電力電子基礎(chǔ)

電力電子教案第一章電力電子器件一、 教學(xué)目的與要求通過本章的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握各種電力電子器件的特性和使用方法。二、授課內(nèi)容1、電力電子器件的概念、特點(diǎn)和特性。2、各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。三、重點(diǎn)、難點(diǎn)及學(xué)生的要求1、重點(diǎn)晶閘管，GTO,GTR,P-MOSFE等電力電子器件的工作原理，基本特性及主要參數(shù)。電力電子器件的驅(qū)動及保護(hù)2、難點(diǎn)各類電力電子器件的基本特性。3、要求掌握電力電子器件的型號命名法醫(yī)及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。掌握各類電力電子器件驅(qū)動電路的特點(diǎn)。熟悉各類保護(hù)電路的作用及原理。了解電力電子器件的串并聯(lián)使用方法電力電子器件的概念和特征電力電子電路的基礎(chǔ)——電力電子器件概念:電力電子器件(powerelectronicdevice)——可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件主電路(mainpowercircuit)——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行，也往往是非常必要的。1.1.2電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：1）半控型器件:通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。2）全控型器件:通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。3）不可控器件:不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。1．2不可控器件—電力二極管。PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN吉為基礎(chǔ)，由一個面積較大的PN吉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，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN吉。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負(fù)電荷稱為空間電荷PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN吉在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN吉表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN吉的反向截止?fàn)顟B(tài)PN吉的單向?qū)щ娦?。二極管的基本原理就在于PN吉的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。PN吉的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。PN吉的電容效應(yīng)：PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容C,又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CDo勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用。外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN吉截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大影響。為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。1.2.2電力二極管的基本特性1.靜態(tài)特性主要指其伏安特性開通過程：電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值(如2V)o這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間tfo電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的fr時間來儲存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大， uf越高。123電力二極管的主要參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)F(AV)額定電流一一在指定的管殼溫度(簡稱殼溫，用T表示)和散熱條件下，其c允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場合時，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。正向壓降LF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降，有時參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降。3.反向重復(fù)峰值電壓LRRMRRM指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓LB的2/3,使用時往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。B4.最高工作結(jié)溫TJMJM結(jié)溫是指管芯PN吉的平均溫度，用T表示。j最高工作結(jié)溫是指在PN吉不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 Tjm通常在125~175C范圍之內(nèi)。反向恢復(fù)時間trrrrt=td+tf，關(guān)斷過程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時間。rrdf浪涌電流IFSMFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。1.2.4電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。在應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。普通二極管(GeneralPurposeDiode)又稱整流二極管(RectifierDiode)多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中,其反向恢復(fù)時間較長，一般在5乓以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。FRD快恢復(fù)二極管(FastRecoveryDiodeFRD肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管(SchottkyBarrierDiode SBD,簡稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)時間很短(10~40ns)。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。1?3半控器件一晶閘管晶閘管(Thyristor):晶體閘流管，可控硅整流器 (SiliconControlledRectifier SCR1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室(BellLab)發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司(GE開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代20世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型一一普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件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引出陽極A、陰極K利門極(控制端)GE個聯(lián)接端對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下〉是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，:-迅速增大。阻斷狀態(tài):IG=0'冷+二很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致：'+;趨近于1的話，流過'l2晶閘管的電流IA邙日極電流）將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)。陽極電壓上升率du/dt過高。結(jié)溫較高。光直接照射硅片，即光觸發(fā)。光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor LTT）。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。1.3.2晶閘管的基本特性1.靜態(tài)特性總結(jié)前面介紹的工作原理，可以簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。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。晶閘管的伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ub,則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正bo向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值 IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。lH稱為維持電流。H2)反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。2.動態(tài)特性1)開通過程延遲時間td:門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%勺時間。上升時間dt：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。r開通時間tt以上兩者之和，gtt=t+t (1-6)gtdr普通晶閘管延遲時為0.5~1.5乓，上升時間為0.5~3七。晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形2)關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間t:正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間rr正向阻斷恢復(fù)時間tgr:晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間gr在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓， 晶閘管會重新正向?qū)ā?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。關(guān)斷時間t:t與t之和，即t=t+t，普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。qrrgrqrrgr1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.電壓定額1)通態(tài)平均電流IT(AV) 晶閘管在環(huán)境溫度為40乜和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。維持電流Ih:――使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。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)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM----指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。電流定額1)通態(tài)平均電流IT(AV)2) 維持電流Ih3) 擎住電流IL4)浪涌電流ITSM動態(tài)參數(shù)除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：(1)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時， 相當(dāng)于一個電容的J2結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。(2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。134晶閘管的派生器件 快速晶閘管(FastSwitchingThyristor FST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管 10乓左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。雙向晶閘管(TriodeACSwitch TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)逆導(dǎo)晶閘管(ReverseConductingThyristor RCT光控晶閘管(LightTriggeredThyristor LTT)1.4典型全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管一一在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合一一高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個嶄新時代。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。門極可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor—GTO晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GT啲電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。GTOE夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：GT毋通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。GT欲斷過程：強(qiáng)烈正反饋一一門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，貝uW減小，使IK和G減小，G的減小又使IA和Id減小，又進(jìn)一步減小V的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使:+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO匕普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。2.GTO勺動態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tdr。關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子一一儲存時間t，使等效晶體管退出飽和。S等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小一一下降時間tf。