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1、名师精编优秀教案控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2第 1章电力电子器件重点：1.各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。最重要的是掌握其基本特性。2.电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。3.掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。4.由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求。主要内容 : 1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征(1) 主电路 （main
2、power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路(2) 电力电子器件（power electronic device ）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件(3) 电力电子器件的一般特征：能处理大电功率：其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需
3、要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗，阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗，器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素安装散热器保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏。1.1.2 应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、 驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。控制电路通过检测电路按系统的工作要求形成控制信号， 通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。电力电子系统主要是由主电路和控制电路组成的。
4、主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，一般需要进行电气隔离 ，通过其它手段如光、磁等来传递信号。由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵， 但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此， 在主电路和控制电路中附精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 16 页名师精编优秀教案加一些 保护电路 ，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行。1.1.3 电力电子器件的分类（1）按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，
5、分为以下三类：半控型器件 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断包括晶闸管 （Thyristor ）及其大部分派生器件。器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。全控型器件 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件包括 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor IGBT ）电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET ）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO不可控器件 不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。包括 电力二极管（ Power Diode ） ，只
6、有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的（2）按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：1电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。2电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 （3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：单极型器件 由一种载流子参与导电的器件双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件1.2 不可控器件：电力二极管1.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管
7、一样，以半导体 PN 结为基础，由一个面积较大的 PN 结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型。PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在 1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN 结的反向截止状态PN 结的单向导电性，二极管的基本原理就在于PN 结的单向导电性这一主要特征，PN 结的反向击穿，有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。结电容的影响：势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。 而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容
8、为结电容主要成分。结电容影响PN 结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：? 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。? 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。? 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 16 页名师精编优秀教案IOIFUTOUFU? 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造
9、成正向压降较大。1.2.2 电力二极管的基本特性1. 静态特性（电力二极管伏安特性图）主要指其伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压 UTO） ，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压 UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。2. 动态特性因结电容的存在， 三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。开关特性 反映通态和断态之间的转换过程。关断过程 ：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显
10、的反向电压过冲。开通过程：电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态降的某个值（如2V） 。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。1.2.3 电力二极管的主要参数1. 正向通态平均电流IF(AV) 额定电流 在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较
11、高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。2. 正向压降UF b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt关断过程开通过程精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 16 页名师精编优秀教案指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。3. 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加
12、的反向最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压UB的 2/3 。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍 来选定。4. 最高工作结温TJM结温 是指管芯PN 结的平均温度，用TJ表示最高工作结温是指在 PN 结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在 125175 C 范围之内。5. 反向恢复时间trr trr= td+ tf，关断过程中，电流降到0 起到恢复反响阻断能力止的时间。6. 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。1.2.4 电力二极管的主要类型1. 普通二极管 （General Purpose Diode）又称整流
