電力電子技術(shù) 第1章 電力電子器件2課件

《電力電子技術(shù)》

電子教案第1章電力電子器件21.5其他新型電力電子器件

1.5.1MOS控制晶閘管MCT

1.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT

1.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH

1.5.4集成門極換流晶閘管IGCT

1.5.5功率模塊與功率集成電路

注：以上內(nèi)容自學(xué)，簡單介紹1.5.5節(jié)1.5.1MOS控制晶閘管MCT

MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合

MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點：

MOSFET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MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN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MOSFETMCT曾一度被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀80年代以來一度成為研究的熱點。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未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用■1.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH

SITH（StaticInductionThyristor）——1972年，在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到，因其工作原理與SIT類似，門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流，因此SITH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結(jié)，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。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，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，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GTO在大功率場合的位置■1.5.5功率模塊與功率集成電路

20世紀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，從而簡化對保護和緩沖電路的要求將器件與邏輯、控制、保護、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）■1.5.5功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術(shù)難點：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,最近幾年獲得了迅速發(fā)展功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口■1.6電力電子器件器件的驅(qū)動

1.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述

1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路

1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(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措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)驅(qū)動電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，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■1.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型

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■1.6.2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)時刻進行控制的相位控制電路晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通（結(jié)合擎住電流的概念）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離■1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)

V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時間（<1s）t1~t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路■1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路電力MOSFET的一種驅(qū)動電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分無輸入信號時高速放大器A輸出負電平,V3導(dǎo)通輸出負驅(qū)動電壓當有輸入信號時A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓

三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動電路■1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路

IGBT的驅(qū)動：多采用專用的混合集成驅(qū)動器

圖1-33

M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖■1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）內(nèi)部具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號M57962L輸出的正驅(qū)動電壓均為+15V左右，負驅(qū)動電壓為-10V?！?.7電力電子器件器件的保護1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護

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：

(1)

操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起

(2)

雷擊過電壓：由雷擊引起

內(nèi)因過電壓主要來自裝置內(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■1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓保護措施

圖1-34過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種

其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇■

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1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護

外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結(jié)方式見圖1-35RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)圖1-35

RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相

■1.7.2過電流保護過電流——過載和短路兩種情況，常用措施（圖1-37）快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作圖1-37過電流保護措施及配置位置■1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）緩沖電路（SnubberCircuit）又稱吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流、di/dt，減少器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。

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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、減少關(guān)斷損耗。

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開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于吸收器件的開通時的電流過沖和抑制di/dt、減少開通損耗。

1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）緩沖電路作用分析無緩沖電路：di/dt、du/dt很大有緩沖電路：V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢V關(guān)斷時：負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓圖1-38

di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形■1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）

充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合

圖1-40示出另兩種，其中RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件

圖1-40另外兩種常用的緩沖電路a)

RC吸收電路b)放電阻止型RCD吸收電路■1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）緩沖電路中的元件選取及其他注意事項：Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊VDs必須選用快恢復(fù)二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10盡量減小線路電感，且選用內(nèi)部電感小的吸收電容中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個du/dt抑制電路

對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可■1.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

1.8.1晶閘管的串聯(lián)

1.8.2晶閘管的并聯(lián)

1.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點1.8.1晶閘管的串聯(lián)目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等承受電壓高的器件首先達到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個器件承擔全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿■1.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用1.8.1晶閘管的串聯(lián)靜態(tài)均壓措施：選用參數(shù)和特性盡量一致的器件采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時的正、反向電阻小得多圖1-41晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施■1.8.1晶閘管的串聯(lián)動態(tài)均壓措施動態(tài)不均壓——由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓動態(tài)均壓措施：選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異■1.8.2晶閘管的并聯(lián)目的：多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流問題：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻

均流措施挑選特性參數(shù)盡量一致的器件采用均流電抗器用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接■1.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點電力MOSFET并聯(lián)運行的特點：Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡的能力，容易并聯(lián)注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)電路走線和布局應(yīng)盡量對稱可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用

IGBT并聯(lián)運行的特點：在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負的溫度系數(shù)，在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)；并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián)?！霰菊滦〗Y(jié)電力電子器件的概念、特征和分類以及應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成；不可控器件：各種電力二極管；半控型器件：晶閘管；典型全控型器件：電力MOSFET、IGBT；電力電子器件的驅(qū)動及保護電路。作業(yè)P42題1、2、3、4、7、8和9其中：