第1章電力電子器件第四講

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(chǎng)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(dòng)與保護(hù)第1章、電力電子器件

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速開(kāi)關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性?xún)烧邇?yōu)點(diǎn)的一種復(fù)合器件。IGBT于1982年開(kāi)始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級(jí)達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開(kāi)關(guān)電源以及其它高速低損耗的中小功率領(lǐng)域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)。第1章1.7.1絕緣柵雙極型晶體管及其工作原理1.7.2緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

第1章1.7.1絕緣柵雙極型晶體管

及其工作原理1.IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT的結(jié)構(gòu)如圖1.7.1(a)所示。簡(jiǎn)化等效電路如圖1.7.1(b)所示。電氣符號(hào)如圖1.7.1（c）所示它是在VDMOS管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)P+層，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1，和其它結(jié)J2、J3一起構(gòu)成了一個(gè)相當(dāng)于由VDMOS驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP型GTR;IGBT有三個(gè)電極:集電極Ｃ、發(fā)射極Ｅ和柵極Ｇ;圖1.7.1IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路

與電氣符號(hào)

第1章IGBT也屬場(chǎng)控器件，其驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。導(dǎo)通：UGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET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RN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(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。1.7.1絕緣柵雙極型晶體管

及其工作原理圖1.7.2IGBT伏安特性2.IGBT的工作原理第1章1.7.1絕緣柵雙極型晶體管及其工作原理

1.7.2緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

第1章1.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

（1）IGBT的伏安特性（如圖a)

反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流Ic的關(guān)系。

IGBT的伏安特性分為:截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。圖1.7.2IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性第1章UGE>UGE(TH)(開(kāi)啟電壓,一般為3～6V)；其輸出電流Ic與驅(qū)動(dòng)電壓UGE基本呈線性關(guān)系；圖1.7.2IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性1.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性（2）IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖b）IGBT關(guān)斷：IGBT開(kāi)通：UGE<UGE(TH)；第1章2、IGBT的開(kāi)關(guān)特性

（1）IGBT的開(kāi)通過(guò)程：從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^(guò)程。開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)：

IC從10%UCEM到10%ICM所需時(shí)間。電流上升時(shí)間tr

：

IC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間ton：

ton=td(on)+tr1.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖1.7.3IGBT的開(kāi)關(guān)特性

第1章2、IGBT的開(kāi)關(guān)特性（2）IGBT的關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

：從UGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到ic下降至90%ICM

電流下降時(shí)間：ic從90%ICM下降至10%ICM

。關(guān)斷時(shí)間toff：關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和。

電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，ic下降較快；

tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，ic下降較慢。1.7.2緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)

圖1.7.3IGBT的開(kāi)關(guān)特性

第1章（1）最大集射極間電壓UCEM：

IGBT在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。（2）通態(tài)壓降：是指IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)集電極和發(fā)射極之間的管壓降。（3）集電極電流最大值ICM：

IGBT的IC增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)，此時(shí)為防止發(fā)生擎住效應(yīng)，規(guī)定的集電極電流最大值ICM。（4）最大集電極功耗PCM：

正常工作溫度下允許的最大功耗。1.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

3、IGBT的主要參數(shù)第1章3、IGBT的主要參數(shù)(5)安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOA：IGBT在開(kāi)通時(shí)為正向偏置時(shí)的安全工作區(qū)，如圖1.7.5(a)所示。反偏安全工作區(qū)RBSOA：IGBT在關(guān)斷時(shí)為反向偏置時(shí)的安全工作區(qū)，如圖1.7.5(b)IGBT的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。在使用中一般通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腢CE和柵極驅(qū)動(dòng)電阻控制，避免IGBT因過(guò)高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。1.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖1.7.5IGBT的安全工作區(qū)

第1章(6)輸入阻抗：IGBT的輸入阻抗高，可達(dá)109~1011Ω數(shù)量級(jí)，呈純電容性，驅(qū)動(dòng)功率小，這些與VDMOS相似。

(7)最高允許結(jié)溫TjM：IGBT的最高允許結(jié)溫TjM為150℃。VDMOS的通態(tài)壓降隨結(jié)溫升高而顯著增加，而IGBT的通態(tài)壓降在室溫和最高結(jié)溫之間變化很小，具有良好的溫度特性。1.7.2緣柵雙極型晶體管

