典型全控型器件

典型全控型器件1第1頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合——高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個嶄新時代。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。典型全控型器件1.42第2頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用1.4.13第3頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：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。圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

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)電氣圖形符號門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1幻燈片124第4頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+2>1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+2<1時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益α1和α2。門極可關(guān)斷晶閘管1.4.15第5頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1

（1）設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。（2）導(dǎo)通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。

（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。圖1-7晶閘管的工作原理6第6頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程：強(qiáng)烈正反饋——門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。門極可關(guān)斷晶閘管1.4.17第7頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月2.GTO的動態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr。圖1-14GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管1.4.18第8頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子——儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小——下降時間tf。殘存載流子復(fù)合——尾部時間tt。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短。門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時間。

GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管1.4.19第9頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月3.GTO的主要參數(shù)門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1——

延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。——

一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s。關(guān)斷時間toff開通時間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。10第10頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月最大可關(guān)斷陽極電流IATO門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1電流關(guān)斷增益offGMATOoffII=b（1-8）off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A。——GTO額定電流。

——最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。11第11頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月術(shù)語用法：電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電力晶體管1.4.212第12頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月1.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動電力晶體管1.4.2與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。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。幻燈片2213第13頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（1-9）

——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為ic=ib+Iceo

（1-10）產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE——在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為hFE。單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。電力晶體管1.4.214第14頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.GTR的基本特性

(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。圖1-16共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性電力晶體管1.4.215第15頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)

動態(tài)特性開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。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。圖1-17GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管1.4.216第16頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff

。ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。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。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。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。

GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管1.4.217第17頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.GTR的主要參數(shù)前已述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff

(此外還有)：

1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。電力晶體管1.4.218第18頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

2)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。

3)

集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。電力晶體管1.4.219第19頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月4.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。電力晶體管1.4.220第20頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。圖1-18GTR的安全工作區(qū)電力晶體管1.4.221第21頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）電力場效應(yīng)晶體管

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。1.4.322第22頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月1.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型——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

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型電力場效應(yīng)晶體管1.4.323第23頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月電力MOSFET的結(jié)構(gòu)電力場效應(yīng)晶體管1.4.3導(dǎo)通時只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。國際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號24第24頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論電力場效應(yīng)晶體管1.4.325第25頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力場效應(yīng)晶體管1.4.3絕緣柵雙極晶體管26第26頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月1)

靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性2.電力MOSFET的基本特性電力場效應(yīng)晶體管1.4.327第27頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET的漏極伏安特性：截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性電力場效應(yīng)晶體管1.4.328第28頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

2)

動態(tài)特性開通過程開通延遲時間td(on)——up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段。上升時間tr——uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段。iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和。圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程a)測試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測漏極電流電力場效應(yīng)晶體管1.4.329第29頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段。下降時間tf——

uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消失，iD下降到零為止的時間段。關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程a)測試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測漏極電流電力場效應(yīng)晶體管1.4.330第30頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET的開關(guān)速度

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。電力場效應(yīng)晶體管1.4.331第31頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月3.電力MOSFET的主要參數(shù)

電力場效應(yīng)晶體管1.4.3——電力MOSFET電壓定額

1)

漏極電壓UDS

2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額3)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。

除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

32第32頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS

廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss=CGS+CGD

（1-14）Crss=CGD

（1-15）Coss=CDS+CGD

（1-16）輸入電容可近似用Ciss代替。這些電容都是非線性的。

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。

一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點。

實際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?。電力場效?yīng)晶體管1.4.333第33頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件

絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）

GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有好的特性。

1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。

繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。1.4.434第34頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管1.4.435第35頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的結(jié)構(gòu)圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結(jié)J1?！笽GBT導(dǎo)通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。

RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管1.4.436第36頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的原理

驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。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。絕緣柵雙極晶體管1.4.4電力電子器件比較.ppt電力電子器件器件的驅(qū)動37第37頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月2.IGBT的基本特性

1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管1.4.438第38頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值一般為2~6V。輸出特性（伏安特性）——以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關(guān)系。分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。uCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管1.4.439第39頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

2)

IGBT的動態(tài)特性圖1-24IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.440第40頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

IGBT的開通過程

與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行。開通延遲時間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10%ICM2

。

電流上升時間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和。uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。圖1-24IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.441第41頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM

。電流下降時間——iC從90%ICM下降至10%ICM

。

關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。圖1-24IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.442第42頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET。IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間也是需要折衷的參數(shù)。高壓器件的N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時間的延長。絕緣柵雙極晶體管1.4.4通過對IGBT的基本特性的分析，可以看出：43第43頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月3.IGBT的主要參數(shù)絕緣柵雙極晶體管1.4.4——正常工作溫度下允許的最大功耗。3)最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。1)最大集射極間電壓UCES44第44頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：絕緣柵雙極晶體管1.4.4(1)

