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1、0.1电力电子学科的性质0.2电力电子技术简史0.3电力电子技术的主要内容绪 论绪 论12/23/20221电力电子技术研究电力电子技术研究用电子技术对能量的用电子技术对能量的形式进行变换。形式进行变换。电力电子技术是一电力电子技术是一门边缘学科。横跨电门边缘学科。横跨电力工程、电子技术和力工程、电子技术和自动控制三大领域。自动控制三大领域。0.1电力电子技术学科的性质12/23/20222 8080年代则有了另一个功率器件：绝缘栅双极晶闸管年代则有了另一个功率器件：绝缘栅双极晶闸管（IGBTIGBT）。接着开发的是场控晶闸管（）。接着开发的是场控晶闸管（MCTMCT）。）。0.2电力电子技术
2、的发展简史电力电子技术早在电力电子技术早在1900年初就已出现，但当时很杂乱，年初就已出现，但当时很杂乱，不能称为真正的学科。不能称为真正的学科。1956年，美国贝尔电话公司的年，美国贝尔电话公司的John.mell制造出世界制造出世界上第一个晶闸管，上第一个晶闸管，1957年，得到了商业化应用。、一年，得到了商业化应用。、一般把般把1957年作为电力电子技术诞生的时间。年作为电力电子技术诞生的时间。70年代初期出现了大功率晶体管年代初期出现了大功率晶体管(GTR)，70年代末年代末又有功率场效应晶体管（又有功率场效应晶体管（Power MOSFET）。）。12/23/202230.3电力电子
3、技术的主要内容1.AC-CD1.AC-CD，把交流电变为直流电，称为，把交流电变为直流电，称为整流整流。2.CD-AC2.CD-AC，把直流电变为交流电，这是整流的逆过程，称为，把直流电变为交流电，这是整流的逆过程，称为逆变逆变。3.AC1-AC23.AC1-AC2，把一种形式的交流电变为另一种形式的交流电。若变换前，把一种形式的交流电变为另一种形式的交流电。若变换前后频率不变，称为后频率不变，称为交流调压交流调压，若变换前后频率变化，称为，若变换前后频率变化，称为变频变频。4.DC1-DC2,4.DC1-DC2,对直流电压的大小进行变换，称为对直流电压的大小进行变换，称为斩波斩波。5.5.无
4、触点电子开关。无触点电子开关。12/23/202240.4 电力电子技术的应用矿业开发工业控制电力机车直流输电军事家用电器农业生产文化娱乐办公自动化机器人12/23/20225第1章 电力电子器件电力电子器件11.1 1.1 单向导电器件单向导电器件21.2 1.2 晶闸管晶闸管31.3 1.3 全控器件全控器件41.4 1.4 新型电力电子器件新型电力电子器件51.5 1.5 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动61.6 1.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护71.7 1.7 电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路12/23/20226电力电子器件的种类12/23/20227各类
5、电力电子器件的应用范围12/23/202281.1 单向导电器件早期的器件，如真空的电子二极管、充有某种气体的离子管以及水银整流器。也出现过一些固体的单向导电器件，如用氧化铜、硒等制成的整流器件。工业生产还曾大量采用交直机组。早期的单向导电器件上述器件都有很严重的缺陷。氧化铜和硒片制成的整流器件耐压很低，它们的反向漏电流也较大。电子管内有灯丝，寿命短，体积大，玻璃封装，易碎。水银整流器内含有毒的汞蒸汽。交直机组工作时伴随着机械运动，从而出现了噪声、振动、摩擦等问题，使得效率降低，维修量大。12/23/20229功率二极管的工作频率有很大的差别，使用时要根据工作频率合理选择。1.1 单向导电器件
