第1章电力电子器件

1、1第第1章章 电力电子器件电力电子器件2能处理电能处理电功率功率的能力，一般远大于处理信息的电子的能力，一般远大于处理信息的电子器件。器件。电力电子器件一般都工作在电力电子器件一般都工作在开关状态开关状态。电力电子器件往往需要电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要一般都要安装散热器安装散热器。1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：3低频时，低频时，通态损耗通态损耗是器件功率

2、损耗的主要成因。是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损可能成为器件功率损耗的主要因素耗的主要因素。主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗关断损耗关断损耗开通损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗4电力电子系统：由电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成组成。图图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成控控制制

3、电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2保护保护电路电路在主电路在主电路和控制电和控制电路中附加路中附加一些电路，一些电路，以保证电以保证电力电子器力电子器件和整个件和整个系统正常系统正常可靠运行可靠运行1.1.2 应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离电气隔离控制电路控制电路51.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电

4、流器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。决定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断，因此不需要驱动电路。不能用控制信号来控制其通断，因此不需要驱动电路。 器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。和电流决定的。61.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照

5、驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断来实现导通或者关断的控制。的控制。 电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就信号就可实现导通或者关断的控制。可实现导通或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现信号来实现器件的开通或者关断的控制。器件的开通或者关断的控制。 电平控制型电平控制型 必须

6、通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并电压或电流信号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断在导通状态或者关断并维持在阻断状态。并维持在阻断状态。 71.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 状态状态参数参数正向导通正向导通反向截止反向截止反向击穿反向击穿电流电流正向大正向大几乎为零几乎为零反向大反向大电压电压维持维持1V反向大反向大反向大反向大阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态 PN结的状态 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。8电力二极管与信息电子二极管在半导体物理结构和电力二极管与信息电子二极管

7、在半导体物理结构和工作原理方面的不同之处：工作原理方面的不同之处：l电力二极管的电力二极管的垂直导电结构垂直导电结构使得硅片中通使得硅片中通过电流的有效面积增大，可以显著提高二过电流的有效面积增大，可以显著提高二极管的极管的通流能力通流能力。l由于掺杂浓底低，低掺杂浓度就可以承受由于掺杂浓底低，低掺杂浓度就可以承受很高的电压而不致被击穿，因此很高的电压而不致被击穿，因此低掺杂低掺杂N区区越厚，电力二极管能够承受的反向电压就越厚，电力二极管能够承受的反向电压就越高越高。电力二极管在电力二极管在P区和区和N区之间多了一层低掺杂区之间多了一层低掺杂N区，区，也称为漂移区。因此，电力二极管的结构也称为

8、也称为漂移区。因此，电力二极管的结构也称为P-i-N结构。结构。9电力二极管与信息电子二极管在半导体物理结构和电力二极管与信息电子二极管在半导体物理结构和工作原理方面的不同之处：工作原理方面的不同之处：l 电导调制效应电导调制效应使得电力二极管在正向电流较大时使得电力二极管在正向电流较大时压降仍然很低压降仍然很低，维持在，维持在1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的电力二极管表现为低阻态。电力二极管表现为低阻态。低掺杂低掺杂N区由于掺杂浓度低而具有的高电阻率对于电力二区由于掺杂浓度低而具有的高电阻率对于电力二极管的正向导通是不利的，这个矛盾是通过电导调制效极管的正向导通是不利的，这个矛盾

9、是通过电导调制效应来解决的。应来解决的。电导调制效应：电导调制效应：l当当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加。而管压降随正向电流的上升而增加。l当当PN结上流过的正向电流较大时，由结上流过的正向电流较大时，由P区注入并积累在低区注入并积累在低掺杂掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显条件，其多子

10、浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。101.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发这些情况除了这些情况除了光触发光触发由于可以保证控制电路与由于可以保证控制电路与主电路之间的主电路之间的良好绝缘良好绝缘而而应用于高压电力设备应用于高压电力设备中中之外，其它都因不

11、易控制而难以应用于实践。之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有只有门极触发门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。是最精确、迅速而可靠的控制手段。光触发也属于门极触发光触发也属于门极触发 111.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是时，不论门极是 否有触发电流，晶闸管都不会导通否有触发电流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有 触发电流触发电流的情况下晶闸管才能开通的情况下晶闸管才能开通 。 导通条件导通条件121.

