變頻技術(shù)原理與應(yīng)用(第二版)呂汀石紅梅編著

1、變頻技術(shù)原理與應(yīng)用變頻技術(shù)原理與應(yīng)用(第二版) 呂汀呂汀 石紅梅編著石紅梅編著機(jī)械工業(yè)出版社2目 錄 第1章 概 述第2章 電力電子器件第3章 交-直-交變頻技術(shù)第4章 脈寬調(diào)制技術(shù)第5章 交-交變頻技術(shù)第6章 變頻器的選擇和容量計(jì)算第7章 變頻器的安裝接線、調(diào)試與維修第8章 變頻技術(shù)綜合應(yīng)用3第一章 概 述n變頻技術(shù)的概念 n 變頻技術(shù)的主要類型n 變頻技術(shù)的發(fā)展 本章要點(diǎn)返回目錄41.1 變頻技術(shù) 變頻技術(shù)是一門能夠?qū)㈦娦盘柕念l率,按照具體電路的要求，而進(jìn)行變換的應(yīng)用型技術(shù)。其主要類型有以下幾種： （1）交直變頻技術(shù)（即整流技術(shù)）（2）直直變頻技術(shù)（即斬波技術(shù)）（3）直交變頻技術(shù) （4）交

2、交變頻技術(shù)（即移相技術(shù)） 變頻技術(shù)的類型表 輸入 輸出 交流 直流 直流 整流 斬波 交流 移相 逆變61.2變頻技術(shù)的發(fā)展 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)的發(fā)展方向是：交流變頻向直流變頻方向轉(zhuǎn)化控制技術(shù)由PWM（脈寬調(diào)制）向PAM（脈幅調(diào)制)方向發(fā)展功率器件向高集成智能功率模塊發(fā)展總之，變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢，是朝著高度集成化、高頻化、模塊化的方向發(fā)展 7第2章 電力電子器件n晶閘管的特性參數(shù)及保護(hù)n門極關(guān)斷晶閘管的特性參數(shù)n功率晶體管的特性參數(shù)及驅(qū)動電路nMOS器件的特性參數(shù)及保護(hù)n絕緣柵雙極型晶體管IGBT的特性參數(shù)、驅(qū)動電路及其保護(hù)n集成門極換流晶閘管和功率集成電路簡介本章要點(diǎn)返回目錄8

3、電力電子器件是電力電子技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵，也是變頻技術(shù)技術(shù)電力電子器件是電力電子技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵，也是變頻技術(shù)技術(shù)發(fā)展的發(fā)展的“龍頭龍頭”。可以說，電力電子技術(shù)起步于晶閘管，普及于GTR，提高于IGBT。新型電力電子器件的涌現(xiàn)與發(fā)展，促進(jìn)了電力電子電路的結(jié)構(gòu)、控制方式、裝置性能的提高。本章從應(yīng)用的角度出發(fā)，對電力電子器件的種類、性能及應(yīng)用等加以介紹。92.1 半控型電力電子器件2.1.1晶閘管（SCR）的特性及參數(shù)1.1.晶閘管的特性晶閘管的特性（1 1）晶閘管的陽極伏安特性）晶閘管的陽極伏安特性晶閘管有三個引線端子：陽極（anode）A、陰極(cathode)K和門極(gate

4、)G，有三個PN結(jié)。 晶閘管的結(jié)構(gòu)見圖2-1 晶閘管陽極與陰極間的電壓和它的陽極電流之間的關(guān)系，稱為晶閘管的伏安特性，如圖2-2所示。位于第象限的是正向特性，第象限的是反向特性。 晶閘管的門極和陰極之間是一個PN結(jié)J3，它的伏安特性稱為門極伏安特性。實(shí)際產(chǎn)品的門極伏安特性分散性很大，為了應(yīng)用方便，常以一條典型的極限高阻門極伏安特性和一條極限低阻門極伏安特性之間的區(qū)域來代表，稱之為門極伏安特性區(qū)域。 （2 2）晶閘管的門極伏安特性）晶閘管的門極伏安特性 電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新施加正向電壓為止的時間間隔，稱為晶閘管的電路換向關(guān)斷時間tq，它由兩部分組成： 門極在原點(diǎn)處受到理想階

5、躍電流的觸發(fā)，由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間，陽極電流的增長不可能瞬時完成。從門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%，這段時間稱為延遲時間td。陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間稱為上升時間tr，開通時間tgt為二者之和，即1）開通時間）開通時間 tgt=td+tr 2）關(guān)斷時間）關(guān)斷時間 tq=trr+tgr 晶閘管在電路中是起開關(guān)作用的。 trr為反向阻斷恢復(fù)時間，是電流反向的持續(xù)期；tgr為正向阻斷恢復(fù)時間。（3 3）晶閘管的動態(tài)特性）晶閘管的動態(tài)特性162 2晶閘管的參數(shù)晶閘管的參數(shù) 晶閘管不能自關(guān)斷，屬半控型，在電路中起開關(guān)用。由于其開通與關(guān)斷的時間很短

