《电力电子变流技术》PPT课件.ppt

电力电子技术,绪 论,电力电子技术的内容 电力电子技术的发展 电力电子技术的应用 电力电子技术课程的学习要求,1. 电力电子技术的内容,电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。,电能有直流(DC)和交流(AC)两大类。前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。 实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数(如电压，电流，频率和功率因数等)进行变换。,变换器共有四种类型： 交流-直流(AC-DC)变换 直流-交流(DC-AC)变换： 有源逆变；无源逆变。 交-交(AC-AC)变换： 交流调压；交-交变频。 直流-直流(DC-DC)变换,2. 电力电子技术的发展,电力电子器件发展：电能转换由依靠旋转机组改为利用电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。 功率二极管 SCR ：晶闸管（可控硅） GTO：门极可关断晶闸管 BJT/ GTR：双极型功率晶体管 P-MOSFET：功率场效应晶体管 IGBT：绝缘栅双极型晶体管等。,控制电路及微型计算机的发展：分立元件集成电路专为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。微型计算机引入，运算精度提高位数成倍增加，运算速度增快，功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。,控制理论的发展：各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的功能。将新的控制理论和方法应用在变换器中。 综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论是现代电力电子技术的发展动力。,3. 电力电子技术的应用,（1）开关电源 （2）调速系统 （3）过程控制 自动化、机器人 （4）运输 电力机车、电车、地铁 （5）感应加热 （6）高压直流输电、风力发电、太阳能发电 （7）民用 空调、电梯、办公设备、手机,4. 电力电子技术课程的学习要求,熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特性和参数，能正确选择和使用它们。 熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中的电磁过程，掌握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初步设计计算。 了解各种开关元件的控制电路、缓冲电路和保护电路。 了解各种变换器的特点、性能指标和使用场合。 掌握基本实验方法与训练基本实验技能。,第1章 电力电子器件,主要内容： 常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外特性、主要参数、开关特性、安全工作区。 常用电力电子器件的驱动电路和缓冲电路。,1.1 功率二极管,1.1.1 功率二极管的结构和工作原理 1. 功率二极管的结构,2. 功率二极管的工作原理 由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。,1.1.2 功率二极管的特性和主要参数,1. 功率二极管的特性 (1) 功率二极管的伏安特性,(2) 功率二极管的开关特性,由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。普通二极管的trr=210s，快速恢复二极管的trr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。,2. 功率二极管的主要参数 (1) 反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80称为反向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM小于二极管的反向击穿电压URO。,(2) 额定电流IFR 二极管的额定电流IFR被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为12V。当二极管在规定的环境温度为+40和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为 (1-1),(3) 最大允许的全周期均方根正向电流IFrms 二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为 (1-2) 由式(1-1)和(1-2)可得 (1-3),(4) 最大允许非重复浪涌电流IFSM 这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。 功率二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在6kV、6kA以上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。,1.2 晶闸管,晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR, 普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。,1.2.1 晶闸管的结构和工作原理,小电流塑封式,小电流螺旋式,大电流螺旋式,大电流平板式,图形符号,1.