晶閘管的工作原理與應(yīng)用

1、編輯ppt1 模塊一模塊一 調(diào)光燈調(diào)光燈 編輯ppt2 1.1.1 晶閘管及其工作原理晶閘管及其工作原理 1.1.2 晶閘管的特性與主要參數(shù)晶閘管的特性與主要參數(shù) 1.1.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 返回返回項(xiàng)目一項(xiàng)目一 認(rèn)識(shí)晶閘管和單結(jié)晶體管認(rèn)識(shí)晶閘管和單結(jié)晶體管編輯ppt31.1 、晶閘管晶閘管 晶閘管晶閘管(Thyristor)包括：普通晶閘管包括：普通晶閘管(SCR)、快速、快速晶閘管晶閘管(FST)、雙向晶閘管、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管(RCT) 、可關(guān)斷晶閘管、可關(guān)斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。和光控晶閘管等。普通晶閘管：也稱可控硅整流管普通

2、晶閘管：也稱可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 簡稱簡稱SCR。 由于它電流容量大由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域, 成為特大功率成為特大功率低頻低頻(200Hz以下以下)裝置中的主要器件。裝置中的主要器件。編輯ppt41.1.1 晶閘管及其工作原理晶閘管及其工作原理l圖圖1.1.1 1.1.1 晶閘管的外型及符號(hào)晶閘管的外型及符號(hào)1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：晶閘管的

3、結(jié)構(gòu)：編輯ppt5 常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)編輯ppt62、晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理圖圖1.1.3 1.1.3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路 (1) (1)導(dǎo)通：導(dǎo)通：陽極施加正向電壓陽極施加正向電壓; 門極門極G也加正向電壓也加正向電壓晶閘管晶閘管( (單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?,),導(dǎo)通條件為導(dǎo)通條件為陽極正偏陽極正偏和和門極加正向觸發(fā)電流門極加正向觸發(fā)電流。編輯ppt7返回返回編輯ppt81.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù)晶閘管的特性與主要參數(shù)定義：定義：晶閘管陽極與陰極之晶閘管陽極與陰極之間的電壓間的電壓Ua與陽極電流與陽

4、極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶閘管的的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。伏安特性。 第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第、第三象限是三象限是反向特性反向特性。圖圖1.3.4 晶閘管陽極伏安特性晶閘管陽極伏安特性 . 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 ：編輯ppt92. 2. 晶閘管的開關(guān)特性晶閘管的開關(guān)特性l 1.3.5 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形編輯ppt103. 晶閘管的主要特性參數(shù)晶閘管的主要特性參數(shù) 1 1）正向重復(fù)峰值電壓）正向重復(fù)峰值電壓UDRM : : 2 2）反向重復(fù)峰值電壓）反向重復(fù)峰值電壓URRM : : 3 3）晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓通常?。┚чl管

5、銘牌標(biāo)注的額定電壓通常取U UDRMDRM與與U URRMRRM中的最小值中的最小值, , 選用時(shí)，額定電壓要留有選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量一定裕量, ,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓管所承受峰值電壓2 23 3倍。倍。（1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓）晶閘管的重復(fù)峰值電壓額定電壓額定電壓Ute編輯ppt11（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流）晶閘管的額定通態(tài)平均電流額定電流額定電流IT(AV) 在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以后至少還要乘以1.51.52 2的安全系數(shù)，使其有一定

6、的電的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。流裕量。1 1）定義：）定義：在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下和規(guī)定的冷卻條件下, 晶晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170的單相工頻正弦的單相工頻正弦半波電路中半波電路中, 當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許的當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。最大通態(tài)平均電流。編輯ppt122） IT(AV)計(jì)算方法：計(jì)算方法：0)(sin21mmAVTIttdII2)sin(2102mmTItdtII （1.3.31.3.3）（1.3.41.3.4） 根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工根