6、功率二极管的注意事项正确理解额定电压的含义。额定电压指二极管承受最大电压的瞬时值。如一个二极管两端加220V的正弦电压，其有效值为220V，但其最大瞬时值为正确理解额定电流的含义。二极管的额定电流为其能够承受的正弦半波电流的最大平均值.12/23/2022101.2 晶闸管晶闸管1.2.1 晶闸管的结构和工作原理11.2.2 晶闸管的特性21.2.3 晶闸管的主要参数31.2.4 国产晶闸管的型号412/23/202211晶闸管的外形和电路符号螺栓式模块平板式TO-2201.2.1 晶闸管的结构和工作原理12/23/202212晶闸管可以等效成2个三极管1.2.1 晶闸管的结构和工作原理12/
7、23/202213要使晶闸管从阻断态转为导通态，必须同时满足以下条件：1.阳极与阴极之间加正向电压，UAK0。2.门极与阴极之间加正向电压，UGK0。要使晶闸管从导通态转为阻断状态，需满足以下条件之一：1.使阳极电流接近0，IA=0。2.在阳极与阴极之间加反向电压，UAK0。实验电路晶闸管的外部特性1.2.2 晶闸管的特性12/23/202214晶闸管的阳极特性曲线1.1.在无门极电流时，当在无门极电流时，当A-KA-K之间加正向电压，阳极只之间加正向电压，阳极只有很小的漏电流。有很小的漏电流。2.2.当阳极电压增大到一定值当阳极电压增大到一定值时，器件会从阻断态转为导时，器件会从阻断态转为导
8、通态，称为通态，称为“硬开通硬开通”。3.A-K3.A-K之间加反向电压，会之间加反向电压，会出现很小的反向漏电流，当出现很小的反向漏电流，当电压达到一定值时，会出现电压达到一定值时，会出现“击穿击穿”。1.2.2 晶闸管的特性12/23/2022151.2.3晶闸管的主要参数电压参数断态不重复峰值电压UDSM和断态重复峰值电压UDRM这一参数用来衡量晶闸管对正向电压的耐受能力。当正向电压高至UBO时，即使没有门极电流晶闸管也会进入导通状态，在工程应用中这是不允许的。实际上，在电压接近UBO时，阳极电流就开始增大，这一点就是不重复峰值电压UDSM。由于普通型晶闸管多用于50Hz的交流电，重复峰
9、值电压UDRM是针对器件50Hz的正弦半波电压的承受能力设置的，规定UDRM=0.9UDSM。112/23/2022161.2.3 晶闸管的主要参数电压参数反向不重复峰值电压URSM和反向重复峰值电压URRM这一参数用来衡量晶闸管的反向电压的耐受能力。当反向电压高至UBR时，晶闸管会进入击穿状态，在电压接近UBR时，阳极电流就开始增大，这一点就是不重复峰值电压URSM。同样，反向重复峰值电压URRM是针对器件50Hz的正弦半波反向电压的承受能力设置的，规定URRM=0.9URSM。212/23/202217额定电压Ue定义如下：取UDRM和URRM中的较小者，去掉百位以下的数即为额定电压Ue。
10、例如某晶闸管UDRM=832V；URRM=786V，则取较小者786V，然后去掉百位以下的数86，该晶闸管的额定电压为700V。1.2.3晶闸管的主要参数电压参数晶闸管的额定电压Ue当电流为额定通态平均电流时，阳极和阴极之间的电压平均值为通态平均电压，也称为管压降。3晶闸管的通态平均电压UT412/23/2022181.2.3晶闸管的主要参数电流参数晶闸管允许通过的最大正弦半波电流平均值。不同波形的电流即使平均值相等，产生的热量也不相同。然而，如果电流的有效值相等，无论波形如何，产生的热量是相同的。因此为了在不同的波形下利用ITa作为限制晶闸管发热的依据，应对电流作以下处理：设允许通过晶闸管的
11、最大正弦半波电流的幅值为Im，则有效值为I=（/2）ITa1.57ITa。因此1.57ITa为晶闸管允许通过的最大有效值电流。通常要求晶闸管的最大允许电流有效值（1.57ITa）与实际通过的电流有效值IVT之间要留有1.5到2倍的裕量，即 1通态平均电流ITa12/23/2022191.2.3晶闸管的主要参数电流参数能够维持晶闸管处于导通状态的最小阳极电流，如果IAIH。2维持电流 IH3掣住电流 IL12/23/2022201.1.2.3晶闸管的主要参数动态参数从在阳极和阴极之间加反向电压到晶闸管真正恢复阻断能力所需要的时间称为关断时间tq。欲使晶闸管可靠地关断，阳极和阴极之间的反向电压的持