晶闸管的外形,自冷式,风冷式,水冷式,2. 晶闸管的结构 晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。,A,3. 晶闸管的工作原理 IGIb2IC2(Ib1)IC1,欲使晶闸管导通需具备两个条件： 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。,1.2.2 晶闸管的特性和主要参数,1. 晶闸管的特性 (1) 晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。,晶闸管的伏安特性,(2) 晶闸管的门极伏安特性 由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,0ABC0为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区。,晶闸管的门极伏安特性,(3) 晶闸管的开关特性,开通过程 开通时间ton包括延迟时间td与上升时间tr，即 ton=td+ tr 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 普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s,关断过程 关断时间toff：包括 反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr，即 toff=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 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,2. 晶闸管的主要参数 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。 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的反向峰值电压。 额定电压断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取(23)倍的安全裕量。,(4) 额定电流IT(AV) 在环境温度为+40和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角 170)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。 晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示,它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： (1-6) 正弦半波电流的有效值为： (1-7) (1-8) 式中 Kf为波形系数,流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。,(5) 维持电流 IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。 (6) 擎住电流 IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(24)倍。,(7) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。 (8) 门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。,(9) 断态电压临界上升率du/ dt 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。 (10) 通态电流临界上升率di / dt 在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。,例1-1 两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值Id1、Id2，电流有效值I1、I2,解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：,思考1：如果晶闸管的额定电流是100A,考虑晶闸管的安全裕量,请问在以上的情况下, 允许流过的平均电流是多少?,思考2：如果考虑晶闸管的安全裕量, 请问在以上的情况下, 允许流过的平均电流是多少?,1.2.3 晶闸管的门极驱动电路和缓冲电路,1. 晶闸管的门极驱动电路 (1) 晶闸管对触发电路的基本要求 晶闸管对触发电路的基本要求是： 触发信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，触发信号常采用脉冲形式。 触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。, 触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10V/s或800mA/s。 触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要求。例如，三相半波整流电路，在电阻性负载时，要求移相范围为150；而三相桥式全控整流电路，电阻负载时移相范围为120。,(2) 触发电路的型式 触发电路可分为模拟式和数字式两种，阻容移相桥、单结晶体管触发电路、锯齿波移相电路和正弦波移相电路均属于模拟式触发电路；而用数字逻辑电路乃至于微处理器控制的移相电路则属于数字式触发电路。,2. 