的特性與主要參數(shù)

3、IGBT的主要參數(shù)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(chǎng)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(dòng)與保護(hù)第1章、電力電子器件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(mén)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）

它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具有輸出功率大、輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；

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(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。第1章1、SIT的工作原理

1）結(jié)構(gòu)：SIT為三層結(jié)構(gòu)，其元胞結(jié)構(gòu)圖如圖1.8.1(a)所示，其三個(gè)電極分別為柵極G，漏極D和源極S。其表示符號(hào)如圖1.8.1(b)所示。

2）分類(lèi)：SIT分N溝道、P溝道兩種，箭頭向外的為N─SIT，箭頭向內(nèi)的為P─SIT。

3）導(dǎo)通、關(guān)斷：SIT為常開(kāi)器件，即柵源電壓為零時(shí)，兩柵極之間的導(dǎo)電溝道使漏極D-S之間的導(dǎo)通。則SIT導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵源電壓UGS時(shí)，柵源間PN結(jié)產(chǎn)生耗盡層。隨著負(fù)偏壓UGS的增加，其耗盡層加寬，漏源間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)UGS=UP(夾斷電壓)時(shí)，導(dǎo)電溝道被耗盡層所夾斷，SIT關(guān)斷。1.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

SIT的漏極電流ID不但受柵極電壓UGS控制，同時(shí)還受漏極電壓UDS控制。

圖1.8.1SIT的結(jié)構(gòu)及其符號(hào)

第1章2、SIT的特性

靜態(tài)伏安特性曲線（N溝道SIT）：當(dāng)柵源電壓UGS一定時(shí)，隨著漏源電壓UDS的增加，漏極電流ID也線性增加，其大小由SIT的通態(tài)電阻所決定；

SIT采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),其導(dǎo)電溝道短而寬,適應(yīng)于高電壓,大電流的場(chǎng)合；

SIT的漏極電流具有負(fù)溫度系數(shù),可避免因溫度升高而引起的惡性循環(huán)；1.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）圖1.8.2N-SIT靜態(tài)伏安特性曲線第1章SIT的漏極電流通路上不存在PN結(jié),一般不會(huì)發(fā)生熱不穩(wěn)定性和二次擊穿現(xiàn)象,其安全工作區(qū)范圍較寬；

SIT是短溝道多子器件,無(wú)電荷積累效應(yīng),它的開(kāi)關(guān)速度相當(dāng)快,適應(yīng)于高頻場(chǎng)合；

SIT的柵極驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單：關(guān)斷SIT需加數(shù)十伏的負(fù)柵壓-UGS,使SIT導(dǎo)通，也可以加5～6V的正柵偏壓+UGS,以降低器件的通態(tài)壓降；1.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）2、SIT的特性

圖1.8.3SIT的安全工作區(qū)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(mén)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）

它自1972年開(kāi)始研制并生產(chǎn)；優(yōu)點(diǎn)：與GTO相比，SITH的通態(tài)電阻小、通態(tài)壓降低、開(kāi)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(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域；

缺點(diǎn)：SITH制造工藝復(fù)雜，成本高；

第1章1、SITH的工作原理

1）結(jié)構(gòu)：在SIT的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)P+層即形成了SITH的元胞結(jié)構(gòu)，如圖1.8.4(a)。2）三極：陽(yáng)極A、陰極、柵極G，3）原理：柵極開(kāi)路，在陽(yáng)極和陰極之間加正向電壓，有電流流過(guò)SITH；在柵極G和陰極K之間加負(fù)電壓，G-K之間PN結(jié)反偏，在兩個(gè)柵極區(qū)之間的導(dǎo)電溝道中出現(xiàn)耗盡層，A-K間電流被夾斷，SITH關(guān)斷；柵極所加的負(fù)偏壓越高，可關(guān)斷的陰極電流也越大。1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）

圖1.8.4SITH元胞結(jié)構(gòu)其及符號(hào)第1章

特性曲線的正向偏置部分與SIT相似。柵極負(fù)壓-UGK可控制陽(yáng)極電流關(guān)斷，已關(guān)斷的SITH，A-K間只有很小的漏電流存在。

