电力电子技术基础之第1-2章 自关断器件

2020 4 6 电力电子技术 1 1 4 1可关断晶闸管 门极可关断晶闸管 GTO 晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压 电流容量较大 与普通晶闸管接近 因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用 1 4典型全控型器件 2020 4 6 电力电子技术 2 一 GTO的结构和工作原理结构 与普通晶闸管的相同点 PNPN四层半导体结构 外部引出阳极 阴极和门极和普通晶闸管的不同 GTO是一种多元的功率集成器件 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元 这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起 a 各单元的阴极 门极间隔排列的图形b 并联单元结构断面示意图 c 符号 2020 4 6 电力电子技术 3 工作原理 与普通晶闸管一样 可以用图示的双晶体管模型来分析 1 2 1是器件临界导通的条件 当 1 2 1时 两个等效晶体管过饱和而使器件导通 当 1 2 1时 不能维持饱和导通而关断 2020 4 6 电力电子技术 4 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别 1 设计 2较大 使晶体管V2控制灵敏 易于GTO关断 2 导通时 1 2更接近1 1 05 普通晶闸管 1 2 1 15 导通时饱和不深 接近临界饱和 有利门极控制关断 但导通时管压降增大 3 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 2020 4 6 电力电子技术 5 导通过程与普通晶闸管一样 只是导通时饱和程度较浅关断过程 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的减小使 1 2 1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 dt能力强 2020 4 6 电力电子技术 6 二 GTO的开关特性开通过程 与普通晶闸管类似 需经过延迟时间td和上升时间tr 2020 4 6 电力电子技术 7 关断过程 与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子 储存时间ts 使等效晶体管退出饱和等效晶体管从饱和区退至放大区 阳极电流逐渐减小 下降时间tf残存载流子复合 尾部时间tt 2020 4 6 电力电子技术 8 通常tf比ts小得多 而tt比ts要长门极负脉冲电流幅值越大 前沿越陡 抽走储存载流子的速度越快 ts越短门极负脉冲的后沿缓慢衰减 在tt阶段仍保持适当负电压 则可缩短尾部时间 2020 4 6 电力电子技术 9 三 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 开通时间ton延迟时间与上升时间之和 延迟时间一般约1 2 s 上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大2 关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和 不包括尾部时间 GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大 下降时间一般小于2 s不少GTO都制造成逆导型 类似于逆导晶闸管 需承受反压时 应和电力二极管串联 2020 4 6 电力电子技术 10 3 最大可关断阳极电流IATOGTO额定电流4 电流关断增益 off最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益 1 8 off一般很小 只有5左右 这是GTO的一个主要缺点 1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 2020 4 6 电力电子技术 11 1 4 2电力晶体管术语用法 电力晶体管 GTR 在电力电子技术的范围内 GTR与BJT这两个名称等效 2020 4 6 电力电子技术 12 一 GTR的结构和工作原理主要特性是耐压高 电流大 开关特性好与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 2020 4 6 电力电子技术 13 a 内部结构断面示意图b 电气图形符号c 内部载流子的流动一般采用共发射极接法 集电极电流ic与基极电流ib之比为 7 1 GTR的电流放大系数 反映了基极电流对集电极电流的控制能力 2020 4 6 电力电子技术 14 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时 ic和ib的关系为ic ib Iceo 7 2 产品说明书中通常给直流电流增益hFE 在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比 一般可认为 hFE单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多 通常为10左右 采用达林顿接法可有效增大电流增益 2020 4 6 电力电子技术 15 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GTR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 2020 4 6 电力电子技术 16 二 开关特性 开通过程延迟时间td和上升时间tr 