第1章電力電子器件

1、1第第1章章 電力電子器件電力電子器件2能處理電能處理電功率功率的能力，一般遠大于處理信息的電子的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。器件。電力電子器件一般都工作在電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)開關狀態(tài)。電力電子器件往往需要電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制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，電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要一般都要安裝散熱器安裝散熱器。1.1.1 電力電子器件的概念和特征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：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：3低頻時，低頻時，通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率

2、損耗的主要成因。是器件功率損耗的主要成因。器件開關頻率較高時，器件開關頻率較高時，開關損耗開關損耗可能成為器件功率損可能成為器件功率損耗的主要因素。耗的主要因素。主要損耗主要損耗通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關損耗開關損耗關斷損耗關斷損耗開通損耗開通損耗1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗4電力電子系統(tǒng)：由電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅動電路驅動電路、保護電路保護電路 和以電力電子器件為核心的和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成組成。圖圖1-1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成控控制

3、制電電路路檢測檢測電路電路驅動驅動電路電路RL主電路主電路V1V2保護保護電路電路在主電路在主電路和控制電和控制電路中附加路中附加一些電路，一些電路，以保證電以保證電力電子器力電子器件和整個件和整個系統(tǒng)正常系統(tǒng)正?？煽窟\行可靠運行1.1.2 應用電力電子器件系統(tǒng)組成應用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離電氣隔離控制電路控制電路51.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度按照能夠被控制電路信號所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和

4、電流器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。決定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。 不可控器件不可控器件 電力二極管（電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷，因此不需要驅動電路。不能用控制信號來控制其通斷，因此不需要驅動電路。 器件的導通和關斷完全是由其在主電路中承受的電壓器件的導通和關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。和電流決定的。61.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按

5、照驅動信號的性質按照驅動信號的性質 電流驅動型電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出通過從控制端注入或者抽出電流電流來實現導通或者關斷來實現導通或者關斷的控制。的控制。 電壓驅動型電壓驅動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓電壓信號就信號就可實現導通或者關斷的控制?？蓪崿F導通或者關斷的控制。按照驅動信號的波形（電力二極管除外按照驅動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個電壓或電流的通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖脈沖信號來實現信號來實現器件的開通或者關斷的控制。器件的開通或者關斷的控制。 電平控制型電平控制型 必

6、須通過必須通過持續(xù)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并電壓或電流信號來使器件開通并維持維持在導通狀態(tài)或者關斷在導通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。并維持在阻斷狀態(tài)。 71.2.1 PN結與電力二極管的工作原理 狀態(tài)狀態(tài)參數參數正向導通正向導通反向截止反向截止反向擊穿反向擊穿電流電流正向大正向大幾乎為零幾乎為零反向大反向大電壓電壓維持維持1V反向大反向大反向大反向大阻態(tài)阻態(tài)低阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)高阻態(tài) PN結的狀態(tài) 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。8電力二極管與信息電子二極管在半導體物理結構和電力二極管與信息電子二極

7、管在半導體物理結構和工作原理方面的不同之處：工作原理方面的不同之處：l電力二極管的電力二極管的垂直導電結構垂直導電結構使得硅片中通使得硅片中通過電流的有效面積增大，可以顯著提高二過電流的有效面積增大，可以顯著提高二極管的極管的通流能力通流能力。l由于摻雜濃底低，低摻雜濃度就可以承受由于摻雜濃底低，低摻雜濃度就可以承受很高的電壓而不致被擊穿，因此很高的電壓而不致被擊穿，因此低摻雜低摻雜N區(qū)區(qū)越厚，電力二極管能夠承受的反向電壓就越厚，電力二極管能夠承受的反向電壓就越高越高。電力二極管在電力二極管在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，區(qū)，也稱為漂移區(qū)。因此，電力二極管的結構也稱

