞了使MCTMCT導(dǎo)通的正反饋過程，于是導(dǎo)通的正反饋過程，

31、于是MCTMCT被關(guān)斷。被關(guān)斷。 其中：其中：1 1）導(dǎo)通的）導(dǎo)通的MCTMCT中晶閘管流過主電流，中晶閘管流過主電流，而觸發(fā)通道只維持很小的觸發(fā)電流。而觸發(fā)通道只維持很小的觸發(fā)電流。 2 2）使）使P-MCTP-MCT觸發(fā)導(dǎo)通的柵極相對陽極觸發(fā)導(dǎo)通的柵極相對陽極的負(fù)脈沖幅度一般為的負(fù)脈沖幅度一般為-5-5-15V-15V，使其關(guān)斷，使其關(guān)斷的柵極相對于陽極的正脈沖電壓幅度一般的柵極相對于陽極的正脈沖電壓幅度一般為為+10V+10V。 對于對于N-MCTN-MCT管管 ，其工作原理剛好相反。，其工作原理剛好相反。 1.8.3 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT） 圖圖1.8.6 P-MCT的

32、結(jié)構(gòu)、的結(jié)構(gòu)、 等效電路和符號等效電路和符號2 2）工作原理（）工作原理（P-MCTP-MCT）(1) 阻斷電壓高阻斷電壓高(達(dá)達(dá)3000V)、峰值電流大、峰值電流大(達(dá)達(dá)1000A)、最大可關(guān)斷電流密度為最大可關(guān)斷電流密度為6000Acm2;(2) 通態(tài)壓降小通態(tài)壓降小(為為IGBT的的13，約，約2.1V);(3) 開關(guān)速度快、損耗小，工作頻率可達(dá)開關(guān)速度快、損耗小，工作頻率可達(dá)20kHz;(4) 極高的極高的dudt和和didt耐量耐量(du/ dt耐量達(dá)耐量達(dá)20kV/s，di/ dt耐量達(dá)耐量達(dá)2kA/s);(5) 工作允許溫度高工作允許溫度高(達(dá)達(dá)200以上以上); (6) 驅(qū)動電

33、路簡單驅(qū)動電路簡單;1.8.3 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT） l2 2、MCTMCT的特性的特性 （兼有（兼有MOS器件和雙極型器件的優(yōu)點）器件和雙極型器件的優(yōu)點） (7)(7)安全工作區(qū)：安全工作區(qū)：MCTMCT無正偏安無正偏安全工作區(qū)，只有反偏安全工作全工作區(qū)，只有反偏安全工作區(qū)區(qū)RBSOARBSOA； RBSOA與結(jié)溫有關(guān)，反映與結(jié)溫有關(guān)，反映MCT關(guān)斷時電壓和電流的極限關(guān)斷時電壓和電流的極限容量。容量。 （8 8）保護裝置：）保護裝置：MCT可用簡可用簡單的熔斷器進(jìn)行單的熔斷器進(jìn)行短路保護短路保護。因。因為當(dāng)工作電壓超出為當(dāng)工作電壓超出RBSOA時時器件會失效，但當(dāng)峰值可控電

34、器件會失效，但當(dāng)峰值可控電流超出流超出RBSOA時，時，MCT不會不會像像GTO那樣損壞，只是不能用那樣損壞，只是不能用柵極信號關(guān)斷。柵極信號關(guān)斷。1.8.3 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT） 圖圖1.8.7 MCT1.8.7 MCT的的RBSOARBSOA2 2、MCTMCT的特性的特性 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管 1.8.2 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管 1.8.3 MOS控制晶閘管控制晶閘管 1.8.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管 1.8.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路1.8 其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件1.8.4 MOS控制晶