晶闸管的缓冲电路 常采用在晶闸管的阴阳极并联RC缓冲器，用来防止晶闸管两端过大的du/dt造成晶闸管的误触发，其中电阻R也能减小晶闸管开通时电容C的放电电流。,1.2.4 晶闸管的派生器件,1. 快速晶闸管 快速晶闸管的关断时间50s，常在较高频率(400HZ)的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平均电流1200A、最高断态电压1500 V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25s50s 。,2. 双向晶闸管 双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。,双向晶闸管在第和第象限有对称的伏安特性。,3. 逆导晶闸管 逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。 由于逆导晶闸管等效于 反并联的普通晶闸管和整 流管，因此在使用时，使 器件的数目减少、装置体 积缩小、重量减轻、价格 降低和配线简单，特别是 消除了整流管的配线电感 ，使晶闸管承受的反向偏 置时间增加。,4. 光控晶闸管 光控晶闸管(Light Activated Thyristor)是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。,1.3 可关断晶闸管GTO,可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，门极信号不仅能控制起导通，也能控制其关断。,1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理,1. 可关断晶闸管的结构 GTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。,可关断晶闸管的结构、等效电路,2. 可关断晶闸管的工作原理 (1) 开通过程 GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数值不同。晶闸管的回路增益1+2常为1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。,(2) 关断过程 当GTO已处于通态时，对门极加负的关断脉冲，形成IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使1+21时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。,由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。 个主要因素：结构和参数的区别,1.3.2 可关断晶闸管的特性和主要参数,(1) GTO的阳极伏安特性,(2) GTO的开通特性 开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成, (3) GTO的关断特性 关断过程有三个不同的时间， 即存储时间ts 下降时间tf 尾部时间tt。,2. 可关断晶闸管的主要参数 GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。 (1) 最大可关断阳极电流IATO 电流过大时1+2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。 (2) 关断增益off GTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IgM之比off通常只有5左右。,1.3.4 门极驱动电路和缓冲电路,可关断晶闸管的门极驱动电路 (1) 门极触发方式通常有下面三种： 直流触发 连续脉冲触发 单脉冲触发 采用直流触发或脉冲列触发方式GTO的正向管压降较小。采用单脉冲触发时，如果阳极电流较小，则管压降较大，用单脉冲触发，应提高脉冲的前沿陡度，增大脉冲幅度和宽度，才能使GTO的大部分或全部达饱和导通状态。,(2) 门极关断控制 恒压源关断控制 恒压源关断控制电路如图1-23所示，晶体管V1控制GTO触发导通；V2控制GTO关断。关断电源E2须小于GTO的门极反向电压UGRM之值，否则会引起GTO产生雪崩电流。,变压源关断控制 变压源关断控制如图1-24所示，晶体管V通过电容C供给GTO触发脉冲信号，GTO导通时，电容C充电。当关断信号加到可控硅SCR使其导通，电容C经SCR放电，为GTO门阴极提供一个负脉冲电压，从而关断GTO。,2. 可关断晶闸管的缓冲电路 电力电子器件开通时流过很大的电流，阻断时承受很高的电压；尤其在开关转换的瞬间，电路中各种储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击，有可能超过器件的安全工作区而导致损坏。 附加各种缓冲电路，目的不仅是降低浪涌电压、du/dt和di/dt,还希望能减少器件的开关损耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。,(1) 缓冲电路 吸收过电压的有效方法是在器件两端并联一个吸收过电压的阻容电路。 如果吸收电路元器件的参数选择不当，或连线过长造成分布电感LS过大等，也可能产生严重的过电压。,(2) 缓冲电路元件的选择 应选取较小的RS，RS的阻值一般应选取1020 。RS不应选用线绕式的，而应是涂膜工艺制作的无感电阻。 要求二极管VDS能快速开通、反向恢复时间trr短和反向恢复电荷Qr尽量小。 吸收电路中的CS也应当是无感元件，以尽可能减小吸收电路的杂散分布电感LS。,1.4 双极型功率晶体管BJT,1.4.1 双极型功率晶体管的结构和工作原理 1. 双极型功率晶体管的结构,2. 