SITH為場(chǎng)控少子器件，其動(dòng)態(tài)特性比GTO優(yōu)越。SITH的電導(dǎo)調(diào)制作用使它比SIT的通態(tài)電阻小、壓降低、電流大，但因器件內(nèi)有大量的存儲(chǔ)電荷，

所以它的關(guān)斷時(shí)間比SIT要長(zhǎng)、工作頻率要低。

1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）

圖1.8.5SITH的伏安特性曲線2、SITH的特性：靜態(tài)伏安特性曲線（圖1.8.5）：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(mén)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(wèn)世，已生產(chǎn)出300A/2000V、1000A/1000V的器件；

結(jié)構(gòu)：是晶閘管SCR和場(chǎng)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；

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(kāi)關(guān)速度高；

第1章

1）結(jié)構(gòu)：

MCT是在SCR結(jié)構(gòu)中集成一對(duì)MOSFET構(gòu)成的，通過(guò)MOSFET來(lái)控制SCR的導(dǎo)通和關(guān)斷。使MCT導(dǎo)通的MOSFET稱(chēng)為ON-FET，使MCT關(guān)斷的MOSFET稱(chēng)為OFF-FET。

MCT的元胞有兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，一種為N-MCT，另一種為P-MCT。三個(gè)電極稱(chēng)為柵極G、陽(yáng)極A和陰極K。

圖1.8.6中(a)為P-MCT的典型結(jié)構(gòu)，圖(b)為其等效電路，圖(c)是它的表示符號(hào)(N-MCT的表示符號(hào)箭頭反向)。對(duì)于N-MCT管，要將圖1.8.6中各區(qū)的半導(dǎo)體材料用相反類(lèi)型的半導(dǎo)體材料代替，并將上方的陽(yáng)極變?yōu)殛帢O，而下方的陰極變?yōu)殛?yáng)極。1.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

圖1.8.6P-MCT的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號(hào)1、MCT的工作原理第1章控制信號(hào)：用雙柵極控制，柵極信號(hào)以陽(yáng)極為基準(zhǔn)；導(dǎo)通：當(dāng)柵極相對(duì)于陽(yáng)極加負(fù)脈沖電壓時(shí)，ON-FET導(dǎo)通，其漏極電流使NPN晶體管導(dǎo)通。NPN晶體管的導(dǎo)通又使PNP晶體管導(dǎo)通且形成正反饋觸發(fā)過(guò)程，最后導(dǎo)致MCT導(dǎo)通；關(guān)斷：當(dāng)柵極相對(duì)于陽(yáng)極施加正脈沖電壓時(shí)，OFF-FET導(dǎo)通，PNP晶體管基極電流中斷,PNP晶體管中電流的中斷破壞了使MCT導(dǎo)通的正反饋過(guò)程，于是MCT被關(guān)斷。其中：1）導(dǎo)通的MCT中晶閘管流過(guò)主電流，而觸發(fā)通道只維持很小的觸發(fā)電流。

2）使P-MCT觸發(fā)導(dǎo)通的柵極相對(duì)陽(yáng)極的負(fù)脈沖幅度一般為-5～-15V，使其關(guān)斷的柵極相對(duì)于陽(yáng)極的正脈沖電壓幅度一般為+10V。

對(duì)于N-MCT管，其工作原理剛好相反。

1.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

圖1.8.6P-MCT的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號(hào)2）工作原理（P-MCT）第1章(1)阻斷電壓高(達(dá)3000V)、峰值電流大(達(dá)1000A)、最大可關(guān)斷電流密度為6000A／cm2;(2)通態(tài)壓降小(為IGBT的1／3，約2.1V);(3)開(kāi)關(guān)速度快、損耗小，工作頻率可達(dá)20kHz;(4)極高的du／dt和di／dt耐量(du/dt耐量達(dá)20kV/μs，di/dt耐量達(dá)2kA/μs);(5)工作允許溫度高(達(dá)200℃以上);(6)驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單;1.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