8、為也稱為漂移區(qū)。因此，電力二極管的結構也稱為P-i-N結構。結構。9電力二極管與信息電子二極管在半導體物理結構和電力二極管與信息電子二極管在半導體物理結構和工作原理方面的不同之處：工作原理方面的不同之處：l電導調制效應電導調制效應使得電力二極管在正向電流較大時使得電力二極管在正向電流較大時壓降仍然很低壓降仍然很低，維持在，維持在1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的電力二極管表現為低阻態(tài)。電力二極管表現為低阻態(tài)。低摻雜低摻雜N區(qū)由于摻雜濃度低而具有的高電阻率對于電力二區(qū)由于摻雜濃度低而具有的高電阻率對于電力二極管的正向導通是不利的，這個矛盾是通過電導調制效極管的正向導通是不利的，這個矛盾

9、是通過電導調制效應來解決的。應來解決的。電導調制效應：電導調制效應：l當當PN結上流過的正向電流較小時，二極管的電阻主要是作結上流過的正向電流較小時，二極管的電阻主要是作為基片的低摻雜為基片的低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，其阻值較高且為常量，因區(qū)的歐姆電阻，其阻值較高且為常量，因而管壓降隨正向電流的上升而增加。而管壓降隨正向電流的上升而增加。l當當PN結上流過的正向電流較大時，由結上流過的正向電流較大時，由P區(qū)注入并積累在低區(qū)注入并積累在低摻雜摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導體的電中性區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導體的電中性條件，其多子濃度也相應大幅度增加，使得其電阻率明顯條件，其多子

10、濃度也相應大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是電導率大大增加，這就是電導調制效應。下降，也就是電導率大大增加，這就是電導調制效應。101.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況 陽極電壓升高至相當高的數值造成陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應雪崩效應 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結溫結溫較高較高 光觸發(fā)光觸發(fā)這些情況除了這些情況除了光觸發(fā)光觸發(fā)由于可以保證控制電路與由于可以保證控制電路與主電路之間的主電路之間的良好絕緣良好絕緣而而應用于高壓電力設備應用于高壓電力設備中中之外，其它都因不

11、易控制而難以應用于實踐。之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只有只有門極觸發(fā)門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。是最精確、迅速而可靠的控制手段。光觸發(fā)也屬于門極觸發(fā)光觸發(fā)也屬于門極觸發(fā) 111.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性正常工作時的特性正常工作時的特性 當晶閘管承受當晶閘管承受反向電壓反向電壓時，不論門極是時，不論門極是 否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通 。 當晶閘管承受當晶閘管承受正向電壓正向電壓時，僅在時，僅在門極門極有有 觸發(fā)電流觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通的情況下晶閘管才能開通 。 導通條件導通條件121.

12、3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性晶閘管一旦導通，門極就失去控制作晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，晶閘管保持導通用，晶閘管保持導通 。若要使已導通的晶閘管關斷，只能利若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加反向電壓和外電路的作用使流過用外加反向電壓和外電路的作用使流過晶閘管的晶閘管的電流降到接近于零的某一數值電流降到接近于零的某一數值以下以下。 關斷條件關斷條件131.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數電壓定額電壓定額 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的正向正向

13、 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖1-9）。）。 國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復峰值電壓（即為斷態(tài)不重復峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的的90%。 斷態(tài)不重復峰值電壓應低于斷態(tài)不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓正向轉折電壓Ubo。 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖1-8）。）。 規(guī)定反向重復峰值電壓規(guī)定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向為反向不重復峰值電壓（即反向 最大瞬

14、態(tài)電壓）最大瞬態(tài)電壓）URSM的的90%。 反向不重復峰值電壓應低于反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓反向擊穿電壓。141.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電 壓。壓。 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較小的標值作為該器件的中較小的標值作為該器件的額定電壓額定電壓。 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23倍倍。電流定額電流定額 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電

15、流 IT(AV） 國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40 C和規(guī)定的和規(guī)定的冷冷 卻狀態(tài)卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的下，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最大工頻正弦半 波電流的平均值波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應發(fā)熱效應來定義的。來定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的 原則所得計算結果的原則所得計算結果的1.52倍。倍。 151.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的