二者之和为开通时间ton td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的 增大ib的幅值并增大dib dt 可缩短延迟时间 同时可缩短上升时间 从而加快开通过程 2020 4 6 电力电子技术 17 关断过程储存时间ts和下降时间tf 二者之和为关断时间toffts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的 是关断时间的主要部分减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子 或者增大负偏压来增大抽取载流子的基极负电流Ib2的幅值 可缩短储存时间 从而加快关断速度减小饱和深度会使CE间的饱和压降Uces增加 增大通态损耗GTR的开关时间在几微秒以内 比晶闸管和GTO都短很多 2020 4 6 电力电子技术 18 三 GTR的极限运行参数前已述及 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 此外还有 1 最高工作电压GTR上电压超过规定值时会发生击穿击穿电压不仅和晶体管本身特性有关 还与外电路接法有关BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo实际使用时 为确保安全 最高工作电压要比BUceo低得多 E开路时 CB间的反向击穿电压 Je反偏时 CE间的反向击穿电压 BE短路时 CE间的反向击穿电压 BE间接电阻时 CE间的反向击穿电压 B开路时 CE间的反向击穿电压 2020 4 6 电力电子技术 19 2 集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1 2 1 3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量 只能用到IcM的一半或稍多一点3 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC 间接表示了最高工作温度 2020 4 6 电力电子技术 20 四 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 2020 4 6 电力电子技术 21 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 2020 4 6 电力电子技术 22 安全工作区 SafeOperatingArea SOA 由最高电压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 2020 4 6 电力电子技术 23 二重达林顿复合管 三重达林顿复合管 电力晶体管模块 R1 R2分流电阻 用来减小ICEO的影响 VD2提供反向Ib1的通路 加快关断速度 VD1起逆导作用 2020 4 6 电力电子技术 24 分为结型和绝缘栅型 类似小功率FET 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型 MOSFET 简称电力MOSFET结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 SIT 特点 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 工作频率高热稳定性优于GTR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 1 4 3电力场效应晶体管 2020 4 6 电力电子技术 25 一 电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型 对于N P 沟道器件 栅极电压大于 小于 零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型 2020 4 6 电力电子技术 26 电力MOSFET的结构导通时只有一种极性的载流子 多子 参与导电 是单极型晶体管导电机理与小功率MOS管相同 但结构上有较大区别电力MOSFET的多元集成结构小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构 又称为VMOSFET 大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异 又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MO结构的VDMOSFET 2020 4 6 电力电子技术 27 电力MOSFET的工作原理漏源极间加正电源截止 栅源极间电压为零P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏 漏源极之间无电流流过导电 在栅源极间加正电压UGS栅极绝缘 无栅极电流 但栅极的正电压将其下面P区中的空穴推开 而将少子 电子吸引到栅极下P区的表面 当UGS大于UT 开启电压或阈值电压 时 栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度 使P型半导体反型成N型而成为反型层 为N沟道 漏极和源极导电 2020 4 6 电力电子技术 28 二 电力MOSFET的基本特性1 静态特性 a 转移特性b 输出特性漏极电流ID和栅源电压UGS的关系称 转移特性 ID较大时 ID与UGS的关系近似线性 曲线的斜率定义为跨导Gfs 2020 4 6 电力电子技术 29 MOSFET的漏极伏安特性 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 