35、閘管（控制晶閘管（IGCT/GCT） IGCT ：（Integrated Gate-Commutated Thyristor） 也稱也稱GCT（Gate-Commutated Thyristor）。）。 20 20世紀(jì)世紀(jì)9090年代后期出現(xiàn)。結(jié)合了年代后期出現(xiàn)。結(jié)合了IGBTIGBT與與GTOGTO的優(yōu)點，的優(yōu)點，容量與容量與GTOGTO相當(dāng)，開關(guān)速度快相當(dāng)，開關(guān)速度快1010倍，且可省去倍，且可省去GTOGTO龐大而龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動功率仍很大；復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動功率仍很大； IGCT IGCT可望成為高功率高電壓低頻電力電子裝置的優(yōu)可望成為高功率高電壓低

36、頻電力電子裝置的優(yōu)選功率器件之一。選功率器件之一。 1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管 1.8.2 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管 1.8.3 MOS控制晶閘管控制晶閘管 1.8.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管 1.8.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路1.8 、其它新型電力電子器件、其它新型電力電子器件1.8.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。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?？煽s

37、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。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，稱為功率集成等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（電路（Power Integrated CircuitPower Integrated CircuitPICPIC）。）。 PIC （Power Integrated Circuit）：）：v 類似功率集成電路的還有許多名稱，但實際類似

38、功率集成電路的還有許多名稱，但實際上各有側(cè)重上各有側(cè)重: 高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage IC，簡稱，簡稱HVIC，一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控，一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成）制電路的單片集成）; 智能功率集成電路智能功率集成電路（Smart Power IC，簡稱，簡稱SPIC，一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控，一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成）制電路的單片集成）; 智能功率模塊智能功率模塊（Intelligent Power Module，簡稱簡稱IPM，專指，專指IGBT及其輔助器件與其保護和及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片

39、集成，也稱智能驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT）。）。1.8.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路 v 1.1 、電力電子器件的基本模型、電力電子器件的基本模型 v 1.2 、電力二極管電力二極管 v 1.3 、晶閘管晶閘管v 1.4 、可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v 1.5 、電力晶體管電力晶體管 v 1.6 、電力場效應(yīng)晶體管、電力場效應(yīng)晶體管 v 1.7 、絕緣柵雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管 v 1.8 、其它新型電力電子器件、其它新型電力電子器件v 1.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護、電力電子器件的驅(qū)動與保護第第1章、電力電子器件章、電力電子器件 1.9 、電力電子器

40、件的驅(qū)動與保護、電力電子器件的驅(qū)動與保護 電力電子電路的驅(qū)動、保護與控制包括如下內(nèi)容：電力電子電路的驅(qū)動、保護與控制包括如下內(nèi)容： （1）電力電子開關(guān)管的驅(qū)動：）電力電子開關(guān)管的驅(qū)動：驅(qū)動器接收控制系統(tǒng)輸出驅(qū)動器接收控制系統(tǒng)輸出的控制信號，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動信號給開關(guān)管，控制開關(guān)的控制信號，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動信號給開關(guān)管，控制開關(guān)器件的通、斷狀態(tài)。器件的通、斷狀態(tài)。 （2）過流、過壓保護：）過流、過壓保護：包括包括器件保護器件保護和和系統(tǒng)保護系統(tǒng)保護兩個方兩個方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護主電路中的開關(guān)器面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系

41、統(tǒng)電源輸入、件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實時保護系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實時保護系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。潰而造成事故。 （3）緩沖器：）緩沖器：在開通和關(guān)斷過程中防止開關(guān)管過壓和過在開通和關(guān)斷過程中防止開關(guān)管過壓和過 流，減小流，減小 、 減小開關(guān)損耗。減小開關(guān)損耗。dtdudtdi（4）濾波器：）濾波器：在輸出直流的電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器在輸出直流的電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器用來濾除輸出電壓或電流中的交流分量以獲得平穩(wěn)的直用來濾除輸出電壓或電流中的交流分量以獲得平穩(wěn)的直流電能；在輸出交流的電力電子系統(tǒng)中濾波器濾除無用流電

