單片機(jī)第一章電力電子器件n課件

1、第1章 電力電子器件1.1 電力電子器件概述1.2 不可控器件二極管1.3 半控型器件晶閘管1.4 典型全控型器件1.5 其他新型電力電子器件1.6 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.7 電力電子器件的保護(hù)1.8 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用 2022/10/11第1章 電力電子器件1.1 電力電子器件概述2022/1電子電路的基礎(chǔ) 電子器件電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件本章主要內(nèi)容：電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)題。電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問(wèn)題。第1章 電力電子器件2022/10/11電子電路的基礎(chǔ) 電子器件第1章 電力電子1.1 電力電子器件概述2022/

2、10/111.1 電力電子器件概述2022/10/101）概念:電力電子器件（Power Electronic Device） 直接用于電能的變換或控制主電路。主電路（Main Power Circuit） 直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件2022/10/111）概念:1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件2處理電功率的能力大。工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。需要信息電子電路控制。功率損耗大。1.1.1 電力電子器件的概念和特征2）電力電子器件一般特征：2022/10/111.1.1 電力電子器件的概念和特征2）電力電子器件一般特征通態(tài)損耗是器件功

3、率損耗的主要成因。開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可能是功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗1.1.1 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗2022/10/11通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)電力電子系統(tǒng)：由控制電路(檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路)和主電路組成。V(Valve閥)圖1-1 電力電子系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行1.1.2 電力電子系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路2022/10/11電力電子系統(tǒng)：由控制電路(檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、

4、保護(hù)電路)和主半控型器件（Thyristor） 控制信號(hào)可控制其導(dǎo)通不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET，GTO) 控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件 (Power Diode) 控制信號(hào)不能控制其通斷。1.1.3 電力電子器件的分類按器件被控程度，分為三類：2022/10/111.1.3 電力電子器件的分類按器件被控程度，分為三類：電流驅(qū)動(dòng)型 控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷。電壓驅(qū)動(dòng)型 電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷。1.1.3 電力電子器件的分類 按驅(qū)動(dòng)信號(hào)性質(zhì)，分為兩類：2022/10/11電流驅(qū)動(dòng)型1.1.3 電力電子器件的分類 按驅(qū)動(dòng)信

5、號(hào)性質(zhì)單極型雙極型復(fù)合型1.1.3 電力電子器件的分類 按參與導(dǎo)電的載流子，分為三類：2022/10/111.1.3 電力電子器件的分類 按參與導(dǎo)電的載流子，分為1.2 不可控器件電力二極管整流二極管及模塊Power Diode。應(yīng)用：整流SR（Semiconductor Rectifier)快恢復(fù)二極管。應(yīng)用：中、高頻整流和逆變。肖特基二極管。應(yīng)用：低壓高頻整流。2022/10/111.2 不可控器件電力二極管整流二極管及模塊Power 由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2 電力二極管 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 符號(hào)1.2.1

6、 PN結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AKAnodeKathode2022/10/11由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。圖1-2 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)基本原理在于單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài)2022/10/11 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙镻N結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，該效應(yīng)影響PN結(jié)的工作頻率。1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)電容效應(yīng)：2022/

7、10/11PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容1.2.1 PN結(jié)與伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 電力二極管的基本特性IOIFUTOUFU2022/10/11伏安特性圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 電力二 額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按電流發(fā)熱效應(yīng)有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流I

8、F(AV)2022/10/11 額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，允許流1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 器件電流額定的選擇： 工頻正弦半波電流: 額定值：IF(AV)=Im/, 有效值：If= Im/2 波形系數(shù)：Kf = If /IF(AV)= /2=1.57 有效值與額定值關(guān)系式：If =1.57 IF(AV)2022/10/111.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 器件電流額定的2）正向壓降UF在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3）反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)2

