第1章電力電子器件第五講

1.1、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

1.4、可關(guān)斷晶閘管

1.5、電力晶體管

1.6、電力場效應(yīng)晶體管

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

1.8、其它新型電力電子器件

1.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)第1章、電力電子器件1.8.1靜電感應(yīng)晶體管1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管

1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路1.8、其它新型電力電子器件第1章1.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

MCT自20世紀(jì)80年代末問世，已生產(chǎn)出300A/2000V、1000A/1000V的器件；

結(jié)構(gòu)：是晶閘管SCR和場效應(yīng)管MOSFET復(fù)合而成的新型器件，其主導(dǎo)元件是SCR，控制元件是MOSFET；與IGBT一起競爭發(fā)展，但經(jīng)過10多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)沒有打的突破，電壓和電流容量遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期數(shù)值，未投入實際應(yīng)用。而其競爭對手IGBT卻進(jìn)展飛速，目前從事MCT研究的人不多。

特點：耐高電壓、大電流、通態(tài)壓降低、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高；

第1章1.8、其它新型電力電子器件1.8.1靜電感應(yīng)晶體管1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路第1章1.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

它是一種節(jié)型場效應(yīng)晶體管。單極型多子導(dǎo)電的器件，具有輸出功率大、輸入阻抗高、開關(guān)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點；

廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備(例如200kHz、200kW的高頻感應(yīng)加熱電源)。并適用于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機、電視發(fā)射機、差轉(zhuǎn)機微波以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。缺點：1.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，使用不方便，未流行開。

2.通態(tài)電阻大，通態(tài)損耗也較大。第1章1.8.1靜電感應(yīng)晶體管1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路1.8、其它新型電力電子器件第1章1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）

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；優(yōu)點：與GTO相比，SITH的通態(tài)電阻小、通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快、損耗小、di/dt及du/dt耐量高等；

應(yīng)用：應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)，高頻加熱電源和開關(guān)電源等領(lǐng)域；

缺點：正常導(dǎo)通型，也有正常關(guān)斷型；電流關(guān)斷增益小；制造工藝復(fù)雜，成本高；

第1章1.8.1靜電感應(yīng)晶體管1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管

1.8.5功率模塊與功率集成電路1.8其它新型電力電子器件第1章1.8.4MOS控制晶閘管（IGCT/GCT）

IGCT：（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

也稱GCT（Gate-CommutatedThyristor）集成門極換流晶閘管。

20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)。結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當(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；IGCT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。第1章1.8.1靜電感應(yīng)晶體管1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路1.8、其它新型電力電子器件第1章1.8.5功率模塊與功率集成電路

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。可縮小裝置體積，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(引線短)，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，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。三大障礙：電絕緣（高低壓）、熱絕緣（器件發(fā)熱對控制電路有影響），防電磁干擾（開關(guān)速度快時）

PIC

（PowerIntegratedCircuit）：第1章

類似功率集成電路的還有許多名稱，但實際上各有側(cè)重:

高壓集成電路（HighVoltageIC，簡稱HVIC，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（SmartPowerIC，簡稱SPIC，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（IntelligentPowerModule，簡稱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，也稱智能IGBT）。1.8.5功率模塊與功率集成電路

第1章1.1、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

1.4、可關(guān)斷晶閘管

1.5、電力晶體管

1.6、電力場效應(yīng)晶體管

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

1.8、其它新型電力電子器件

1.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)第1章、電力電子器件

1.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)1.9.1電力電子器件的換流方式

1.9.2

驅(qū)動電路

1.9.3

保護(hù)電路

1.9.4緩沖電路

1.9.5散熱系統(tǒng)第1章1.9.1

電力電子器件的換流方式

在圖1.9.1中，T1、T2表示由兩個電力半導(dǎo)體器件組成的導(dǎo)電臂，當(dāng)T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通時，電流流過T2；當(dāng)T2關(guān)斷，T1導(dǎo)通時，電流i從T2轉(zhuǎn)移到T1。圖1.9.1橋臂的換流

電力半導(dǎo)體器件可以用切斷或接通電流的開關(guān)表示。

定義：電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移的過程稱為換流（或換相）。第1章（1）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。（2）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，實現(xiàn)電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移稱為電網(wǎng)換流。（3）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，實現(xiàn)電流從一個臂向另一個臂轉(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，都可以實現(xiàn)負(fù)載換流。1.9.1