42、能；在輸出交流的電力電子系統(tǒng)中濾波器濾除無用的諧波以獲得期望的交流電能，提高由電源所獲取的以的諧波以獲得期望的交流電能，提高由電源所獲取的以及輸出至負(fù)載的電力質(zhì)量。及輸出至負(fù)載的電力質(zhì)量。 （5）散熱系統(tǒng)：）散熱系統(tǒng)：散發(fā)開關(guān)器件和其他部件的功耗發(fā)熱，散發(fā)開關(guān)器件和其他部件的功耗發(fā)熱，減小開關(guān)器件的熱心力，降低開關(guān)器件的結(jié)溫。減小開關(guān)器件的熱心力，降低開關(guān)器件的結(jié)溫。（6）控制系統(tǒng)：）控制系統(tǒng)：實現(xiàn)電力電子電路的實時、適式控制，實現(xiàn)電力電子電路的實時、適式控制，綜合給定和反饋信號，經(jīng)處理后為開關(guān)器件提供開通、綜合給定和反饋信號，經(jīng)處理后為開關(guān)器件提供開通、關(guān)斷信號，開機、停機信號和保護信號。關(guān)

43、斷信號，開機、停機信號和保護信號。 1.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護、電力電子器件的驅(qū)動與保護v 1.9.1 電力電子器件的換流方式電力電子器件的換流方式v 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路v 1.9.3 保護電路保護電路v 1.9.4 緩沖電路緩沖電路v 1.9.5 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng)1.9.1 電力電子器件的換流方式電力電子器件的換流方式 在圖在圖1.9.11.9.1中，中，T T1 1、T T2 2表示由兩個電力表示由兩個電力半導(dǎo)體器件組成的導(dǎo)電臂，當(dāng)半導(dǎo)體器件組成的導(dǎo)電臂，當(dāng)T T1 1關(guān)斷，關(guān)斷，T T2 2導(dǎo)導(dǎo)通時，電流流過通時，電流流過T T2 2；當(dāng)；當(dāng)T T2 2關(guān)斷，關(guān)斷，T

44、T1 1導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，電流電流i i從從T T2 2轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到T T1 1。圖圖1.9.1 橋臂的換流橋臂的換流 電力半導(dǎo)體器件可以用切斷或接通電流電力半導(dǎo)體器件可以用切斷或接通電流的開關(guān)表示。的開關(guān)表示。l 定義：電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移的定義：電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移的過程稱為換流（或換相）。過程稱為換流（或換相）。 （1 1）器件換流：）器件換流：利用電力電子器件自身所有的關(guān)斷能利用電力電子器件自身所有的關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為器件換流。力進(jìn)行換流稱為器件換流。 （2 2）電網(wǎng)換流：）電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓使電力電子器件由電網(wǎng)提供換流電壓使電力電子器件關(guān)斷，實現(xiàn)電流從一個臂向另

45、一個臂轉(zhuǎn)移稱為電網(wǎng)換關(guān)斷，實現(xiàn)電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移稱為電網(wǎng)換流。流。 （3 3）負(fù)載換流：）負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，使電力電子器由負(fù)載提供換流電壓，使電力電子器件關(guān)斷，實現(xiàn)電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移稱為負(fù)載件關(guān)斷，實現(xiàn)電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移稱為負(fù)載換流。凡是負(fù)載電流的相位超前電壓的場合，都可以換流。凡是負(fù)載電流的相位超前電壓的場合，都可以實現(xiàn)負(fù)載換流。實現(xiàn)負(fù)載換流。1.9.1 電力電子器件的換流方式電力電子器件的換流方式一般來說，換流方式可分為以下四種：一般來說，換流方式可分為以下四種： 在晶閘管在晶閘管T T處于導(dǎo)通狀態(tài)時處于導(dǎo)通狀態(tài)時, ,預(yù)預(yù)先給電容先給電容C C按圖中所