16、主要參數維持電流維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小最小電流，電流，一般為幾十到幾百毫安。一般為幾十到幾百毫安。 結溫結溫越高，則越高，則IH越小。越小。161.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數動態(tài)參數動態(tài)參數 開通時間開通時間tgt和關斷時間和關斷時間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷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)轉換的態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管電壓上升率過大，使充電電

17、流足夠大，就會使晶閘管誤導通誤導通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通最大通態(tài)電流上升率態(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如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。壞。171.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有有快速晶閘管快速晶閘管和和高頻晶閘管高頻晶閘管。 快速晶閘管的快速晶閘管的開關時間開關時間以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明顯改善。明顯

18、改善。 從從關斷時間關斷時間來看，普通晶閘管一般為來看，普通晶閘管一般為數百數百微秒，快速微秒，快速晶閘管為晶閘管為數十數十微秒，而高頻晶閘管則為微秒，而高頻晶閘管則為10 s左右。左右。 高頻晶閘管的不足在于其高頻晶閘管的不足在于其電壓電壓和和電流電流定額都不易做高。定額都不易做高。 由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽略其通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗開關損耗的發(fā)熱效應。的發(fā)熱效應。 181.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)b)IOUIG= =0GT1T2雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC S

19、witchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以認為是一對可以認為是一對反并聯聯反并聯聯 接接的普通晶閘管的集成。的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，在第反兩方向均可觸發(fā)導通，在第和第和第III象限有象限有對稱的伏安特對稱的伏安特性性。 雙向晶閘管通常用在交流雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用電路中，因此不用平均值而用有效值有效值來表示其額定電流值。來表示其額定電流值。圖圖1-11 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b)

20、 伏安特性伏安特性 a)b)IOUIG= =0GT1T2191.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG= =0逆導晶閘管（逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將是將晶閘管反并聯一個晶閘管反并聯一個二極管二極管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向電壓反向電壓的能力，一的能力，一旦承受反向電壓即開通。旦承受反向電壓即開通。 具有正向壓降小、關斷具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點，可用于定結溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電不需要

21、阻斷反向電壓的電路中。路中。 圖圖2-12 逆導晶閘管的電氣圖形符號逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 201.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件AGKa)AK光強度光強度強強弱弱b)OUIA光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長的是利用一定波長的光光照信號照信號觸發(fā)導通的晶閘管。觸發(fā)導通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間了主電路與控制電路之間的的絕緣絕緣，而且可以避免電，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控磁干擾的影響，因此光

22、控晶閘管目前在晶閘管目前在高壓大功率高壓大功率的場合。的場合。圖圖1-13 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性號和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 21不亮不亮亮亮不亮不亮221.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管晶閘管的一種派生器件。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可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。GTOGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在管接近，因而在兆瓦級以上的大功率兆瓦級以上的大功率場合仍場合仍有較多的應用。有較多的應用。 門 極 可 關 斷

23、晶 閘 管 （門 極 可 關 斷 晶 閘 管 （ G a t e - Tu r n - O f f Thyristor GTO）231.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的大電流的雙極結型晶體管（雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結構和工作原理的結構和工作原理 與普通的雙極結型晶體管基本原理是一與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。樣的。 最主要的特性是最主要的特性是耐壓高耐壓高、電流大電流大、開

24、關開關特性好。特性好。 241.4.2 電力晶體管電力晶體管GTR的基本特性的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 在在共發(fā)射極共發(fā)射極接法時的典接法時的典 型輸出特性分為型輸出特性分為截止區(qū)截止區(qū)、放放 大區(qū)大區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)三個區(qū)域。三個區(qū)域。 在電力電子電路中，在電力電子電路中， GTR工作在工作在開關狀態(tài)開關狀態(tài)，即工，即工 作在作在截止區(qū)截止區(qū)或或飽和區(qū)飽和區(qū)。 在開關過程中，即在截在開關過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時， 一般要經過一般要經過放大區(qū)放大區(qū)。截止區(qū)截止區(qū)放大區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖圖1-17 共發(fā)射極