13、二极管（Rectifier Diode ），多用于开关频率不高（1kHz 以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5ms以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD ）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5ms 以下）的二极管，也简称快速二极管，工艺上多采用了掺金措施。3. 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD ） ，简称为肖特基二极管肖特基二极管的弱点，当反向耐压提高时，其
14、正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V 以下，反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点: 反向恢复时间很短（1040ns ） ，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲，在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。1.3 半控型器件 晶闸管1.3.1 晶闸管的结构与工作原理1. 结构：外形：外形有螺栓型和平板型两种封装对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间图形符号：阳极 A、阴极 K和门
15、极（控制端）G三端元件。2工作原理：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 16 页名师精编优秀教案正向导通雪崩击穿O+ UA- UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM导通条件： 晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。截止条件：要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流）以下。承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。1.3.2 晶闸管的基本特性1. 晶闸管的伏安特性正向特性
16、（第 I 象限） :IG=0 时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压 Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在1V左右导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。反向特性 ( 第 III象限 ) ：晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。门极伏安特性:晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电
17、压、电流和功率应限制在可靠触发区。2. 动态特性1) 开通过程 :延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始， 到阳极电流上升到稳态值的 10%的时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90% 所需的时间开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr普 通 晶 闸 管 延 迟 时 间 为0.51.5ms ， 上 升 时 间 为0.53ms2) 关断过程：反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA精选学习资料 - - -
18、 - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 16 页名师精编优秀教案关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。3)晶闸管的损耗 : 通态损耗 :晶闸管在稳定导通期的功率损耗. 断态损耗 :晶闸管在稳定断态期的功率损耗。开通损耗 :开通过程中出现的较大瞬时功率损耗。关断损耗 :关断过程中出现的较大瞬时功率损耗。1.3.3 晶闸管的主要参数1. 电压定额1)断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。2)反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上
19、的反向峰值电压。3)通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和 URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量 , 一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23 倍。2. 电流定额1)通态平均电流IT(AV)额定电流 -晶闸管在环境温度为40 C 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管应留一定的裕量，一般取1.52 倍。2)维持电流IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。3)擎住电流IL晶闸管刚
20、从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为 IH的 24 倍4）浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的，并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。3. 动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 16 页名师精编优秀教案(1)断态电压临界上升率du/dt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。(2) 通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。
21、1.3.4 晶闸管的派生器件1. 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST ）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10ms 左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。2. 双向晶闸管（Triode AC Switch TRIAC或Bidirectional triode thyristor）可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，有两个主电极T1和 T2，一个门极G 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管
22、在第和第III 象限有对称的伏安特性与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器 （Solid State Relay SSR ）和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。3. 逆 导 晶 闸 管 （ Reverse Conducting Thyristor RCT）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、 关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。4. 光控晶闸管（ Light Triggered Thyri
23、stor LTT ）又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器，光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。1.4 典型全控型器件典型代表 门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。一 、门极可关断晶闸管 （Gate-Turn-Off Thyristor GTO ）1 特点：（1）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压
24、降增大a)b)IOUIG=0GT1T2b)a)UOIKGAIG=0精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 16 页名师精编优秀教案GMATOoffII（2）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流关断过程： 强烈正反馈 门极加负脉冲即从门极抽出电流，则 Ib2减小，使IK和 Ic2减小， Ic2的减小又使IA和 Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当 IA和 IK的减小到一定程度时， 器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO 比普通晶闸管开通过程快，承受 di
25、/dt 能力强。2. GTO 的动态特性开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr开通 : 延迟时间 td, 上升时间tr,与晶闸管相同。关断 : 储存时间ts: 抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间 ,GTO电流不变。tf: 下降时间：阳极电流逐渐减小的时间。tt: 尾部时间：残存载流子复合所需的时间。3. GTO 的主要参数许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数1)最大可关断阳极电流IATO：GTO 额定电流。2)电流关断增益b：off：最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGm之比称为电流关断增益。3)开通时间ton： ton=td