2020 4 6 电力电子技术 30 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管 漏源极间加反向电压时器件导通电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数 对器件并联时的均流有利 2020 4 6 电力电子技术 31 2 动态特性 a 测试电路b 开关过程波形up 脉冲信号源 Rs 信号源内阻 RG 栅极电阻 RL 负载电阻 RF 检测漏极电流 2020 4 6 电力电子技术 32 开通过程开通延迟时间td on up前沿时刻到uGS UT并开始出现iD的时刻间的时间段 2020 4 6 电力电子技术 33 上升时间tr uGS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已不变开通时间ton 开通延迟时间与上升时间之和 2020 4 6 电力电子技术 34 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tf uGS从UGSP继续下降起 iD减小 到uGS UT时沟道消失 iD下降到零为止的时间段关断时间toff 关断延迟时间和下降时间之和 2020 4 6 电力电子技术 35 MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系使用者无法降低Cin 但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数 加快开关速度MOSFET只靠多子导电 不存在少子储存效应 因而关断过程非常迅速开关时间在10 100ns之间 工作频率可达100kHz以上 是主要电力电子器件中最高的场控器件 静态时几乎不需输入电流 但在开关过程中需对输入电容充放电 仍需一定的驱动功率 开关频率越高 所需要的驱动功率越大 2020 4 6 电力电子技术 36 三 电力MOSFET的主要参数跨导Gfs 开启电压UT以及td on tr td off 和tf之还有1 漏极电压UDS电力MOSFET电压定额2 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额3 栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄 UGS 20V将导致绝缘层击穿4 极间电容极间电容CGS CGD和CDS厂家提供 漏源极短路时的输入电容Ciss 共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss 2020 4 6 电力电子技术 37 Ciss CGS CGD 1 14 Crss CGD 1 15 Coss CDS CGD 1 16 输入电容可近似用Ciss代替这些电容都是非线性的漏源间的耐压 漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET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 2020 4 6 电力电子技术 38 1 4 4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器件 2020 4 6 电力电子技术 39 1 4 4绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管 Insulated gateBipolarTransistor IGBT或IGT GTR和MOSFET复合 结合二者的优点 具有好的特性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 2020 4 6 电力电子技术 40 1 4 4绝缘栅双极晶体管 1 IGBT的结构和工作原理三端器件 栅极G 集电极C和发射极E图1 22IGBT的结构 简化等效电路和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 简化等效电路c 电气图形符号 2020 4 6 电力电子技术 41 1 4 4绝缘栅双极晶体管 IGBT的结构 显示图 图1 22a N沟道VDMOSFET与GTR组合 N沟道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J1 使IGBT导通时由P 注入区向N基区发射少子 从而对漂移区电导率进行调制 使得IGBT具有很强的通流能力简化等效电路表明 IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构 一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管RN为晶体管基区内的调制电阻 2020 4 6 电力电子技术 42 1 4 4绝缘栅双极晶体管 IGBT的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同 场控器件 通断由栅射极电压uGE决定导通 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导通导通压降 电导调制效应使电阻RN减小 使通态压降小关断 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 2020 4 6 电力电子技术 43 1 4 4绝缘栅双极晶体管 2 IGBT的基本特性1 IGBT的静态特性图1 23IGBT的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 2020 4 6 电力电子技术 44 1 