12、续时间应大于tq。开通时间tgt晶闸管从门极得到正电压到真正进入导通状态需要一定的时间，这一时间称为开通时间tgt，这一过程包括两个部分，延迟时间td和上升时间tr。td阶段对应晶闸管内部的两个等效晶体管正反馈建立的过程，此阶段IA上升缓慢；tr对应正反馈建立后IA上升的过程。为可靠地开通晶闸管，门极控制电压作用的时间不应小于tgt。2.关断时间tq12/23/2022211.2.3晶闸管的主要参数动态参数在正向阻断状态，晶闸管的P-N结J2反偏，J2的结电容会由于两端电压的变化而出现充放电电流，电流的大小为Cdu/dt。这一电流流经J3，如果过大将会起到类似于触发电流的作用，引起两个晶闸管的
13、正反馈，使晶闸管误导通。所以要对du/dt进行限制。晶闸管从断态转为通态的过程中，阳极首先从门极附近的一个小区域开始导电，该区域逐渐扩大，最终扩展到整个阳极。如果电流上升地过快，将使门极附近的导电区域电流密度过大，此时虽阳极电流并未超过规定值，但导电区域会由于过热而烧坏。所以电流上升率di/dt也不能太大。3.电压上升率du/dt电流上升率di/dt4.12/23/2022221.2.4 国产晶闸管的型号D为D级12为1200V100为100AP为普通型晶闸管K为可控示例示例额定电压额定电压通态电流类型可控意义意义字母数字数字汉语拼音汉语拼音符号符号54321部分部分例如KP100-12D型晶
14、闸管，意义为：可控、普通型、通态平均电流为100A、额的电压为1200V、通态电压为D级由5部分组成，分别是字母或数字，第3、4部分之间有一横线12/23/2022231.3 全控器件全控器件1.3.1 可关断晶闸管GTO11.3.2 功率晶体管GTR21.3.3 功率场效应管MOSFET31.3.4 绝缘栅双极型晶体管IGBT412/23/2022241.3.1可关断晶闸管GTO外形与电路符号GTO的外形电路符号12/23/2022251.3.1可关断晶闸管GTO主要参数 可以通过门极进行关断的最大阳极电流，当阳极电流超过IAT0时，门极则无力通过IG将GTO关断。GTO的主要参数断态重复峰
15、值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM以及通态平均电压UT的定义与普通型晶闸管相同，不过GTO承受反向电压的能力较小，一般URRM明显小于UDRM。擎住电流IL和维持电流IH的定义也与普通型晶闸管相同，但对于同样电流容量的器件，GTO的IH要比普通型晶闸管大得多。GTO还有一些特殊参数如下。1可关断最大阳极电流IAT012/23/2022261.3.1可关断晶闸管GTO主要参数IAT0与IGRM的比值，OFF=IAT0/IGRM。这一比值比较小，一般为5左右，这就是说，要想关断GTO，所要求的门极负电流的幅度也是很大的。如OFF=5，GTO的阳极电流为1000A，那么要想关断它必须在门极加2
16、00A的反向电流。可以看出，尽管GTO可以通过门极反向电流进行可控关断，但其技术实现并不容易。为关断GTO门极可以施加的最大反向电流门极最大负脉冲电流IGRM2电流关断增益OFF312/23/2022271.3.2功率晶体管GTR外形与电路符号电路符号外形功率晶体管的结构与一般小功率晶体管相似，内有两个P-N结，引出三个电极：发射极、基极、集电极。并且也分为PNP和NPN两大类。12/23/2022281.3.2功率晶体管GTR开关过程 关断过程关断过程从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降（下降到90%ICO）对应的时间叫做存储时间ts。接着是下降时间tf，定义为集电极电流从90%ICO
17、下降到10%ICO对应的时间。关断时间toff=ts+tf。开通过程开通过程GTR工作在开关状态，在饱和区和截止区之间相互切换。在刚开始施加基极电流的一段时间内，集电极电流变化很小，定义从基极电流的出现到集电极电流上升至稳定值ICO的10%这段时间为延迟时间td，然后集电极电流迅速上升，集电极电流从10%ICO上升到90%ICO对应的时间叫做上升时间tr。开通时间ton=td+tr。12/23/2022291.3.2功率晶体管GTR极限参数ICM：最大允许集电极电流，表示集电极最大允许通过的电流瞬时值。PCM：一定管壳温度下集电极最大允许功耗，产品说明书的技术参数中PCM与管壳温度必须同时标出