9、022/10/112）正向壓降UF1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)2022/1) 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高DATASHEET1.2.4 電力二極管的主要類型2022/10/111) 普通二極管（General Purpose Diod簡(jiǎn)稱快速二極管trr在5S以下快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），trr低于50ns， UF也很低（0.9V左右），反向耐壓多在1200V以下。DA

10、TASHEET 1 2 31.2.4 電力二極管的主要類型2)、快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）2022/10/11簡(jiǎn)稱快速二極管trr在5S以下1.2.4 電力二極管1.2.4 電力二極管的主要類型3) 肖特基二極管(DATASHEET) 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成勢(shì)壘（Schottky Barrier Diode SBD）。 優(yōu)點(diǎn)：trr短（10-40ns) URRM低，UF低 正向功耗小，動(dòng)態(tài)功耗小 缺點(diǎn)：URRM提高，UF也增高 反向漏電流大，溫度敏感2022/10/111.2.4 電力二極管的主要類型3) 肖特基二極管(DA1.3 半控器件晶閘管 能承受的電

11、壓和電流容量最高，工作可靠，在大功率的場(chǎng)合具有重要地位。晶閘管（Thyristor),可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）2022/10/111.3 半控器件晶閘管 能承受的電壓和電流容量最圖1-6 晶閘管a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝2022/10/11圖1-6 晶閘管1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(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)2022/10/111.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓1.3.

12、1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-7 晶閘管a) 雙晶體管模型 b) 工作原理2022/10/111.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-7 晶閘管2022/1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通狀態(tài)：1+2趨近于1的，IA趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。2022/10/111.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2022/10/101.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理其它可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光觸發(fā)稱為光控晶閘管（Light Triggered Thyris

13、torLTT）。2022/10/111.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理其它可能導(dǎo)通的情況：1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：承受反向電壓，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管不導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。DATASHEET2022/10/111.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如1.3.2 晶閘管的基本特性（1）正向特性正向阻斷狀態(tài)。IG=0，器件陽(yáng)陰兩極加正向電壓，有很小的正向漏電流。器件開(kāi)通。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓U

14、bo，陽(yáng)極電流急劇增大，電壓減小。門極電流增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管正向壓降1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1） 靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG2022/10/111.3.2 晶閘管的基本特性（1）正向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡1.3.2 晶閘管的基本特性反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電。反向擊穿后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性2022/10

15、/111.3.2 晶閘管的基本特性反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)1）電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2-3倍。使用注意：2022/10/111.3.3 晶閘管的主要參數(shù)1）電壓定額通常取晶閘管1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流 IT(AV） 在規(guī)定條件下允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。額

16、定電流的參數(shù)。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管，裕度系數(shù)1.5-2。維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小陽(yáng)極電流。擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小陽(yáng)極電流。通常IL=（ 2-4 ）IH。2）電流定額2022/10/111.3.3 晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流 IT(AV）2）電1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 3）動(dòng)態(tài)參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率?？墒故咕чl管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上

17、升率。可能造成局部過(guò)熱使晶閘管損壞。2022/10/111.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 3）動(dòng)態(tài)參數(shù)20221.3.4 晶閘管的派生器件1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)有快速晶閘管（400Hz以上）和高頻晶閘管（10kHz以上）。開(kāi)關(guān)時(shí)間及du/dt和di/dt有明顯改善。高頻晶閘管電壓和電流定額都不易做高。工作頻率較高，不能忽略開(kāi)關(guān)損耗。DATASHEET2022/10/111.3.4 晶閘管的派生器件2022/10/101.3.4 晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode T

18、hyristor）圖1-10 雙向晶閘管a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。應(yīng)用：交流調(diào)壓、固態(tài)繼電器SSR（Solid State Relay)、交流電機(jī)調(diào)速等有效值表示額定電流。DATASHEET2022/10/111.3.4 晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（Triode1.3.4 晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管