6、，為正常使用，必須認(rèn)真研究其動態(tài)特性，定量地掌握其主要參數(shù)。（1 1）晶閘管的電壓定額）晶閘管的電壓定額1）斷態(tài)（正向）重復(fù)峰值電壓UDRM：是門極斷路，而晶閘管的結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓，重復(fù)頻率為每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms。2）反向重復(fù)峰值電壓URRM：是門極斷路，而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓。重復(fù)頻率為每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms。3）通態(tài)（峰值）電壓UTM：是晶閘管通以倍或規(guī)定倍數(shù)額定通態(tài)平均電流值時的瞬態(tài)峰值電壓。（2）晶閘管的電流定額）晶閘管的電流定額（3） 晶閘管的門極定額晶閘管的門極定額IT（AV）=（1.5

7、2）57. 1TmIITm最大電流有效值 1）通態(tài)額定平均電流IT（AV）： 2）維持電流IH： 3）擎住電流IL 4）斷態(tài)（正向）重復(fù)峰值電流IDRM和反向重復(fù)峰值電流IRRM 5）浪涌電流ITSM 1）門極觸發(fā)電流IGT：是在室溫下，通態(tài)電壓直流6V時使晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最小門極電流。2）門極觸發(fā)電壓UGT：是產(chǎn)生門極觸發(fā)電流所必需的最小門極電壓。（4）動態(tài)參數(shù)）動態(tài)參數(shù)（5） 額定結(jié)溫額定結(jié)溫1）斷態(tài)臨界電壓上升率du/dt：是在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不使從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大電壓上升率。如果du/dt過大，會使充電電流足夠大，使晶閘管誤導(dǎo)通，此時應(yīng)采取措施，使其在臨界值

8、內(nèi)。2）通態(tài)臨界電流上升率di/dt：是在規(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。如果通態(tài)電流上升太快，則晶閘管剛一開通，就會有很大的電流集中在門極附近的很小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。因此要采取措施限制其值在臨界值內(nèi)。限制電流上升率的有效辦法是串接空心電感。 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(guān)的額定值和特性都能得到保證。192.1.2晶閘管的串并聯(lián)與保護(hù)1晶閘管的串聯(lián)與并聯(lián)（1 1）晶閘管的串聯(lián)）晶閘管的串聯(lián)當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實(shí)際要求時，可以采用兩個或兩個以上同型號器件相串聯(lián)。 圖2-5a）是兩個晶閘管串聯(lián)的伏安特性圖 （

9、2 2）晶閘管的并聯(lián)）晶閘管的并聯(lián)1）主回路對并聯(lián)晶閘管電流分配的影響2）正向壓降對并聯(lián)晶閘管電流分配的影響常用的均流電路有： 串聯(lián)電阻均流電路串聯(lián)電抗器均流電路 晶閘管的正向壓降等于與正向電流無關(guān)的恒定壓降與內(nèi)阻壓降之和。由于晶閘管內(nèi)阻很小，并聯(lián)晶閘管各回路的阻抗又不相同，因此，各支路電流分配也不均衡。當(dāng)負(fù)載電流很大時，各并聯(lián)支路的電阻和自感必須相等，互感也應(yīng)盡量相等。采用直流電抗器的均流電路232晶閘管的保護(hù) （1 1）晶閘管的過電流保護(hù)）晶閘管的過電流保護(hù)造成晶閘管過電流的重要原因是：電網(wǎng)電壓波動太大、電動機(jī)軸上拖動的負(fù)載超過允許值、電路中管子誤導(dǎo)通以及管子擊穿短路等。由于晶閘管承受過電

10、流能力比一般電器元件差得多，故必須在極短時間內(nèi)把電源斷開或把電流值降下來。常見的保護(hù)有以下幾種： 1 1）快速熔斷器保護(hù)）快速熔斷器保護(hù) 接入橋臂與晶閘管串聯(lián) 接在交流側(cè)輸入端 接在直流側(cè) 熔斷器是最簡單有效的過電流保護(hù)元件快速熔斷器的接法一般有三種： 工作原理：工作原理：當(dāng)主電路過電流時，電流反饋信號電壓Ufi增大，穩(wěn)壓管VS被擊穿，晶體管V導(dǎo)通，直流快速靈敏繼電器KA得電并自鎖，并斷開了電源接觸器KM 吸引線圈電壓，使KM失電切斷主電路交流電源，以達(dá)到過電流保護(hù)的目的。過電流故障排除后，想要恢復(fù)供電，先按下復(fù)位按鈕SB，KA失電，其KA常閉觸點(diǎn)閉合，按下主電路起動按鈕SB2，KM 得電接通

11、主電路交流電源，恢復(fù)正常供電。調(diào)節(jié)電位器RP，可以很方便地調(diào)節(jié)過電流跳閘動作電流的大小。 2 2）過電流繼電器保護(hù)）過電流繼電器保護(hù)3 3）限流與脈沖移相保護(hù)）限流與脈沖移相保護(hù) 工作原理：與電子過電流跳閘電路相似，當(dāng)主電路出現(xiàn)過電流時，電流反饋信號電壓Ufi增大，穩(wěn)壓管V1被擊穿，V2晶體管注入基極電流，使晶體管V2輸出電壓U0降低，于是觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖迅速右移(即移相角增大)，使主電路輸出整流電壓迅速減小，負(fù)載電流也迅速減小，達(dá)到限流目的。 4 4）利用反饋控制作過電流保護(hù)）利用反饋控制作過電流保護(hù) 這種保護(hù)的特點(diǎn)是控制系統(tǒng)本身的動作速度快，在一些容易發(fā)生短路的設(shè)備如逆變器中，常采用這種