26、+tr，延迟时间td 一般约 1-2s ，上升时间tr 则随通态阳极电流值的增大而增大。4)关断时间toff toff=ts+tf，不包括尾部时间。GTO 的储存时间ts 随阳极电流的增大而增大，下降时间tf 一般小于2s。4GTO的优缺点：电压电流容量大，适合于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强。电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。二、电力晶体管（Giant Transistor GTR ，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor BJT ） ，英文有时候也称为
27、 Power BJT 在电力电子技术的范围内，GTR 与 BJT 这两个名称等效应用20 世纪80 年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力Ot0t图1-14iGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 16 页名师精编优秀教案MOSFET 取代1. GTR 的结构和工作原理：与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。2. GTR 的基本特性(1)静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区在电力电子电路中GT
28、R 工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。(2)动态特性关断过程（显示图）储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff toff = ts + tfGTR 的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO 都短很多。3. GTR 的主要参数前已述及：电流放大倍数，直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff 外还有：1)最高工作电压 GTR 上电压超过规定值时会发生击穿BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低
29、得多。2)集电极最大允许电流IcM实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点1.GTR 的二次击穿现象与安全工作区一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿，只要Ic不超过限度，GTR 一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿：一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降，将导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。安全工作区（Safe Operating Area SOA ）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。5GTR的优缺点：耐压高，开关特性好，通流能力强，饱和压降低。开关速度低，为电流驱
30、动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。三、电力场效应晶体管精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 16 页名师精编优秀教案主要指绝缘栅型中的MOS 型（ Metal Oxide Semiconductor FET ）电力 MOSFET的结构（ 图 1-19 ）导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。电力 MOSFET的工作原理 （1）加正向电压：截止： 漏源极间加正电源，栅源极间电压为零P 基区与 N 漂移区之间形成的PN 结 J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电： 在栅源极间加正电压UGS，栅
31、极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开， 而将 P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，使P 型半导体反型成N 型而成为 反型层 ，该反型层形成N沟道而使PN结 J1消失，漏极和源极导电。 （2）加反向电压时:D-S 之间有一 PN节，加反压时二极管导通，MOSFET 是一个逆导型器件。2. 电力 MOSFET的基本特性静态特性转移特性; 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为 MOSFET 的转移特性。漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的
32、饱和区）电力 MOSFET 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力 MOSFET 的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2)动态特性开通过程（开关过程图）开通延迟时间td(on)up前沿时刻到uGS=UT并开始出现 iD的时刻间的时间段上升时间truGS从uT上升到 MOSFET 进入非饱和区的栅压UGSP的时间段iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关。UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd
33、(on)trtd(off)tf精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 16 页名师精编优秀教案开通时间tonton=td(on)+tr关断过程 关断延迟时间td(off)up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段下降时间tfuGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V 将导致绝缘层击穿4)极间电容极间电容CGS、CGD和 CDS输入电容可近似用Ciss代替这些电容 ,都是非线性的 . 5)安全工作区 :漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSF
34、ET 的安全工作区一般来说，电力MOSFET 不存在二次击穿问题,这是它的一大优点。实际使用中仍应注意留适当的裕量MOSFET的优缺点：用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单， 需要的驱动功率小；开关速度快， 工作频率高，不存在二次击穿的问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置。四、绝缘栅双极晶体管GTR 和 GTO 的特点 双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂MOSFET的优点 单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS
35、器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT 或 IGT）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 16 页名师精编优秀教案GTR 和 MOSFET复合，结合二者的优点，具有很好的特性1986 年投入市场后，取代了GTR 和一部分MOSFET的市场 ,中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO 的地位。1IGBT 的结构和工作原理结构 :三端器件：栅极G、集电极C 和发射极E。IGBT 的结构N 沟道 VDMOSFET 与 GTR 组合 N 沟道
36、IGBT （ N-IGBT ）IGBT 比 VDMOSFET 多一层 P+注入区，形成了一个大面积的P+N 结 J1RN为晶体管基区内的调制电阻IGBT 的原理a. 导通：，uGE大于开启电压UGE(th)时， MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通 b.关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断 c.导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小2. IGBT 的基本特性1)IGBT 的静态特性转移特性IC与UGE间的关系，与 MOSFET 转移特性类似开启电压UGE(th) IGBT能实现电导调制而导通
37、的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在 +25 C时，UGE(th)的值一般为26V。输出特性 （伏安特性） 以 UGE为参考变量时，IC与 UCE间的关系 (输出特性 )为三个区域：正向阻断区、 有源区和饱和区。 分别与 GTR 的截止区、 放大区和饱和区相对应uCE0时， IGBT 为反向阻断工作状态2)IGBT的动态特性 IGBT的开通过程：与 MOSFET 的相似，因为开通过程中 IGBT 在大部分时间作为MOSFET 运行开关过程开通延迟时间td(on) 从 uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至 10% ICM电流上升时间O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b
38、)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UG EUG EMICMUCEMtfv 1tfv 2to ffto ntfi1tfi2td (o f f)tftd (o n )trUCE(on)UG EMUG EMICMICM精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 16 页名师精编优秀教案tr iC从 10%ICM上升至 90%ICM所需时间开通时间ton= td(on) + tr ,uCE的下降过程分为tfv1和 tfv2两段。tfv1 IGBT 中 M