双极型功率晶体管的工作原理 与三极管的工作原理相同 单个BJT电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，为了提高电流增益，常采用达林顿结构。,1.4.2 双极型功率晶体管的特性和主要参数,双极型功率晶体管的特性 (1) BJT的输出特性,(2) BJT的开关特性: BJT主要应用于开关工作方式。 延迟时间td 上升时间tr 开通时间ton ton=td+tr 存储时间ts 下降时间tf 关断时间ton toff=ts+tf,2. 双极型功率晶体管的主要参数 (1) BJT的电流放大倍数值：定义为晶体管的集电极电流变化率和基极电流变化率之比。 (2) BJT的反向电流：BJT的反向电流会消耗一部分电源能量，会影响管子的稳定性。常希望反向电流尽可能小。有ICBO、ICEO和IEBO。 (3) BJT的反向击穿电压：BJT的反向击穿电压决定管子承受外加电压的上限。有U(BR)EBO、U(BR)CBO、U(BR)CEO (4) BJT的极限参数：集电极允许流过的最大电流ICM，集电极最大允许耗散功率PCM,最大允许结温TJM和击穿电压。,1.4.3 双极型功率晶体管的安全工作区,正向偏置安全工作区 BJT的正向偏置安全工作区是由最大集电极电流ICM、集电极最大允许耗散功率PCM、二次击穿耐量有关的PSB和集射极最大电压U(BR)CEO所组成的区域。,2. 反向偏置安全工作区 为了使晶体管截止而不被击穿，电压与电流的工作点必须选在反向安全工作区之内。反向偏置基极电流不同时，反向安全工作区宽窄也不同，若反向偏置基极电流增加时，反向安全工作区变窄。,3. 双极型功率晶体管的二次击穿 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 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变,1.4.4 驱动电路和缓冲电路,1. 双极型功率晶体管的驱动电路 (1) BJT的驱动电路的重要性 驱动电路性能不好，轻则使BJT不能正常工作，重则导致BJT损坏。其特性是决定电流上升率和动态饱和压降大小的重要因素之一。 增加基极驱动电流使电流上升率增大，使BJT饱和压降降低，从而减小开通损耗。 过大的驱动电流，使BJT饱和过深，退出饱和时间越长，对开关过程和减小关断损耗越不利。 驱动电路是否具有快速保护功能，是决定BJT在过电压或过电流后是否损坏的关键因素之一。,BJT对基极驱动电路的基本要求： BJT导通时，基极电流值在最大负载下应维护BJT饱和导通，电流的上升率应充分大，以减小开通时间。 IB1=(1.52) ICmax/ BJT关断时，反向注入的基极电流峰值及下降率应充分大，以缩短关断时间。 IB2最大峰值为IB1的(23)倍。 为防止关断时的尾部效应而导致BJT的损坏，驱动电路应提供给基射结合适的反偏电压，促使BJT快速关断，防止二次击穿。, BJT瞬时过载时，驱动电路应能相应地提供足够大的驱动电流，保证BJT不因退出饱和区而损坏。 BJT导通过程中，如果BJT集射结承受电压或流过它的电流超过了设定的极限值，应能自动切除BJT的基极驱动信号。 为了提高工作速度，降低开关损耗，多采用抗饱和措施；为了确保器件使用安全，尽可能采用多种保护措施，为了使电路简化，功能齐全，应尽可能采用集成器件。,(3) 基极驱动电路的基本型式 恒流驱动电路,截止反偏驱动电路,2. 双极型功率晶体管的缓冲电路 BJT的缓冲器常采用阻容二极管RCD的吸收网络 此处电阻R应选用电感量较小的电阻，电容C应选用低串联电阻、电感小且频率特性好的电容。,未加缓冲电路时，在开通和关断过程中的某一时刻，会出现集电极电压uC和集电极电流iC同时达到最大值的情况。这时瞬时开关损耗也最大。 采用开通和关断缓冲电路，其负载线轨迹如图 (c)的实线所示。,缓冲电路所以能够减小开关器件的开关损耗，是因为把开关损耗由器件本身转移至缓冲电路内，根据这些被转移的能量如何处理，引出了两类缓冲电路： 一类是耗能式缓冲电路，即转移至缓冲器的开关损耗能量消耗在电阻上，这种电路简单，但效率低； 另一类是馈能式缓冲电路，即将转移至缓冲器的开关损耗能量以适当的方式再提供给负载或回馈给供电电源，这种电路效率高但电路复杂。,3. BJT的保护电路 (1) 过电流、短路保护 由于BJT存在二次击穿等问题，由于二次击穿很快，远远小于快速熔断器的熔断时间，因此诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对BJT类电力电子设备来说是无用的。 BJT的过电流保护要依赖于驱动和特殊的保护电路。, 电压状态识别保护 当BJT处于过载或短路故障状态时,随着集电极电流的急剧增加,其基射极电压和集射极电压均发生相应变化,可利用这一特点对BJT进行过载和短路保护。, 桥臂互锁保护 逆变器运行时，可能发生桥臂短路故障，造成器件损坏。只有确认同一桥臂的一个BJT关断后，另一个BJT才能导通。这样能防止两管同时导通，避免桥臂短路。 BJT的热容量极小，过电流能力很低，要求故障检测、信号传送及保护动作能瞬间完成，要在微秒级的时间内将电流限制在过载能力的限度以内。,(2) 过饱和保护 BJT的二次击穿多由于BJT工作于过饱和状态引起的，而基极驱动引起的过饱和又使BJT的存储时间不必要地加长，直接影响着BJT的开关频率；所以BJT的过饱和保护对它的安全可靠工作有着极其重要的作用。通常过饱和保护可根据被驱动BJT的基射极电压降的高低来自动调节基极驱动电流的大小，构成准饱和基极驱动器来完成。,(3) 基极驱动电路电源电压监控保护 BJT是电流控制器件，基极驱动电路自身电源影响着被驱动BJT的可靠工作，这就要求一个较理想的基极驱动电路，应有自身工作电源电压监控保护。