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。(2)

相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。(3)

通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。(4)

輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。(5)與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。45第45頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月4.IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)寄生晶閘管——由一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成。圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管1.4.446第46頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：絕緣柵雙極晶體管1.4.4IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。——NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。47第47頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月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1.548第48頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS控制晶閘管MCTMCT（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MOSFET。MCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)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(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。1.5.149第49頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月靜電感應(yīng)晶體管SITSIT（StaticInductionTransistor）——1970年，結(jié)型場效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點：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，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。1.5.250第50頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH（StaticInductionThyristor）——1972年，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(qiáng)。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。1.5.351第51頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月集成門極換流晶閘管IGCTIGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也稱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，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。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。1.5.452第52頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月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，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）。1.5.553第53頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月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——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——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——IPM）則專指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（IntelligentIGBT）。功率模塊與功率集成電路1.5.554第54頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jī)電一體化的理想接口。功率模塊與功率集成電路1.5.555第55頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月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1.656第56頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件驅(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(hù)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)。1.6.1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(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。57第57頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。

光隔離一般采用光耦合器

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型電力電子器件驅(qū)動電路概述1.6.158第58頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。驅(qū)動電路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(dá)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。電力電子器件驅(qū)動電路概述1.6.159第59頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管的觸發(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(jìn)行控制的相位控制電路。1.6.2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。60第60頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月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(qiáng)脈寬度IM強(qiáng)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TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2晶閘管的觸發(fā)電路1.6.261第61頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月典型全控型器件的驅(qū)動電路1)GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流。使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1.6.31.

電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路62第62頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月GTO驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.363第63頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路：圖1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路二極管VD1和電容C1提供+5V電壓

VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓

VD4和電容C4提供-15V電壓

V1開通時，輸出正強(qiáng)脈沖

V2開通時輸出正脈沖平頂部分

V2關(guān)斷而V3開通時輸出負(fù)脈沖

V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.364第64頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月2)GTR開通驅(qū)動電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。

圖1-30理想的GTR基極驅(qū)動電流波形典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.365第65頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月GTR的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負(fù)載較輕時，如V5發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2會自動導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持Ubc≈0。

C2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路。可實現(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。圖1-31

GTR的一種驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.366第66頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15~20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.367第67頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月1)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(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)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

。專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計的混合集成電路有三菱公司的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)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.368第68頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月2)IGBT的驅(qū)動

多采用專用的混合集成驅(qū)動器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(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)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(fù)驅(qū)動電壓為-10V。圖1-33

M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.369第69頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件器件的保護(hù)

1.7.1

過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

1.7.2

過電流保護(hù)

1.7.3

緩沖電路（SnubberCircuit）1.770第70頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)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。

1.7.171第71頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月圖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，屬于緩沖電路范疇過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

1.7.172第72頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月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1-35。圖1-35

RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相

RC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)。過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

1.7.173第73頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月大容量電力電子裝置可采用圖1-36所示的反向阻斷式RC電路圖1-36反向阻斷式過電壓抑制用RC電路保護(hù)電路參數(shù)計算可參考相關(guān)工程手冊其他措施：用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件限制或吸收過電壓過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

1.7.174第74頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月過電流保護(hù)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(hù)措施，提高可靠性和合理性。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。圖1-37過電流保護(hù)措施及配置位置1.7.275第75頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。選擇快熔時應(yīng)考慮：(1)電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定。(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。(3)快熔的I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值。(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。過電流保護(hù)1.7.276第76頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月快熔對器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種全保護(hù)：過載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護(hù)方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件（很難用快熔保護(hù)），需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快。過電流保護(hù)1.7.277第77頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月緩沖電路（SnubberCircuit）緩沖電路（吸收電路）：抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——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（di/dt抑制電路）——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起——復(fù)合緩沖電路。其他分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）。通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。1.7.378第78頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月緩沖電路作用分析無緩沖電路：V開通時電流迅速上升，di/dt很大。關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。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(fù)載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，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)波形緩沖電路（SnubberCircuit）1.7.379第79頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)斷時的負(fù)載曲線

圖1-39關(guān)斷時的負(fù)載線負(fù)載線ADC安全，且經(jīng)過的都是小電流或小電壓區(qū)域，關(guān)斷損耗大大降低。緩沖電路（SnubberCircuit）1.7.3有緩沖電路時：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負(fù)載線經(jīng)過D到達(dá)C。無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應(yīng)電壓使VD通，負(fù)載線從