4 4绝缘栅双极晶体管 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2 6V输出特性 伏安特性 以UGE为参考变量时 IC与UCE间的关系分为三个区域 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uCE 0时 IGBT为反向阻断工作状态 2020 4 6 电力电子技术 45 1 4 4绝缘栅双极晶体管 2 IGBT的动态特性图1 24IGBT的开关过程 2020 4 6 电力电子技术 46 1 4 4绝缘栅双极晶体管 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tr iC从10 ICM上升至90 ICM所需时间开通时间ton 开通延迟时间与电流上升时间之和uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段 tfv1 IGBT中MOSFET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 开关过程图 2020 4 6 电力电子技术 47 1 4 4绝缘栅双极晶体管 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 iC从90 ICM下降至10 ICM关断时间toff 关断延迟时间与电流下降之和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 2020 4 6 电力电子技术 48 1 4 4绝缘栅双极晶体管 IGBT中双极型PNP晶体管的存在 虽然带来了电导调制效应的好处 但也引入了少子储存现象 因而IGBT的开关速度低于电力MOSFETIGBT的击穿电压 通态压降和关断时间也是需要折衷的参数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ICP3 最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗 2020 4 6 电力电子技术 49 1 4 4绝缘栅双极晶体管 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 2020 4 6 电力电子技术 50 1 4 4绝缘栅双极晶体管 4 IGBT的擎住效应和安全工作区寄生晶闸管 由一个N PN 晶体管和作为主开关器件的P N P晶体管组成正偏安全工作区 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duCE dt确定 图1 22IGBT的结构 简化等效电路和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 简化等效电路c 电气图形符号 2020 4 6 电力电子技术 51 1 4 4绝缘栅双极晶体管 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 电流失控动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小擎住效应曾限制IGBT电流容量提高 20世纪90年代中后期开始逐渐解决IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起 制成模块 成为逆导器件 2020 4 6 电力电子技术 52 一 MOS控制晶闸管MCT MCT MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点 MOSFET的高输入阻抗 低驱动功率 快速的开关过程晶闸管的高电压大电流 低导通压降一个MCT器件由数以万计的MCT元组成 每个元的组成为 一个PNPN晶闸管 一个控制该晶闸管开通的MOSFET 和一个控制该晶闸管关断的MOSFETMCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件 因此 20世纪80年代以来一度成为研究的热点 但经过十多年的努力 其关键技术问题没有大的突破 电压和电流容量都远未达到预期的数值 未能投入实际应用 1 5其他新型电力电子器件 2020 4 6 电力电子技术 53 SIT 1970年 结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构 即可制成大功率的SIT器件多子导电的器件 工作频率与电力MOSFET相当 甚至更高 功率容量更大 因而适用于高频大功率场合在雷达通信设备 超声波功率放大 脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用缺点 栅极不加信号时导通 加负偏压时关断 称为正常导通型器件 使用不太方便通态电阻较大 通态损耗也大 因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用 二 静电感应晶体管SIT 2020 4 6 电力电子技术 54 SITH 1972年 在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到 因其工作原理与SIT类似 门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流 因此SITH又被称为场控晶闸管 比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结 SITH是两种载流子导电的双极型器件 具有电导调制效应 通态压降低 通流能力强 其很多特性与GTO类似 但开关速度比GTO高得多 是大容量的快速器件 SITH一般也是正常导通型 