当电源电压低于一定值时，则通过自动电路保证BJT不能被驱动，以免BJT在关断时损坏BJT。,1.5 功率场效应晶体管P-MOSFET,根据其结构不同分为结型场效应晶体管，金属-氧化物-半导体场效应晶体管。 根据导电沟道的类型可分为N沟道和P沟道两大类； 根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类， 电力MOSFET主要是N沟道增强型,1.5.1 结构,功率场效应晶体管的结构 功率MOSFET在特性上的优越之处在于没有热电反馈引起的二次击穿、输入阻抗高、跨导的线性度好和工作频率高.,1.5.2 特性和主要参数,功率场效应晶体管的特性 (1) 功率MOSFET的转移特性(a) 转移特性表示功率MOSFET的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。转移特性表示功率MOSFET的放大能力，与BJT中的电流增益相仿，由于功率MOSFET是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。,(a) 功率MOSFET的转移特性 (b) 功率MOSFET的输出特性,(2) 功率MOSFET的输出特性(b) 当栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS间关系曲线称为VMOSFET的输出特性。只有当栅源电压UGS达到或超过强反型条件时，使MOSFET进入导通状态。栅源电压UGS越大，漏极电流越大，可见漏极电流ID受栅源电压 UGS的控制。输出特性分为三个区域，可调电阻区、饱和区和雪崩区。,可调电阻区，器件的电阻值是变化的。当栅源电压UGS一定时，器件内的沟道已经形成，若漏源电压UDS很小时，对沟道的影响可忽略，此时沟道的宽度和电子的迁移率几乎不变，所以ID与UDS几乎呈线性关系。 饱和区，当UGS不变时，ID趋于不变。 雪崩区，当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区，直至器件损坏。使用时应避免出现这种情况。,(3) 功率MOSFET的开关特性 因为MOSFET存在输入电容Ci， Ci有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升,当UGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD，从脉冲电压的前沿到iD出现，这段时间称为开通延迟时间td。 随着UGS增加，iD上升，从有iD到iD达到稳态值所用时间称为上升时间tr。开通时间ton可表示为 tontdtr (1-14),当脉冲电压下降到零时，栅极输入电容Ci通过信号源内阻RS和栅极电阻RG开始放电，栅极电压UGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，漏极电流才开始减小，这段时间称为关断延迟时间ts。 之后，Ci 继续放电，从iD减小，到UGSUT沟道关断，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断时间toff可表示为 tofftstf (1-15) 由上分析可知，改变信号源内阻RS，可改变Ci 充、放电时间常数，影响开关速度。,功率MOSFET开关特性,(4) 安全工作区(SOA) 功率MOSFET没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高电压范围内，但是功率MOSFET的通态电阻比较大，所以在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。,正向偏置安全工作区, 正向偏置安全工作区(FBSOA) 正向偏置安全工作区由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线， 开关安全工作区(SSOA) 开关安全工作区(SSOA)表示器件工作的极限范围。在功率MOSFET换流过程中，当器件体内反并联二级管从导通状态进入反向恢复期时，如果漏极电压上升过大，则很容易造成器件损坏。二极管反向恢复期内漏源极的电压上升率称为二极管恢复耐量，二极管恢复耐量是功率MOSFET可靠性的一个重要参数。,2. 功率场效应晶体管的主要参数 (1) 漏源击穿电压BUDS：该电压决定了功率MOSFET的最高工作电压。 (2) 栅源击穿电压BUGS ：该电压表征了功率MOSFET栅源之间能承受的最高电压。 (3) 漏极最大电流ID：表征功率MOSFET的电流容量。 (4) 开启电压UT：又称阈值电压，它是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。,(5) 通态电阻Ron：通态电阻Ron是指在确定的栅源电压UGS下，功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。 (6) 极间电容：功率MOSFET的极间电容是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为CGS和CGD，它们由MOS结构的绝缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是CDS，它由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。,1.5.3 门极驱动电路和缓冲电路,1. 功率场效应晶体管的门极驱动电路 (1) 功率MOSFET驱动电路的共性问题 驱动电路应简单、可靠。也需要考虑保护、隔离等问题。 驱动电路的负载为容性负载。 按驱动电路与栅极的连接方式可分为直接驱动与隔离驱动。