7、據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電流。頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電流。額定電流有效值為：額定電流有效值為：額定電流額定電流(平均電流平均電流)為：為：正弦半波電流的峰值正弦半波電流的峰值編輯ppt13 （3）門極觸發(fā)電流）門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓和門極觸發(fā)電壓UGT 在室溫下，晶閘管加在室溫下，晶閘管加6V正向陽極電壓時(shí)，使正向陽極電壓時(shí)，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流發(fā)電流IGT。對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門。對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓極觸發(fā)電

8、壓UGT。（4）通態(tài)平均電壓通態(tài)平均電壓UT(AV ) 在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下， 元件通以元件通以正弦半波額定電流時(shí)，陽極與陰極間電壓降的平均值，正弦半波額定電流時(shí)，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降又稱管壓降)編輯ppt14（5）維持電流）維持電流 和掣住電流和掣住電流L 1 1）維持電流）維持電流：在室溫下門極斷開時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好在室溫下門極斷開時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽極電流為維持電流能保持導(dǎo)通的最小陽極電流為維持電流H 。 2 2）掣住電流）掣住電流L ： 給晶閘管門極加上

9、觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱掣住電流要的最小陽極電流稱掣住電流L。返回返回編輯ppt151.3.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 可允許開關(guān)頻率在可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管閘管(Fast Switching Thyristor，簡稱，簡稱FST)，開關(guān)頻率，開關(guān)頻率在在10KHZ 以上的稱為高頻晶閘管。以上的稱為高頻晶閘管。 快速晶閘管為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通快速晶

10、閘管為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在般在2000V以下。以下。1. 快速晶閘管快速晶閘管(Fast Switching ThyristorFSTFST編輯ppt16 有兩個(gè)主電極有兩個(gè)主電極T1和和T2，一，一個(gè)門極個(gè)門極G。 正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和所以雙向晶閘管在第和第第III象限有對(duì)稱的伏安特性。象限有對(duì)稱的伏安特性。a)b)IOUIG=0GT1T2圖圖1.3.6 1.3.6 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性符號(hào)和伏安

11、特性a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性2. 雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC)(TRIAC)編輯ppt173. 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管 (RCT) 4. 光控晶閘管光控晶閘管(LTT)(LTT)1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號(hào)觸發(fā)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。導(dǎo)通的晶閘管。2）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。如高壓直流輸電和高壓核聚

12、變裝置中，占據(jù)重要的地位。將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。的功率集成器件。返回返回編輯ppt181.4 1.4 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off (Gate-Turn-Off Thyristor)Thyristor)簡稱簡稱GTOGTO。 它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時(shí)它又是全控型器件，壓高，電流大等。同時(shí)它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。

13、編輯ppt19 PNPN PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極極圖圖1.4.1 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) (a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 ( b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 (c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào)1、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)編輯ppt20 2 2、可關(guān)斷晶閘管的工作原理、可關(guān)斷晶閘管的工作原理 1 1）GTOGTO的導(dǎo)通機(jī)理與的導(dǎo)通機(jī)理與SCRSCR是相同的。是相同的。 2 2）在關(guān)斷機(jī)理上與）在關(guān)斷機(jī)理上與SCRSCR是不同的。

14、門極加負(fù)脈是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流沖即從門極抽出電流( (即抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存即抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的大量載流子) )，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。而關(guān)斷。 編輯ppt21l 3 3、可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用、可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用 GTO GTO主要用于直流變換和逆變等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷的地主要用于直流變換和逆變等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達(dá)到兆瓦方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達(dá)到兆瓦級(jí)的數(shù)量級(jí)。級(jí)的數(shù)量級(jí)。v 不少不少GTOGTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，

