电力电子专业技术

1、绪论信息电子技术 信息处理电力电子技术电力变换 电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术H 电力电子技术 一一使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即 应用于电力领域的电子技术。農 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。 电力电子技术变换的 电力”可大到数百 MW甚至GW，也可小到数 W甚至mW 级。1.2 两大分支电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。豪 变流技术（电力电子器件应用技术）篙用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。會 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论变流技

2、术+电力交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。黑电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流进行电力变换的技术称为变流技术。1.3 与相关学科的关系与电子学（信息电子学）的关系+都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。+应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。悴 信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。二者同根同源。与电力学（电气工程）的关系篙 电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流

3、电源悴 国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。 电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与控制理论（自动化技术）的关系毎 控制理论广泛用于电力电子系统中。篙 电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。+电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术1.4地位和未来机 电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。U计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子+运动控制肌肉和四肢机 电力电子技术是电能变换技术 ，是把粗电变为精电的技术， 能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春

4、永驻。鼻 一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。2电力电子技术的发展史U历史是人类社会的一面镜子分析过去、现在有助于把握未来艇科学史是科学家的一面镜子了解一门学科的过去、现在有助于把握未来电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。3电力电子技术的应用U 一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业農交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海鼻电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿鼻 电子装置电源：为信息电子装置提供动力密家用电器：节能灯”变频空调机其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置1）一般工业2）交通运输3）电力系统4）电子装置用电源5）家用电器机 总之，电力电

5、子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使 其飞速发展。机 电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的 也就是电源技术。密 电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使 用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。第一章电力电子器件概念：眾 电力电子器件 (Power Electronic Device )可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。密 主电路(Main 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) 分类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管)

6、半导体器件(采用的主要材料硅)仍然3) 同处理信息的电子器件相比的一般特征：豪能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。U电力电子器件一般都工作在开关状态。U 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。密 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。 电力电子器件的损耗通态损耗主要损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。+器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。应用电力电子器件系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的 主电路 组成。1.1.3电力电子器件的分类按照器件能够被控制

7、的程度，分为以下三类：半控型器件(Thyristor)通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件(IGBT,MOSFET)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。带不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。按照驱动电路信号的性质，分为两类：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。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。1.2不可控器件一电力二极管 引言Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二

8、极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的 场合，具有不可替代的地位。1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：篙PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ,又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。1.2.2 电力二极管的基本特性1）静态特性豪主要指其伏安特性-门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。+ 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4电力二极管的伏安特性2）动态特性二极管的电

9、压-电流特性随时间变化的结电容的存在延迟时间：td= t1- tO,电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用S表示。豪关断过程帝 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。 关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。豪开通过程：U 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压降的某个值(如2V )。和正向恢复时间tfr。密 电流上升率越大，UFP越高。1.2.3 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流IF(AV)豪额定电流一一在指定的管壳温度和散热

10、条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。密I F(AV)是按照电流的发热效应来定义的，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。2) 正向压降UF机 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。3) 反向重复峰值电压 URRM和对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。机使用时，应当留有两倍的裕量。4) 反向恢复时间trr豪 trr= td+ tf5) 最高工作结温 TJM豪结温是指管芯PN结的平均温度，用 TJ表示。密TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。机TJM通常在125175 C范围之内。6) 浪涌电流IFSM艇指电

11、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 (Gen eral Purpose Diode)密又称整流二极管(Rectifier Diode)多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路和其反向恢复时间较长U 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高机 DATASHEET2) 快恢复二极管(Fast Recovery DiodeFRD)帝简称快速二极管-快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED)，其 trr 更短(可低于 50ns)， UF 也很低(0.9V左右)，但其反向耐压多在1200V

12、以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到 2030ns。篙 DATASHEET 1233.肖特基二极管(DATASHEET )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(SchottkyBarrier DiodeSBD密肖特基二极管的弱点帝反向耐压提高时正向压降会提高，多用于 200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。豪 肖特基二极管的 优点+反向恢复时间很短(1040 ns)。- 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和

13、正向导通损耗都比快速二极管还小。1.3 半控器件一晶闸管引言密 晶闸管(Thyristor ):晶体闸流管，可控硅整流器(Silicon Controlled RectifierSCR)1.3.1晶闸管的结构与工作原理机外形有螺栓型和平板型两种封装。机有三个联接端。机 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。密 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。按晶体管的工作原理(1-1)(1-2)(1-3)(1-4)I = I Ic11 ACBO 1I = I IIk = IaIgI c22 I K I CBO 2I A = I c1 I c2 式中：1和】2分别是晶体管 V1和V

14、2的共基极电流增益；ICB01和ICB02分别是V1和V2 的共基极漏电流。由以上式可得 ：IIII =23心01心02A 1（ 2） （ 1-5）豪 在低发射极电流下:是很小的，而当发射极电流建立起来之后，:迅速增大。農 阻断状态：IG=0，:1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。密 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致：1+:2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。其他几种可能导通的情况 ：黑 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应+阳极电压上升率du/dt过高-结温较高光触发、光触发可以保证控制电路与主电