,(2) 功率MOSFET对栅极驱动电路的要求 保证功率MOSFET可靠开通和关断，触发脉冲前、后沿要求陡峭。 减小驱动电路的输出电阻，提高功率MOSFET的开关速度。 触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在功率MOSFET截止时，能提供负的栅源电压。 功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。, 驱动电路应实现主电路与控制电路之间的隔离，避免功率电路对控制信号造成干扰。 驱动电路应能提供适当的保护功能，使得功率管可靠工作，如低压锁存保护、过电流保护、过热保护及驱动电压箝位保护等。 驱动电源必须并联旁路电容，它不仅滤除噪声，也用于给负载提供瞬时电流，加快功率MOSFET的开关速度。,(3) 功率MOSFET驱动电路 直接驱动 TTL驱动电路, 隔离驱动电路,对于VDMOS，其驱动电路非常简单，但在高速开关驱动时或在并联运行时，可在其驱动电路的输出级上接入射极跟随器，并尽可能地减小输出电阻，以缩短它的开通和关断时间。如果在驱动信号上做到阻断时栅源电压小于零，就能进一步缩短关断时间。,2. 功率场效应晶体管的缓冲电路 功率MOSFET的缓冲电路甚至可以不加。另外，如果电路中需要流过一个较大的反向续流，可以在VDMOS管外侧反并联一个高速恢复二极管，使电流由此旁路而不流入内部；为吸收反并联二极管的换向过电压，在VDMOS源极与漏极之间也并联RC吸收电路，其连接线应尽量短。,3 功率MOSFET的保护 (1) 静电保护 在静电较强的场合，容易静电击穿，造成栅源短路。 应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。 工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好使用12V24V的低电压烙铁，且前端作为接地点，先焊栅极，后焊漏极与源极。 在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须良好接地，MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零,(2) 栅源间的过电压保护 适当降低驱动电路的阻抗，在栅源间并接阻尼电阻。 (3) 短路、过电流保护 功率MOSFET的过电流和短路保护与BJT基本类似，仅是快速性要求更高，在故障信号取样和布线上要考虑抗干扰，并尽可能减小分布参数的影响。 (4) 漏源间的过电压保护 在感性负载两端并接箝位二极管，在器件漏源两端采用二极管VD及RC箝位电路或采用RC缓冲电路。,1.6 绝缘栅双极型晶体管IGBT,绝缘栅双极型晶体管IGBT是80年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。目前，IGBT的容量水平达(12001600A)/(18003330V),工作频率达40kHz以上。,1.6.1 结构和工作原理,1. 绝缘栅双极型晶体管的结构 IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。,IGBT的结构、符号及等效电路,2. 绝缘栅双极型晶体管的工作原理 当UDS0时，J3PN结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。 当UDS0时，分两种情况： 若门极电压UG开启电压UT，IGBT呈正向阻断状态。 若门极电压UG开启电压UT，IGBT正向导通。,1.6.2 特性和主要参数,IGBT的伏安特性和转移特性,开关特性,(4) 擎住效应 IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻， P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通；当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。,(5) 安全工作区,2. 绝缘栅双极型晶体管的主要参数 (1) 集射极额定电压UCES 栅射极短路时的IGBT最大耐压值。 (2) 栅射极额定电压UGES UGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏。,(3) 栅射极开启电压UGEth 使IGBT导通所需的最小栅-射极电压,通常IGBT的开启电压UGEth在3V5.5V之间。 (4) 集电极额定电流IC 在额定的测试温度(壳温为25)条件下，IGBT所允许的集电极最大直流电流。 (5) 集射极饱和电压UCEO IGBT在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压。通常IGBT的集射极饱和电压在1.5V3V之间。,1.6.3 驱动电路,1. IGBT的栅极驱动 (1) 栅极驱动电路对IGBT的影响 正向驱动电压+V增加时，IGBT输出级晶体管的导通压降和开通损耗值将下降，但并不是说+V值越高越好。 IGBT在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于IGBT的快速关断。 栅极驱动电路最好有对IGBT的完整保护能力。 为防止造成同一个系统多个IGBT中某个的误导通，要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且不要将多个IGBT的栅极驱动线捆扎在一起。,(2) IGBT栅极驱动电路应满足的条件 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。 在IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度。 