15、需承受反壓時(shí)應(yīng)和電力二極管串聯(lián)受反壓時(shí)應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。v 用門極正脈沖可使用門極正脈沖可使GTOGTO開通，開通， 用門極負(fù)脈沖可以使用門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷，其關(guān)斷， 這是這是GTOGTO最大的優(yōu)點(diǎn)。最大的優(yōu)點(diǎn)。 但要使但要使GTOGTO關(guān)斷的門極反關(guān)斷的門極反向電流比較大，向電流比較大， 約為陽極電流的約為陽極電流的/ /左右。左右。 v GTOGTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型， 在使在使用時(shí)要特別注意。用時(shí)要特別注意。編輯ppt221.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性l圖圖1.4.2 可關(guān)斷晶閘管的開關(guān)特性可關(guān)斷晶閘管的開關(guān)特性 返回返回編輯p

16、pt231.5、 電力晶體管電力晶體管 電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTRGiant TransistorGTR，直，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（型晶體管（Bipolar Junction TransistorBipolar Junction TransistorBJTBJT），英文有時(shí)候也稱為），英文有時(shí)候也稱為Power BJTPower BJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTRGTR與與BJTBJT這兩個(gè)名這兩個(gè)名稱等效稱等效. .2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來，在中、小功

17、率范圍內(nèi)取代晶年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被閘管，但目前又大多被IGBTIGBT和電力和電力MOSFETMOSFET取代。取代。編輯ppt24 深飽和區(qū)：類似于開關(guān)的通態(tài)。深飽和區(qū)：類似于開關(guān)的通態(tài)。圖圖1.5.3共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法 時(shí)時(shí)GTR的輸出特性的輸出特性1、GTR共射電路輸出特性共射電路輸出特性 輸出特性：截止區(qū)輸出特性：截止區(qū)( (又叫阻斷區(qū)又叫阻斷區(qū)) )、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個(gè)區(qū)域。區(qū)四個(gè)區(qū)域。 截止區(qū)：類似于開關(guān)的斷態(tài)；截止區(qū)：類似于開關(guān)的斷態(tài)； 線性放大區(qū)：線性放大區(qū)： 準(zhǔn)飽和區(qū)：準(zhǔn)飽和區(qū)：返回返回編輯p

18、pt251.6 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管N N溝道溝道P P溝道溝道電力電力MOSFETMOSFET耗盡型：耗盡型：增強(qiáng)型增強(qiáng)型: :耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電源極之間就存在導(dǎo)電溝道；溝道；對(duì)于對(duì)于N N（P P）溝道器件）溝道器件, ,柵極電壓大于（小于）柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道編輯ppt261、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖圖1.6.1 N1.6.1 N溝道溝道VDMOSVDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號(hào)管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號(hào)返回返回編輯ppt27 1.7 、絕緣柵雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體

19、管 IGBTIGBT：絕緣柵雙極型晶體管：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar(Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor) 。 兼具功率兼具功率MOSFETMOSFET高速開關(guān)特性和高速開關(guān)特性和GTRGTR的低導(dǎo)通壓降特性的低導(dǎo)通壓降特性兩者優(yōu)點(diǎn)的一種復(fù)合器件。兩者優(yōu)點(diǎn)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

20、系列化，最大電流容量達(dá)1800A1800A，最高，最高電壓等級(jí)達(dá)電壓等級(jí)達(dá)4500V4500V，工作頻率達(dá)，工作頻率達(dá)50kHZ50kHZ。 在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其它高速在電機(jī)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。 編輯ppt28（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下器件的輸出端下器件的輸出端電壓電壓U UCECE與電流與電流I Ic c的關(guān)系。的

21、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轉(zhuǎn)移特性返回返回編輯ppt291.8 、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 1.8.2 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 返回返回編輯ppt301.8.1 靜電感應(yīng)晶體

22、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，具有輸出功率大、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)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力輸入阻抗高、開關(guān)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)； 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的的高頻感應(yīng)加熱電源高頻感應(yīng)加熱電源) )。并適用于高音質(zhì)音頻放大器、。并適用于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)、差轉(zhuǎn)機(jī)微波以大功率中頻廣播發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)、差轉(zhuǎn)機(jī)微波以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。及空間技術(shù)等領(lǐng)域。返回返回編輯ppt311.8.