18、。BUCB0，发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压；BUCE0，基极开路时集电极与发射极之间的击穿电压；BUCER，发射极与基极之间用电阻连接时集电极与发射极之间的击穿电压；BUCES，发射极与基极之间短路时集电极与发射极之间的击穿电压；BUCEX，发射结反偏时集电极与发射极之间的击穿电压。这些击穿电压之间的关系为：BUCB0 BUCEX BUCES BUCER BUCE0。GTR的极限参数12/23/2022301.3.2功率晶体管GTRSB和SOA 二次击穿（二次击穿（SB)如果出现一次击穿时IC超过一定的数值，使器件发热严重，进而会导致二次击穿的出现。二次击穿的特征是，电流急剧上升而电
19、压却随之下降，二次击穿会造成GTR永久的损坏。安全工作区（安全工作区（SOA)这样要使GTR安全的工作，要受到ICM、PCM、BUCE0和二次击穿曲线SB四个条件的限制，不超过上述限制的区域叫做安全工作区SOA（Safe Operating Area）。12/23/2022311.3.3 功率场效应管MOSFET外型和电路符号电路符号电路符号外型外型12/23/2022321.3.3功率场效应管MOSFET结构源极所连接的N型区域被P型材料包围，形成一个个孤立的“小岛”，漏极在器件的下部（所以叫垂直导电结构），漏极连接的N型材料形成一个“凸”型，向上一直延伸到栅极的下面。漏极区域与源极区域之间
20、被P型材料隔离，P型材料的上端是氧化物绝缘材料，再向上为栅极。这种结构可以大大缩短导电沟道的长度，载流子通过导电沟道后做垂直方向的运动，可以通过更大的电流。12/23/202233栅极不加电压的情况下，介于源极N型区域和漏极N型材料“凸”型部分上端的N型区域之间的P型材料的两侧形成两个P-N结，由于其阻挡作用无论源漏之间的电压方向如何都会有一个P-N结反偏，不可能有电流通过，器件处于阻断状态。如果栅极加正电压，由于电场的作用，栅极下面P型材料中的多数载流子空穴被排斥，向下运动，同时栅极的正电压又把P型材料中的少数载流子电子吸引到P型材料的上部，这样“小岛”和“凸”型上部之间的P型材料中就形成一
21、段反型层，并把两侧的N型区连接起来，消除了P-N结的阻挡作用。通常漏极接电源正，源极接电源负，电流可以从漏极的N区通过P区的反型层到达源极的N区，器件导通。栅极施加的正电压越高，反型层越深，漏源之间的电流就越大。1.3.3功率场效应管MOSFET工作原理12/23/2022341.3.3功率场效应管MOSFET静态特性图中Uth称为开启电压或门槛电压，如果UGSUth后开始出现漏极电流，并且UGS越大，漏极电流就越大。转移特性转移特性因为MOSFET没有栅极电流，不可能有像晶体管那样的反映输出电压和输入电流的输入特性曲线，但通过改变栅极电压的大小可以控制VDMOSFET的漏极电流（输出电流）。
22、可以通过转移特性曲线描述栅极电压对漏极电流的控制能力。12/23/2022351.3.3功率场效应管MOSFET静态特性输出特性输出特性输出特性曲线如图，反映漏极电流ID与漏源之间的电压UDS的关系。由图可见，它类似于晶体管的输出特性曲线族，不同的是每条曲线的参数是UGS，而双极型晶体管以IB作为参数。三个区域：三个区域：（1）当UGSUth时为截止区截止区，漏极电流极小。（2）在UGSUth但UDS很小的一个范围，ID随UDS的增大而增大，该区域称为非饱和区或可变电阻区可变电阻区，相当于双极型晶体管的“饱和区”。（3）UDS增大到一定的程度，ID基本不随UDS变化，在栅极电压一定的情况下，器
23、件呈恒流特性，该区域称为饱和区饱和区。12/23/2022361.3.3功率场效应管MOSFET动态特性在开通过程中，当G-S之间的电压uGS上升到MOSFET的开启电压Uth时，开始出现漏极电流iD，此后iD随uGS的增大而增大，直至达到稳定值。从驱动信号源出现电压到漏极出现电流这段时间叫做开通延迟时间td，从漏极出现电流到iD达到稳定值对应的时间为上升时间tr，两者之和为开通时间ton。在关断过程中，首先驱动信号源的电压下降到0（或负值），G-S之间的电容通过信号源内阻放电，开始的一段时间漏极电流并没有变化，这段时间叫做关断延迟时间ts。之后，iD开始下降，当uGSUT时，iD下降到0，此