2、MCT的特性

（兼有MOS器件和雙極型器件的優(yōu)點(diǎn)）第1章

(7)安全工作區(qū)：MCT無(wú)正偏安全工作區(qū)，只有反偏安全工作區(qū)RBSOA；

RBSOA與結(jié)溫有關(guān)，反映MCT關(guān)斷時(shí)電壓和電流的極限容量。（8）保護(hù)裝置：MCT可用簡(jiǎn)單的熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)。因?yàn)楫?dāng)工作電壓超出RBSOA時(shí)器件會(huì)失效，但當(dāng)峰值可控電流超出RBSOA時(shí)，MCT不會(huì)像GTO那樣損壞，只是不能用柵極信號(hào)關(guān)斷。1.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

圖1.8.7MCT的RBSOA2、MCT的特性第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(mén)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(chēng)GCT（Gate-CommutatedThyristor）。

20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，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)所需的驅(qū)動(dòng)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(mén)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(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱(chēng)為功率模塊?？煽s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(jiǎn)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(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱(chēng)為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。

PIC

（PowerIntegratedCircuit）：第1章

類(lèi)似功率集成電路的還有許多名稱(chēng)，但實(shí)際上各有側(cè)重:

高壓集成電路（HighVoltageIC，簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)IPM，專(zhuān)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(chēng)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)與保護(hù)電力電子電路的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)與控制包括如下內(nèi)容：（1）電力電子開(kāi)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(kāi)關(guān)管，控制開(kāi)關(guān)器件的通、斷狀態(tài)。（2）過(guò)流、過(guò)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(cè)開(kāi)關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開(kāi)關(guān)器件，防止過(guò)流、過(guò)壓損壞開(kāi)關(guān)器件。檢測(cè)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)崩潰而造成事故。（3）緩沖器：在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中防止開(kāi)關(guān)管過(guò)壓和過(guò)流，減小、減小開(kāi)關(guān)損耗。第1章（4）濾波器：在輸出直流的電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器用來(lái)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(wú)用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至負(fù)載的電力質(zhì)量。

（5）散熱系統(tǒng)：散發(fā)開(kāi)關(guān)器件和其他部件的功耗發(fā)熱，減小開(kāi)關(guān)器件的熱心力，降低開(kāi)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，綜合給定和反饋信號(hào)，經(jīng)處理后為開(kāi)關(guān)器件提供開(kāi)通、關(guān)斷信號(hào)，開(kāi)機(jī)、停機(jī)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)。

1.9、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)第1章

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

1.9.2

驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)，電流流過(guò)T2；當(dāng)T2關(guān)斷，T1導(dǎo)通時(shí)，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(kāi)關(guān)表示。

定義：電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱(chēng)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(chēng)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(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱(chēng)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(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱(chēng)為負(fù)載換流。凡是負(fù)載電流的相位超前電壓的場(chǎng)合，都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。1.9.1

電力電子器件的換流方式一般來(lái)說(shuō)，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(shí),預(yù)先給電容C按圖中所示極性充電。如果合上開(kāi)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(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱(chēng)為脈沖換流，有時(shí)也稱(chēng)為強(qiáng)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(shí)，預(yù)先給電容C按圖中所示的極性充電。圖(a)中，如果閉合開(kāi)關(guān)S，LC振蕩電流流過(guò)晶閘管，直到其正向電流為零后，再流過(guò)二極管D。圖(b)中，接通開(kāi)關(guān)S后，LC振蕩電流先和負(fù)載電流疊加流過(guò)晶閘管T，經(jīng)半個(gè)振蕩周期t=π后，振蕩電流反向流過(guò)T，直到T正向電流減至零以后再流過(guò)二極管D。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:

這兩種情況，都在晶閘管的正向電流為零和二極管開(kāi)始流過(guò)電流時(shí)晶閘管關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。第1章

1.9.2驅(qū)動(dòng)電路

將信息電子電路傳來(lái)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(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)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)行電氣隔離，這可以通過(guò)脈沖變壓器或光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：第1章作用：產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，決定每個(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻。圖1.9.4為基于脈沖變壓器PT和三極管放大器的驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)加至三極管放大器后，變壓器PT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(dòng)信號(hào)為零后，D1、DZ續(xù)流，PT的原邊電壓速降為零，防止變壓器飽和。1.9.2驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.4帶隔離變壓器的SCR驅(qū)動(dòng)電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路第1章圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：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)，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(dòng)電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路