39、OSFET 单独工作的电压下降过程；tfv2 MOSFET 和 PNP 晶体管同时工作的电压下降过程IGBT的关断过程（开关过程图）关断延迟时间td(off) 从 uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至 90%ICM电流下降时间tf iC从 90%ICM下降至 10% ICM关断时间 :toff=td(off)+tf电流下降时间又可分为tfi1和 tfi2两段。tfi1 IGBT 内部的 MOSFET 的关断过程，iC下降较快；tfi2 IGBT 内部的 PNP 晶体管的关断过程，iC下降较慢3. IGBT 的主要参数1) 最大集射极间电压UCES由内部 PNP 晶体管的击穿电压确
40、定2)最大集电极电流包括额定直流电流IC和 1ms 脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗IGBT 的特性和参数特点(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V 以上 时，开关损耗只有GTR 的 1/10，与电力MOSFET 相当(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击能力(3)通态压降比VDMOSFET 低，特别是在电流较大的区域(4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET 类似(5)与 MOSFET 和 GTR 相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点4. IGBT 的擎住效应和安全工作区寄生晶闸管 由
41、一个 N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P 晶体管组成。擎住效应或自锁效应：NPN 晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P 形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降， 相当于对 J3结施加正偏压， 一旦 J3开通， 栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。安全工作区:正偏安全工作区（ FBSOA） 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 16 页名师精编优秀教案定。反向偏置安全工作区（RBSOA ） 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率 duC
42、E/dt 确定。1.6 电力电子器件器件的驱动1驱动电路 主电路与控制电路之间的接口。2驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。3。电气隔离：驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离 。光隔离一般采用光耦合器；磁隔离的元件通常是脉冲变压器。驱动型式：有电流驱动型和电压驱动型。（1）晶闸管的触发电路：作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。广义上讲，还
43、包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。晶闸管触发电路应满足下列要求：触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）；触发脉冲应有足够的幅度；不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内；应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。（2）电流驱动型器件的驱动电路GTO 、GTR 的驱动电路属电流型驱动电路。开通控制 与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流；关断 需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V 的负偏压以提高抗干扰能力。（3）电压驱动型器件的驱动电路MOSFET 、IGBT 的驱
44、动电路属电压型驱动电路。栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；使 MOSFET开通的驱动电压一般1015V ，使 IGBT 开通的驱动电压一般15 20V 。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V ）有利于减小关断时间和关断损耗。1.7 电力电子器件器件的保护一、过电压保护1.过电压产生的原因: 外因过电压和内因过电压外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程等外因。(1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。(2) 雷击过电压：由雷击引起。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程(1) 换相过电压：器件换相时, 恢复阻断过程中
45、出现。(2) 关断过电压：器件关断时感应出的过电压。2. 过电压保护措施：用 RC抑制过电压。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 16 页名师精编优秀教案RC 过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧） ；大容量电力电子装置可采用反向阻断式RC电路。也可接于电力电子电路的直流侧。用限制过电压的非线性元件。金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD ）等非线性元器件限制或吸收过电压。二、过电流保护过电流过载和短路两种情况。常用措施快速熔断器；快速开关和过电流继电器；采用电子电路进行过电
46、流保护；常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。三、缓冲电路（ Snubber Circuit）1缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt 、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。2 缓冲电路作用分析（1）缓冲电路 ：开通时电流迅速上升，di/dt很大关断时 du/dt很大， 并出现很高的过电压关断缓冲电路:du/dt 抑制电路开通缓冲电路 （di/dt 抑制电路） 复合缓冲电路 将关
47、断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起缓冲电路中的元件选取及其他注意事项Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册， VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10 ，尽量减小线路电感， 且选用内部电感小的吸收电容，中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个 du/dt抑制电路。对IGBT 甚至可以仅并联一个吸收电容；晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可。1.8 电力电子器件器件的串联和并联使用1.晶闸管的串联目的： 当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联使用。问题 ：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使
48、器件电压分配不均匀。a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiCb)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 16 页名师精编优秀教案静态均压措施串联晶闸管承压不一致的原因: 断态时存在一定的漏电流，漏电流小(漏电阻大 )的晶闸管承受的电压大。解决方法 :晶闸管的串联采用电阻均压(在串联晶闸管上并联相等的阻)，Rp的阻值应比器件阻断时
49、的正、反向电阻小得多。动态均压动态不均压 由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。开通时， 后开通的元件将瞬时承受较高电压。关断时，先关断的元件在关断瞬间承受全部的换流反向电压。解决方法：采用阻容均压。2.晶闸管的并联：目的 :多个器件并联来承担较大的电流。问题 ：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。均流措施挑选特性参数尽量一致的器件。电阻均流。 采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。二、电力 MOSFET 和 IGBT并联运行的特点 : 电力 MOSFET并联运行的特点Ron具有正温度系数， 具有电流自动均
50、衡的能力，容易并联，注意选用Ron、UT、Gfs和 Ciss尽量相近的器件并联，电路走线和布局应尽量对称，可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。IGBT 并联运行的特点在 1/2 或 1/3 额定电流以下的区段， 通态压降具有 负的温度系数； 在以上的区段则具有正温度系数， 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。本章小结双极型 ：电力二极管、晶闸管、GTO 、GTR 。复合型 ：IGBT 。电压驱动型 ：单极型器件和复合型器件。特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型 ：双极型器件。特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较