19、芯上。優(yōu)點(diǎn)：正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等。2022/10/111.3.4 晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（Reverse 1.3.4 晶閘管的派生器件光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12 光控晶閘管a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性特點(diǎn)：主電路與控制電路之間絕緣，可避免電磁干擾。應(yīng)用：高壓大功率場(chǎng)合。2022/10/111.3.4 晶閘管的派生器件光控晶閘管（Light Tr1.4 典型全控型器件1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管1.4.2 電力晶體管1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.4 絕緣柵雙極晶體

20、管2022/10/111.4 典型全控型器件1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管2021.4 典型全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。2022/10/111.4 典型全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不1.4 典型全控型器件常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊2022/10/111.4 典型全控型器件常用的典型全控型器件電力MOSFET1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、

21、電流容量較大，與普通晶閘管接近，在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。DATASHEET門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）2022/10/111.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件。門極可關(guān)1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件(數(shù)十個(gè)數(shù)百個(gè)小GTO并聯(lián)）。圖1-13 GTO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 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理2022/10/111.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：圖1-13 GTO的內(nèi)1.4.

22、1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO門極關(guān)斷的原因是：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 圖1-7 晶閘管的工作原理2022/10/111.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO門極關(guān)斷的原因是：設(shè)計(jì)1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)論：GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。2022/10/111.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)論：2022/10/101.4.1

23、門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，介紹意義不同的參數(shù)。2022/10/111.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（1）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（2）電流關(guān)斷增益off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）2022/10/111.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（1）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IAT1.4.2 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管

24、（Bipolar Junction TransistorBJT），也稱為Power BJT。DATASHEET 1 220世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，目前大多被IGBT和電力MOSFET取代。2022/10/111.4.2 電力晶體管電力晶體管（Giant Tran耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。單管通常為10左右，達(dá)林頓接法。1.4.2 電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理2022/10/11耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。1.4.2 電力晶體管1）1.4.2 電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在

25、開(kāi)關(guān)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖1-16 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性2022/10/111.4.2 電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性截止區(qū)放大1.4.2 電力晶體管開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。加快開(kāi)通過(guò)程的辦法， 增大ib并增大di/dt 。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖1-17 GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形(2) 動(dòng)態(tài)特性2022/10/111.4.2 電力晶體管開(kāi)通過(guò)程

26、ibIb1Ib2Icsi1.4.2 電力晶體管關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff 。加快關(guān)斷速度的辦法(減小飽和深度增大負(fù)電流ib ）。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，2022/10/111.4.2 電力晶體管關(guān)斷過(guò)程2022/10/101.4.2 電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件永久損壞，或工作特性明顯衰變 。3）GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)2022/10/111.4.2 電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)

27、 安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM二次擊穿臨界線P SB限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區(qū)1.4.2 電力晶體管2022/10/11 安全工作區(qū)（Safe Operating AreaS1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 結(jié)型和

28、絕緣柵型2022/10/111.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常主要指絕緣柵型中的MOS1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電壓控制，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率??；開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高；熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR；無(wú)二次擊穿；電流容量小，耐壓低，適用于功率不超過(guò)10kW的場(chǎng)合. 特點(diǎn)：2022/10/111.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電壓控制，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，結(jié)構(gòu)上區(qū)別較大;多元集成結(jié)構(gòu)。電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)2022/10/111.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶

29、體管不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程迅速；開(kāi)關(guān)時(shí)間在10-100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，需一定的驅(qū)動(dòng)功率。頻率越高，需要驅(qū)動(dòng)功率越大。 開(kāi)關(guān)速度2022/10/111.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）(DATASHEET 1 2 )GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期取代GTO

30、的地位。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，開(kāi)關(guān)速度快，電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。2022/10/111.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insu1.4.4 絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-22 IGBTa) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)2022/10/111.4.4 絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工1.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。 安全

31、工作區(qū)比GTR大，具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比MOSFET低。輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力可進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 2022/10/111.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可1.5 其他新型電力電子器件1.5.1 MOS控制晶閘管MCT1.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT1.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH1.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT1.5.5 功率模塊與功率集成電路2022/10/111.5 其他新型電力電子器件1.5.1 MOS控制晶閘1.5.1 MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di

