電力電子演示文稿第一章簡版

電力電子技術(shù)

教師：非版權(quán)，僅供學(xué)習(xí)電話：請學(xué)習(xí)的人不要打擾老師概述一、什么是電力電子技術(shù)《電力電子技術(shù)》是利用電力電子元件，對電能進行轉(zhuǎn)換的技術(shù)。電能轉(zhuǎn)換：通過整流、逆變、斬波、變頻等手段，得到各種不同的電源。也可以說，該課程研究的是電源技術(shù)。電力電子器件是指大功率電子器件。如：晶閘管、絕緣柵雙極晶體管等；所以，該課程是弱電控制強電的橋梁。應(yīng)用廣泛。二、電力電子技術(shù)的發(fā)展史

1956年第一只晶閘管元件誕生于美國的貝爾實驗室；1957年美國通用電氣公司制成商品元件；1958年美國通用電氣公司制成工業(yè)用元件；1962年我國首次制造成第一支晶閘管元件。

隨著電力電子器件的誕生，新型的電力電子技術(shù)開始迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。

電力電子器件分類半控型元件：其控制極只能控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的元件；以晶閘管為代表。全控型元件：其控制極既可以控制其導(dǎo)通又可以控制其關(guān)斷的元件；以可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）為代表。復(fù)合型元件：由兩種以上器件復(fù)合而成的新器件；例如：由MOSFET和BJT組合而成的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）集MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點于一身，性能十分優(yōu)越，三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1、一般工業(yè)中直流電機調(diào)速：直流電動機以其良好的調(diào)速性能廣泛用于各種調(diào)速場合，其大功率的可調(diào)直流電源就是由晶閘管整流電路提供的。交流電機調(diào)速：交流電機以其成本低，可靠性高等特點被工業(yè)中大量使用，如各種軋鋼機，造紙機，數(shù)控機床及礦山牽引等，交流電動機控制一般采用變頻裝置進行調(diào)速。交流電動機的調(diào)速性能發(fā)展迅速，現(xiàn)在已可以與直流電動機相媲美，使交流調(diào)速技術(shù)越來越占據(jù)主導(dǎo)地位。電化學(xué)工業(yè)如：電解鋁、電解食鹽水、電鍍裝置都需要大容量整流電源。冶金工業(yè)中還大量使用高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等。

2、交通運輸中電氣機車中的直流機車采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置，在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。電動汽車的電機靠電力電子裝置進行電力變換和驅(qū)動控制，高級轎車中需要許多控制電機，它們都需要變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。飛機、輪船的控制也都離不開電力電子技術(shù)。

3、電力工業(yè)中在長距離、大容量輸電時直流輸電有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流和受電端的逆變都是晶閘管變流裝置；

4、其它程控交換機、計算機及各種電子裝置中使用的直流電源或不停電電源都是電力電子裝置提供的。照明設(shè)備中使用電力電子的照明電源體積小、發(fā)光效率高，可節(jié)省大量能源，被稱為“節(jié)能燈”。家用電器中的變頻空調(diào)也是典型例證。

總之，從人類對宇宙大自然的探索，到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都離不開電力電子技術(shù)。由于其巨大的應(yīng)用前景，激勵了許多學(xué)者和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和研究電力電子技術(shù)，才使其得以迅猛發(fā)展。現(xiàn)在自動化專業(yè)的研究生入學(xué)考試也要加試《電力電子技術(shù)》課程。四、本課程的性質(zhì)和特點本課程和《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程有相似之處，都是學(xué)習(xí)器件的課程，不同的是《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程學(xué)習(xí)的是晶體二極管和晶體三極管及由其組成的各種典型電路；而本課程學(xué)習(xí)的是晶閘管器件和由其組成的各種典型電路。本課程是從事電類的工程技術(shù)人員的必修課；是后續(xù)《直流控制系統(tǒng)》《交流控制系統(tǒng)》等專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)，是我們自動化專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。