46、示極性充電。按圖中所示極性充電。如果合上開關(guān)如果合上開關(guān) S S，就可以使晶閘管，就可以使晶閘管T T被加反壓而關(guān)斷。被加反壓而關(guān)斷。 圖圖1.9.2 脈沖電壓脈沖電壓 換流原理圖換流原理圖 1.9.1 電力電子器件的換流方式電力電子器件的換流方式 脈沖電壓換流原理：脈沖電壓換流原理：（4 4）脈沖換流：）脈沖換流： 設(shè)置附加的換流電路，由換流電路設(shè)置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供換流電壓，控制電力電子內(nèi)的電容提供換流電壓，控制電力電子器件實現(xiàn)電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移器件實現(xiàn)電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移稱為脈沖換流，有時也稱為強迫換流或稱為脈沖換流，有時也稱為強迫換流或電容換流。電容換

47、流。l 脈沖換流有脈沖換流有脈沖電壓換流脈沖電壓換流和和脈沖電流換流脈沖電流換流。 晶閘管晶閘管T T處于導(dǎo)通狀態(tài)時，預(yù)先處于導(dǎo)通狀態(tài)時，預(yù)先給電容給電容C C按圖中所示的極性充電。按圖中所示的極性充電。 圖圖(a)(a)中，如果閉合開關(guān)中，如果閉合開關(guān)S S，LCLC振蕩電流流過晶閘管，直到其正向振蕩電流流過晶閘管，直到其正向電流為零后，再流過二極管電流為零后，再流過二極管D D。 圖圖(b)(b)中，接通開關(guān)中，接通開關(guān)S S后，后，LCLC振振蕩電流先和負(fù)載電流疊加流過晶閘蕩電流先和負(fù)載電流疊加流過晶閘管管T T，經(jīng)半個振蕩周期，經(jīng)半個振蕩周期t=t=后，振后，振蕩電流反向流過蕩電流反向

48、流過T T，直到，直到T T正向電流正向電流減至零以后再流過二極管減至零以后再流過二極管D D。 圖圖1.9.3 脈沖電流脈沖電流 換流原理圖換流原理圖 1.9.1 電力電子器件的換流方式電力電子器件的換流方式 脈沖電流換流原理脈沖電流換流原理: : 這兩種情況，都在晶閘管的正向電這兩種情況，都在晶閘管的正向電流為零和二極管開始流過電流時晶閘管流為零和二極管開始流過電流時晶閘管關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。管上的反向電壓。 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路 將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)

49、換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通或關(guān)斷的信號。 對半控型器件只需提供開通控制信號。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(guān)對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。斷控制信號。 在高壓變換電路中，需要時控制系統(tǒng)和主電路之間進(jìn)在高壓變換電路中，需要時控制系統(tǒng)和主電路之間進(jìn)行電氣隔離，這可以通過脈沖變壓器或光耦來實現(xiàn)。行電氣隔離，這可以通過脈沖變壓器或光耦來實現(xiàn)。 驅(qū)動電路的基本任務(wù)：驅(qū)動電路的基本任務(wù)： 作用：作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸產(chǎn)生符合要求的門極

50、觸發(fā)脈沖，決定每個晶閘管的觸發(fā)脈沖，決定每個晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時刻。發(fā)導(dǎo)通時刻。 圖圖1.9.41.9.4為基于脈沖變壓器為基于脈沖變壓器PTPT和三極管放大器的驅(qū)動電路。和三極管放大器的驅(qū)動電路。 工作原理：工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動信號加至三極管放高電平驅(qū)動信號加至三極管放大器后，變壓器大器后，變壓器PTPT輸出電壓經(jīng)輸出電壓經(jīng)D D2 2輸出脈沖電流觸發(fā)輸出脈沖電流觸發(fā)SCRSCR導(dǎo)通。導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號為當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號為零后，零后，D D1 1、D DZ Z續(xù)流，續(xù)流，PTPT的原邊的原邊電壓速降為零，防止變壓器飽電壓速降為零，防止變壓器飽