12、保護(hù)方法，但內(nèi)部發(fā)生短路時還得靠快速熔斷器來保護(hù)。 5 5）直流快速開關(guān)電流保護(hù)）直流快速開關(guān)電流保護(hù) 在大容量變流裝置經(jīng)常容易出現(xiàn)直流側(cè)負(fù)載發(fā)生短路的場合，可以在直流側(cè)裝直流快速開關(guān)，用作直流側(cè)過載與短路保護(hù)動作時間非常短。 （2 2）電壓與電流上升率的限制）電壓與電流上升率的限制 限制電壓變化率的措施有：1）裝設(shè)有整流變壓器的變流裝置2）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L0，如圖2-14所示。 3）每個橋臂串接空心小電感或在橋臂上套入磁環(huán)（電感量約為2030H）（3 3）晶閘管的過電壓保護(hù)）晶閘管的過電壓保護(hù) 晶閘管從導(dǎo)通到阻斷和開關(guān)電路一樣，因

13、為有電感釋放能量，所以會產(chǎn)生過電壓。這可能會導(dǎo)致管子的反向擊穿，所以必須采取保護(hù)措施。 對于尖峰狀的瞬時過電壓，常用的保護(hù)方法是在晶閘管兩端并接RC吸收元件，如圖2-16所示。 （4 4）交流側(cè)過電壓及其保護(hù)）交流側(cè)過電壓及其保護(hù) 1 1）交流側(cè)操作過電壓）交流側(cè)操作過電壓 靜電感應(yīng)過電壓：如圖2-17a所示 斷開相鄰負(fù)載電流而引起的過電壓：如圖2-17b所示 斷開變壓器一次繞組空載電流I0（勵磁電流）引起的過電壓：如圖2-17c所 由于一次、二次繞組之間存在分布電容C0，在Q合上的瞬間，一次高電壓經(jīng)C0偶合到二次繞組出現(xiàn)瞬時過電壓。通?？梢栽谧儔浩鞫位蛟谌嘧儔浩鞫涡切沃悬c(diǎn)與地之間，并聯(lián)

14、適當(dāng)?shù)碾娙荩ㄍǔ?.5F），就可顯著減小這種過電壓，也可在一次與二次之間附加屏蔽層 由于相鄰負(fù)載電流i2的突然斷開，流過回路漏抗L的電流突然減小，感應(yīng)電動勢與電源電壓u2極性恰好是順極性相加而引起過電壓。 在變壓器空載且電源電壓過零（即勵磁電流最大）時，斷開一次Q開關(guān)，由于i0突變，故在二次繞組感應(yīng)出很高的瞬時過電壓，這種尖峰過電壓很可能達(dá)到電源電壓峰值的6倍以上，對管子極為不利。 由于發(fā)生雷擊或從電網(wǎng)侵入的高電壓干擾而造成的晶閘管過電壓，稱為浪涌過電壓。 硒堆元件保護(hù)：2 2）交流側(cè)浪涌過電壓）交流側(cè)浪涌過電壓 壓敏電阻的主要特性參數(shù)有： 漏電流為1mA時的額定電壓U1mA； 放電電流達(dá)到

15、規(guī)定值IY時的電壓UY，其數(shù)值由殘電壓比UY/U1mA所決定； 允許的通流容量，即在規(guī)定波形下（沖擊電流前沿8ms，波長20ms），允 許通過的浪涌峰值電流（kA）。（5 5）直流側(cè)過電壓及其保護(hù)）直流側(cè)過電壓及其保護(hù)對這種過電壓抑制的有效方法是：在直流負(fù)載兩端并接壓敏電阻或硒堆等來保護(hù)。 392.2 門極關(guān)斷晶閘管 門極關(guān)斷晶閘管GTO（gate turn off thyristor）。它與普通晶閘管相比，屬“全控型器件”或“自關(guān)斷器件”，既可控制器件的開通，又可控制器件的關(guān)斷。因此，使用GTO的裝置與使用普通型晶閘管的裝置相比，具有主電路器件少，結(jié)構(gòu)簡單；裝置小巧；無噪聲；裝置效率高；易實(shí)

16、現(xiàn)脈寬調(diào)制，可改善輸出波形等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)見圖2-25所示，也屬于PNPN四層三端器件。412.2.1門極關(guān)斷晶閘管的特性及參數(shù)1 1GTOGTO的特性的特性 下圖為GTO的工作電路簡圖。A、K和G分別為GTO的陽極、陰極和門極，EA和RK分別為工作電壓和負(fù)載電阻；EG1和RG1分別為正向觸發(fā)電壓和限流電阻；EG2和RG2分別為反向關(guān)斷電壓和限流電阻。當(dāng)S置于“1”時，GTO導(dǎo)通，陰極電流IKIA十IG。當(dāng)S置于“2”時，GTO關(guān)斷。2 2GTOGTO的參數(shù)的參數(shù)（1）最大門極可關(guān)斷陽極電流IATO 這是標(biāo)稱GTO額定電流容量的參數(shù)。（2）電流關(guān)斷增益off off是GTO的一個重要參數(shù)，其值愈