1、熟悉和掌握元件特性；2、熟練掌握各種電路的工作原理，波形特點及計算方法；特別是整流電路和有源逆變電路3、本課程的特點是利用各種波形進行原理分析，因此，學(xué)習(xí)中應(yīng)理解并熟練掌握波形的特點及畫法。

第一章電力電子器件本章將學(xué)習(xí)各種電力電子器件，學(xué)習(xí)的器件有：電力二極管、晶閘管、典型全控型器件及新型電力電子器件。主要應(yīng)掌握各種器件的概念、工作原理、特性以及其主要參數(shù)。1．1電力二極管

電力二極管和以前學(xué)過的二極管相似，主要區(qū)別是功率大。大量應(yīng)用于電氣（大功率）設(shè)備中。一、

工作原理外型：分為螺栓型和平板型兩種。見p11

其工作原理同二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)當(dāng)二極管不導(dǎo)通時，二極管的電阻阻值較高，當(dāng)PN結(jié)上流過較大的正向電流時，注入并積累在N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導(dǎo)體的電中性條件，其多子濃度也相應(yīng)大幅度增大，使其電阻明顯下降，這就是“電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)”。

二、基本特性1、靜態(tài)特性：同二極管相似。

2、動態(tài)特性：P13圖a中If和UF，該圖為由導(dǎo)通

轉(zhuǎn)換為截止時的動態(tài)過程。當(dāng)正向?qū)ǖ墓茏油饧与妷和蝗蛔優(yōu)榉聪驎r，該管子不能立即關(guān)斷，需經(jīng)過一段時間才能獲得反向阻斷能力，進入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴有明顯的反向電壓出現(xiàn)。這是因為導(dǎo)通時正向電流較大，在PN結(jié)兩側(cè)儲存的大量少子需要被清除掉的緣故。三、主要參數(shù)

1、正向平均電流IF（AV）：參見后面晶閘管參數(shù)。2、正向壓降UF：流過某一穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。3、反向重復(fù)峰值電壓URRM：通常是雪崩擊穿電壓的2/3。四、主要類型

1、普通二極管：又稱整流二極管2、快恢復(fù)二極管：恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短。（一般在5μs以下）3、肖極特二極管：反向恢復(fù)時間更短（10—40ns），

1.2晶閘管的結(jié)構(gòu)及其工作原理一、晶閘管的結(jié)構(gòu)

1、外部結(jié)構(gòu)見P16圖1－6外部結(jié)構(gòu)分為：螺栓式：安裝方便，散熱性差，100A以下平板式：安裝不便，散熱性好，200A以上

2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)它是四層三端元件，四層為P1、N1、P2、N2（見圖）；三端為陽極A、陰極K、門極G（控制極）。在電路中的符號：二、工作原理：1、晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷條件：以晶閘管和燈泡串聯(lián)電路分析：

導(dǎo)通條件：

（1）主回路加正向偏置電壓；

（2）控制回路加正向偏置電壓（門極為正、陰極為負）。

兩者缺一不可。

該特點和三極管類似，門極信號相當(dāng)于三極管的基極信號。

關(guān)斷條件：

主回路電流小于維持電流IH（或等于零）

管子一旦導(dǎo)通，控制極就失去了控制作用，欲關(guān)斷晶閘管只能靠減小主回路電壓使主回路電流減小，當(dāng)主回路電流小于維持電流IH時管子關(guān)斷。由此可見：晶閘管的控制極只能控制管子導(dǎo)通而不能控制管子關(guān)斷。這是晶閘管和三極管的主要區(qū)別。2、從物理結(jié)構(gòu)分析其內(nèi)在原因：