12、3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管一旦导通，门极就失去控制作晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，晶闸管保持导通用，晶闸管保持导通 。若要使已导通的晶闸管关断，只能利若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加反向电压和外电路的作用使流过用外加反向电压和外电路的作用使流过晶闸管的晶闸管的电流降到接近于零的某一数值电流降到接近于零的某一数值以下以下。 关断条件关断条件131.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的正向正向

13、 峰值电压峰值电压（见图（见图1-9）。）。 国标规定断态重复峰值电压国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）断态最大瞬时电压）UDSM的的90%。 断态不重复峰值电压应低于断态不重复峰值电压应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值电压峰值电压（见图（见图1-8）。）。 规定反向重复峰值电压规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬

14、态电压）最大瞬态电压）URSM的的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压反向击穿电压。141.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 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。压。 通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件的中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电

15、流 IT(AV） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷冷 却状态却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的下，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最大工频正弦半 波电流的平均值波电流的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发热效应来定义的。来定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则所得计算结果的原则所得计算结果的1.52倍。倍。 151.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的

16、主要参数维持电流维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，电流，一般为几十到几百毫安。一般为几十到几百毫安。 结温结温越高，则越高，则IH越小。越小。161.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断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态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管电压上升率过大，使充电电

17、流足够大，就会使晶闸管误导通误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通最大通态电流上升率态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。坏。171.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST） 有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。 快速晶闸管的快速晶闸管的开关时间开关时间以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明显改善。明显

18、改善。 从从关断时间关断时间来看，普通晶闸管一般为来看，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速微秒，快速晶闸管为晶闸管为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。 高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。定额都不易做高。 由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其通态平均电流时不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。的发热效应。 181.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)b)IOUIG= =0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC S

19、witchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联 接接的普通晶闸管的集成。的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特对称的伏安特性性。 双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。图图1-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b)

20、 伏安特性伏安特性 a)b)IOUIG= =0GT1T2191.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG= =0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将是将晶闸管反并联一个晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向电压反向电压的能力，一的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要

21、阻断反向电压的电路中。路中。 图图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 201.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度光强度强强弱弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的是利用一定波长的光光照信号照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光

22、控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合。的场合。图图1-13 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 21不亮不亮亮亮不亮不亮221.4.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管晶闸管的一种派生器件。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可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在管接近，因而在兆瓦级以上的大功率兆瓦级以上的大功率场合仍场合仍有较多的应用。有较多的应用。门 极 可 关 断 晶

23、 闸 管 （门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - Tu r n - O f f Thyristor GTO）231.4.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的大电流的双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。样的。 最主要的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关

24、开关特性好。特性好。 241.4.2 电力晶体管电力晶体管GTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典 型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放 大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。 在电力电子电路中，在电力电子电路中， GTR工作在工作在开关状态开关状态，即工，即工 作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。 在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时， 一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区截止区放大区放大区饱和区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图图1-17 共发射极接

25、法时共发射极接法时GTR的输出特性的输出特性251.4.2 电力晶体管电力晶体管GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区 当当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是这种首先出现的击穿是雪崩击穿雪崩击穿，被称为一次击穿。，被称为一次击穿。 发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击，这种现象称为二次击穿。穿。 出现一次击

26、穿后，出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。危害极大。 SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图1-19 GTR的安全工作区的安全工作区二次击穿二次击穿功率功率 安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 将不同基极电流下二次击穿的临界点将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线。连接起来，就构成了二次击穿临界线。 GTR工作时不仅不能超过最高电压工作时不仅不能超过最高电压 Uce

27、M，集电极最大电流，集电极最大电流IcM和最大耗散功和最大耗散功 率率PcM，也不能超过，也不能超过二次击穿临界线二次击穿临界线。261.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为分为结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中，但通常主要指绝缘栅型中的的MOS型（型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称电力简称电力MOSFET（Power MOSFET）。）。电力电力MOSFET是用是用栅极栅极电压电压来控制来控制漏极漏极电流电流的，的，它的特点有：它的特点有： 驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。

