IGBT與晶閘管電氣專業(yè)IGBT和可控硅的區(qū)別

1、IGBT與晶閘管電氣專業(yè) IGBT和可控硅的區(qū)別兩者都是開關(guān)元件，IGBT驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。前者可高頻率開關(guān) 后者就差勁。前者價(jià)格高。有待完善. IGBT的柵極G和發(fā)射極E發(fā)射極E IGBTIGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 IGBT的等

2、效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極G和發(fā)射極E之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極C與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極G發(fā)射極E間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級(jí)的漏電流流過，基本上不消耗功率。- 可控硅;陽(yáng)極A-控制極G-k可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè)PN結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成，其等效圖解如圖所示當(dāng)陽(yáng)極A加上正向電壓時(shí)，BG1

3、和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時(shí)，如果從控制極G輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號(hào)，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=2ib2。因?yàn)锽G2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。此時(shí)，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=1ib1=12ib2。這個(gè)電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個(gè)管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔?，所以一旦可控硅?dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號(hào)只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。IGBT可控硅

4、是硅可控整流元件的簡(jiǎn)稱，亦稱為晶閘管。具有體積小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，是比較常用的半導(dǎo)體器件之一。該器件被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中，多用來作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無觸點(diǎn)開關(guān)等。家用電器中的調(diào)光燈、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、照相機(jī)、組合音響、聲光電路、定時(shí)控制器、玩具裝置、無線電遙控、攝像機(jī)及工業(yè)控制等都大量使用了可控硅器件。 二、可控硅的用途 可控硅被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中，多用來作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無觸點(diǎn)開關(guān)等。家用電器中的調(diào)光燈、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、照相機(jī)、組合音響、聲光電路、定時(shí)控制器、玩具裝置、無線電遙

5、控、攝像機(jī)及工業(yè)控制等都大量使用了可控硅器件。三、可控硅的優(yōu)點(diǎn) 可控硅具有耐壓高、容量大、效率高、可控制等優(yōu)點(diǎn)。四、可控硅的分類 按其工作特性，可控硅（THYRISTOR)可分為普通可控硅（SCR）即單向可控硅、雙向可控硅（TRIAC)和其它特殊可控硅。五、主要參數(shù) 可控硅的主要參數(shù): 1 額定通態(tài)電流（IT)即最大穩(wěn)定工作電流，俗稱電流。常用可控硅的IT一般為一安到幾十安。 2 反向重復(fù)峰值電壓（VRRM)或斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（VDRM），俗稱耐壓。常用可控硅的VRRM/VDRM一般為幾百伏到一千伏。 3 控制極觸發(fā)電流（IGT)，俗稱觸發(fā)電流。常用可控硅的IGT一般為幾十微安到幾十毫安。六、

6、封裝形式 常用可控硅的封裝形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。七、主要廠家 主要廠家：ST、PHILIPS 、MOTOROLA、NEC、MITSUBISHI、TOSHIBA、TECCOR、SANKEN 等。 §1.整流元件（晶閘管）簡(jiǎn)單地說：整流器是把單相或三相正弦交流電流通過整流元件變成平穩(wěn)的可調(diào)的單方向的直流電流。其實(shí)現(xiàn)條件主要是依靠整流管,晶閘管等元件通過整流來實(shí)現(xiàn).除此之外整流器件還有很多,如:可關(guān)斷晶閘管GTO,逆導(dǎo)晶閘管，雙向晶閘管，整流模塊,功率模塊IGBT,SIT,M

7、OSFET等等,這里只探討晶閘管. 晶閘管又名可控硅,通常人們都叫可控硅.是一種功率半導(dǎo)體器件,由于它效率高,控制特性好,壽命長(zhǎng),體積小等優(yōu)點(diǎn),自上個(gè)世紀(jì)六十長(zhǎng)代以來,獲得了迅猛發(fā)展,并已形成了一門獨(dú)立的學(xué)科.“晶閘管交流技術(shù)”。 晶閘管發(fā)展到今天，在工藝上已經(jīng)非常成熟，品質(zhì)更好，成品率大幅提高，并向高壓大電流發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)晶閘管最大額定電流可達(dá)5000A，國(guó)外更大。我國(guó)的韶山電力機(jī)車上裝載的都是我國(guó)自行研制的大功率晶閘管。晶閘管的應(yīng)用：一、可控整流 如同二極管整流一樣，可以把交流整流為直流，并且在交流電壓不變的情況下，方便地控制直流輸出電壓的大小即可控整流，實(shí)現(xiàn)交流可變直流二、交流調(diào)壓與調(diào)功