51、和。和。1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路圖圖1.9.4 帶隔離變壓器的帶隔離變壓器的SCR驅(qū)動電路驅(qū)動電路 圖圖1.9.51.9.5光耦隔離的光耦隔離的SCRSCR驅(qū)驅(qū)動電路。動電路。工作原理：工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動信號致光耦輸入端出驅(qū)動信號致光耦輸入端時，光耦輸出電路中時，光耦輸出電路中R R上的上的電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)SCRSCR導(dǎo)通。導(dǎo)通。圖圖1.9.5 光耦隔離的光耦隔離的SCR驅(qū)動電路驅(qū)動電路 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路開通：開通：在門極加正驅(qū)動電流。在門極加正驅(qū)動電流。2GTO的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路lGTO的幾種基本驅(qū)動電路：的幾種基本驅(qū)動電路：l

52、關(guān)斷：關(guān)斷：在門極加很大的負(fù)電流在門極加很大的負(fù)電流 1）圖）圖1.9.6(a) 晶體管導(dǎo)通、關(guān)斷過晶體管導(dǎo)通、關(guān)斷過程：程： 電源經(jīng)使電源經(jīng)使GTO觸發(fā)導(dǎo)通，電觸發(fā)導(dǎo)通，電容充電，容充電， 電壓極性如圖示。當(dāng)關(guān)電壓極性如圖示。當(dāng)關(guān)斷時，電容放電，反向電流使斷時，電容放電，反向電流使GTO關(guān)斷。關(guān)斷。 起開通限流作用，在起開通限流作用，在SCR陽陽極電流下降期間釋放出儲能，補償極電流下降期間釋放出儲能，補償GTO的門極關(guān)斷電流，提高了關(guān)斷能的門極關(guān)斷電流，提高了關(guān)斷能力。力。 該電路雖然簡單可靠，但因無獨立該電路雖然簡單可靠，但因無獨立的關(guān)斷電源，的關(guān)斷電源， 其關(guān)斷能力有限且不易其關(guān)斷能力有

53、限且不易控制。另一方面，電容上必須有一控制。另一方面，電容上必須有一定的能量才能使定的能量才能使GTO關(guān)斷，故觸發(fā)關(guān)斷，故觸發(fā)的脈沖必須有一定的寬度。的脈沖必須有一定的寬度。 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路圖1.9.6(a) 2. GTO的幾種基本驅(qū)動電路：（續(xù)）的幾種基本驅(qū)動電路：（續(xù)）導(dǎo)通和關(guān)斷過程：圖導(dǎo)通和關(guān)斷過程：圖1.9.6(b)導(dǎo)通：導(dǎo)通：1、2導(dǎo)通時導(dǎo)通時GTO被觸發(fā)；被觸發(fā)；關(guān)斷：關(guān)斷：1、2關(guān)斷和關(guān)斷和SCR、SCR 導(dǎo)通時導(dǎo)通時GTO門極與陰極間流過門極與陰極間流過 負(fù)電流而被關(guān)斷；負(fù)電流而被關(guān)斷； 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路l圖圖1.9.6(b)2. GTO的幾種基本驅(qū)動

54、電路：（續(xù)）的幾種基本驅(qū)動電路：（續(xù)）l 由于由于GTO的開通和關(guān)斷均依賴于的開通和關(guān)斷均依賴于一個獨立的電源，故其關(guān)斷能力強且一個獨立的電源，故其關(guān)斷能力強且l可控制，其觸發(fā)脈沖可采用窄脈沖；可控制，其觸發(fā)脈沖可采用窄脈沖； 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路 圖圖1.9.6(c)中，導(dǎo)通和關(guān)斷用兩中，導(dǎo)通和關(guān)斷用兩個獨立的電源，開關(guān)元件少，電個獨立的電源，開關(guān)元件少，電路簡單。路簡單。 圖圖1.9.6(d)，對于，對于300A以以上的上的GTO，用此驅(qū)動電路，用此驅(qū)動電路可以滿足要求?？梢詽M足要求。 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路 1) 作用作用: 將控制電路輸出的控制信號放大到將控制電路輸出的控