1.9.2驅(qū)動(dòng)電路第1章開(kāi)通：在門(mén)極加正驅(qū)動(dòng)電流。2．GTO的驅(qū)動(dòng)電路GTO的幾種基本驅(qū)動(dòng)電路：關(guān)斷：在門(mén)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(guò)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(shí)，電容Ｃ放電，反向電流使GTO關(guān)斷。Ｒ起開(kāi)通限流作用，Ｌ在SCR陽(yáng)極電流下降期間釋放出儲(chǔ)能，補(bǔ)償GTO的門(mén)極關(guān)斷電流，提高了關(guān)斷能力。

該電路雖然簡(jiǎn)單可靠，但因無(wú)獨(dú)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(dòng)電路圖1.9.6(a)

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

導(dǎo)通時(shí)GTO門(mén)極與陰極間流過(guò)負(fù)電流而被關(guān)斷；1.9.2驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.6(b)2.GTO的幾種基本驅(qū)動(dòng)電路：（續(xù)）

由于GTO的開(kāi)通和關(guān)斷均依賴(lài)于一個(gè)獨(dú)立的電源，故其關(guān)斷能力強(qiáng)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(dòng)電路

圖1.9.6(c)中，導(dǎo)通和關(guān)斷用兩個(gè)獨(dú)立的電源，開(kāi)關(guān)元件少，電路簡(jiǎn)單。

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

1.9.2驅(qū)動(dòng)電路1)

作用:

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

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(dòng)電流波形如圖1.9.7所示)。②實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。③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GTR。④電路盡可能簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。圖1.9.7理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形

3．GTR的驅(qū)動(dòng)電路

第1章

3．GTR的參考驅(qū)動(dòng)電路（續(xù)）

圖1.9.8雙電源驅(qū)動(dòng)電路

圖1.9.10UAA4002組成的GTR驅(qū)動(dòng)電路第1章

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(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單，用于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于VDMOS。1.9.2驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.11采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路

圖1.9.12推挽輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電路

4．MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路第1章4．MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.13EXB8XX驅(qū)動(dòng)模塊框圖

圖1.9.14集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路

第1章1.9.1電力電子器件的換流方式

1.9.2

驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流、過(guò)壓，造成開(kāi)關(guān)器件的永久性損壞。過(guò)流、過(guò)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(cè)開(kāi)關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開(kāi)關(guān)器件，防止過(guò)流、過(guò)壓損壞開(kāi)關(guān)器件。檢測(cè)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)崩潰而造成事故。第1章措施：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(guò)電流繼電器等幾種過(guò)電流保護(hù)措施，提高保護(hù)的可靠性和合理性?？烊蹆H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(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。1.9.3保護(hù)電路圖1.9.16電力電子系統(tǒng)中常用的過(guò)流保護(hù)方案

1.過(guò)電流保護(hù)（過(guò)流包括過(guò)載和短路）第1章過(guò)電壓——外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓。外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程（由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起）等外因。內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程。

(1)換相過(guò)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(guò)，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(guò)電壓。

(2)關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，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(guò)電壓。1.9.3保護(hù)電路2．過(guò)電壓保護(hù)

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

過(guò)電壓的沖擊。C1R1是過(guò)電壓抑制環(huán)節(jié)，當(dāng)變壓器T的次極出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，過(guò)電壓對(duì)C1充電，由于電容上的電壓不能突變，所以C1R1能抑制過(guò)電壓。C2R2也是過(guò)電壓抑制環(huán)節(jié)，電路上出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通對(duì)C2充電，過(guò)電壓消失后C2對(duì)R2放電，二極管不導(dǎo)通，放電電流不會(huì)送入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)。2．過(guò)電壓保護(hù)

第1章作用：防止器件串聯(lián)使用時(shí)電壓、并聯(lián)使用時(shí)電流分配不均勻，使其電壓、電流超過(guò)器件的極限損壞器件。方法：

器件串聯(lián)時(shí)，除盡量選用參數(shù)和特性一致的器件外，常采用圖2.9.18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(shí)的正、反向電阻小得多），R13、C11、和R14、C12并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓。

器件并聯(lián)時(shí)，除了盡量選用參數(shù)和特性一致的器件外，常使每個(gè)器件串均流電抗器后再并聯(lián)，同時(shí)用門(mén)極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流。并且，IGBT具有電流的自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)。1.9.3保護(hù)電路圖1.