23、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(diǎn)：與優(yōu)點(diǎn)：與GTO相比，相比，SITH的的通態(tài)電阻小、通態(tài)壓通態(tài)電阻小、通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快、損耗小及耐量高等；降低、開關(guān)速度快、損耗小及耐量高等； 應(yīng)用：應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)，高頻加熱電源和開應(yīng)用：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；關(guān)電源等領(lǐng)域； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：SITH制造工藝復(fù)雜，成本高；制造工藝復(fù)雜，成本高； 返回返回編輯ppt321.8.3 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)出300A/2

24、000V300A/2000V、1000A/1000V1000A/1000V的器件；的器件； 結(jié)構(gòu)：是晶閘管結(jié)構(gòu)：是晶閘管SCR和場效應(yīng)管和場效應(yīng)管MOSFET復(fù)復(fù)合而成的新型器件，其主導(dǎo)元件是合而成的新型器件，其主導(dǎo)元件是SCR，控制，控制元件是元件是MOSFET； 特點(diǎn)：耐高電壓、大電流、通態(tài)壓降低、輸特點(diǎn)：耐高電壓、大電流、通態(tài)壓降低、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度高；入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度高； 返回返回編輯ppt331.8.4 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（IGCT/GCT） 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)

25、點(diǎn)，的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)功率仍很大；復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動(dòng)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頻電力電子裝置的優(yōu)選功率器件之一。選功率器件之一。返回返回編輯ppt341.8.5 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(gè)器件封年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊。裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊。 可縮小裝置

26、體積，降低成本，提高可靠性。可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPICPower Integrated CircuitPIC）。）。返回返回編輯ppt35 1.9 、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)

27、 （1）電力電子開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)器接收控制系統(tǒng)輸出）電力電子開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)器接收控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開關(guān)管，控制開關(guān)的控制信號(hào)，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hù)：包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方）過流、過壓保護(hù)：包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開關(guān)器面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)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、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(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩輸出以及負(fù)載的電流

28、、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)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：在開通和關(guān)斷過程中防止開關(guān)管過壓和過）緩沖器：在開通和關(guān)斷過程中防止開關(guān)管過壓和過 流，減小開關(guān)損耗。流，減小開關(guān)損耗。編輯ppt36（4）濾波器：在輸出直流的電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器）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

29、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)：散發(fā)開關(guān)器件和其他部件的功耗發(fā)熱，）散熱系統(tǒng)：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)：實(shí)現(xiàn)電力電子電路的實(shí)時(shí)、適式控制，）控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)電力電子電路的實(shí)時(shí)、適式控制，綜合給定和反饋信號(hào)，經(jīng)處理后為開關(guān)器件提供開通、綜合給定和反饋信號(hào)，經(jīng)處理后為開關(guān)器件提供開通、關(guān)斷信號(hào)，開機(jī)、停機(jī)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)。關(guān)斷信號(hào)，開機(jī)、停機(jī)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)。編輯ppt371.9.1 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

30、T1 1、T T2 2表示由兩個(gè)電力表示由兩個(gè)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(shí)，電流流過通時(shí)，電流流過T T2 2；當(dāng)；當(dāng)T T2 2關(guān)斷，關(guān)斷，T T1 1導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，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(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的定義：電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的過程稱為換流（或換相）。過程稱為換流（或換相）。編輯ppt38 （1 1）器件換流：利用電力電子器件

31、自身所有的關(guān)斷能）器件換流：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：由電網(wǎng)提供換流電壓使電力電子器件）電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓使電力電子器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為電網(wǎng)換流。關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為電網(wǎng)換流。 （3 3）負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，使電力電子器）負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，使電力電子器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為負(fù)載換件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)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，都可以實(shí)現(xiàn)流。凡是負(fù)載電流的相位超前電壓的場合，都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載

