電力電子技術(shù)第六節(jié)

1、絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBToIGBT：一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 電氣圖形符號(N溝道) 簡化等效電路 GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1b)c)GCEIGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，成為往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，成為逆導(dǎo)逆導(dǎo)器件器件 。絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBToIGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE

2、(th)UGE增加a) 轉(zhuǎn)移特性b) 輸出特性絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù):最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES 由內(nèi)部晶體管的擊穿電壓確定。最大集電極電流最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM正常工作溫度下允許的最大功耗 。絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：內(nèi)部寄生晶閘管導(dǎo)致柵的擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：內(nèi)部寄生晶閘管導(dǎo)致柵極失效。成因：極失效。成因：n集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應(yīng)）；nduCE/dt過高（動態(tài)擎住效應(yīng)）正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū) 由最大集電極

3、電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗最大集電極功耗確定。反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū) 由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率最大允許電壓上升率duCE/dt確定。EGCN+N-PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的應(yīng)用特點(diǎn)：輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。通態(tài)壓降比MOSFET低。相對于GTO，開關(guān)速度高，損耗小。 工藝較成熟，自鎖效應(yīng)得到較好解決，與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提，以期再取代GTO的地位。其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件oMCT（MOS Controlled

4、 Thyristor）oSIT（Static Induction Transistor）pSITH（Static Induction Thyristor）oIGCT/GCT（Gate-Commutated Thyristor）o功率集成電路與集成電力電子模塊MOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMOSFETMOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。 o由數(shù)以萬計(jì)的由數(shù)以萬計(jì)的MCTMCT元組成，每個元的組成為：一個元組成，每個元的組成為：一個PNPNPNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFETMOSFET，和一個控制，和一個控制該晶閘

5、管關(guān)斷的該晶閘管關(guān)斷的MOSFETMOSFET。 o其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT結(jié)型場效應(yīng)晶體管：結(jié)型場效應(yīng)晶體管：n多子導(dǎo)電，工作頻率與電力多子導(dǎo)電，工作頻率與電力MOSFETMOSFET相當(dāng)，甚至超過電相當(dāng)，甚至超過電力力MOSFETMOSFET，而功率容量也比電力，而功率容量也比電力MOSFETMOSFET大，適用于高大，適用于高頻大功率場合。頻大功率場合。n正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外正常導(dǎo)通型器件，使用不太方

6、便，此外SITSIT通態(tài)電阻通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SITSIT還未在大多數(shù)電還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSIT與與GTO復(fù)合而成。又被稱為場控晶閘管復(fù)合而成。又被稱為場控晶閘管n本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。 n其很多特性與其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，高得多，是大容量的快速器件。是大容量的快速器件。 n一般也是正常

7、導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型 ，電流，電流關(guān)斷關(guān)斷增益較小增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCT多個并聯(lián)的電力多個并聯(lián)的電力MOSFET和其它輔助元件組成的和其它輔助元件組成的GTO門極驅(qū)動電路，與平板型的門極驅(qū)動電路，與平板型的GTO集成。集成。 n 容量與普通容量與普通GTO相當(dāng)，但開關(guān)速度比普通的相當(dāng)，但開關(guān)速度比普通的GTO快快10倍，而且可以簡化普通倍，而且可以簡化普通GTO應(yīng)用時龐大而復(fù)雜的應(yīng)用時龐大而復(fù)雜的緩沖電路，不過其所需的驅(qū)動功率仍然很大。緩沖電路，不過其所需的驅(qū)動功率仍

8、然很大。 n 目前正在與目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭。等新型器件激烈競爭。其他新型電力電子器件oMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合，關(guān)鍵問題未攻克，限制了容量發(fā)展oSIT（Static Induction Transistor）結(jié)結(jié)型場效應(yīng)晶體管，多子導(dǎo)電，工作頻率高，正常導(dǎo)通型器件，主要應(yīng)用在大功率高頻環(huán)境pSITH（Static Induction Thyristor）場控晶閘管，速度快，容量大。工藝復(fù)雜，一般為正常導(dǎo)通型器件oIGCT/GCT（Gate-Commutated Thyristor）門極換流晶閘管，GTO的派生器件，容

9、量比IGBT大，受到IGBT挑戰(zhàn)其他新型電力電子器件功率模塊：功率模塊：將多個電力電子器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。利于縮小裝置體積，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，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。達(dá)林頓三極管功率模塊達(dá)林頓三極管功率模塊 其他新型電力電子器件功率集成電路功率集成電路（PIC） ：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。單片三相逆變器單片三相逆變器其他新型電力電子器件智能功率模塊智能功率模塊（IPM）專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片集成。將驅(qū)動、保護(hù)和控制電路的多個芯片封入同一模塊中，形成具