24、过程对应的时间为下降时间tf。关断时间toff定义为12/23/2022371.3.3功率场效应管MOSFETSOA在UDS较小的范围内，UDS越小D-S之间的导通电阻Ron越大，同样电流下发热越严重，所以在漏极电流较小的情况下，允许通过的电流随UDS的减小而减小（如图中左端的斜线）。当UDS大到一定程度，Ron变得很小，允许通过的电流只受最大漏极电流IDM的约束。但在UDS比较大时，安全工作区受到最大漏极功耗的限制，如图中右侧的斜线。MOSFETMOSFET的安全工作区的安全工作区MOSFET在运行时受到D-S之间最大电压、最大漏极电流和最大漏极功耗等因素的限制（MOSFET没有二次击穿），
25、其正向偏置安全工作区如图所示。该图的横轴为对数坐标，所以功率曲线为直线。12/23/2022381.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT外形与电路符号电路符号电路符号集电极集电极C C发射极发射极E E栅极栅极G GIGBT模块的外形模块的外形12/23/2022391.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT结构器件的栅极G与发射极E之间的结构与MOSFET是相同的，所以IGBT也是电压控制型器件。它的漏极不是直接引出，而是又经过一个PN结在IGBT导通时这个PN结为正偏，P区向N区扩散空穴，提高电导率。12/23/2022401.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT静态特性转移特性转移特性IGBT也是一种
26、电压控制型器件。通过改变栅极G和发射极E之间的电压来控制集电极电流IC的大小，栅极也没有电流，不可能有类似普通双极型晶体管的输入特性曲线，反映控制特性的曲线为转移特性曲线。栅极-发射极之间的电压uGE较小时没有集电极电流。当uGE达到开启电压Uth时，开始出现集电极电流，随栅极-发射极之间的电压uGE的增大，集电极电流IC也增大，因此，IGBT也是一个电压控制型器件，这一点与MOSFET类似。12/23/2022411.3.4 绝缘栅双极型晶体管IGBT静态特性在uCE很小时，IC随uCE的增大而迅速上升，这个区域称为线性导电区；uCE增大到一定值，IC不再随uCE变化而基本保持恒定，该区域为
27、恒流饱和区；如果继续uCE的值，使电压超出了器件的承受能力，则曲线进入击穿区。电流增大，图中曲线发生弯曲。输出特性输出特性反映集电极电流与集电极-发射极间电压之间关系的曲线为输出特性曲线，为一曲线族。曲线族中每一条曲线由一个固定的uGE值确定。12/23/2022421.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT动态特性IGBT在开通和关断过程中集电极电流iC与栅极电压之间也存在着一定的延时。从栅极-发射极之间电压uCE上升到稳态值的10%到集电极电流iC上升到稳态值的10%对应的时间称为开通延迟时间td。从iC上升到稳态值的10%到上升至稳态值的90%所对应的时间为上升时间tr；开通时间ton：ton
28、=td+tr。把从uCE下降到原来的90%到iC下降到稳态值的90%所对应的时间称为关断延迟时间ts，iC从稳态值的90%下降到稳态值的10%对应的时间称为下降时间tf。关断时间toff=ts+tf。12/23/2022431.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT动态特性在IGBT中，除有一个PNP型三极管外，还存在着一个NPN型寄生三极管，它由J1和J2之间的N型材料、两侧的P型材料和与E极连接的N+材料构成。这样，IGBT可左图电路来等效。在NPN型三极管（图中的V2）的B-E之间有一个与之并联的扩展电阻Rbr，IGBT工作时电流会流过这个电阻产生压降，相当于给NPN型三极管V2提供正向偏置，