17、大，說明門極電流對陽極電流的控制能力愈強(qiáng)。（3）擎住電流IL GTO經(jīng)門極觸發(fā)剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，撤除門極信號后GTO仍能維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流。（4）維持電流IH ton =td+tr toff=ts+tf （5）門極關(guān)斷電流IGM（6）開通時間ton（7）關(guān)斷時間toff（8）斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓URSM（9）斷態(tài)重復(fù)最大電壓UDRM 它是GTO從通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)所需的門極反向瞬時峰值電流的最小值。 開通時間是指延遲時間td 和上升時間tr 之和，即 關(guān)斷時間一般指儲存時間ts 和下降時間tf 之和，即 在關(guān)斷時管子能承受而不被擊穿的最大重復(fù)瞬時電壓。442.2.2 用萬用表對晶閘管的檢測

18、如圖2-27所示，這里介紹利用萬用表判定GTO電極、檢查GTO的觸發(fā)能力和關(guān)斷能力、估測關(guān)斷增益off的方法。圖2-27 GTO的檢測1 1判定判定GTOGTO的電極的電極2 2檢查觸發(fā)能力檢查觸發(fā)能力3 3檢查關(guān)斷能力檢查關(guān)斷能力 將萬用表撥至R1檔，測量任意兩腳間的電阻，僅當(dāng)黑表筆接G極，紅表筆接K極時，電阻呈低阻值，對其它情況電阻值均為無窮大。由此可判定G、K極，剩下的就是A極。 如圖2-27(a)所示，首先將表的黑表筆接A極，紅表筆接K極，電阻為無窮大；然后用黑表筆尖也同時接觸G極，加上正向觸發(fā)信號，表針向右偏轉(zhuǎn)到低阻值即表明GTO已經(jīng)導(dǎo)通；最后脫開G極，只要GTO維持通態(tài)，就說明被測

19、管具有觸發(fā)能力。 現(xiàn)采用雙表法檢查GTO的關(guān)斷能力，如圖2-27(b)所示，表的檔位及接法保持不變。將表撥至R10檔，紅表筆接G極，黑表筆接K極，施以負(fù)向觸發(fā)信號，如果表的指針向左擺到無窮大位置，證明GTO具有關(guān)斷能力。4 4估測關(guān)斷增益估測關(guān)斷增益offoff5 5注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 進(jìn)行到第3步時，先不接入表，記下在GTO導(dǎo)通時表的正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)n1；再接上表強(qiáng)迫GTO關(guān)斷，記下表的正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)n2。最后根據(jù)讀取電流法按下式估算關(guān)斷增益： off=IATO/ IGMK1n1/ K2n2式中 K1表在R1檔的電流比例系數(shù) K2表在R10檔的電流比例系數(shù)。 估算：off10n1/ n2 此式的優(yōu)點(diǎn)

20、是，不需要具體計(jì)算IATO、IGM之值，只要讀出二者所對應(yīng)的表針正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)，即可迅速估測關(guān)斷增益值。（1）在檢查大功率GTO器件時，建議在R1檔外邊串聯(lián)一節(jié)1.5V電池E，以提高測試電壓和測試電流，使GTO可靠地導(dǎo)通。（2）要準(zhǔn)確測量GTO的關(guān)斷增益off，必須有專用測試設(shè)備。但在業(yè)余條件下可用上述方法進(jìn)行估測。由于測試條件不同，測量結(jié)果僅供參考，或作為相對比較的依據(jù)。472.3 2.3 大功率晶體管大功率晶體管大功率晶體管GTR（Giant Transistor）也稱為電力晶體管PTR（Power Transistor），是一種具有發(fā)射極（e）、基極（b）、集電極(c)區(qū)的三層器件，有np

21、n和pnp兩種結(jié)構(gòu)，故又稱雙結(jié)型晶體管BJT（Bi Junction Tansistor）。它既有晶體管的固有特性，又?jǐn)U大了功率容量。在大功率電力變換電路中,10kHz以下的應(yīng)用較多。GTR的缺點(diǎn)是耐沖擊能力差，易受二次擊穿而損壞，所以使用時必須考慮以下參數(shù)：擊穿電壓、電流增益、耗散功率和開關(guān)速度，這四個參數(shù)是相互制約的。482.3.1 GTR的結(jié)構(gòu)及特性參數(shù)1. GTR1. GTR的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 雙極型硅晶體管有PNP和NPN兩種結(jié)構(gòu)。對于高壓、大功率晶體管常用NPN結(jié)構(gòu)。圖2-28 所示為電力晶體管的結(jié)構(gòu)及符號示意圖 。PNP型型GTRNPN型型GTR49晶體管通常連接成共發(fā)射極電路 2 2

22、GTRGTR的特性的特性50l開通過程：開通過程： 下圖所示為共發(fā)射極電路基極加正脈沖信號，GTR由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通狀態(tài)的波形。 51l關(guān)斷過程關(guān)斷過程 下圖所示為共發(fā)射極電路在飽和導(dǎo)通狀態(tài)時加負(fù)信號，GTR由導(dǎo)通到關(guān)斷的變化過程。 GTR上所施加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和GTR本身特性有關(guān)，還和外部電路的接法有關(guān)。BUcbo發(fā)射極開路時，集電極和基極間的反向擊穿電壓。BUceo基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUcer和BUces實(shí)際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R， 這時用 BUcer表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。 BUcex發(fā)射結(jié)反向偏