28、开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，多用于功率不超过电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。的电力电子装置。 271.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管输出特性输出特性 是是MOSFET的的漏极漏极伏安特性。伏安特性。 截止区截止区（对应于（对应于GTR的截止区）、的截止区）、饱和区饱和区（对应于（对应于GTR的放大区）、的放大区）、非饱非饱和区和区（对应于（对应于GTR的饱和区）三个区域，的饱和区）三个区域，饱和饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，增加，非饱和非饱和是指漏源电压增加时漏极是

29、指漏源电压增加时漏极电流相应增加。电流相应增加。 工作在工作在开关开关状态，即在状态，即在截止区截止区和和非饱非饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。本身结构所致，本身结构所致，漏极漏极和和源极源极之间形成之间形成了一个与了一个与MOSFET反向并联的反向并联的寄生二极寄生二极管管。通态电阻具有通态电阻具有正温度系数正温度系数，对器件并，对器件并联时的联时的均流均流有利。有利。 图图1-21 电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 b) 输出特性输出特性28无少子储存效应无少子储存效应单极型器件单极型器件关断迅速关断迅速工作频率工作频率100kHz以上以上输入电容输入电容

30、驱动功率驱动功率开关频率开关频率驱动功率驱动功率1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管特点：特点：291.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR电流驱动器件电流驱动器件通流能力很强通流能力很强开关速度较开关速度较低低驱动功率大驱动功率大MOSFET电压驱动器件电压驱动器件开关速度快开关速度快驱动功率小驱动功率小绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT或或IGT综合了综合了GTR和和MOSFET的的优点优点良好的特性良好的特性双极型双极型单极型单极型301.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结

31、如下： 开关速度开关速度高，高，开关损耗开关损耗小。小。 在相同电压和电流定额的情况下，在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的的安安全工作区全工作区比比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。的能力。 通态压降通态压降比比VDMOSFET低，特别是在电流较低，特别是在电流较大的区域。大的区域。 输入阻抗输入阻抗高，其输入特性与电力高，其输入特性与电力MOSFET类类似。似。 与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐压耐压和和通流能力通流能力还可以进一步提高，同时保持还可以进一步提高，同时保持开关频开关频率率高的特点。高的特点。 GTRIGBTMO

32、SFET没有二次击穿问题没有二次击穿问题有电导调制效应有电导调制效应输入部分为输入部分为MOSFET1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述使电力电子器件工作在较理想的开关状态，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。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对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通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。过驱动电路实现。驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。按控制目标的要求施加开通或关

33、断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。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供关断控制信号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气隔离气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压器ERERERa)b)c

34、)UinUoutR1ICIDR1R1图图9-1 光耦合器的类型及接法光耦合器的类型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高传输比型高传输比型传递电压有限，传递电压有限，2000V2000V左右。左右。放大倍数低，放大倍数低，I IC C/I/IDD11达林顿接法，两级放大，传输达林顿接法，两级放大，传输比较大，但也不大。比较大，但也不大。1.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路V2、V3构成构成脉冲放大脉冲放大环节环节。脉冲变压器脉冲变压器TM和附和附属电路构成属电路构成脉冲输出脉冲输出环节环节。 V2、V3导通时，通导通时，通过脉冲变压器向晶闸过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴

35、极之间管的门极和阴极之间输出触发脉冲输出触发脉冲。图图9-3 常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路电气隔离电气隔离脉冲放大脉冲放大为了为了V V2 2V V3 3由导通变为截止时，脉冲由导通变为截止时，脉冲变压器变压器TMTM释放其储存的能量而释放其储存的能量而设的。设的。1.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电力电力MOSFET和和IGBT是电压驱动型器件。是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使使MOSFET开通的驱动电压一般开通的驱动电压一般1015V，使

36、，使IGBT开开通的驱动电压一般通的驱动电压一般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。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可以减小寄生振荡。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2) 电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路1.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(1) 电力电力MOSFET的一种驱动电路：的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分两部分图图9-8电力电力MOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路专为驱动电力专