55、制信號放大到足以保證足以保證GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度?？煽繉?dǎo)通和關(guān)斷的程度。 2) 功能功能: 提供合適的正反向基流以保證提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷可靠導(dǎo)通與關(guān)斷(期望的基極驅(qū)動電流期望的基極驅(qū)動電流波形如圖波形如圖1.9.7 所示所示)。 實現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。實現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。 具有自動保護功能，以便在故障發(fā)具有自動保護功能，以便在故障發(fā)生時快速自動切除驅(qū)動信號，避免損壞生時快速自動切除驅(qū)動信號，避免損壞GTR。 電路盡可能簡單、工作穩(wěn)定可靠、電路盡可能簡單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強。抗干擾能力強。圖圖1.9.7 理想的基極理想的基極驅(qū)動電流波形驅(qū)動

56、電流波形 3GTR的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路 3GTR的參考驅(qū)動電路（續(xù)）的參考驅(qū)動電路（續(xù)） 圖圖1.9.8 雙電源驅(qū)動電路雙電源驅(qū)動電路 圖圖1.9.10 UAA4002組成組成 的的GTR驅(qū)動電路驅(qū)動電路 由于由于IGBT的輸入特性幾乎和的輸入特性幾乎和VDMOS相同相同(阻抗高，阻抗高，呈容性呈容性)所以，要求的驅(qū)動功率小，電路簡單，用于所以，要求的驅(qū)動功率小，電路簡單，用于IGBT的驅(qū)動電路同樣可以用于的驅(qū)動電路同樣可以用于VDMOS。 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路圖圖1.9.11 采用脈沖變壓器采用脈沖變壓器 隔離的柵極驅(qū)動電路隔離的柵極驅(qū)動電路 圖圖1.9.12 推挽輸出的推挽輸出的

57、柵極驅(qū)動電路柵極驅(qū)動電路 l4MOSFET和和IGBT的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路4MOSFET和和IGBT的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路圖圖1.9.13 EXB8XX驅(qū)動模塊框圖驅(qū)動模塊框圖 圖圖1.9.14 集成驅(qū)動器的應(yīng)用電路集成驅(qū)動器的應(yīng)用電路 v 1.9.1 電力電子器件的換流方電力電子器件的換流方式式v 1.9.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路v 1.9.3 保護電路保護電路v 1.9.4 緩沖電路緩沖電路v 1.9.5 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 1.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護、電力電子器件的驅(qū)動與保護1.9.3 保護電路保護電路 電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過電流、過壓，

58、造成開關(guān)器件的永久性損壞。電流、過壓，造成開關(guān)器件的永久性損壞。 過流、過壓保護包括器件保護和系統(tǒng)保護過流、過壓保護包括器件保護和系統(tǒng)保護兩個方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護兩個方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實時保護系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而電流、電壓，實時保護系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故造成事故 。 措施：措施：通常電力電子系統(tǒng)同時采用電子電路、快速熔通常電力電子系統(tǒng)同時采用電子電路、快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流

59、繼電器等幾種過電流斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器等幾種過電流保護措施，提高保護的可靠性和合理性。保護措施，提高保護的可靠性和合理性。 快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。整定在過載時動作。 1.9.3 保護電路保護電路l圖圖1.9.16 電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護方案電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護方案 1 . 過電流保護（過流包括過載和短路）過電流保護（過流包括過載和短路） 過電壓過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓。外因過電壓和內(nèi)因

60、過電壓。v 外因過電壓：外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程（由分閘、合閘等開關(guān)操作引起）等外因。（由分閘、合閘等開關(guān)操作引起）等外因。v 內(nèi)因過電壓：內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程。關(guān)過程。 (1) 換相過電壓：換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時，該反向電流急劇減向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過