但也有正常关断型 制造工艺比GTO复杂得多 电流关断增益较小 因而其应用范围还有待拓展 三 静电感应晶闸管SITH 2020 4 6 电力电子技术 55 四 集成门极换流晶闸管IGCT IGCT 也称GCT 20世纪90年代后期出现 结合了IGBT与GTO的优点 容量与GTO相当 开关速度快10倍 且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路 只不过所需的驱动功率仍很大目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争 试图最终取代GTO在大功率场合的位置 2020 4 6 电力电子技术 56 五 功率模块与功率集成电路 20世纪80年代中后期开始 模块化趋势 将多个器件封装在一个模块中 称为功率模块可缩小装置体积 降低成本 提高可靠性对工作频率高的电路 可大大减小线路电感 从而简化对保护和缓冲电路的要求将器件与逻辑 控制 保护 传感 检测 自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上 称为功率集成电路 PIC 2020 4 6 电力电子技术 57 类似功率集成电路的还有许多名称 但实际上各有侧重高压集成电路 HVIC 一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成智能功率集成电路 SPIC 一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成智能功率模块 IPM 则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成 也称智能IGBT 2020 4 6 电力电子技术 58 功率集成电路的主要技术难点 高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点 最近几年获得了迅速发展功率集成电路实现了电能和信息的集成 成为机电一体化的理想接口 2020 4 6 电力电子技术 59 1 6驱动电路 驱动电路 主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态 缩短开关时间 减小开关损耗 对装置的运行效率 可靠性和安全性都有重要的意义对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中 或通过驱动电路实现 2020 4 6 电力电子技术 60 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 2020 4 6 电力电子技术 61 一 电力晶体管基极驱动电路 一 对驱动电路的要求为加速开关过程 减少损耗 使电力晶体管安全可靠地运行 驱动电路应有如下特性 1 主电路电压高 控制电路电压低 对驱动电路有电气隔离要求 2 驱动电流的前沿要足够陡 并有一定的过冲 加速开通过程 减小开通损耗 3 电力晶体管导通期间 在任何负载下基极驱动电流都应使电力晶体管饱和导通 为降低饱和压降 应使晶体管过饱和 而为缩短储存时间 应使晶体管临界饱和 要根据电路工作情况折衷考虑 2020 4 6 电力电子技术 62 4 关断时 应能提供足够大的反向基极驱动电流 并加反偏截止电压 以加快关断速度 减小关断损耗 5 驱动电路应有较强的抗干扰能力 并有一定的保护功能 较理想的基极驱动电流波形 2020 4 6 电力电子技术 63 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普通型IC ID较小为0 1 0 3 高传输比型的要大得多 普通型响应时间为10 s左右 高速型为1 5 s 二 驱动电路的隔离 2020 4 6 电力电子技术 64 磁隔离的元件通常是脉冲变压器 为避免脉冲较宽时铁心饱和 常采用高频调制解调的方法 三 驱动电路举例 2020 4 6 电力电子技术 65 基本工作原理 A为高电平时 V1导通 经光耦使V2导通 V3截止 V4和V5导通 V6 发射结反偏 截止 V5发射极电流经R5 VD3 驱动电力晶体管V导通 同时C2上充有左正右负的电压 A下跳为低电平时 V1截止 经光耦使V2截止 V3导通 V4和V5截止 V6导通 C2电压经V6 V的e和b VD4放电 使V截止 2020 4 6 电力电子技术 66 进一步分析 1 加速电容电路当V5刚导通时 电源E经R4 V5 C2 VD3驱动V R5被C2短路 实现驱动电流过冲 增加前沿陡度 加快开通 过冲电流幅度可达额定基极电流两倍以上 C2称为加速电容 驱动电流的稳态值由E R4和R5确定 应使负载电流最大时电力晶体管仍能饱和导通 2020 4 6 电力电子技术 67 2 抗饱和电路箝位二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成抗饱和电路 当负载较轻时 如V5发射极电流全注入V 会使V过饱和 有了抗饱和电路后 当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时 VD2会自动导通 使多余的驱动电流流入集电极 维持Ubc 0 使V导通时始终处于临界饱和状态 2020 4 6 电力电子技术 68 3 截止反偏驱动电路由C2 V6 VS VD4和R5构成 V导通时C2充有电压 V6导通时 C2先经V6 V的Je和VD4放电 使V截止后 VS取代V使C2继续放电 VS上的电压使V基极反偏 C2在反偏驱动电路中起储能电容作用 2020 4 6 电力电子技术 69 四 大规模集成驱动电路分立元件驱动电路 使用元件多 稳定性差 大规模集成驱动电路 集成度高 保护功能多 稳定性好 使用方便 例UAA4002基极驱动电路 有如下特点 1 