37、为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有而设计的混合集成电路有三菱公司的三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为，输出最大脉冲电流为+2A和和-3A，输出驱，输出驱动电压动电压+15V和和-10V。 无输入信号：无输入信号：A A负电平，负电平，V3V3，负，负驱动电压驱动电压有输入信号：有输入信号：A A正电平，正电平，V2V2，正，正驱动电压驱动电压1.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(2) IGBT的驱动的驱动图图9-9M57962L型型IGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的常

38、用的有三菱公司的M579系列（如系列（如M57962L和和 M57959L）和富士公司的）和富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。 多采用专用的混合集成驱动器。多采用专用的混合集成驱动器。1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压雷击过电压：由雷击引起：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内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件

39、的开关过程过程换相过电压换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在在换相结束后，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。器件两端感应出过电压。关断过电压关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低：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而由线路电感在器件两端感应出的过电压。电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压外因过电压外因过电压和和内因内因过电压过电压管子关断管子关断1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护

40、措施图图9-10过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D变压器静电屏蔽层变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容静电感应过电压抑制电容RCRC过电压抑制电路有三种位置：过电压抑制电路有三种位置：网侧：供电网一侧网侧：供电网一侧阀侧：电力电子电路一侧阀侧：电力电子电路一侧电力电子电路的直流侧电力电子电路的直流侧1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图图9-10过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置RC1阀侧浪涌过电压抑制用阀侧浪涌过电压抑制用RC电路电路RCRC：直流、交流、开关管：直流、交流、开关管 抑制过电压

41、，使用非常广泛抑制过电压，使用非常广泛有助于放电电流的抑制有助于放电电流的抑制吸收过电压吸收过电压1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图图9-10过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路电路用于大容量的电力电子装置用于大容量的电力电子装置放电回路，避免下次再有过电压，电容吸收不了。放电回路，避免下次再有过电压，电容吸收不了。1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图图9-10过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及

42、配置位置RV压敏电阻过电压抑制器压敏电阻过电压抑制器压敏电阻：压敏电阻：加上它上面的电压小于阈值电压加上它上面的电压小于阈值电压U UN N时，流过的电时，流过的电流小，相当于一只关死的阀门。流小，相当于一只关死的阀门。当电压大于阈值电压当电压大于阈值电压U UN N时，流过电流激增，相当时，流过电流激增，相当于阀门被打开，限制电压。于阀门被打开，限制电压。1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图图9-10过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置RC3阀器件换相过电压抑制用阀器件换相过电压抑制用RC电路电路RCD阀器件关断过电压抑制用阀

43、器件关断过电压抑制用RCD电路电路抑制内因过电压，属于缓冲电路。抑制内因过电压，属于缓冲电路。1.7.2 过电流保护过电流保护过电流过电流过载过载和和短路短路两种情况两种情况保护措施保护措施负载负载触发电路触发电路开关电路开关电路过电流过电流继电器继电器交流断路器交流断路器动作电流动作电流整定值整定值短路器短路器电流检测电流检测电子保护电路电子保护电路快速熔断器快速熔断器变流器变流器直流快速断路器直流快速断路器电流互感器电流互感器变压器变压器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。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电子电路作

44、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。实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图图9-11过电流保护措施及配置位置过电流保护措施及配置位置1.7.2 过电流保护过电流保护全保护：过载、短路均由快熔进行保护，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。适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。起保护作用。快熔对器件的保护方式：快熔对器件的保护方式：全保

45、护全保护和和短路保护短路保护两种两种1.7.2 过电流保护过电流保护对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。件，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过电流保护环节，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快响应最快 。快熔只限于晶闸管（包括快熔只限于晶闸管（包括GTO）的保护，因为晶闸）的保护，因为晶闸管相对承受过流能力较强，快熔先断，管子才断。管相对承受过流能力较强，快熔先断，管子才断。对对IGBT，快熔起不了作用，因为这些管子的开关速，快熔起不了作用，因为这些管子的开关速度比较快，