10、有部分或完整功能的、相對獨(dú)立的單元。如構(gòu)成一相或三相逆變器的專用模塊，用于電動機(jī)變頻調(diào)速裝置的需要。 小結(jié)當(dāng)前的格局：當(dāng)前的格局：光控晶閘管：容量最大：制造水平8kV / 3.5kA，裝置最高達(dá)300MVA。GTO/IGCT：全控器件，兆瓦級以上應(yīng)用，容量略低于晶閘管。IGBT：中大功率，千瓦兆瓦級應(yīng)用，仍不斷發(fā)展。電力MOSFET：中小功率（300V/180A）領(lǐng)域特別是低壓領(lǐng)域地位牢固。功率模塊和功率集成電路是電力電子發(fā)展的共同趨勢。小結(jié)o當(dāng)前器件應(yīng)用的格局：當(dāng)前器件應(yīng)用的格局：電力電子器件的驅(qū)動（ch9）電力電子器件的驅(qū)動驅(qū)動電路驅(qū)動電路:主電路與控制電路之間的接口。產(chǎn)生滿足需要的開通或

11、關(guān)斷信號 ：強(qiáng)度、幅值、持續(xù)時間、關(guān)斷反偏；提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，對器件提供必要的保護(hù)。驅(qū)動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路。某些驅(qū)動芯片將光耦隔離電路也集成在內(nèi)。為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。o電氣隔離：磁隔離：脈沖變壓器，多用于對大功率器件的驅(qū)動，可以降低觸發(fā)電路的信號要求，降低設(shè)計(jì)難度，但是脈沖變壓器觸發(fā)容易在電路內(nèi)部產(chǎn)生的相互干擾和寄生振蕩，且不能保證較陡的脈沖前沿。光隔離：光耦合器，開關(guān)速度快（開關(guān)頻率100K1M），使用中須注意反向輸出特性電力電子器件的驅(qū)動

12、晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路電力電子器件的驅(qū)動GTOGTO驅(qū)動電路驅(qū)動電路電力電子器件的驅(qū)動VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2GTRGTR驅(qū)動電路驅(qū)動電路電力電子器件的驅(qū)動POWER MOSFETPOWER MOSFET驅(qū)動電路驅(qū)動電路電力電子器件的驅(qū)動IGBTIGBT驅(qū)動器的原理和接線圖驅(qū)動器的原理和接線圖電力電子器件器件的保護(hù)電力電子器件器件的保護(hù)o過電壓保護(hù)過電壓保護(hù)外因過電壓：外因過電壓：操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起雷擊過電壓：由雷擊引起雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓

13、：內(nèi)因過電壓：換相過電壓：在換相過程，續(xù)流二極管在恢復(fù)反向換相過電壓：在換相過程，續(xù)流二極管在恢復(fù)反向阻斷時，在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。阻斷時，在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。電力電子器件器件的保護(hù)過電壓保護(hù)：過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC

14、抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路電力電子器件器件的保護(hù)RC過電壓抑制電路直流側(cè)閥側(cè)網(wǎng)側(cè)Cdc Rdc RaRaCaCa+-Cdc Rdc RaRaCaCa+-R2R1C1C2電力電子裝置反向阻斷式過電壓抑制電路圖1-35RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式 a) 單相 b)三相電力電子器件器件的保護(hù)緩沖電路緩沖電路(Snubber Circuit) ： 又稱吸收電路，抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。du/dt抑制電路（關(guān)斷緩沖電路）抑制電路（關(guān)斷緩沖電路）吸收器件的關(guān)斷吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)

15、斷損耗。，減小關(guān)斷損耗。di/dt抑制電路（開通緩沖電路）抑制電路（開通緩沖電路）抑制器件開通時的抑制器件開通時的電流過沖和電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。，減小器件的開通損耗。電力電子器件器件的保護(hù)di/dt抑制電路和充放電型抑制電路和充放電型RCD緩沖電路緩沖電路b)tuCEiCOdidt抑制電路抑制電路無無時時didt抑制電路抑制電路有有時時有緩沖電路時有緩沖電路時無緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC電力電子器件器件的保護(hù)RC吸收電路和放電阻止型吸收電路和放電阻止型RCD緩沖電路緩沖電路RC吸收電路主要用于小容量器件吸收電路主要用于小容量器件放電阻止型放電阻止型RCD緩沖電路用于

16、中或大容量器件緩沖電路用于中或大容量器件電力電子器件器件的保護(hù)o過電流保護(hù)過電流繼電器整定在過載時動作。電子電路作為第一保護(hù)措施；直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)；快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護(hù)。負(fù)載觸發(fā)電路開關(guān)電路過電流繼電器交流斷路器動作電流整定值短路器電流檢測電子保護(hù)電路快速熔斷器變流器直流快速斷路器電流互感器電流互感器變壓器電力電子器件的串并聯(lián)使用電力電子器件的串并聯(lián)使用o晶閘管串并聯(lián)使用：晶閘管串并聯(lián)使用：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。當(dāng)需要承當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。當(dāng)需要承擔(dān)較大的電流，可以采用多個器件并聯(lián)擔(dān)較大的電流，可以采用多個器件并聯(lián)問題：因特性差異，使器件電壓、電流分配不均勻問題：因特性差異，使器件電壓、電流分配不均勻電力電子器件的串并聯(lián)使用o均壓措施均壓措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件。靜態(tài)均壓措施：靜態(tài)均壓措施：采用電阻均壓Rp（Rp阻值應(yīng)顯著小于器件阻斷