29、偏置电压的大小与集电极电流iC有关。在一般情况下，该电压不大，不至于使NPN型三极管导通，但如果iC很大，Rbr就可能给V2的发射结提供足够的电压使其导通。V2一旦导通，就会与PNP型三极管形成正反馈，两个晶体管很快进入饱和状态，此时V1、V2实际上构成了一个晶闸管，门极失去了控制作用。这就是所谓擎住效应擎住效应。擎住效应擎住效应12/23/2022441.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBTSOAIGBT的安全工作区(SOA)由最大集电极电流ICM、集电极-发射极最大电压UCEM和集电极最大功耗与坐标轴围成，如图所示（图的横轴为对数坐标，所以功率曲线为直线）。IGBT的SOA12/23/2022
30、451.4 新型电力电子器件新型电力电子器件1.4.1 静电感应晶体管SIT11.4.2 静电感应晶闸管SITh21.4.3 MOS控制晶闸管MCT312/23/2022461.4.1静电感应晶体管SIT当UGS=0，上述PN结两侧的这个耗尽区不大，尚没有连接起来，此时如果在D-S间加以电压，会有电流在D-S极之间流动。如果使UGS0（S接正G接负），分布在N-区的耗尽区的厚度将加大，两侧耗尽区之间的导电沟道会变窄，同样漏-源极电压下漏极电流会减小。因此可以通过改变UGS来控制D-S之间的电流ID。由此可以看出，SIT的工作原理与耗尽型结型场效应管类似，改变G-S之间的反向电压可以调节漏极电流
31、。SIT的结构如图（a），其电路符号如图（b），有三个电极：漏极D、源极S和栅极G。两侧的P+型材料与中部的N-材料将形成PN结，在P+N-结合面的两侧存在着一个耗尽区，里面没有载流子，不能导电。12/23/2022471.4.2静电感应晶闸管SIThSITh的结构如图（a），电路符号如图（b）。从图中可以看出，SITh相当于在SIT的基础上增加了最下面一层P型材料，形成一个PN结J2，具有了单向导电性。在UGK=0时，J1两侧不导电的耗尽区较薄，中间的N型材料留有一个导电沟道，电流可以从阳极流向阴极。当在栅极和阴极之间施以负电压（UGK0），PN结J1受到较大的反压，两侧的耗尽区连接起来，阻
32、断了电流，器件关断。12/23/2022481.4.3 MOS控制晶闸管MCTMCT的内部有一个PNP型晶体管V1和一个NPN型晶体管V2，两个晶体管相互连接与普通晶闸管的等效电路相同，其中任何一个出现导通电流则在两管之间形成正反馈使两个晶体管均迅速进入饱和状态。在MCT中还有一个P沟道场效应管ON-FET和一个N沟道场效应管OFF-FET。它们的作用是控制等效晶闸管的通断。MOS控制晶闸（MOSFET Controlled Thyristor）的等效电路如图（a）所示，其电路符号如图（b）所示。MCT三个电极分别为阳极A、阴极K、栅极G。12/23/2022491.5 电力电子器件的驱动电力
33、电子器件的驱动1.5.1 晶闸管驱动电路11.5.2 GTO驱动电路21.5.3 GTR驱动电路31.5.4 场控器件的驱动电路412/23/2022501.5.1 晶闸管的驱动电路门极特性晶闸管的门极和阴极之间为一PN结，控制信号相当于给这个PN结施加正向电压，电压UGK和电流IG之间应表现出PN结正向特性的关系，但由于晶闸管的特殊要求导致设计和工艺上的差异，上述PN结和一般作为二极管使用的PN结的特性有很大的不同，晶闸管曲线线的斜率有时很大，有时又会很小，存在着很大的离散性。把门极伏安特性曲线中斜率最大的和最小的两条曲线标在UGK-IG平面，作为其门极伏安特性。驱动信号的幅度受到最大门极电
34、压UGM、最大门极电流IGM和最大门极功耗PGM的限制，为保证晶闸管可靠“触发”导通，门极电压和门极电流要具有一定的强度，手册中通常表示为门极可靠触发电压UGT和门极可靠触发电流IGT。12/23/2022511.5.1 晶闸管的驱动电路强触发希望触发电流IG有以下特点：脉冲前沿陡峭，并且脉冲刚开始的一段时间有较大的幅度，这样有利于晶闸管的快速开通；随后IG下降到一个较小的数值并维持到脉冲结束，这样有利于减少门极及驱动电路的功耗。另外，由于晶闸管的阴极与强电回路连接，电压很高，而驱动电路为电压很低的电子线路，一般要将两者进行电气隔离，通常采用脉冲变压器或光电耦合器。12/23/2022521.