當(dāng)加Ig時BG1導(dǎo)通，Ic1＝α1Ib1

Ib2＝Ic1＝α1Ib1，使BG2導(dǎo)通，則

Ic2＝α2Ib2

＝α1α2Ib1

Ic2和

Ig同時加在BG1的基極，使BG1飽和導(dǎo)通，BG2也飽和導(dǎo)通，使兩管瞬時飽和導(dǎo)通。導(dǎo)通后，兩管形成正反饋，即使去掉Ig，管子也不會關(guān)斷。三、晶閘管的特性

本節(jié)主要研究晶閘管的兩條特性，即：靜態(tài)特性、動態(tài)特性。

1、靜態(tài)特性靜態(tài)特性由正向特性和反向特性兩部分組成；

第1象限為正向特性，分為阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)兩段，只加正向偏置uA，不加門極信號Ig

時為阻斷狀態(tài)；加Ig后，進入導(dǎo)通狀態(tài)。

第Ⅲ象限為反向特性為加反向電壓時的特性，反向特性和二極管完全相同。2、動態(tài)特性

*開通過程：晶閘管開通時外電路的電感存在，再加上正反饋需要時間，晶閘管的開通過程不可能是瞬時的。從門極加上階躍信號開始到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%，這段時間稱為延遲時間td；陽極電流從10%到90%所需的時間稱為上升時間tr；兩者之和即為開通時間tgt：

tgt=td+tr

開通時間與外電路電感有關(guān)，也與陽極電壓的大小有關(guān)。

*關(guān)斷過程同理，由于外電感的存在，晶閘管的關(guān)斷過程也需要一定的時間。和二極管的關(guān)斷過程類似，當(dāng)外加反向電壓后，陽極電流將逐步衰減到零，在反方向會流過反向恢復(fù)電流并形成反向電壓。

反向阻斷恢復(fù)時間trr：反向電流對應(yīng)的一段時間p18圖；

正向阻斷恢復(fù)時間tgr：由于載流子復(fù)合過程比較慢，反向恢復(fù)過程結(jié)束后，晶閘管要恢復(fù)其正向阻斷能力還需要一段時間；晶閘管的關(guān)斷時間tq定義為trr與tgr之和：

tq=trr+tgr四、晶閘管的主要參數(shù)

因晶閘管是大功率元件，過載性能較差。因此，定量地掌握其參數(shù)對保證電路的可靠工作是非常重要的。晶閘管的主要參數(shù)分為：電壓參數(shù)、電流參數(shù)、動態(tài)參數(shù)。

電壓參數(shù)1、正向重復(fù)峰值電壓Udrm

（阻斷態(tài)）定義：門極斷開，在保證元件結(jié)溫小于額定結(jié)溫前提下，所允許重復(fù)施加的最大正向峰值電壓。正向不重復(fù)峰值電壓Udsm

不允許重復(fù)加在元件上的正向電壓的峰值。

兩者關(guān)系Udrm＝90％Udsm2、反向重復(fù)峰值電壓Urrm定義：與上述類似，指反向電壓時。反向不重復(fù)峰值電壓

U

rsm

兩者關(guān)系Urrm＝90％U

rsm3、額定電壓：Ue

取兩個重復(fù)電壓Udrm和Urrm中的較小者定義為額定電壓。即對額定電壓為Ue的管子，用于交流電路時，其正反向電壓都要加到Ue

實際選擇晶閘管時，應(yīng)?。?/p>

Ue＝（2－3）U峰

其中：U峰為電路中的峰值電壓。電流參數(shù)

1、通態(tài)平均電流IT（AV）

――額定電流

定義：在環(huán)境溫度為40度和規(guī)定的冷卻條件下，元件通以正弦半波的電流且導(dǎo)通180度時，其電流在一周期內(nèi)平均值。

晶閘管額定電流是以平均電流定義的，而決定管子耐受電流（發(fā)熱）程度的主要是電流的有效值；一般來說，有效值和平均值是不成正比的，就是說不能直接由平均值來選擇管子，應(yīng)換算為有效值來選擇管子，該換算過程也稱為折算。要進行折算先要知道有效電流和平均電流的關(guān)系，即有效電流和額定電流的關(guān)系。