栅极驱动电路的输出阻抗应尽可能地低。 栅极驱动条件与IGBT的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题。,2. IGBT驱动电路 (1) 阻尼滤波门极驱动电路：为了消除可能的振荡现象，IGBT的栅射极间接上RC网络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线,(2) 光耦合器门极驱动电路 ：驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。,(3) 脉冲变压器直接驱动IGBT的电路 由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构。,3. IGBT的保护 (1) 静电保护 IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。防静电保护极为必要。可采用MOSFET防静电保护方法。 (2) 过电流保护 与BJT一样，IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法。,(3) 短路保护,1.8 电力电子器件的串并联技术,尽管电力电子器件的电流容量和电压等级在不断提高，但仍然不能满足大容量整机应用的要求，需要串联使用以提高它们的电压等级或并联使用以提高它们的电流容量。,1.8.1 晶闸管的串并联,1. 晶闸管的串联连接,（1）静态均压 由于串联各器件的正向(或反向)阻断特性不同，但在电路中却流过相等的漏电流，因而各器件所承受的电压是不同的。 选用特性比较一致的器件进行串联 给每个晶闸管并联均压电阻Rj。如果均压电阻Rj大大小于晶闸管的漏电阻，则电压分配主要决定于Rj，但如Rj过小，则会造成Rj上损耗增大，因此要综合考虑。,（2） 动态均压 晶闸管在开通和关断的过程中，由于各器件的开通时间和关断时间等参数不一致，而造成的动态不均压问题。 晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于各晶闸管的结电容导通时间和关断时间等差别，为了使开关过程中的电压分配均匀，减小电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容C支路中串联电阻R。,晶闸管串联连接时 应尽可能选择参数比较接近的晶闸管串联，串联的各晶闸管开通时间之差要小； 要求门极触发脉冲的前沿要陡，触发脉冲的电流要大，使晶闸管的开通时间短，趋于一致。,晶闸管串联均压电路,由于晶闸管制造工艺的改进，器件的电压等级不断提高，因此要求晶闸管串联连接的情况会逐步减少。 器件串联后，必须降低电压的额定值使用，串联后选择晶闸管的额定电压为 (1-19) 式中 Um作用于串联器件上的峰值电压 ns串联器件个数,2. 晶闸管的并联连接,串联电阻法 由于串联电阻增大损耗，对电力电子器件而言无实用价值。,串联电抗法 用一个均流电抗器(铁心上带有两个相同的线圈)接在两个并联的晶闸管电路中。但因铁心笨重，线圈绕制不便，在并联支路数很多时，线路的配置就较复杂了。,采用两个耦合较好的空心电感，也可起到一定的均流效果。空心电抗器均流是目前普遍采用的均流方法。它的优点是接线简单，还有限制di/dt和du/dt的作用。由于空心电抗器的线圈都有电阻，因此实际上它是电阻串电感均流。 器件并联后，必须降低电流的额定值使用，并联后选择晶闸管的额定电流为 (1-20) 式中 I允许过载时流过的总电流平均值 np并联器件个数,晶闸管并联连接时 1应尽可能选择参数比较接近的晶闸管进行并联； 2触发脉冲的前沿要陡，触发脉冲的电流要大，使并联的各晶闸管开通时间之差要小。 3适当增大电感，可以减少各并联支路中动态电流的偏差。 4在安装时使各并联支路铜线长短相同，使各支路的分布电感和导线电阻相近。 在晶闸管装置需要同时采取串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法。,1.8.2 GTO的串并联,GTO的串联连接 GTO串联时，采用与晶闸管相似的方法解决均压问题。GTO的动态不均压的过电压产生于器件开通瞬间电压的后沿和关断瞬间电压的前沿，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，以消除动态不均压的影响。,GTO串联均压电路,2. GTO的并联连接 一个GTO内部就是由几百个小GTO单元并联工作的，从某种意义上说，这就给多个GTO之间的并联工作创造了先天性的有利条件。也可以采用串联电阻或电抗器等均流措施。,GTO并联均流电路,GTO并联要解决的是在开通和关断过程中产生的动态不均流问题。随结温的上升，开通时间将缩短，而关断时间却有延长的趋势，这就更加大了并联工作的GTO1与GTO2之间的开关时间差异，从而导致GTO的开关损耗进一步增大，温度再增高，这样继续下去，恶性循环的结果就会烧坏器件。 除了严格挑选并联工作的GTO通态电压相等外，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，力争做到并联的GTO同时开通和同时关断。,1.8.3 BJT的串并联,BJT的串联连接 由于BJT对过电压敏感，通常BJT是不进行串联运行的,2. BJT的并联连接 大电流BJT管芯中采用了若干小电流的BJT并联，因此用并联来增大BJT电流容量是比较常用的方法。 当负载电流比较小时，并联的两个管子的集电极电流分配是极不均匀的，但是随着负载电流的增大，电流分配将大为改善。使用同一个厂家同一型号的管子，多管并联时可以不采用负载均衡措施。开关过程中，BJT的负载分配是不均匀的，必须设计一种合适的电路，使它能够在动态下自动保持并联的管子的均衡负载能力。