25、接法時共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性的輸出特性251.4.2 電力晶體管電力晶體管GTR的二次擊穿現象與安全工作區(qū)的二次擊穿現象與安全工作區(qū) 當當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現的擊穿是這種首先出現的擊穿是雪崩擊穿雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。，被稱為一次擊穿。 發(fā)現一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，發(fā)現一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降伴隨著電壓的陡然下降，這種現象稱為二次擊，這種現象稱為二次擊穿。穿。 出現一次

26、擊穿后，出現一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導致器一般不會損壞，二次擊穿常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。危害極大。 SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖圖1-19 GTR的安全工作區(qū)的安全工作區(qū)二次擊穿二次擊穿功率功率 安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點將不同基極電流下二次擊穿的臨界點 連接起來，就構成了二次擊穿臨界線。連接起來，就構成了二次擊穿臨界線。 GTR工作時不僅不能超過最高電壓工作時不僅不能超過最高電壓 Uc

27、eM，集電極最大電流，集電極最大電流IcM和最大耗散功和最大耗散功 率率PcM，也不能超過，也不能超過二次擊穿臨界線二次擊穿臨界線。261.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管分為分為結型結型和和絕緣柵型絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中，但通常主要指絕緣柵型中的的MOS型（型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡稱電力簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）。）。電力電力MOSFET是用是用柵極柵極電壓電壓來控制來控制漏極漏極電流電流的，的，它的特點有：它的特點有： 驅動電路簡單，需要的驅動功率小。驅動電路簡單，需要的驅動功率小。 開關速度快，工作頻率高

28、。開關速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。的電力電子裝置。 271.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管輸出特性輸出特性 是是MOSFET的的漏極漏極伏安特性。伏安特性。 截止區(qū)截止區(qū)（對應于（對應于GTR的截止區(qū)）、的截止區(qū)）、飽和區(qū)飽和區(qū)（對應于（對應于GTR的放大區(qū)）、的放大區(qū)）、非飽非飽和區(qū)和區(qū)（對應于（對應于GTR的飽和區(qū)）三個區(qū)域，的飽和區(qū)）三個區(qū)域，飽和飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，增加，非飽和非飽和是指漏源電壓增加時漏極

29、是指漏源電壓增加時漏極電流相應增加。電流相應增加。 工作在工作在開關開關狀態(tài)，即在狀態(tài)，即在截止區(qū)截止區(qū)和和非飽非飽和區(qū)和區(qū)之間來回轉換。之間來回轉換。本身結構所致，本身結構所致，漏極漏極和和源極源極之間形成之間形成了一個與了一個與MOSFET反向并聯的反向并聯的寄生二極寄生二極管管。通態(tài)電阻具有通態(tài)電阻具有正溫度系數正溫度系數，對器件并，對器件并聯時的聯時的均流均流有利。有利。 圖圖1-21 電力電力MOSFET的轉移特性和輸出特性的轉移特性和輸出特性 b) 輸出特性輸出特性28無少子儲存效應無少子儲存效應單極型器件單極型器件關斷迅速關斷迅速工作頻率工作頻率100kHz以上以上輸入電容輸入電

30、容驅動功率驅動功率開關頻率開關頻率驅動功率驅動功率1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管特點：特點：291.4.4 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管GTR電流驅動器件電流驅動器件通流能力很強通流能力很強開關速度較開關速度較低低驅動功率大驅動功率大MOSFET電壓驅動器件電壓驅動器件開關速度快開關速度快驅動功率小驅動功率小絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT或或IGT綜合了綜合了GTR和和MOSFET的的優(yōu)點優(yōu)點良好的特性良好的特性雙極型雙極型單極型單極型301.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數特點可以總結如下：的特性和參數特點可以總