可把逻辑信号转变为电力晶体管的基极驱动电流 大小自动调节 使电力晶体管处于临界饱和 减小关断时的储存时间 输出电流可达0 5A 2 可提供3A的反向电流 使电力晶体管快速关断 减小关断时的下降时间 减少关断损耗 3 有过流 过压 过饱和 欠饱和等保护功能 还可监控集成块本身正负电源和芯片温度并进行保护 有关功能可编程控制 2020 4 6 电力电子技术 70 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 2020 4 6 电力电子技术 71 V1 V2构成脉冲放大环节脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节V1 V2导通时 通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲VD1和R3是为了V1 V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设 图1 26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1 t2 脉冲前沿上升时间 1 s t1 t3 强脉宽度IM 强脉冲幅值 3IGT 5IGT t1 t4 脉冲宽度I 脉冲平顶幅值 1 5IGT 2IGT 图1 27常见的晶闸管触发电路 2020 4 6 电力电子技术 72 二 GTO门极驱动电路 1 GTO的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 2 GTO的关断控制需施加负门极电流 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 一 GTO门极驱动特性及对驱动电路的要求 2020 4 6 电力电子技术 73 3 推荐的GTO门极脉冲波形从原理来说 正向脉冲电流只要延续到GTO达到擎住电流即可 反向门极驱动电压的持续时间只要略大于关断时间toff和尾部时间tt之和即可 但右图波形正向脉冲电流后沿和反向脉冲电流前沿相连 反向电压后沿和正向电流前沿相连 在GTO导通期间 保持正向门极电流可降低管压降 减小损耗 在关断期间 保持门极反向电压可防止误触发 另外 开通和关断脉冲后沿极易出现过冲 成为误关断或误开通信号 现把二者相连 却可利用过冲增加前沿陡度 2020 4 6 电力电子技术 74 可分为脉冲变压器耦合式 间接驱动 和直接耦合式 直接驱动 两种类型 二 直接驱动和间接驱动 1 间接驱动可起到主电路和控制电路的隔离作用 利用脉冲变压器匝数比 可大电流低电压驱动 而驱动电路功率器件的电流大幅度减小 但是 变压器漏感使脉冲陡度受到限制 并使脉冲前 后沿出现振荡 对GTO正确导通关断不利 2 直接驱动可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡 可得到较陡的脉冲前沿 因此目前应用较广 但其功耗大 效率较低 2020 4 6 电力电子技术 75 三 驱动电路举例 GTO右边是门极直接驱动开通电路 左边是门极间接驱动关断电路 2020 4 6 电力电子技术 76 1 开通过程开通前 8V电源经R5加到GTO门极 使GTO可靠关断 同时经R3加到V2栅极 使V2截止 C2电压为零 开通信号来时 uG3 uG4是相位相反的两组高频调制脉冲 频率为几十千赫 T2 T3体积很小 VD6 VD8整流后得uAB VD7 VS3 VD9 VS4是V3 V4关断后T2 T3的放电回路 uAB使V2导通 E2通过R1 C2 V2向GTO门极提供正向驱动电流 C2充电电压升高 驱动电流转移到R2支路 其大小由E2和R2确定 R6和VS2为防止V2的栅极过电压 2020 4 6 电力电子技术 77 2 关断过程W1 W2 关断前C1被充到高于E1的电压UC1 0 t 0时 给出关断信号 V1导通 C1经W2放电 W1自耦升压 VD1反向截止 门极电流开始反向增大 t1时 C1放电到E2 2 VD1导通u1 u2 E1 门极电流继续增大 t2时 V1栅极电压变零 V1截止 E1经VD1 W1给C1充电 uC1上升 u1下降 u3也下降 门极电流达到最大后回落 t3时 uC1 E1 u1 0 W1能量释放使uC1继续上升 W3电压反向 VD2 VD4电压反向 流过很少的反向电流后截止 对GTO是正向电流 为防止误导通 VD2 VD4应选用反向恢复电流小的快速二极管 t4时 C1电压充到UC1 0 W1能量释放完 VD1截止 C1无放电回路 保持到下一次门极关断信号 开通信号送到GTO门极时 VD2 VD4三个PN结使正向电流通过GTO门极的PN结 而不旁路 2020 4 6 电力电子技术 78 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10 15V 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在栅极串入一只低值电阻 数十欧左右 可以减小寄生振荡 该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小 三 电力MOSFET栅极驱动电路 2020 4 6 电力电子技术 79 TTL电路后面加一级互补对称电路 提高驱动电压 减小信号源电阻 a 是晶体管作互补对称电路 b 是场效应管作互补对称电路 电阻给输入电容提供放电回路 2020 4 6 电力电子技术 80 IGBT的驱动 多采用专用的混合集成驱动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 2020 4 6 电力电子技术 81 内部具有退饱和检测和保护环节 当发生过电流时能快速响应 关断IGBT 并给出故障信号 M57962L输出的正驱动电压均为 