32、換流。負(fù)載換流。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：編輯ppt39（4 4）脈沖換流：）脈沖換流： 設(shè)置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供設(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，控制電力電子器件實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另換流電壓，控制電力電子器件實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為脈沖換流，有時(shí)也稱為強(qiáng)迫換流或電一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為脈沖換流，有時(shí)也稱為強(qiáng)迫換流或電容換流。容換流。l 脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流。編輯ppt40 1.9.2 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換將信息電子電

33、路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)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(hào)。或關(guān)斷的信號(hào)。 對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。 對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。斷控制信號(hào)。 在高壓變換電路中，需要時(shí)控制系統(tǒng)和主電路之間進(jìn)在高壓變換電路中，需要時(shí)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(shí)現(xiàn)。行電氣隔離，這可以通過脈沖變壓器或光耦來實(shí)現(xiàn)。 驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：編輯ppt41 作用：

34、產(chǎn)生符合要求的門極觸作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，決定每個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖，決定每個(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻。發(fā)導(dǎo)通時(shí)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(dòng)電路。和三極管放大器的驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)加至三極管放高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)為當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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

35、為零，防止變壓器飽電壓速降為零，防止變壓器飽和。和。圖圖1.9.4 帶隔離變壓器的帶隔離變壓器的SCR驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路編輯ppt42 圖圖1.9.51.9.5光耦隔離的光耦隔離的SCRSCR驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路。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(dòng)信號(hào)致光耦輸入端時(shí)，出驅(qū)動(dòng)信號(hào)致光耦輸入端時(shí)，光耦輸出電路中光耦輸出電路中R R上的電壓上的電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)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(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路編輯ppt432GTO的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路編輯ppt44 1) 作用作用: 將控制電路輸出的控制信號(hào)放大到足以保證將控制電路輸出的

36、控制信號(hào)放大到足以保證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)可靠導(dǎo)通與關(guān)斷斷(期望的基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖期望的基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖1.9.7 所示所示)。 實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。 具有自動(dòng)保護(hù)功能，以便在故障發(fā)生時(shí)快速自動(dòng)具有自動(dòng)保護(hù)功能，以便在故障發(fā)生時(shí)快速自動(dòng)切除驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免損壞切除驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免損壞GTR。 電路盡可能簡單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。電路盡可能簡單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。 3GTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路 編輯ppt45圖圖1.9.

37、8 雙電源驅(qū)動(dòng)電路雙電源驅(qū)動(dòng)電路 圖圖1.9.10 UAA4002組成組成 的的GTR驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 編輯ppt46 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(dòng)功率小，電路簡單，用于所以，要求的驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單，用于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于VDMOS。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(dòng)電路隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路 圖圖1.9.12 推挽輸出的推挽輸出的 柵極驅(qū)動(dòng)電路柵極驅(qū)動(dòng)電路 l4MOSFET和和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路編輯ppt47圖圖1.9.13 EXB8X

38、X驅(qū)動(dòng)模塊框圖驅(qū)動(dòng)模塊框圖 圖圖1.9.14 集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路 編輯ppt481.9.3 保護(hù)電路保護(hù)電路 電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生過電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生過電流、過壓，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(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)過流、過壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)兩個(gè)方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)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、

39、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故造成事故 。編輯ppt49 措施：措施：通常電力電子系統(tǒng)同時(shí)采用電子電路、快速熔通常電力電子系統(tǒng)同時(shí)采用電子電路、快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流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(hù)措施，提高保護(hù)的可靠性和合理性。保護(hù)措施，提高保護(hù)的可靠性和合理性。 快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。整定在過載時(shí)動(dòng)作。 l圖圖1.

40、9.16 電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護(hù)方案電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護(hù)方案 1 . 過電流保護(hù)（過流包括過載和短路）過電流保護(hù)（過流包括過載和短路）編輯ppt50 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(shí)，該反向電流急劇減向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。 (2) 關(guān)斷過電壓：關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流