31、結如下： 開關速度開關速度高，高，開關損耗開關損耗小。小。 在相同電壓和電流定額的情況下，在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的的安安全工作區(qū)全工作區(qū)比比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。的能力。 通態(tài)壓降通態(tài)壓降比比VDMOSFET低，特別是在電流較低，特別是在電流較大的區(qū)域。大的區(qū)域。 輸入阻抗輸入阻抗高，其輸入特性與電力高，其輸入特性與電力MOSFET類類似。似。 與電力與電力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐壓耐壓和和通流能力通流能力還可以進一步提高，同時保持還可以進一步提高，同時保持開關頻開關頻率率高的特點。高的特點。 GTRIGBTM

32、OSFET沒有二次擊穿問題沒有二次擊穿問題有電導調制效應有電導調制效應輸入部分為輸入部分為MOSFET1.6.1 電力電子器件驅動電路概述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)，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?？s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對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。要的意義。 一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通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。過驅動電路實現。驅動電路的基本任務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。按控制目標的要求施

33、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。供關斷控制信號。驅動電路驅動電路主電路與控制電路之間的接口主電路與控制電路之間的接口1.6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述 驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電電氣隔離氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。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光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是磁隔離的元件通常是脈沖變壓器脈沖變壓器ERER

34、ERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖圖9-1 光耦合器的類型及接法光耦合器的類型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高傳輸比型高傳輸比型傳遞電壓有限，傳遞電壓有限，2000V2000V左右。左右。放大倍數低，放大倍數低，I IC C/I/IDD11達林頓接法，兩級放大，傳輸達林頓接法，兩級放大，傳輸比較大，但也不大。比較大，但也不大。1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路v V2、V3構成構成脈沖放大脈沖放大環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)。v 脈沖變壓器脈沖變壓器TM和附和附屬電路構成屬電路構成脈沖輸出脈沖輸出環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)。v V2、V3導通時，通導通時，通過脈沖變壓器向晶閘過脈沖

35、變壓器向晶閘管的門極和陰極之間管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。輸出觸發(fā)脈沖。圖圖9-3 常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路電氣隔離電氣隔離脈沖放大脈沖放大為了為了V V2 2V V3 3由導通變?yōu)榻刂箷r，脈沖由導通變?yōu)榻刂箷r，脈沖變壓器變壓器TMTM釋放其儲存的能量而釋放其儲存的能量而設的。設的。1.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路 電力電力MOSFET和和IGBT是電壓驅動型器件。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。為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。 使使MOSFET開通的驅動電壓一般

36、開通的驅動電壓一般1015V，使，使IGBT開開通的驅動電壓一般通的驅動電壓一般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。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。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電壓驅動型器件的驅動電路1.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路(1) 電力電力MOSFET的一種驅動電路：的一種驅動電路：電氣隔離電氣隔離和和晶體管放大電路晶體管放大電路兩部分兩部分圖圖9-8電力電力MOSFET的一種

37、驅動電路的一種驅動電路專為驅動電力專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有而設計的混合集成電路有三菱公司的三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為，輸出最大脈沖電流為+2A和和-3A，輸出驅，輸出驅動電壓動電壓+15V和和-10V。 無輸入信號：無輸入信號：AA負電平，負電平，V3V3，負，負驅動電壓驅動電壓有輸入信號：有輸入信號：AA正電平，正電平，V2V2，正，正驅動電壓驅動電壓1.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路(2) IGBT的驅動的驅動圖圖9-9M57962L型型IGBT驅動器的原理和接線圖驅動器的

38、原理和接線圖常用的有三菱公司的常用的有三菱公司的M579系列（如系列（如M57962L和和 M57959L）和富士公司的）和富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。 多采用專用的混合集成驅動器。多采用專用的混合集成驅動器。1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因操作過電壓操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起：由分閘、合閘等開關操作引起雷擊過電壓雷擊過電壓：由雷擊引起：由雷擊引起內因過電壓：主要來自電力電子裝置內部器件的開關內因過電