23、置時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。3 3功率晶體管的參數(shù)功率晶體管的參數(shù) （1）最高工作電壓Ucemax GTR流過的電流過大時，會使晶體管電參數(shù)劣化，性能不穩(wěn)定。因此，必須規(guī)定集電極最大允許電流?？砂慈缦路椒ㄖ欢~：1. 直流電流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的1/21/3時；2. 集電極電流與飽和壓降Uces的乘積等于允許功耗時的集電極電流；3. 引起內(nèi)部引線熔斷的集電極電流；4. 引起集電結(jié)毀壞的集電極電流。 （2 2）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流ICMICM（3 3）集電極最大耗散功率）集電極最大耗散功率P PCMCM（4 4）最高工作結(jié)溫）最高工作結(jié)溫T TJMJM 集電極最大耗

24、散功率是GTR容量的重要標(biāo)志。晶體管功耗的大小主要由集電結(jié)工作電壓和工作電流的乘積來決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會因溫度過高而燒壞。 GTR結(jié)溫過高時，會導(dǎo)致熱擊穿而燒壞。TJM是晶體管能正常工作的最高允許結(jié)溫。552.3.2 GTR的驅(qū)動電路1.1.對基極驅(qū)動電路的要求對基極驅(qū)動電路的要求 1) GTR開通時要采用強(qiáng)驅(qū)動，基極電流前沿要陡，并應(yīng)有一定的過飽和驅(qū)動電流(Ib1)，以縮短開通時間，減小開通損耗。過飽和系數(shù)一般為152。 2) GTR導(dǎo)通后應(yīng)相對減小驅(qū)動電流(Ib2)，維持器件處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，以降低驅(qū)動功率，減小存儲時間。 3) GTR關(guān)斷時要提供較大的反向基極電流(I

25、b3)，以迅速抽取基區(qū)的剩余載流子，縮短關(guān)斷時間。反向過驅(qū)動系數(shù)一般為12。 4) GTR關(guān)斷期間要維持一定的反向偏置電壓，在GTR開通前，反偏電壓應(yīng)降為零。 5)為防止主電路與控制電路的干擾，驅(qū)動電路應(yīng)采取隔離措施。 6)為防止GTR因過電流而進(jìn)入線性工作區(qū)，應(yīng)設(shè)置自動保護(hù)。2 2基極驅(qū)動電路基極驅(qū)動電路(1) 恒流驅(qū)動電路恒流驅(qū)動電路 (2) 光耦式比例驅(qū)動電路光耦式比例驅(qū)動電路 3 3集成模塊化驅(qū)動電路集成模塊化驅(qū)動電路(1) 驅(qū)動模塊驅(qū)動模塊(2) 驅(qū)動芯片驅(qū)動芯片62為了使GTO在廠家規(guī)定的安全工作區(qū)內(nèi)可靠的工作，必須對其采取必要的保護(hù)措施。一般采用緩沖電路。主要有RC緩沖電路、充放

26、電型R-C-VD緩沖電路和R-C-VD緩沖電路三種形式，如圖2-41所示。 2.3.3 GTR的保護(hù)電路nRC緩沖電路較簡單，它對關(guān)斷時集電極-發(fā)射極間電壓上升有抑制作用，只適用于小容量的GTR（電流10A以下）。nR-C-VD緩沖電路增加了緩沖二極管VD2，可以用于大容量的GTR。但緩沖電路的電阻較大，不適合用于高頻開關(guān)電路。n阻止放電型R-C-VD緩沖電路，常用于大容量GTR和高頻開關(guān)電路緩沖器。最大的優(yōu)點(diǎn)是緩沖產(chǎn)生的損耗小。652.4 MOS器件2.4.1 功率MOSFET場效應(yīng)晶體管1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) MOSFET有N溝道和P溝道兩種。N溝道中載流子是電子，P溝道中載流子是空穴，都是多數(shù)

27、載流子。其中每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。所謂耗盡型就是當(dāng)柵源間電壓UGS0時存在導(dǎo)電溝道，漏極電流ID0；所謂增強(qiáng)型就是當(dāng)UGS0時沒有導(dǎo)電溝道，ID0，只有當(dāng)UGS0(n溝道)或UGS0(P溝道)時才開始有ID。671）漏極額定電流ID和峰值電流IDM ID是流過漏極的最大的連續(xù)電流，IDM是流過漏極的最大脈沖電流。 2）通態(tài)電阻RDS（ON） 是功率MOSFET非常重要的參數(shù)，它是功率MOSFET導(dǎo)通時漏源電壓與漏 極電流的比率，直接決定漏電流。 3）閥值電壓UGS（th） 是漏極流過一個特定的電流所需的最小柵源控制電壓。 4）漏源擊穿電壓U（BR）DSS 是在UGS=0時漏極和源極

28、所能承受的最大電壓。 2功率MOSFET的的主要參數(shù)及特性及特性 （1 1）功率）功率MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 同雙極型晶體管相比，功率MOSFET具有兩個顯著的特點(diǎn)：一個是驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率??；另一個是開關(guān)速度快、工作頻率高。另外，其熱穩(wěn)定性也優(yōu)于雙極型晶體管。 1）功率MOSFET的輸出特性（2 2）功率）功率MOSFETMOSFET的特性的特性2）功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性是在漏源電壓一定的情況下，漏極電流與柵源控制電壓之間的關(guān)系。它反應(yīng)了輸出電流與控制電壓之間的關(guān)系。當(dāng)功率MOSFET充分導(dǎo)通時，柵源控制電壓很高，電壓的變化不會影響漏極電流 3）功率M