定義波形系數(shù)Kf＝有效電流/平均電流，表示兩者關(guān)系。根據(jù)額定電流定義，若電流峰值為Im

，電流平均值為：有效電流應(yīng)為：則：Kf意義為在定義的波形下，電流有效值和平均值（額定值）的比例關(guān)系為1.57，Kf是和波形有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)波形改變時，其值也會改變。

由此關(guān)系可得：額定電流為IT(AV)

的管子允許流過的有效電流I為:

選取晶閘管時，應(yīng)嚴格控制晶閘管中的有效電流小于I,應(yīng)使I和管子中實際流過的有效電流相等。

實際電路中若管子中流過的有效電流為IT，選擇管子應(yīng)按照下式折算:

其中（1.5－2）倍為安全余量。例：采用晶閘管作為單向?qū)щ婇_關(guān)的交流電路(如圖)，已知電路中平均電流為Id＝50A，晶閘管導(dǎo)通了90度，電流波形如圖，試問應(yīng)選用多大的晶閘管元件。

解：雖然電路中平均電流為50安，但不能選擇50安的管子。而應(yīng)按上述公式進行折算。先求出電路中的有效電流。已知電路的平均電流為50A，它對應(yīng)的有效電流應(yīng)為Kf×50；

90度電路的波形系數(shù)為：電路中的有效電流為：

IT=Kf＊Id＝2.22＊50按前面的折算公式，晶閘管的額定電流應(yīng)為：實選130A當(dāng)實際電流波形和定義中電流波形不同時，一定要進行上述折算。否則，可能燒壞管子。

2、維持電流IH

：維持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流3、擎柱電流IL：管子從斷態(tài)轉(zhuǎn)到通態(tài)的瞬間，去掉門極觸發(fā)信號后維持管子繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流。（2－4）IH4、浪涌電流：由于異常情況引起的使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性的最大過載電流，應(yīng)限制其出現(xiàn)次數(shù)。動態(tài)參數(shù)1、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt：不導(dǎo)致元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)到通態(tài)的最大主電壓上升率正向電壓的du/dt過大時，在管子的PN結(jié)J2處就會有足夠的充電電流流過（PN結(jié)相當(dāng)于電容），對J3此電流作用和ig相同，故使管子誤導(dǎo)通。

iC＝Cdu/dt2、通態(tài)電流臨界上升率di/dt：在通常情況下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。門級流入電流時，開始晶閘管只在門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，然后導(dǎo)通區(qū)逐漸擴大至全部結(jié)面，如di/dt太大，則剛一導(dǎo)通時很大的電流集中在門極附近區(qū)域內(nèi)，使局部過熱損壞管子。

五、晶閘管的派生器件

晶閘管的派生器件包括：快速晶閘管、雙向晶體管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管。1、快速晶閘管：為工作在更高頻率而設(shè)計的晶閘管。從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管一般為幾百微秒，快速晶閘管為幾十微秒。而高頻晶閘管僅為10微秒2、雙向晶閘管

可用來代替兩個反并聯(lián)的晶閘管，由于是雙向元件主電路無陰陽極之分。都可接正也可接負。而且，正反向都可由＋、－兩種脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，所以觸發(fā)電路設(shè)計相對比較靈活。其特性是在Ⅰ、Ⅲ象限，均為普通晶閘管導(dǎo)通特性。雙向晶閘管與一對反并聯(lián)晶閘管相比比較經(jīng)濟，所以，廣泛用于交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器和交流調(diào)速等領(lǐng)域，使電路更為簡化。。由于常用于交流電路中，故用有效值表示其額定電流。

3、逆導(dǎo)晶閘管正向同晶閘管，反向同整流管，相當(dāng)于晶閘管和整流管反并聯(lián)，表示符號如下圖，用于逆變、斬波等電路中。其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖：特點：正向壓降小，關(guān)斷時間短，高溫特性好，元件數(shù)目減少，裝置體積小。額定電流為：晶閘管電流/整流管電流

例：300/5004、光控晶閘管

利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，多用于需要進行電隔離的電路中。光控晶閘管目前在高壓大功率的場合占據(jù)重要的地位。

1．3典型全控型器件既可以控制其導(dǎo)通又可以控制其關(guān)斷的器件稱為全控型器件。例如：門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、絕緣柵雙極晶體管是其典型代表。

1．3．1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

門極加負脈沖可使其關(guān)斷。優(yōu)點是容量較大，因而在兆瓦級以上的大功率場合應(yīng)用。

1、GTO結(jié)構(gòu)及工作原理

GTO結(jié)構(gòu)和普通晶閘管相似，也是四層三端元件；不同的是，其內(nèi)部分為數(shù)十個小GTO單元，這些小GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。這種特殊結(jié)構(gòu)是為了便于實現(xiàn)門極關(guān)斷而設(shè)計的。

GTO的多元結(jié)構(gòu)除對關(guān)斷有利外，使開通過程更快，承受的di/dt能力更強。

2、GTO的主要參數(shù)：

這里只介紹和晶閘管不同的參數(shù)。最大陽極可關(guān)斷電流IATO

：這是GTO的額定電流參數(shù)電流關(guān)斷增益βoff：最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM

之比稱為電流關(guān)斷增益。

βoff=IATO/IGMΒoff一般很小，只有5左右，這是GTO的主要缺點。需要指出的是，不少GTO都制成逆導(dǎo)型，不能承受反向電壓。當(dāng)需要承受反向電壓時，應(yīng)串二極管。

1．3．2電力晶體管GTR（BJT）

電力晶體管譯為英文是巨型晶體管，是一種耐高壓，耐大電流的雙結(jié)型晶體管。它主要是在中、小功率范圍取代晶閘管，目前，又被絕緣柵極晶體管和電力場效應(yīng)管取代。其結(jié)構(gòu)及工作原理與普通的晶體管類似，不再詳述。主要特性是耐高壓，大電流，開關(guān)特性好。

1．3．3電力場效應(yīng)晶體管MOSFET電子學(xué)中場效應(yīng)管分為結(jié)型和絕緣柵型，電力場效應(yīng)管也分為兩種，使用較多的是絕緣柵型場效應(yīng)管，簡稱MOSFET。場效應(yīng)管外端有源極、漏極和柵極。它是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的特點一是驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率?。欢情_關(guān)速度快，工作頻率高。但是，其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10KW的裝置上。

導(dǎo)電原理和小功率MOS管類似，只是小功率MOS管的導(dǎo)電溝道是平行于芯片表面，為橫向?qū)щ娖骷?。而MOSFET采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET，這樣極大的提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

P26圖1-19給出了N溝道管和P溝道管的電器符號圖。

1、電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理：漏源極（D,S）接為正偏柵極無電壓時，漏源極之間無電流流過。柵極和源極之間加上正偏電壓UGS，由于柵極是絕緣的，所以沒有柵極電流流過。但柵極的正電壓卻會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將N區(qū)中的電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。形成反型層。使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電。電力MOSFET管分為耗盡型和增強型實際使用時主要是

N溝道增強型。

2、MOSFET管的基本特性靜態(tài)特性：漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。輸入阻抗極高，輸入電流非常小。見圖1-20其漏極伏安特性稱為輸出特性。分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加。電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，在截止區(qū)和飽和區(qū)之間轉(zhuǎn)換。（書上錯）工作頻率可達100KHZ以上，是電力電子器件中最高的。MOSFET的開關(guān)時間在10—100ns之間，這是由于MOSFET只靠多子導(dǎo)電不存在少子儲存效應(yīng)；MOSFET的開關(guān)速度和輸入電容的充放電有很大關(guān)系，使用者無法降低MOSFET管內(nèi)部電容，但可以降低柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻RS，加快開關(guān)速度。電力MOSFET是場控器件，靜態(tài)時幾乎不需要輸入電流，但是在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，需要的驅(qū)動功率越大。

3、電力MOSFET的主要參數(shù)

開啟電壓UT：使管子導(dǎo)通的柵極電壓。大于UT時，形成N型反型層。漏極電壓UDS：是電力MOSFET的額定電壓?？鐚?dǎo)Gfs：轉(zhuǎn)移特性的斜率被定義為MOSFET的跨導(dǎo)Gfs

即：Gfs=dID

/dUGS漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM：這是電力MOSFET的電流定額。柵源電壓UGS：柵源之間的絕緣層很薄，|UGS|>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。實際使用時應(yīng)注意留有一定的裕量。

1．3．4絕緣柵雙極晶體管IGBT

GTO和GTR是電流驅(qū)動器件，其通流能力很強，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。而MOSFET是電壓驅(qū)動器件，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，驅(qū)動電路簡單。但功率較小。將上述兩類器件相互取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件即為絕緣柵雙極晶體管，簡稱為IGBT。它綜合了兩種器件的優(yōu)點，因而具有良好的性能。成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。若能繼續(xù)提高電壓和電流容量，還可取代GTO的地位。

1、

IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理IGBT也是三端器件，具有柵極，集電極和發(fā)射極，如P29圖1-22可以看出它是由雙極型晶體管和MOSFET組合成的達林頓結(jié)構(gòu)。相當(dāng)于由一個MOSFET驅(qū)動的PNP晶體管。圖中RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。因此，IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。開通：當(dāng)UGE大于開啟電壓時，使IGBT導(dǎo)通。由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得電阻RN減小，這樣IGBT的通態(tài)壓降很小。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。

上述PNP晶體管與N溝道

MOSFET組合而成的IGBT稱為N-IGBT，實際當(dāng)中使用較多。2、IGBT的基本特性靜態(tài)特性圖1-23a所示為IGBT的轉(zhuǎn)移特性，它描述的是柵極電壓UGE和電流IC之間的關(guān)系.圖1-23b所示為IGBT的輸出特性，也稱伏安特性，此特性與GTR的輸出特性相似。也分為三個區(qū)域，正向阻斷區(qū)，有源區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中IGBT是工作在開關(guān)狀態(tài)。動態(tài)特性與電力MOSFET的動態(tài)過程相似。但IGBT中雙極型PNP的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于電力MOSFET管。3、

IGBT的主要參數(shù)除上面提到的參數(shù)外，IGBT的主要參數(shù)還有：最大集射極間電壓UCES：由PNP晶體管的擊穿電壓確定；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PCM：在正常的工作溫度下，允許的最大耗散功率。IGBT的特性和參數(shù)總結(jié)如下：P31此外，IGBT經(jīng)常制成逆導(dǎo)器件，使用時應(yīng)加以注意。

1．4電力電子器件的驅(qū)動1．4．1驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路是給控制極提供信號的電路；

例如:晶閘管的門極信號就是由驅(qū)動電路提供的.

驅(qū)動電路一般要提供電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或電磁隔離。光隔離使用光耦合器,如：發(fā)光二極管，光敏晶體管組成；磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。驅(qū)動電路可以由分立元件組成，但目前趨勢是采用專用的集成驅(qū)動電路，使用時應(yīng)首選器件生產(chǎn)廠家開發(fā)的集成驅(qū)動電路。

1．4．2晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路將在“整流電路”一章中討論。

1．4．3全控型器件的驅(qū)動電路

GTO的驅(qū)動電路：

GTO為門極可關(guān)斷晶閘管，對觸發(fā)脈沖的要求如下：在整個導(dǎo)通期間需加正向門極電流，關(guān)斷時加負門極電流，關(guān)斷之后還需施加負偏壓，以提供抗干擾能力。下圖1-29為典型的直接耦合型GTO驅(qū)動電路。其驅(qū)動電路包括開通驅(qū)動電路，關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，

倍壓原理：正半波時，經(jīng)VD1給C1充電，至+5V；負半波時，C1和負電源經(jīng)VD2給C2充電，至10V；正半波時，C2和電源經(jīng)VD3給C3供電，為15V。起到3倍電源電壓作用。

電路工作原理：V1開通時，輸出正強脈沖；V2開通時，輸出正脈沖的平頂部分。；V3開通、V2關(guān)斷時，輸出負脈沖；V3關(guān)斷后電阻R3R4提供負脈沖平頂部分。2、GTR的驅(qū)動電路

由于GTR工作時處于臨界飽和狀態(tài)，關(guān)斷時須加一定的負電流（有利于減小關(guān)斷時間）。

下圖為GTR的驅(qū)動電路，包括電器隔離部分和晶體管放大部分。

當(dāng)光電二極管導(dǎo)通，使V2導(dǎo)通。V3截止V4、V5、V6導(dǎo)通，發(fā)出脈沖。VD2為抗飽和嵌位電路，當(dāng)V過飽和使集電極電位低于基極電位時，VD2自動導(dǎo)通，防止V過飽和。3、MOSFET驅(qū)動電路：使MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般為10－15V，驅(qū)動電路包括電氣隔離和晶體管放大兩部分。

ui工作原理：當(dāng)無輸入信號時，放大器A輸出負電平，V3導(dǎo)通輸出負驅(qū)動電壓；當(dāng)有輸入信號時A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓，使管子導(dǎo)通。4、IGBT驅(qū)動電路

IGBT驅(qū)動電路常采用集成驅(qū)動器，這些電路內(nèi)部都具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)，并給出故障信號。

電路工作原理較簡單，自行學(xué)習(xí)。1.5電力電子器件的保護

由于電力電子電路過載能力差，為保證電路可靠工作，除了合理選擇參數(shù)，設(shè)計良好的驅(qū)動電路外，還應(yīng)采用合適的過電壓保護，過電流保護，以及du/dt保護和di/dt保護。1.5.1過電壓的產(chǎn)生及保護過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓。1、外因過電壓有：*操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓（電流突變），電網(wǎng)側(cè)的過電壓會由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合過來。*雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。2、內(nèi)因過電壓主要指關(guān)斷過電壓：當(dāng)器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速下降，由線路電感感應(yīng)出的過電壓。

下圖給出了各種過電壓保護措施：

在抑制外因過電壓時，常采用RC電路，其典型連接見下圖：

CaCaCaCaCdcRaRaRaRaRdcRdcCdc++__網(wǎng)側(cè)閥側(cè)直流側(cè)對大容量裝置，可采用如圖所示反向阻斷式RC電路：由于使用了一組整流橋，故只需使用一個電容；并因為電容只承受直流電壓，可采用體積小，容量大的電解電容；同時可避免晶閘管導(dǎo)通時由于電容放電而使晶閘管的di/dt增加。1.5.2過電流保護過電流保護分過載和短路兩種。過電流保護常采用快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。在選擇幾種保護措施時應(yīng)首先用電子電路進行過電流保護，再使過電流繼電器在過載時動作，其次是直流快速熔斷器和快熔短路保護。

過電流保護措施見下圖：

1.5.3緩沖電路緩沖電路的作用是抑制電力電子器件的過電壓、過電流、du/dt和di/dt。下圖給出關(guān)斷緩沖電路和開通di/dt抑制電路的電路圖。V為絕緣柵雙極晶體管

備注絕緣柵雙極晶體管V開通時，Cs向V放電，因為有Li的存在，i上升速度緩慢（減小di/dt）。V關(guān)斷時，電流突然減小，在L上會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢，這時VDi和Ri可起到抑制作用。同時V經(jīng)VD