39、壓：主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程過程換相過電壓換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯的二極管：晶閘管或與全控型器件反并聯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。器件兩端感應出過電壓。關斷過電壓關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低：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。而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。電力電子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓外因過電壓和和內因內因過電壓過電壓管子關斷管子關斷1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及

40、過電壓保護過電壓保護措施過電壓保護措施圖圖9-10過電壓抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D變壓器靜電屏蔽層變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容靜電感應過電壓抑制電容RCRC過電壓抑制電路有三種位置：過電壓抑制電路有三種位置：網側：供電網一側網側：供電網一側閥側：電力電子電路一側閥側：電力電子電路一側電力電子電路的直流側電力電子電路的直流側1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護過電壓保護措施過電壓保護措施圖圖9-10過電壓抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置RC1閥側浪涌過電壓抑制用閥側浪涌過電壓抑制用RC電路電路RCRC：直流、交流、開關

41、管：直流、交流、開關管 抑制過電壓，使用非常廣泛抑制過電壓，使用非常廣泛有助于放電電流的抑制有助于放電電流的抑制吸收過電壓吸收過電壓1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護過電壓保護措施過電壓保護措施圖圖9-10過電壓抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路電路用于大容量的電力電子裝置用于大容量的電力電子裝置放電回路，避免下次再有過電壓，電容吸收不了。放電回路，避免下次再有過電壓，電容吸收不了。1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護過電壓保護措施過電壓保護措施圖圖9-10過電壓

42、抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置RV壓敏電阻過電壓抑制器壓敏電阻過電壓抑制器壓敏電阻：壓敏電阻：加上它上面的電壓小于閾值電壓加上它上面的電壓小于閾值電壓U UN N時，流過的電時，流過的電流小，相當于一只關死的閥門。流小，相當于一只關死的閥門。當電壓大于閾值電壓當電壓大于閾值電壓U UN N時，流過電流激增，相當時，流過電流激增，相當于閥門被打開，限制電壓。于閥門被打開，限制電壓。1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護過電壓保護措施過電壓保護措施圖圖9-10過電壓抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置RC3閥器件換相過電壓抑制用閥器件換相過電壓抑制用RC電路

43、電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路電路抑制內因過電壓，屬于緩沖電路。抑制內因過電壓，屬于緩沖電路。1.7.2 過電流保護過電流保護過電流過電流過載過載和和短路短路兩種情況兩種情況保護措施保護措施負載負載觸發(fā)電路觸發(fā)電路開關電路開關電路過電流過電流繼電器繼電器交流斷路器交流斷路器動作電流動作電流整定值整定值短路器短路器電流檢測電流檢測電子保護電路電子保護電路快速熔斷器快速熔斷器變流器變流器直流快速斷路器直流快速斷路器電流互感器電流互感器變壓器變壓器v 同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性。同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性。v 電子電路作為第一

44、保護措施，快熔僅作為短路時的部分電子電路作為第一保護措施，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保護，過電流繼電器整定在過載時動作。實現保護，過電流繼電器整定在過載時動作。圖圖9-11過電流保護措施及配置位置過電流保護措施及配置位置1.7.2 過電流保護過電流保護v全保護：過載、短路均由快熔進行保護，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。適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。v短路保護：快熔只在短路電流較大的區(qū)域短路保護：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用。起保護作用。

45、快熔對器件的保護方式：快熔對器件的保護方式：全保護全保護和和短路保護短路保護兩種兩種1.7.2 過電流保護過電流保護 對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備，或全控型器對重要的且易發(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。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)，常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)，響應最快響應最快 。 快熔只限于晶閘管（包括快熔只限于晶閘管（包括GTO）的保護，因為晶閘）的保護，因為晶閘管相對承受過流能力較強，快熔先斷，管子才斷。管相對承受過流能力較強，快熔先斷，管子才斷。 對對IGBT，快熔起不了作用，因為這些管子的開關速，快熔起不了作用，因為這些管子的開關速度比較快，快熔斷了，管