35、5.2 GTO的驱动电路要求对触发电流的波形的要求：开通时门极电流的上升率尽可能陡，一般取门极电流上升率为510A/s。开通门极电流要具有一定的幅度，刚开始的强触发阶段要求门极电流IG为门极直流额定触发电流IGM的310倍，这也是为了缩短开通时间。脉冲要有一定的宽度，对于开通正脉冲，其持续时间要为GTO开通时间的数倍以上，如果负载为电感性，开通正脉冲的持续时间要大于阳极电流建立的时间。关断门极电流的上升沿要陡，一般要求关断门极电流的上升率为1050A/s。关断门极电流脉冲要有一定的幅度，该幅度与欲关断的阳极电流的大小和关断增益OFF有关。关断脉冲要有一定的宽度，从而保证可靠关断12/23/20
36、22531.5.2 GTO的驱动电路驱动电路GTO的驱动波形的驱动波形单单电电源源驱驱动动电电路路双双电电源源驱驱动动电电路路12/23/2022541.5.3 GTR的驱动电路要求对GTR取得的要求：在使GTR从阻断转为导通过程中，IB的幅度要足够大，以使得GTR尽快导通并进入饱和状态，这样可以减少GTR的开通损耗。GTR已经导通，必须有一定的基极电流来维持，这个电流必须GTR工作在饱和状态，但又不能过大使GTR进入深度饱和，以免增加关断GTR的难度，同时基极电流过大也会使GTR的基极功耗增加，这同样是应该避免的。关断GTR的过程中应提供反向基极电流，抽取器件内部的载流子，使GTR快速关断。
37、当GTR处于阻断状态时最好在其基极-发射极之间加一定的反向电压，增加GTR的阻断能力和防止误导通。12/23/2022551.5.3 GTR的驱动电路驱动电路驱动电路举例驱动电路举例12/23/202256如果二极管参数相等，其导通压降均为UD，则UCE=UBE+UD，说明集电极电位高于基极电位，集电结反偏但数值较小，此时GTR处于准饱和状态。1.5.3 GTR的驱动电路贝克钳位电路中A、E之间的电压为由此可得出贝克钳位电路贝克钳位电路12/23/2022571.5.4 场控器件的驱动电路场控型（电压控制型）电力电子器件的驱动电路。由于栅极和源极之间是绝缘的，所以在器件导通和关断的稳定状态都不
38、可能出现栅极电流，需要的仅是一个栅极电压。但是器件的各电极之间都存在着电容，从驱动的输入端看相当于一个电容网络，因此驱动电压的变化将产生电容充放电电流，充放电时间常数影响栅极电压变化的速率，进而影响器件的开关速度。时间常数越大，充放电时间就越长。为了减小时间常数，要求驱动回路的电阻尽可能小。初学者容易忽视的一个问题是，欲使场控器件关断必须为栅-源之间提供放电通路或在栅-源之间加反向电压，不能简单地撤掉栅源之间的正向驱动电压而使栅-源之间开路。对驱动电路的要求12/23/2022581.5.4 场控器件的驱动电路图为单管驱动电路，图中uS为驱动信号源，uS为正时晶体管VT导通，其发射极电流为被驱
39、动的MOSFET的输入电容充电，使栅极电位迅速上升，MOSFET开通。uS为0时VT截止，MOSFET栅-源之间储存的电荷经VD、信号源放电，使MOSFET关断。图为推挽式驱动电路，当uS为正时晶体管VT1导通VT2截止，VT1发射极电流为被驱动的MOSFET的输入电容充电，MOSFET开通。uS为零时晶体管VT2导通VT1截止，MOSFET的输入电容储存的电荷通过VT2迅速释放，使器件关断。12/23/2022591.5.4 场控器件的驱动电路图为一种简单的磁耦合驱动电路。晶体管VT导通时脉冲变压器的初级线圈中电流上升，使得次级感应出上正下负的电压，该电压通过二极管VD1为MOSFET的输入
40、电容充电，使MOSFET导通。VT关断时脉冲变压器初级的电流下降，次级线圈中感应出上负下正的电压，使MOSFET的输入电容反向充电，栅-源之间的电压由正变负，MOSFET关断。VD2为续流二极管，为晶体管关断后线圈中的电流提供通路，该二极管的导通压降很小，会使线圈电流经较长的时间才能衰减到零，为加快电流的衰减速度，可在续流回路中串联一个大小适当的电阻或一定数值的稳压管。12/23/2022601.6.1 过电压的保护11.6.2 过电流的保护21.6.3 MOSFET的栅极保护31.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护12/23/2022611.6.1 过电压的保护变压器一般为降压型，电源