29、OSFET的開關(guān)特性 圖圖2-48 功率功率MOSETF極間電容的等效電路極間電容的等效電路 71（1 1）柵源過壓保護(hù)）柵源過壓保護(hù)（2 2）漏源過壓保護(hù)）漏源過壓保護(hù) 過高的柵源電壓將擊穿柵源氧化層，并產(chǎn)生永久性損壞。 MOSFET的柵源電壓一般不允許超過20V，在柵源兩端反接一個穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓值為15V），即可實(shí)現(xiàn)柵源過壓保護(hù)。 在漏極電路的供電電壓遠(yuǎn)低于功率MOSFET額定電壓的時候，功率MOSFET也可能遭受瞬態(tài)過電壓而毀壞。這個瞬態(tài)過電壓就是由于功率MOSFET關(guān)斷時電路中電感的影響造成的 3功率MOSFET的保護(hù)技術(shù)（3 3）峰值電流保護(hù)）峰值電流保護(hù) 所有的功率MOSFET都

30、有一個最大的峰值電流額定值。為保證能長期可靠地工作，功率MOSFET工作時不能超過這個額定值。 在實(shí)際電路中，如光電、熱和電機(jī)類負(fù)載，如不加以限制就會產(chǎn)生大的沖擊電流。當(dāng)功率MOSFET突然同一個導(dǎo)通的續(xù)流二極管接通時，由于二極管的反向恢復(fù)作用，會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流。解決這個問題的辦法是選用快恢復(fù)型二極管，或降低功率MOSFET的開關(guān)速度，以限制續(xù)流二極管的峰值反向恢復(fù)電流。（4 4）有效值電流保護(hù)）有效值電流保護(hù)功率MOSFET在實(shí)際狀況下工作的總有效值電流不得超過ID額定值。 過電流保護(hù)電路：改進(jìn)的過電流保護(hù)電路：（5 5）過熱保護(hù)）過熱保護(hù)（6 6）靜電保護(hù)）靜電保護(hù) 解決過熱保護(hù)的辦法

31、之一是安裝一個足夠大的散熱器，使它的散熱能力足以在總功耗一定的情況下，使結(jié)溫限制在150之內(nèi)。辦法二是檢測結(jié)溫，如果結(jié)溫高于某個值(如100)，就應(yīng)該采取關(guān)斷措施。檢測結(jié)溫一般是依據(jù)功率MOSFET的通態(tài)電阻RDS（ON）隨結(jié)溫上升而增大的性質(zhì)。在漏極電流一定的情況下，通態(tài)電阻值是和管壓降成正比的，所以檢測管壓降就能檢測到結(jié)溫的情況。 由于功率MOSFE了是MOS器件，它有一定的輸入電容，很容易吸收靜電荷，這個靜電荷積累過多，會使極間的電壓超過所允許的電壓而毀壞器件。因此要注意以下一些問題： 1)功率MOSFET應(yīng)放置在防靜電袋子或?qū)щ娕菽芰蟽?nèi)，操作者要帶可靠接地的手鐲拿取。 2)用手拿功率

32、MOSFET時，不要用手觸摸其管腳。 3)工作臺要采用接地的桌子和地板墊。 4)電烙鐵要良好地接地，在MOSFET電控系統(tǒng)中要設(shè)置過壓、欠壓、過流和過熱保護(hù)單元，以保證安全可靠地工作。772.4.2 MOS控制晶閘管1MCT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理MCT是采用集成電路工藝制成的，一個MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元構(gòu)成。 從工作原理上，MCT與SCR有兩點(diǎn)明顯的不同： MCT是電壓控制器件，SCR是電流控制器件； MCT的開通和關(guān)斷是通過雙門極相對陽極施加負(fù)、正脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)；SCR的觸 發(fā)信號是以陰極為基準(zhǔn)。 由于MCT集MOSFET和SCR的優(yōu)點(diǎn)于一身，被認(rèn)為是大有發(fā)展前途的一種新器件。1）擊穿

33、電壓沒有觸發(fā)時MCT連續(xù)承受的最大電壓。2）正向壓降150時額定峰值電流下的正向壓降。3）結(jié)溫在標(biāo)準(zhǔn)的塑料外殼場合規(guī)定為150。 MCT的開通延遲時間和開通電流上升時間非?？?。對于許多帶on-FET的MCT元，如果不受門極驅(qū)動上升時間的限制，開通時間約為一個基區(qū)渡越時間（數(shù)十納秒），MCT達(dá)到最終的通態(tài)電壓，基本上不存在di/dt的限制。2MCT的主要參數(shù)3MCT的開關(guān)速度802.5 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)2.5.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) IGBT（Isoloted Gate Bipolar Transistor）是在VDMOS的基礎(chǔ)上增加了一個P+層漏極，形成PN結(jié)jl，并由此引出漏極(D