15V左右 负驱动电压为 10V 2020 4 6 电力电子技术 82 1 7晶闸管的保护 一 晶闸管的过电流及其保护 晶闸管在规定的冷却条件下 通过两倍通态平均电流时 可经受的时间为0 5s 通过三倍通态平均电流时 可经受的时间为60ms 通过六倍通态平均电流时 可经受的时间为20ms 通过二十倍通态平均电流时 可经受的时间为10ms 浪涌电流ITSM 2020 4 6 电力电子技术 83 过电流 过载和短路两种情况常用措施 快速熔断器 直流快速断路器和过电流继电器同时采用几种过电流保护措施 提高可靠性和合理性 二 过电流保护的一般方法 2020 4 6 电力电子技术 84 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 2020 4 6 电力电子技术 85 一 快速熔断器 快熔 的过载特性与晶闸管的配合快速熔断器是电力电子装置中最有效 应用最广的一种过电流保护措施 曲线1是300A快熔的保护特性 表明流过快熔的电流越大 其熔断时间越短 当短路电流通过时 熔断时间可缩短到5ms以下 在额定电流下工作时 熔断时间为无穷大 可长期工作 2020 4 6 电力电子技术 86 曲线2是额定电流200A晶闸管的过载特性 在交点A的左侧 快溶的熔断时间小于晶闸管达到额定结温所需时间 快熔起到保护作用 在A点的右侧快熔不起保护作用 再考虑到快熔和晶闸管的特性都有分散性 而且还随温度而变化 所以快熔用作短路保护是合适的 但不宜作过载保护 2020 4 6 电力电子技术 87 二 快速熔断器的主要参数1 额定电压根据熔断后快熔能实际承受的电压 有250 500 750 1000 1500V五个等级 2 额定电流指快熔能能长期通过的电流有效值 有10 50 100 200 350 500 750 1000A 3 允通能量通常用表示 快熔的值应小于被保护器件的允许值 为保证熔体在正常过载情况下不熔化 应考虑其时间 电流特性 2020 4 6 电力电子技术 88 快熔对器件的保护方式 全保护和短路保护两种全保护 过载 短路均由快熔进行保护 适用于小功率装置或器件裕度较大的场合短路保护方式 快熔只在短路电流较大的区域起保护作用对重要的且易发生短路的晶闸管设备 或全控型器件 很难用快熔保护 需采用电子电路进行过电流保护常在全控型器件的驱动电路中设置电子电路过电流保护环节 响应最快 2020 4 6 电力电子技术 89 三 快速开关和过流继电器快速开关都用在直流电路 全分断时间最快为10ms 过流继电器有直流和交流两种 动作时间一般都是几百毫秒 在容易发生过流的装置中 加设快速开关或过流继电器 动作值整定得低些 当出现过流时 总是快速开关或过流继电器首先动作 即使动作速度不如快熔 也不致危及晶闸管 此后经过复位 又可恢复正常工作 2020 4 6 电力电子技术 90 四 利用反馈控制作过流保护的原理 电子电路过电流保护环节 保护特点 动作速度比上述任何一种过流保护电器都快 常用于容易发生短路的设备如逆变器中 但内部发生短路时还得靠快熔来保护 2020 4 6 电力电子技术 91 偏移电压预先整定在使控制角 90 的位置 使整流电压下降 抑制了短路电流 由于电路处于逆变状态 释放电抗器中的能量 直到逆变电压降低到晶闸管阻断 正常情况下 电流信号小于过电流整定值 电压比较器输出使控制门开 由给定电压控制触发系统工作 晶闸管正常导通 当负载短路或过载时电压比较器输出关闭控制门 2020 4 6 电力电子技术 92 三 过电压及晶闸管的过电压保护 一 几种主要的过电压情况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 2020 4 6 电力电子技术 93 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 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断 因而有较大的反向电流流过 当恢复了阻断能力时 该反向电流急剧减小 会由线路电感在器件两端感应出过电压 2 关断过电压 全控型器件关断时 正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压 2020 4 6 电力电子技术 94 二 过电压保护概述抑制过电压的方法 1 用非线性元件限制过电压的幅度 2 用电阻消耗过电压的能量 3 用储能元件吸收过电压的能量 2020 4 6 电力电子技术 95 避雷器 变压器静电屏蔽层 静电感应过电压抑制电容 2020 4 6 电力电子技术 96 阀侧浪涌过电压抑制用RC电路 阀侧浪涌过电压抑制用三相整流式RC电路 2020 4 6 电力电子技术 97 压敏电阻过电压抑制器 阀器件换相过电压抑制用RC电路 2020 4 6 电力电子技术 98 直流侧RC抑制电路 阀器件关断过电压抑制用RCD电路 电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施 属于缓冲电路范畴 2020 4 6 电力电子技术 99 三 限制过电压的非线性元件1 硒堆若干片硒整流元件组成硒堆 具有较陡的反向非线性特性 当超过转折电压时 反向电流增加很快 消耗较大瞬时功率 过电压被限制在硒堆的反向击穿电压 每片硒片的额定电压有效值一般为20 30V 硒片的缺点是 长期不用反向电阻会下降 初次使用时 必须先加50 额定电压10min 再加额定电压2h 才能恢复其原有的反向伏安特性 2020 4 6 电力电子技术 100 2 金属氧化物压敏电阻击穿前漏电流为微安级 损耗小 击穿后能通过数千安的浪涌电流 但是每次击穿流过较大浪涌电流之后 击穿电压有所降低 因此不宜用于抑制频繁出现过电压的场合 2020 4 6 电力电子技术 101 压敏电阻的主要参数 U1mA 