8、 利用晶閘管的開關(guān)特性代替老式的接觸調(diào)壓器、感應(yīng)調(diào)壓器和飽和電抗器調(diào)壓。為了消除晶閘管交流調(diào)壓產(chǎn)生的高次諧波，出現(xiàn)了一種過零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載交流功率的無級(jí)調(diào)節(jié)即晶閘管調(diào)功器。交流可變交流。三、逆變與變頻 直流輸電：將三相高壓交流整流為高壓直流，由高壓直流遠(yuǎn)距離輸送以減少損耗，增加電力網(wǎng)的穩(wěn)定，然后由逆變器將直流高壓逆變?yōu)?0HZ三相交流。直流交流 中頻加熱和交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速、串激調(diào)速等變頻，交流頻率可變交流 四、斬波調(diào)壓（脈沖調(diào)壓） 斬波調(diào)壓是直流可變直流之間的變換，用在城市電車、電氣機(jī)車、電瓶搬運(yùn)車、鏟車（叉車）、電氣汽車等，高頻電源用于電火花加工。五、無觸點(diǎn)功率靜態(tài)開關(guān)（固態(tài)開關(guān)） 作為

9、功率開關(guān)元件，代替接觸器、繼電器用于開關(guān)頻率很高的場(chǎng)合 晶閘管導(dǎo)通條件: 晶閘管加上正向陽(yáng)極電壓后，門極加上適當(dāng)正向門極電壓，使晶閘管導(dǎo)通過程稱為觸發(fā)。晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，門極就對(duì)它失去控制作用，通常在門極上只要加上一個(gè)正向脈沖電壓即可，稱為觸發(fā)電壓。門極在一定條件下可以觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，但無法使其關(guān)斷。要使導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷，可降低陽(yáng)極電壓，或增大負(fù)載電阻，使流過晶閘管的陽(yáng)極電流減小至維持電流（IH）（當(dāng)門極斷開時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持晶閘管導(dǎo)通所需的最小陽(yáng)極電流叫維持電流），電流會(huì)突然降到零，之后再提高電壓或減小負(fù)載電阻，電流不會(huì)再增大，說明晶閘管已恢復(fù)阻斷。根據(jù)晶閘管陽(yáng)

10、極伏安特性，可以總結(jié)出：1門極斷開時(shí)，晶閘管的正向漏電流比一般硅二極管反向漏電流大，且隨著管子正向陽(yáng)極電壓升高而增大。當(dāng)陽(yáng)極電壓升到足夠大時(shí)，會(huì)使晶閘管導(dǎo)通，稱為正向轉(zhuǎn)折或“硬開通”。多次硬開通會(huì)損壞管子。2晶閘管加上正向陽(yáng)極電壓后，還必須加上觸發(fā)電壓，并產(chǎn)生足夠的觸發(fā)電流，才能使晶閘管從阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。觸發(fā)電流不夠時(shí)，管子不會(huì)導(dǎo)通，但此時(shí)正向漏電流隨著增大而顯著增大。晶閘管只能穩(wěn)定工作在關(guān)斷和導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，沒有中間狀態(tài)，具有雙穩(wěn)開關(guān)特性。是一種理想的無觸點(diǎn)功率開關(guān)元件。3晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，門極完全失去控制作用。要關(guān)斷晶閘管，必須使陽(yáng)極電流<維持電流，對(duì)于電阻負(fù)載，只要使管子陽(yáng)極電壓降為

11、零即可。為了保證晶閘管可靠迅速關(guān)斷，通常在管子陽(yáng)極電壓互降為零后，加上一定時(shí)間的反向電壓。晶閘管主要特性參數(shù) 1正反向重復(fù)峰值電壓額定電壓（VDRM 、 VRRM取其小者） 2額定通態(tài)平均電流IT（AV）額定電流（正弦半波平均值） 3門極觸發(fā)電流IGT，門極觸發(fā)電壓UGT， （受溫度變化） 4通態(tài)平均電壓UT（AV）即管壓降 5維持電流IH與掣住電流IL 6開通與關(guān)斷時(shí)間 晶閘管合格證基本參數(shù)IT（AV）= A（TC=）-通態(tài)平均電流 VTM= V -通態(tài)峰值電壓 VDRM = V -斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓 IDRM= mA -斷態(tài)重復(fù)峰值電流 VRRM= V -反向重復(fù)峰值電壓 IRRM =

12、mA -反向重復(fù)峰值電流 IGT = mA -門極觸發(fā)電流 VGT= V -門極觸發(fā)電壓 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：QB-02-09 晶閘管的選擇：晶閘管的過載能力差，根據(jù)實(shí)際最大電流還要乘以1.53倍，即電流裕量。通常按平均電流IT（AV）選取，額定電流的有效值ITe（即均方根值）為平均電流的1.57倍。 波形系數(shù)Kf=Ite/IT（AV）=1.57 額定電壓應(yīng)取實(shí)際工作時(shí)的可能最大電壓23倍，即電壓裕量。 同時(shí)還要加上必要的保護(hù)措施。 門極觸發(fā)電流：幾十個(gè)mA幾百mA，離開這個(gè)范圍可能誤觸發(fā)或難觸發(fā) 門極觸發(fā)電壓：3V左右 臺(tái)面有凹臺(tái)和凸臺(tái)之分，散熱器與此有關(guān) §2.主電路型式及多相整流一單相

13、1 單相半波可控整流電路 2 單相全波可控整流電路（雙半波） 3 單相半控橋式可控整流電路 4 單相橋式可控整流電路 二三相 1 三相半波可控整流電路 2 三相橋式全控整流電路 3 三相橋式半控整流電路 4 三相全控橋式同相逆并聯(lián)整流電路 5 雙反星形帶平衡電抗器可控整流電路 6 雙反星形帶平衡電抗器全電路同相逆并聯(lián)可控整流/YY+ YY 三多相整流多相整流可以大幅降低高次諧波電流，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。 不論是三相橋式還是雙反星形電路都可以組成多相整流。如12、24、36、48脈波，即在一個(gè)交流周波中直流脈動(dòng)次數(shù)。一般來說，24脈波以上變壓器結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，整變閥側(cè)出線銅排較多，這樣帶來了一些其

14、它困難。大容量機(jī)組可以用多臺(tái)整流機(jī)組，通過移相相位差及并聯(lián)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)多相整流。§3.保護(hù) 可控硅本身在選擇時(shí)就已準(zhǔn)備了很大的電流電壓裕量。為了使整流器可靠的工作，還必須加上各種保護(hù)。過流，限流，過壓，快熔斷，元件損壞，水壓異常，水溫高，缺相，欠支路，橋臂過熱，防雷擊，控制電路過流過壓失控等；整變輕重瓦斯，油溫異常。1晶閘管關(guān)斷過電壓（換流過電壓、空穴積蓄效應(yīng)過電壓）及保護(hù) 晶閘管從導(dǎo)通到阻斷，線路電感（主要是變壓器漏感LB）釋放能量產(chǎn)生過電壓。由于晶閘管在導(dǎo)通期間，載流子充滿元件內(nèi)部，在關(guān)斷過程中，管子在反向作用下，正向電流下降到零時(shí)，元件內(nèi)部殘存著載流子。這些載流子在反向電壓作用下

15、瞬時(shí)出現(xiàn)較大的反向電流，使殘存的載流子迅速消失，這時(shí)反向電流減小即diG/dt極大，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)很大，這個(gè)電勢(shì)與電源串聯(lián)，反向加在已恢復(fù)阻斷的元件上，可導(dǎo)致晶閘管反向擊穿。這就是關(guān)斷過電壓（換相過電壓）。數(shù)值可達(dá)工作電壓的56倍。保護(hù)措施：在晶閘管兩端并接阻容吸收電路。2交流側(cè)過電壓及其保護(hù) 由于交流側(cè)電路在接通或斷開時(shí)出現(xiàn)暫態(tài)過程，會(huì)產(chǎn)生操作過電壓。高壓合閘的瞬間，由于初次級(jí)之間存在分布電容，初級(jí)高壓經(jīng)電容耦合到次級(jí)，出現(xiàn)瞬時(shí)過電壓。措施：在三相變壓器次級(jí)星形中點(diǎn)與地之間并聯(lián)適當(dāng)電容，就可以顯著減小這種過電壓。與整流器并聯(lián)的其它負(fù)載切斷時(shí)，因電源回路電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的過電壓。變壓器空載且電

16、源電壓過零時(shí)，初級(jí)拉閘，因變壓器激磁電流的突變，在次級(jí)感生出很高的瞬時(shí)電壓，這種電壓尖峰值可達(dá)工作電壓的6倍以上。交流電網(wǎng)遭雷擊或電網(wǎng)侵入干擾過電壓，即偶發(fā)性浪涌電壓，都必須加阻容吸收路進(jìn)行保護(hù)。3直流側(cè)過電壓及保護(hù) 當(dāng)負(fù)載斷開時(shí)或快熔斷時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器中的磁場(chǎng)能量會(huì)產(chǎn)生過電壓，顯然在交流側(cè)阻容吸收保護(hù)電路可以抑制這種過電壓，但由于變壓器過載時(shí)儲(chǔ)存的能量比空載時(shí)要大，還不能完全消除。措施：能常采用壓敏吸收進(jìn)行保護(hù)。4過電流保護(hù) 一般加快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)，實(shí)際上它不能保護(hù)可控硅，而是保護(hù)變壓器線圈。5電壓、電流上升率的限制 §4.均流與晶閘管選擇 均流不好，很容易燒壞元件。為了解決均流問題，過去加均流電抗器，噪聲很大，效果也不好，一只一只進(jìn)行對(duì)比，擰螺絲松緊，很盲目，效果差，噪音大，耗能。我們采用的辦法是：用計(jì)算機(jī)程序軟件進(jìn)行