34、)，柵極(G)和源極(S)。 IGBT柵極輸入高阻抗，是場控器件，這一點(diǎn)是MOSFET的特性；另外，IGBT的輸出特性飽和壓降低，這一點(diǎn)是GTR的特性。目前，IGBT的容量已經(jīng)達(dá)到GTR的水平，而且它的驅(qū)動簡單、保護(hù)容易、不用緩沖電路、開關(guān)頻率高。 821. 1. 主要參數(shù)主要參數(shù)1）集電極發(fā)射極額定電壓UCES 這個電壓值是廠家根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的，是柵極發(fā)射極短路時IGBT能承受的耐壓值，即UCES值小于等于雪崩擊穿電壓。2）柵極發(fā)射極額定電壓UGES IGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，而UGES就是柵極控制信號的電壓額定值。目前，IGBT的U

35、GES值大部分為十20V，使用中不能超過該值。3）額定集電極電流IC 該參數(shù)給出了IGBT在導(dǎo)通時能流過管子的持續(xù)最大電流。如富士公司提供給市場的IGBT模塊的電流范圍是8400A。4）集電極發(fā)射極飽和電壓UEC（sat） 此參數(shù)給出IGBT在正常飽和導(dǎo)通時集電極發(fā)射極之間的電壓降。該值越小，管子的功率損耗越小。富士公司IGBT模塊的UEC（sat）值約為2535V。5）開關(guān)頻率 在IGBT的使用手冊中，開關(guān)頻率是以導(dǎo)通時間ton、下降時間tf和關(guān)斷時間toff給出的，據(jù)此可估計(jì)出IGBT的開關(guān)頻率。一般，IGBT的實(shí)際工作頻率都在100kHz以下，即使這樣，它的開關(guān)頻率、動作速度也比GTR快

36、得多，可達(dá)3040kHz。開關(guān)頻率高是IGBT的一個重要優(yōu)點(diǎn)。2.5.2 IGBT的主要參數(shù)與基本特性2.2.基本特性基本特性 IGBT的輸出特性也有截止區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)和擊穿區(qū)，轉(zhuǎn)移特性則與VDMOS相近，在導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，IC與UGE成線性關(guān)系。沒有二次擊穿現(xiàn)象。 842.5.3 IGBT的驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)1.驅(qū)動電路（1 1）對驅(qū)動電路的要求）對驅(qū)動電路的要求對驅(qū)動電路的要求體現(xiàn)在以下幾方面： 由于IGBT以MOSFET為輸入級，所以MOSFET的驅(qū)動電路同樣適用于IGBT。 1）IGBT與MOSFET都是電壓驅(qū)動，都具有一個2.55V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此I

37、GBT對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一個低阻抗值的放電回路，即驅(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，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。IGBT開通后，柵極驅(qū)動源能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。 3）驅(qū)動電路要能傳遞幾kHz的脈沖信號。 4）驅(qū)動電平+UGE的選擇必須綜合考慮。在有短路過程的設(shè)備中 ，由于負(fù)載短路時的IC增大，IGBT能承受短路電流的時間減少，對其安全不利，因此UGE應(yīng)取得小一些，一般為1215V。 5）在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管的存儲電荷，應(yīng)施加一負(fù)偏壓UGE，但其受IGB

38、T的G、E間的最大反向耐壓限制，一般取-1-10V。 6）在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。 7）由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。 8）IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)簡單實(shí)用，其自身帶有對IGBT的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。 86（2 2）集成化驅(qū)動電路）集成化驅(qū)動電路 大電流高電壓IGBT已模塊化，圖2-60為IGBT絕緣柵雙極晶體管模塊外形圖。圖2-61為IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖2-60 IGBT模塊外形圖2-61 IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 IGBT關(guān)斷時，由于主回路電流的急

39、劇變化，由主回路雜散電感引起高壓，產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓。 2IGBT的保護(hù)技術(shù) （1 1）過壓保護(hù)）過壓保護(hù)IGBT關(guān)斷時的波形 1）產(chǎn)生過電壓的原因：2）緩沖器回路下圖示出了IGBT的RBSOA（反向偏置電壓安全工作區(qū)）。由于前述的開關(guān)浪涌電壓，關(guān)斷時的電壓軌跡超過RBSOA區(qū)域就會使元件損壞?？梢种崎_關(guān)浪涌電壓，使電壓軌跡不超過RBSOA區(qū)域。 3）緩沖器的種類4）緩沖器回路的基本設(shè)計(jì)方法IGBT的緩沖器回路中，最普遍的是放電阻止型緩沖器。緩沖器回路的基本設(shè)計(jì)方法包括： 緩沖器電容的計(jì)算 緩沖器阻抗的計(jì)算 RBSOA的設(shè)計(jì)94（2）過電流保護(hù) 1 1）產(chǎn)生過電流的原因）產(chǎn)生過電流的原因 若IG

40、BT用于VVVF逆變器，當(dāng)電動機(jī)啟動時將產(chǎn)生突變電流，如果控制回路、驅(qū)動回路的配線欠合理，將會引起誤動作，導(dǎo)致橋臂短路、輸出短路等事故，使IGBT流過過電流。其中，發(fā)生短路事故時，電流變化非常迅速，而且元件要承受極大的電壓和電流，所以必須快速檢測出過電流，在元件未被損壞之前，使其自動斷開。短路現(xiàn)象可分為四類。 2 2）IGBTIGBT承受短路的時間承受短路的時間直通短路直通短路l橋臂短路橋臂短路l輸出短路輸出短路 輸出短路時，由于輸出線的長度和短路位置的不同，短路電流通路的配線電感也不同，所以短路電流上升率（di/dt）不定。若用雙結(jié)晶體管，配線電感低時，雙結(jié)晶體管集電極電流初始值大，承受短路

41、時間短。在使用IGBT時，由于沒有這種對配線電感的依賴性，承受短路的時間不變。至使元件損壞的時間相當(dāng)于模擬直通短路的四倍。l對地短路對地短路100 如果電源電壓相同，直通短路與對地短路承受短路的時間大致相同。3 3）保護(hù)回路實(shí)例）保護(hù)回路實(shí)例104小結(jié)過壓保護(hù)：設(shè)計(jì)緩沖器最佳方案，把動態(tài)軌跡限制在RBSOA之內(nèi)。過流保護(hù)：短路時的過流保護(hù)按模擬直通短路的條件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，從而在元件尚未損壞之前的短路時間將其關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)對元件的保護(hù)。因?yàn)檫@時要把動態(tài)軌跡限制在RBSOA區(qū)域之內(nèi)，所以使用軟關(guān)斷是比較合理的。2.6 集成門極換流晶閘管IGCT2.6.1 IGCT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) IGCT內(nèi)部由成千個GC

42、T（門極換流晶閘管）組成，陽極和門極共用，而陰極并聯(lián)在一起。與GTO的重要差別是GCT陽極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽極代替GTO的短路陽極。其導(dǎo)通機(jī)理與GTO一樣，但關(guān)斷機(jī)理與GTO完全不同。在GCT的關(guān)斷過程中，IGCT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，它無外加dudt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，即“GTO區(qū)”，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率dudt。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)。IGCT可像IGBT無緩沖運(yùn)行，無二次擊穿，拖尾電流雖大但時間

43、很短。GTO 結(jié)構(gòu)剖面 GTC結(jié)構(gòu)剖面 圖2-82 GTO 、GTC結(jié)構(gòu)剖面2.6.2 IGCT的關(guān)鍵技術(shù)（1 1）緩沖層）緩沖層 （2 2）透明陽極）透明陽極 （3 3）逆導(dǎo)技術(shù)）逆導(dǎo)技術(shù) 在傳統(tǒng)GTO、二極管及IGBT等器件中，采用緩沖層形成穿通型（PT）結(jié)構(gòu)，與非穿通型（NPT）結(jié)構(gòu)相比，它在相同的阻斷電壓下可使器件的厚度降低約30%。同理，在IGCT中采用緩沖層，即用較薄的硅片可達(dá)到相同的阻斷電壓，因而提高了器件的效率，降低了通態(tài)壓降和開關(guān)損耗。同時，采用緩沖層還使單片GCT與二極管的組合成為可能。 為了實(shí)現(xiàn)低的關(guān)斷損耗，需要對陽極晶體管的增益加以限制，因而要求陽極的厚度要薄，濃度要低

44、。透明陽極是一個很薄的PN結(jié)，其發(fā)射效率與電流有關(guān)。因?yàn)殡娮哟┩冈撽枠O時就像陽極被短路一樣，因此稱為透明陽極。傳統(tǒng)的GTO采用陽極短路結(jié)構(gòu)來達(dá)到相同目的。采用透明陽極來代替陽極短路，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無緩沖層的GTO降低一個數(shù)量級。GCT的結(jié)構(gòu)與IGBT相比，因不含MOS結(jié)構(gòu)而從根本上得以簡化。 GCT大多制成逆導(dǎo)型，它可與優(yōu)化續(xù)流二極管FWD單片集成在同一芯片上。由于二極管和GCT享有同一個阻斷結(jié)，GCT的P基區(qū)與二極管的陽極相連，這樣在GCT門極和二極管陽極間形成電阻性通道。逆導(dǎo)GCT與二極管隔離區(qū)中因?yàn)橛蠵NP結(jié)構(gòu)，其中總有一個PN結(jié)反偏，從而阻斷了GCT與二極管陽極間的電流流通

45、。 （4 4）極驅(qū)動技術(shù)）極驅(qū)動技術(shù) IGCT觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號，輸出工作狀態(tài)信號。GCT與門極驅(qū)動器相距很近，該門極驅(qū)動器可以容易地裝人不同的裝置中，因此可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是一種通用形式。為了使IGCT的結(jié)構(gòu)更加緊湊和堅(jiān)固，用門極驅(qū)動電路包圍GCT，并與GCT和冷卻裝置形成一個自然整體，稱為環(huán)繞型IGCT，其中包括GCT門極驅(qū)動電路所需的全部元件。有兩種類型的IGCT。這兩種形式都可使門極電路的電感進(jìn)一步減小，并降低了門極驅(qū)動電路的元件數(shù)、熱耗散、電應(yīng)力和內(nèi)部熱應(yīng)力，從而明顯降低了門極驅(qū)動電路的成本和失效率。所以說，IGCT在實(shí)現(xiàn)最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT開關(guān)過程一致性好，可以方便地實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)，進(jìn)一步擴(kuò)大功率范圍。圖圖2-83-83兩種類型的兩種類型的IGCT圖圖1092.6.3 IGCT在變頻器中的應(yīng)用 低壓IGBT和高壓IGBT在高電壓變頻器中都采用。IGBT具有快速的開關(guān)性能，但在高壓變頻中其導(dǎo)電損耗大，而且需要許多IGBT復(fù)雜地串聯(lián)在一起。對低壓IG