殘存載流子復(fù)合一一尾部時間tto通常tf比t小得多，而tt比t要長。fs ts門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快， t越短。S門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時間。GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理在應(yīng)用中，GTF一般采用共發(fā)射極接法。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流I時，i和ib的關(guān)系為iciib+l，產(chǎn)品說明書中通常給直ceocb bceo流電流增益h在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為一：h單管GTRFE—— FE。勺］值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。GTR的基本特性⑴靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GT工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)⑵動態(tài)特性開通過程延遲時間td和上升時間t，二者之和為開通時間totd主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘d r ond電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快bb開通過程。關(guān)斷過程儲存時間t和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間tff。s f offt是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。S減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流 Ib2的幅b2值和負(fù)偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降UC增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR勺開Ces關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GT都短很多。1．4.2絕緣柵雙極晶體管GT和GT的特點(diǎn)一一雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。MOSFE的優(yōu)點(diǎn)一一單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件一Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT)GT和MOSFE復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。1986年投入市場后，取代了GT和—部分MOSFE的市場，中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO勺地位。IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理驅(qū)動原理與電力MOSFE基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGe決定。導(dǎo)通：UG大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFE內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻fn減小，使通態(tài)壓降小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFE內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。IGBT的基本特性1)IGBT的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性一一l與Ug間的關(guān)系，與MOSFET移特性類似。cG開啟電壓lGE（也）一一IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓?！笶（也）隨溫度升高而略有下降，在+25C寸，Uge?）的值一般為2~6匕輸出特性（伏安特性）一一以Uge為參考變量時，lc與Uc間的關(guān)系。分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR勺截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。Uce<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。2） IGBT的動態(tài)特性IGBT的開通過程與MOSFET相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFE運(yùn)行。TOC\o"1-5"\h\z開通延遲時間td（）――從Uge上升至其幅值10%的時刻，到i上升至10%I2 。d（on） c ci\電流上升時間t ic從10%C上升至90%C所需時間。r C C C開通時間t――開通延遲時間與電流上升時間之和。onUce的下降過程分為tfi和tf2兩段。J——IGBT中MOSFEt獨(dú)工作的電壓下降過程；cE fv1fv2 fv1tf2——mosfetpn晶體管同時工作的電壓下降過程。f2IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td（of）――從uge后沿下降到其幅值90%的時刻起，到［下降至90%cm。電流下降時間 ic從90%c下降至10%cm。關(guān)斷時間tff關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。off電流下降時間又可分為t伯和t”兩段。t IGBT內(nèi)部的MOSFET關(guān)斷過程，ifi1 fi2 fi1 c下降較快；t“一一IGBT內(nèi)部的PN晶體管的關(guān)斷過程，i下降較慢。fi2cIGBT中雙極型PN晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間也是需要折衷的參數(shù)。高壓器件的N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時間的延長。其他新型電力電子器件1.5.1MO控制晶閘管MCTMC結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：MOSFE的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程。晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降。一個MC器件由數(shù)以萬計的MC元組成，每個元的組成為：一個PNPI晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFETMC曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此， 20世紀(jì)80年代以來一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過十多年的努力，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。靜電感應(yīng)晶體管SITSIT(StaticInductionTransistor )——1970年，結(jié)型場效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的 SIT器件。多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFE相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。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。缺點(diǎn)：柵極不加信號時導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH(StaticInductionThyristor)——1972年，又被稱為場控晶閘管(FieldControlledThyristor ——FCT)。比SIT多了一個具有少子注入功能的PN吉，SITH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GT類似，但開關(guān)速度比GTOI得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。1.5.4集成門極換流晶閘管IGCTIGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor )，也稱GCT(Gate-CommutatedThyristor)20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GT(的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO6當(dāng)，開關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GT(在大功率場合的位置。20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊?？煽s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。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，稱為功率成電路(PowerIntegratedCircuit ——PIC)。類似功率集成電路的還有許多名稱，但實(shí)際上各有側(cè)重。高壓集成電路(HighVoltageIC——HVIC)—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(SmartPowerIC——SPIC)—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(IntelligentPowerModule IPM)則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT(IntelligentIGBT)。功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點(diǎn),最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。電力電子器件驅(qū)動電路驅(qū)動電路――主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。對器件或整個裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(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。磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)分可分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。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。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。1.6.1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，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，還包括對其觸發(fā)時刻進(jìn)行控制的相位控制電路。典型全控型器件的驅(qū)動電路1)GTOGT啲開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流。使GT關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力。GTO區(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。典型的直接耦合式GTO區(qū)動電路2)GTR開通驅(qū)動電流應(yīng)使GT處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GT時，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值(6V左右)的負(fù)偏壓。2.電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小。使MOSFE開通的驅(qū)動電壓一般10~15V,使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15~20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓(一般取-5~-15V)有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻(數(shù)十歐左右)可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。電力電子器件器件的保護(hù)

過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)電力電子裝置可能的過電壓——外因過電壓和內(nèi)因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因。操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起。雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程。(1 )換相過電壓：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，因而有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。(2 )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。過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)外因過電壓抑制措施中，R(過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結(jié)方式見圖1-35。過電流保護(hù)采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。選擇快熔時應(yīng)考慮：電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓確定。電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊鄣腎2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值。為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間-電流特性?？烊蹖ζ骷谋Ｗo(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種全保護(hù)：過載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護(hù)方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件(很難用快熔保護(hù))，需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。常在全控型器件