漏电流为1mA时的额定电压值 U 放电电流达到规定值I 使的电压 通流容量 在规定冲击电流波形下 允许通过的浪涌电流值 残压 压敏电阻通过电流时在其两端的电压降 非线性元件还有 转折二极管BOD 对称硅过电压抑制器SSOS等 2020 4 6 电力电子技术 102 四 用非线性元件抑制过电压硒堆正向为二极管特性 使用时将两组硒堆反向对接 使双向具有稳压管特性 2020 4 6 电力电子技术 103 压敏电阻 2020 4 6 电力电子技术 104 外因过电压抑制措施中 RC过电压抑制电路最为常见 典型联结方式见图 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 或电力电子电路的直流侧 五 用RC抑制过电压 2020 4 6 电力电子技术 105 在变压器二次侧并联电阻电容 可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来 电容器电压不能突变 有效地抑制过电压 串联电阻能消耗部分产生过电压的能量 并抑制LC回路的振荡 2020 4 6 电力电子技术 106 大容量电力电子装置可采用图示的三相整流式RC电路 P131图6 9 多用一组三相整流桥 只用一个电容 并因只承受直流电压 可采用体积小容量大的电解电容 缩小了保护装置的体积 又可避免电容放电增加晶闸管的di dt 2020 4 6 电力电子技术 107 直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法 阻容保护和非线性元件保护 在晶闸管两端并联阻容保护电路 抑制晶闸管关断过电压 晶闸管关断时 变压器电流可经RC续流 减小di dt 抑制过电压 电阻可阻尼LC振荡 限制晶闸管开通时电容放电的di dt 2020 4 6 电力电子技术 108 四 晶闸管的du dt和di dt承受能力及保护 一 电压上升率du dt 在阻断状态下 晶闸管的J2结面相当于一个电容 如果突然受到正向阳极电压 就有充电电流流过门极与阴极的PN结 相当于流过一触发电流 当正向阳极电压上升率du dt较大时 充电电流也较大 就会使晶闸管误导通 因此对du dt有一定限制 2020 4 6 电力电子技术 109 电压上升率du dt过大的原因 1 由电网侵入的过电压 2 换相时相当于线电压短路 换相结束后线电压又升高 每一次换相都可能du dt造成过大 限制du dt过大可在电源输入端串联电抗器和晶闸管每个桥臂上串联电抗 利用电感的滤波特性 使du dt降低 2020 4 6 电力电子技术 110 二 电流上升率di dt 晶闸管在正向阳极电压作用下 当门极流入触发电流后 最初的导通瞬间 主电流集中在门极附近 随着时间的增长 导通区才逐渐扩大 直到全部结面导通为止 这个过程约需几微秒到几十微秒 如果导通时电流上升率太大 则可能引起门极附近过热 造成晶闸管损坏 因此 对晶闸管的电流上升率di dt必须有所限制 2020 4 6 电力电子技术 111 电流上升率di dt过大的原因 1 在晶闸管导通时 与晶闸管并联的阻容保护电路中的电容突然向晶闸管放电 2 交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电 3 直流侧负载突然短路 限制di dt过大 除了在阻容保护电路中选择合适的电阻外 可在每个桥臂上与晶闸管串联一个电抗 与限制du dt的方法相同 2020 4 6 电力电子技术 112 限制du dt和di dt的电感L值 一般很小 约几到几十微亨 一般采用空心电抗器 即用导线绕上一定圈数构成 或者导线上套上一个或几个磁环即可 2020 4 6 电力电子技术 113 1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 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关断缓冲电路 du dt抑制电路 吸收器件的关断过电压和换相过电压 抑制du dt 减小关断损耗开通缓冲电路 di dt抑制电路 抑制器件开通时的电流过冲和di dt 减小器件的开通损耗将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 复合缓冲电路其他分类法 耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 无损吸收电路 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路 将开通缓冲电路叫做di dt抑制电路 2020 4 6 电力电子技术 114 1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 缓冲电路作用分析无缓冲电路 V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有缓冲电路V开通时 Cs通过Rs向V放电 使iC先上一个台阶 以后因有Li iC上升速度减慢V关断时 负载电流通过VDs向Cs分流 减轻了V的负担 抑制了du dt和过电压 图1 38di dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a 电路b 波形 2020 4 6 电力电子技术 115 1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 关断时的负载曲线无缓冲电路时 uCE迅速升 L感应电压使VD通 负载线从A移到B 之后iC才下降到漏电流的大小 负载线随之移到C有缓冲电路时 Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降 负载线经过D到达C负载线