電力電子器件的換流方式一般來說，換流方式可分為以下四種：第1章

在晶閘管T處于導(dǎo)通狀態(tài)時,預(yù)先給電容C按圖中所示極性充電。如果合上開關(guān)S，就可以使晶閘管T被加反壓而關(guān)斷。

圖1.9.2脈沖電壓換流原理圖

1.9.1

電力電子器件的換流方式

脈沖電壓換流原理：（4）脈沖換流：

設(shè)置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供換流電壓，控制電力電子器件實現(xiàn)電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移稱為脈沖換流，有時也稱為強迫換流或電容換流。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流。第1章

晶閘管T處于導(dǎo)通狀態(tài)時，預(yù)先給電容C按圖中所示的極性充電。圖(b)中，接通開關(guān)S后，(1)C通過T放電，L充電，正向電流逐漸增大到最大；（2）L經(jīng)T放電續(xù)流，C充電，下正上負(fù)，直到正向電流減小到0，L放電結(jié)束，C充電結(jié)束；

（3）C經(jīng)D放電，L充電，反向電流逐漸增大到最大，直到C放電結(jié)束，L充電結(jié)束；（4）L經(jīng)D放電C充電，上正下負(fù)，反向電流逐漸減小到0，L放電結(jié)束，C充電結(jié)束。整個周期結(jié)束。圖1.9.3脈沖電流換流原理圖

1.9.1

電力電子器件的換流方式

脈沖電流換流原理:

第1章

1.9.2驅(qū)動電路

將信息電子電路傳來的信號按控制目標(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，可以使其開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。在高壓變換電路中，需要時控制系統(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現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù)：第1章作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，決定每個晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時刻。圖1.9.4為基于脈沖變壓器TR和三極管放大器的驅(qū)動電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動信號加至三極管放大器后，變壓器TR輸出電壓經(jīng)D2輸出脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號為零后，D1、DZ續(xù)流，TR的原邊電壓速降為零，防止變壓器飽和。1.9.2驅(qū)動電路圖1.9.4帶隔離變壓器的SCR驅(qū)動電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動電路第1章圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動信號致光耦輸入端時，光耦輸出電路中R上的電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動電路

1.9.2驅(qū)動電路第1章開通：在門極加正驅(qū)動電流。2．GTO的驅(qū)動電路GTO的幾種基本驅(qū)動電路：關(guān)斷：在門極加很大的負(fù)電流第1章1）圖1.9.6(a)晶體管Ｔ導(dǎo)通、關(guān)斷過程：電源Ｅ經(jīng)Ｔ使GTO觸發(fā)導(dǎo)通，電容Ｃ充電，電壓極性如圖示。當(dāng)Ｔ關(guān)斷時，電容Ｃ放電，反向電流使GTO關(guān)斷。Ｒ起開通限流作用，Ｌ在SCR陽極電流下降期間釋放出儲能，補償GTO的門極關(guān)斷電流，提高了關(guān)斷能力。

該電路雖然簡單可靠，但因無獨立的關(guān)斷電源，其關(guān)斷能力有限且不易控制。另一方面，電容Ｃ上必須有一定的能量才能使GTO關(guān)斷，故觸發(fā)Ｔ的脈沖必須有一定的寬度。

1.9.2驅(qū)動電路圖1.9.6(a)

2.GTO的幾種基本驅(qū)動電路：（續(xù)）第1章導(dǎo)通和關(guān)斷過程：圖1.9.6(b)導(dǎo)通：Ｔ1、Ｔ2導(dǎo)通時GTO被觸發(fā)；關(guān)斷：Ｔ1、Ｔ2關(guān)斷和SCR１、SCR２

導(dǎo)通時GTO門極與陰極間流過負(fù)電流而被關(guān)斷；1.9.2驅(qū)動電路圖1.9.6(b)2.GTO的幾種基本驅(qū)動電路：（續(xù)）

由于GTO的開通和關(guān)斷均依賴于一個獨立的電源，故其關(guān)斷能力強且可控制，其觸發(fā)脈沖可采用窄脈沖；第1章1.9.2驅(qū)動電路

圖1.9.6(c)中，導(dǎo)通和關(guān)斷用兩個獨立的電源，開關(guān)元件少，電路簡單。

圖1.9.6(d)，對于300A以上的GTO，用此驅(qū)動電路可以滿足要求。2.GTO的幾種基本驅(qū)動電路：（續(xù)）第1章

1.9.2驅(qū)動電路1)

作用:

將控制電路輸出的控制信號放大到足以保證GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度。

2)功能:①提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷(期望的基極驅(qū)動電流波形如圖1.9.7所示)。②實現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。③具有自動保護(hù)功能，以便在故障發(fā)生時快速自動切除驅(qū)動信號，避免損壞GTR。④電路盡可能簡單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強。圖1.9.7理想的基極驅(qū)動電流波形

3．GTR的驅(qū)動電路

第1章

3．GTR的參考驅(qū)動電路（續(xù)）

圖1.9.8雙電源驅(qū)動電路

第1章控制電路用光耦實現(xiàn)電隔離，正負(fù)電源供電。當(dāng)輸入端S為低電平時，T1、T3導(dǎo)通，T4、T5截止，B點電壓為負(fù)，給GTR基極提供反向基流，此時GTR(T6)關(guān)斷。當(dāng)S端為高電平時，T1、T3截止，T4、T5導(dǎo)通，T6流過正向基極電流，此時GTR導(dǎo)通。

由于IGBT的輸入特性幾乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驅(qū)動功率小，電路簡單，用于IGBT的驅(qū)動電路同樣可以用于VDMOS。1.9.2驅(qū)動電路圖1.9.11采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動電路

控制脈沖經(jīng)晶體管T放大后送到脈沖變壓器，由脈沖變壓器耦合，并經(jīng)、穩(wěn)壓限福后驅(qū)動IGBT。脈沖變壓器的一次側(cè)并聯(lián)了續(xù)流二極管D1，以防止T中可能出現(xiàn)的過電壓。R1限制柵極驅(qū)動電流的大小，R1兩端并聯(lián)了加速二極管來提高開通速度。4．MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路第1章

至此1.9.1電力電子器件的換流方式

1.9.2

驅(qū)動電路

1.9.3

保護(hù)電路

1.9.4緩沖電路

1.9.5散熱系統(tǒng)

1.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)第1章1.9.3保護(hù)電路

電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過電流、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)兩個方面。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，實時保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。第1章過電壓——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（由分閘、合閘等開關(guān)操作引起）等外因。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。1.9.3保護(hù)電路1．過電壓保護(hù)

第1章電力電子系統(tǒng)中常用的過電壓保護(hù)方案：圖中交流電源經(jīng)交流斷路器S送入降變壓器T。當(dāng)雷電過電壓從電網(wǎng)竄入時，避雷器F將對地放電防止雷電進(jìn)入變壓器。C0為靜電感應(yīng)過電壓抑制電容，當(dāng)交流斷路器合閘時，過電壓經(jīng)C12耦合到T的次極，C0將靜電感應(yīng)過電壓對地短路，保護(hù)了后面的電力電子開關(guān)器件不受操作1.9.3保護(hù)電路圖1.9.17電力電子系統(tǒng)中常用的過電壓保護(hù)方案

過電壓的沖擊。C1R1是過電壓抑制環(huán)節(jié)，當(dāng)變壓器T的次極出現(xiàn)過電壓時，過電壓對C1充電，由于電容上的電壓不能突變，所以C1R1能抑制過電壓。C2R2也是過電壓抑制環(huán)節(jié)，電路上出現(xiàn)過電壓時，二極管導(dǎo)通對C2充電，過電壓消失后C2對R2放電，二極管不導(dǎo)通，放電電流不會送入電網(wǎng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的過壓保護(hù)。1．過電壓保護(hù)

第1章措施：通常電力電子系統(tǒng)同時采用電子電路、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保護(hù)措施，提高保護(hù)的可靠性和合理性。1.9.3保護(hù)電路圖1.9.16電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護(hù)方案

2.過電流保護(hù)第1章作用：防止器件串聯(lián)使用時電壓、并聯(lián)使用時電流分配不均勻，使其電壓、電流超過器件的極限損壞器件。方法：

器件串聯(lián)時，除盡量選用參數(shù)和特性一致的器件外，常采用圖2.9.15所示的均壓電路，R11、R12是靜態(tài)均壓電阻（阻值應(yīng)比器件阻斷時的正、反向電阻小得多），R13、C11、和R14、C12并聯(lián)支路作動態(tài)均壓。

器件并聯(lián)時，除了盡量選用參數(shù)和特性一致的器件外，常使每個器件串均流電抗器后再并聯(lián)，同時用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。并且，IGBT具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián)。1.9.3保護(hù)電路圖1.9.18均壓電路3．開關(guān)器件串聯(lián)、并聯(lián)使用時的均壓、均流第1章1.9.1電力電子器件的換流方式

1.9.2

驅(qū)動電路

1.9.3

保護(hù)電路

1.9.4

緩沖電路

1.9.5散熱系統(tǒng)

1.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)第1章1.9.4緩沖電路

1）原因：

電力電子器件工作狀態(tài)有開通、通態(tài)、關(guān)斷、斷態(tài)四種工作狀態(tài)，其中斷態(tài)時承受高電壓，通態(tài)時承載大電流，而開通和關(guān)斷過程中開關(guān)器件可能同時承受過壓、過流、過大的di/dt、du/dt以及過大的瞬時功率。

2）緩沖電路作用：防止高電壓和大電流可能使