,自适应驱动电路 通过二极管VDAS的自适应作用，BJT总是能使基极电流自动和集电极电流相适应。,1.8.4 功率MOSFET的串并联,功率MOSFET的串联连接 一般来说，因功率MOSFET经常工作在高频开关电路中，常用的电阻与电容串并联在解决动态均压时，由于分布参数的影响，难以做到十分满意，所以除非必要，通常不将它们串联工作。,2. 功率MOSFET的并联连接 由于功率MOSFET的导通电阻是单极载流子承载的，具有正的电阻温度系数。当电流意外增大时，附加发热使导通电阻自行增大，对电流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET对电流有一定的自限流能力，比较适合于并联使用而不必采用并联均流措施。,1.8.5 IGBT的串并联,IGBT的串联连接 与BJT一样，通常IGBT不串联使用。,2. IGBT的并联连接 (1) 并联时的注意事项 当并联使用时，使用同一等级UCES的模块。 并联时，各IGBT之间的IC不平衡率18%。 并联时，各IGBT的开启电压应一致，如开启电压不同，则会产生严重的电流分配不均匀。,(2) 并联时的接线方法 在各模块的栅极上分别接上各模块推荐值的RG。栅极到各模块驱动级的配线长短及引线电感要相等，否则会引起各模块电流的分配不均匀，并会造成工作过程中开关损耗的不均匀。 控制回路的接线应使用双芯线或屏蔽线。 主电路需采用低电感接线。使接线尽量靠近各模块的引出端，使用铜排或扁条线，以尽可能降低接线的电感量。,小 结,根据开关器件是否可控分类 (1) 不可控器件 二极管VD是不可控器件。 (2) 半控器件 普通晶闸管SCR是半控器件。 (3) 全控器件 GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。,2. 根据门极(栅极)驱动信号的不同 (1) 电流控制器件 驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。该类器件有SCR、GTO、BJT。 (2) 电压控制器件 驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。该类器件有功率MOSEET、IGBT。,3. 根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。 (1) 单极型器件 功率MOSFET 。 (2) 双极型器件 二极管、SCR、GTO、BJT。 (3) 复合型器件 IGBT，是电力电子器件发展方向。,电力电子器件中电压，电流额定值从高往低的器件是SCR、GTO、IGBT和BJT、功率MOSFET。 工作频率从高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO、SCR。,第2章 可控整流器与有源逆变器,本章主要内容 整流器的结构形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各参数的数学关系和设计方法; 整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。 变压器漏抗对整流器的影响、整流器带电动机负载时的机械特性、触发电路等内容。,2.1 简 介,整流电路：将交流电变为直流电 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种 按电路结构可分为桥式电路和零式电路 按交流输入相数分为单相电路和多相电路,工频可控整流器,2.2 单相半波可控整流器,2.2.1 电阻性负载,1. 工作原理 在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同并且同相位，电流可以突变。 首先假设以下几点：(1) 开关元件是理想的，即开关元件导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；(2) 变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。,单相半波整流电路阻性负载演示,带电阻负载的工作情况 变压器T起变换电压和隔离的作用 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同 几个概念的解释： ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流 采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路 ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路,几个重要的基本概念： 触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用表示 移相范围: 是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是 0180。 通过改变触发角的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然=180时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。,基本数量关系 (1) 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id 直流输出电压平均值Ud: 输出电流平均值Id:,(2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I 输出电压有效值U: