電力電子資料第四章課件

第四章

全控型電力電子器件電力電子器件概述一、基本模型在對電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽象成下圖所示的理想開關(guān)模型，它有三個電極，其中A和B代表開關(guān)的兩個主電極，K是控制開關(guān)通斷的控制極。它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況，理想狀態(tài)下，在通態(tài)時其電阻為零，斷態(tài)時其電阻無窮大。二、基本特性（1）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。（2）電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)由外電路（驅(qū)動電路）來控制。（3）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開關(guān)損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，在其工作時一般都要安裝散熱器。（二）按控制信號的性質(zhì)不同分①電流控制型器件：

此類器件采用電流信號來實現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。

如：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等；

②電壓控制半導(dǎo)體器件：

這類器件采用電壓（場控原理）控制它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號，用小功率信號就可驅(qū)動它工作。

如：代表性器件為MOSFET和IGBT。（三）根據(jù)內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種類分1.單極型：器件內(nèi)只有一種載流子參與導(dǎo)電。如：功率MOSFET（功率場效應(yīng)晶體管）SIT（靜電感應(yīng)晶體管）2.雙極型：器件內(nèi)電子與空穴都參與導(dǎo)電。如：GTR（電力晶體管）GTO（可關(guān)斷晶閘管）SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）3.復(fù)合型：由雙極型器件與單極型器件復(fù)合而成如：IGBT（絕緣柵雙極晶體管）MCT（MOS控制晶閘管）附表:主要電力半導(dǎo)體器件的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域器件種類開關(guān)功能器件特性概略應(yīng)用領(lǐng)域電力二極管不可控5kV/3kA—400Hz各種整流裝置晶閘管可控導(dǎo)通6kV/6kA—400Hz8kV/3.5kA—光控SCR煉鋼廠、軋鋼機(jī)、直流輸電、電解用整流器可關(guān)斷晶閘管自關(guān)斷型6kV/6kA—500Hz工業(yè)逆變器、電力機(jī)車用逆變器、無功補(bǔ)償器MOSFET600V/70A—100kHz開關(guān)電源、小功率UPS、小功率逆變器IGBT1200V/1200A—20kHz4.5kV/1.2kA—2kHz各種整流/逆變器（UPS、變頻器、家電）、電力機(jī)車用逆變器、中壓變頻器一、GTR的結(jié)構(gòu)及工作原理a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。β——GTR的電流放大系數(shù)二、GTR的特性與主要參數(shù)(一)GTR共射電路輸出特性

深飽和區(qū)：UBE＞0,UBC＞0，IB變化時IC不再改變，管壓降UCES很小，類似于開關(guān)的通態(tài)。輸出特性：截止區(qū)(又叫阻斷區(qū))、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個區(qū)域。

截止區(qū)：IB＜0(或IB=0)，UBE＜0，UBC＜0，GTR承受高電壓，且有很小的穿透電流流過，類似于開關(guān)的斷態(tài)；線性放大區(qū)：UBE＞0，UBC＜0，IC=βIB，GTR應(yīng)避免工作在線性區(qū)以防止大功耗損壞GTR；

準(zhǔn)飽和(臨界飽和)區(qū)：隨著IB的增大，此時UBE＞0，UBC<0，但I(xiàn)C與IB之間不再呈線性關(guān)系，β開始下降，曲線開始彎曲；(二)GTR的開關(guān)特性1)關(guān)斷時間toff為：存儲時間ts和與下降時間tf之和。2)ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子所消耗時間.3)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的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。4)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Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。5)GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。2、關(guān)斷過程：1）延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。2）td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(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，從而加快開通過程。1、開通過程：

正偏安全工作區(qū)又叫開通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域。反偏安全工作區(qū)又稱GTR的關(guān)斷安全工作區(qū)。它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR關(guān)斷過程中電壓UCE、電流IC限制界線所圍成的區(qū)域。GTR的反偏安全工作區(qū)GTR正偏安全工作區(qū)

①正偏安全工作區(qū)FBSOA②反偏安全工作區(qū)RBSOA第二節(jié)可關(guān)斷晶閘管（GTO）可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor)簡稱GTO。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。

與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽、陰和門極。不同點：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。(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)電氣圖形符號一、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)二、可關(guān)斷晶閘管的工作原理1）GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是相同的。GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的,但在制作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。2）在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。第三節(jié)功率場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）1）分為結(jié)型場效應(yīng)管簡稱JFET）和絕緣柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOSFET）。2）通常指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET。3）4）特點：輸入阻抗高(可達(dá)40MΩ以上)、開關(guān)速度快，工作頻率高(開關(guān)頻率可達(dá)1000kHz)、驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)(SOA)寬；電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過10kW的電力電子裝置。N溝道P溝道電力MOSFET耗盡型：增強(qiáng)型:耗盡型增強(qiáng)型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；對于N（P）溝道器件,柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道

1）截止區(qū)：當(dāng)UGS＜UT(開啟電壓UT的典型值為2-4V)時；2）線性(導(dǎo)通)區(qū)：當(dāng)UGS＞UT且漏極電壓UDS很小時，ID和UGS幾乎成線性關(guān)系。又叫歐姆工作區(qū)；3）飽和區(qū)(又叫有源區(qū)):在UGS＞UT時，且隨著UDS的增大，ID幾乎不變;4）雪崩區(qū)：當(dāng)UGS＞UT，且UDS增大到一定值時；VDMOS管的輸出特性第四節(jié)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速開關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性兩者優(yōu)點的一種復(fù)合器件。IGBT于1982年開始研制，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，最高電壓等級達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(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。IGBT也屬場控器件，其驅(qū)動原理與電力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大于開啟電壓UGE(th)時，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時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。2.IGBT的工作原理二、IGBT的特性UGE>UGE(TH)(開啟電壓,一般為3～6V)；其輸出電流Ic與驅(qū)動電壓UGE基本呈線性關(guān)系；IGBT關(guān)斷：IGBT開通：UGE<UGE(TH)；

安全工作區(qū)

正偏安全工作區(qū)FBSOA：IGBT在開通時為正向偏置時的安全工作區(qū)，如圖(a)所示。

反偏安全工作區(qū)RBSOA：IGBT在關(guān)斷時為反向偏置時的安全工作區(qū)，如圖(b)所示IGBT的導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。

第五節(jié)驅(qū)動電路將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)：二、IGBT驅(qū)動電路第六節(jié)緩沖電路緩沖電路又稱為吸收電路。其中的電阻和電容分別稱為緩沖電阻和緩沖電容。其作用是抑制電力電子器件內(nèi)過電壓、du/dt或者過電流、di/dt,減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。可將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起，稱其為復(fù)合緩沖電路。還可以用另外的分類方法：緩沖電路中儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，則稱其為耗能式緩沖電路；如果緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，則稱其為饋能式緩沖電路，或稱為無損吸收電路。

GTR開通過程：一方面ＣS經(jīng)ＲS、ＬS和GTR回路放電減小了GTR承受較大的電流上率di/dt，另一方面負(fù)載電流經(jīng)電感ＬS后受到了緩沖，也就避免了開通過程中GTR同時承受大電流和高電壓的情形。

GTR關(guān)斷過程：流過負(fù)載ＲL的電流經(jīng)電感LS、二極管ＤS給電容ＣS充電，因為ＣS上電壓不能突變，這就使GTR在關(guān)斷過程電壓緩慢上升，避免了關(guān)斷過程初期器件中電流還下降不多時，電壓就升到最大值,同時也使電壓上升率du/dt被限制。第七節(jié)雙向晶閘管可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。比一對反并聯(lián)晶閘管經(jīng)濟(jì)，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。雙向晶閘管正反兩個方向都能導(dǎo)通，門極加正負(fù)信號都能觸發(fā)，因此有四種觸發(fā)方式。

（1）I+觸發(fā)方式陽極電壓為第一陽極T1為正，第二陽極T2為負(fù)；門極電壓G為正，T2為負(fù)，特性曲線在第一象限，為正觸發(fā)。

（2）I-觸發(fā)方式陽極電壓為第一陽