41、开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值。电源拉闸断电时也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开将使激磁电流从一定的数值迅速下降到0，因为电压为Ldi/dt，在电感一定的情况下，电流的变化率越大，产生的过电压也越大。这个电压的大小与拉闸瞬间电流的数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压也就越大。过电压的产生过电压的产生1.12/23/2022621.6.1 过电压的保护 变压器的负载侧也会出现过电压。电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电
42、流较大时突然切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。上述过电压大都发生在电路正常工作的状态，一般叫做操作过电压操作过电压。除此之外，雷电和其它电磁感应源也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生的时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的。12/23/2022631.6.1 过电压的保护阻容保护 过电压的幅度一般都很大，但是其作用时间一般都很短暂，即过电压的能量并不是很大的。利用电容两端的电压不能突变这一特点，将电容器并联在保护对象的两端，可以达到过电压保护的目的，这种保护方式叫做阻容保护。图为电源侧阻容保护原
43、理图。图（a）为单相阻容保护电路，图（b）、（c）为三相阻容保护电路，RC网络可接成星型，如图（b）；也可以接成三角形，如图（c）。过电压保护措施过电压保护措施2.12/23/2022641.6.1 过电压的保护整流式阻容保护 阻容保护电路的RC直接接于线路之间，平时各支路中就有电流流动，电流流过电阻必然要造成能量的损耗并使电阻发热。为克服这些缺点可采用整流式阻容RC保护电路。过电压消失后，电容经R2放电使两端电压恢复到交流电正常时的数值。R2越大整个电路的功耗越小，但过电压过后电容电压恢复到正常值的时间也越长，因此大小受到两次过电压时间最小间隔的限制 12/23/2022651.6.1 过电
44、压的保护非线性元件保护 常用的非线性保护元件有压敏电阻和硒堆，它们的共同特点是其两端所加电压的绝对值小于一定数值时元件的电流很小，外加电压一旦上升到某一定的数值，就会发生类似于稳压管的击穿现象，元件的电流会迅速增大而元件两端的电压保持基本不变，这一电压叫做击穿电压。压敏电阻的伏安特性如图。利用这一特性，将非线性保护元件并联在欲保护的电路的两端，就会将此处的电压限制在元件击穿电压的电压范围之内。12/23/2022661.6.2 过电流的保护 电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。过电流有过载和短路两种情况。常用的过电流保护措施如图1-30所示。一台电力电子设备可选用其中的
45、几种保护措施。针对某种电力电子器件，可能有些保护措施是有效的而另一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意。12/23/2022671.6.3 MOSFET的栅极保护栅极驱动电路的输出电压不得超过20V；在栅极和源极之间并联一定数量的电阻，为聚集的静电荷提供释放通路；在栅极和源极之间并联稳压二极管支路，该支路由两个反向串联的稳压二极管组成，其稳压值分别限制栅-源之间的正向和反向电压；在储存和运输时将MOSFET置于金属或其它导电材料制成的容器中或将器件的引脚短路，防止静电的产生和积累。12/23/2022681.7 电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路电力电子器件电力电子器件的缓冲电路
46、的缓冲电路1.7.1 晶闸管晶闸管的缓冲电路的缓冲电路1.7.2 全控全控器件的缓器件的缓冲电路冲电路12/23/2022691.7.1 晶闸管的缓冲电路 晶闸管缓冲电路的作用是用以限制阳极电流的上升率di/dt和阳-阴之间电压的上升率du/dt。在晶闸管开通过程中，阳极电流首先出现于靠近门极的较小的区域，随着时间的推延，这块导电区域逐渐扩大最终扩展到整个阳极。如果阳极电流的上升率di/dt过大，在很短的时间内阳极电流就会上升到很大的数值，而此时阳极导电的区域还很小，这块区域将有很大的电流密度，可能导致晶闸管的损坏。限制晶闸管电压上升率du/dt的目的是防止晶闸管误导通。左图中的阻容电路即有上述作用，同时又有过电压保护的功能。12/23/2022701.7.2 全控器件的缓冲电路无缓冲时电路的工作情况12/23/2022711.7.2 全控器件的缓冲电路开通缓冲电路及其工作波形12/23/2022721.7.2 全控器件的缓冲电路关断缓冲电路及其工作波形12/23/202273