32、/dt和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合(DATASHEET)2022/10/111.5.1 MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)1.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。SIT（Static Induction Transistor）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管2022/10/111.5.2 靜電感應(yīng)晶體管

33、SITSIT（Static I1.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH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)。其很多特性與GTO類似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH（Static Induction Thyristor）場(chǎng)控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）2022/10/111.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH是兩種載流子導(dǎo)1.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快10倍。目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最

34、終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。DATASHEET 1 2 IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）2022/10/111.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)90年代后期1.5.5 功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期始，模塊化趨勢(shì)，多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊?？s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。較高工作頻率的電路，減小了線路電感，簡(jiǎn)化了保護(hù)和緩沖電路。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、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（Power In

35、tegrated CircuitPIC）。DATASHEET 基本概念2022/10/111.5.5 功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期始1.5.5 功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。實(shí)際應(yīng)用電路2022/10/

36、111.5.5 功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（High 1.5.5 功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。以前主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合，近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。 發(fā)展現(xiàn)狀2022/10/111.5.5 功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術(shù)難1.6 電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路2022/10/111.6 電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)1.6.1 電力電子1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述使電力電子

37、器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗。保護(hù)措施往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求向電力電子器件施加開(kāi)通或關(guān)斷信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口2022/10/111.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述使電力電子器件工作在較1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路的功能。隔離、功放、整形。光電隔離：光耦合器圖1-25 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型2022/10/111.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路的功能。圖11.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電流驅(qū)動(dòng)型、電壓驅(qū)動(dòng)型。分立元件

38、型，專用集成型。雙列直插式集成電路將光耦隔離電路集成在內(nèi)的混合集成電路。為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選廠家專用集成驅(qū)動(dòng)電路。 驅(qū)動(dòng)電路分類2022/10/111.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電流驅(qū)動(dòng)型、電壓驅(qū)動(dòng)型1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：脈沖足夠?qū)捗}沖有足夠的幅度。不超過(guò)門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。與主電路隔離。注：IGT在規(guī)定的條件下，使Thyristor導(dǎo)通的最小門極電流。tIIMt1t2t3t4圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時(shí)間（1s）t1t3強(qiáng)脈寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT

39、）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）晶閘管觸發(fā)電路2022/10/111.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。圖1-27 常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路2022/10/111.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)1.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 (1) GTOGTO的開(kāi)通控制與普通晶閘管相似。GTO關(guān)斷控制需施加負(fù)門極電流。GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOu

40、GiG1、電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓2022/10/111.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 (1) GTO圖1-1.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖1-29 典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路-15v+15v2022/10/111.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖1-29 典型的直接1.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(2) GTR開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)。關(guān)斷時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流，有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。關(guān)斷后應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。tOib 圖1-30 理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形2022/10/111.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路

41、(2) GTRtOib1.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路。圖1-31GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路2022/10/111.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路。圖1.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。使MOSFET開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般10-15V，使IGBT開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 - 20V。關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。 2、電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路2022/10/111.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路

42、電力MOSFET和IGB1.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 (1) 電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路：圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路2022/10/111.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 (1) 電力1.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(2) IGBT的驅(qū)動(dòng) 多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。 常用的有三菱公司的M579系列和富士公司的EXB系列。2022/10/111.6.3 全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(2) IGBT的驅(qū)動(dòng)1.7 電力電子器件器件的保護(hù)1.7.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)1.7.2 過(guò)電流保護(hù)1.7.3 緩沖電路2022/10/111.7 電力電子器件器件的保護(hù)1.7.1 過(guò)電壓的產(chǎn)1.7.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程換相過(guò)電壓關(guān)斷過(guò)電壓過(guò)電壓外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓2022/10/111.7.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷1.7.1 過(guò)電