15、路之间的良好绝缘而应用于高压电 力设备中，称为 光控晶闸管 （Light Triggered ThyristorLTT）。机只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段1.3.2晶闸管的基本特性晶闸管正常工作时的特性总结如下承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 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以 下。篙 DATASHEET1）静态特性（1 ）正向特性机IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。和 正向电压超过正向转折电压Ubo

16、,则漏电流急剧增大，器件开通。机 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。密晶闸管本身的压降很小，在1V左右。（2）反向特性豪反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。机 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。2）动态特性1）开通过程豪 延迟时间td （0.51.5s）U上升时间tr （0.53s）tgt=td+ tr(1-6)密开通时间tgt以上两者之和,2）关断过程U 反向阻断恢复时间trr 難正向阻断恢复时间 tgr机关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr（ 1-7）豪 普通晶闸管的关断时间约几百微秒1.3.3晶闸管的主要参数1）电压

17、定额艇断态重复峰值电压 U DRM 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。豪 反向重复峰值电压 U RRM 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。H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压。使用注意：机 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。鼻 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。2）电流定额tl通态平均电流IT（AV）在环境温度为 40C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。标称其额定电流的参数。使用

18、时应按 有效值相等的原则 来选取晶闸管。眾维持电流IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流。机擎住电流IL晶闸管刚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。机浪涌电流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夕卜，还有： 豪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。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。離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

19、最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。1.3.4晶闸管的派生器件1) 快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFST)豪 有快速晶闸管和高频晶闸管。豪 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。豪 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10s左右。机 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。U由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。密 DATASHEET2) 双向晶闸管(Triode AC SwitchTRIAC 或 Bidirectional triode thyristor密可认为是一对反并联

20、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。豪 在第I和第III象限有对称的伏安特性。豪不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。艇 DATASHEET3) 逆导晶闸管(Reverse Conducting ThyristorRCT )豪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。豪 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。4) 光控晶闸管(Light Triggered ThyristorLTT )密又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。鼻 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。豪因此目前在高压大功率

21、的场合。1.4典型全控型器件门极可关断晶闸管難门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor GTO)机 晶闸管的一种派生器件。眾可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。豪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。机 DATASHEET1) GTO的结构和工作原理机结构：黑 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 不同点：GTO是一种多元的功率集成器件艇工作原理：机 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。艇 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管 V

22、1、V2分别具有共基极电流增益1和2。12=1是器件临界导通的条件密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：设计:2较大，使晶体管 V2控 制灵敏，易于 GTO。和导通时：1+ ： 2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。密 多元集成结构，使得 P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 设计：2较大，使晶体管 V2控 制灵敏，易于 GTO。艇导通时：1+ ： 2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压 降增大。豪 多元集成结构，使得 P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。由上述分析我们可以得到以下结论：篙GTO导通过程

23、与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。篙 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2)GTO的动态特性 开通过程：与普通晶闸管相同豪 关断过程：与普通晶闸管有所不同篙储存时间ts,使等效晶体管退出饱和。下降时间tf乾尾部时间tt 残存载流子复合。+ 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 篙 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。9910o A A A A I0 totlt2t3t4t5t6t图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形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

24、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12虫，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。(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。下降时间一般小于2s。U 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。(3) 最大可关断阳极电流IATO-GTO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。AT Ooff 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。1.4.2 电力晶体管术语用法：+ 电力晶

25、体管(Gia nt Tran sistorGTR，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 TransistorBJT)，英文有时候也称为 Power BJT。篙 DATASHEET 12豪应用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MOSFET取代。1) GTR的结构和工作原理e与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。艇主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。鼻 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。豪采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。密 在应用中，GTR 一般采用共发射极接法。豪

26、 集电极电流ic与基极电流ib之比为(1-9) 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。密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(1-10)机 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。2) GTR的基本特性(1)静态特性艇共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。机 在电力电子电路中 GTR工作在开关状态。艇 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90%10%90%10%t3t4t50 to ti机开通过程t2延迟时间td和

27、上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 加快开通过程的办法。雲关断过程悴储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。+加快关断速度的办法。黑GTR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 1、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。觀 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。U BU cbo BU cex BU ces BU cer Buceo。机 实际使用时，最高工作电压要比BUceo

28、低得多。2)集电极最大允许电流IcM和 通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic。密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豪最高工作温度下允许的耗散功率。U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。豪4) GTR的二次击穿现象与安全工作区觀 一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，I c迅速增大。眾 只要Ic不超过限度，GTR 一般不会损坏，工作特性也不变。豪 二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。豪 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。机 安全工作区(Safe Operatin

29、g AreaSOA)離 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1.4.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管豪 分为结型和绝缘栅型密 通常主要指 绝缘栅型 中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET)机简称电力 MOSFET ( Power MOSFET)豪 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static In duction Tran sistorSIT)豪 特点一一用栅极电压来控制漏极电流机 驱动电路简单，需要的驱动功率小。密 开关速度快，工作频率高。机热稳定性优于GTR。机 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率

30、不超过10kW的电力电子装置 。1)电力MOSFET的结构和工作原理机电力MOSFET的种类按导电沟道可分为 P沟道和N沟道。耗尽型一一当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型一一对于N ( P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电 沟道。悴 电力MOSFET主要是N沟道增强型。-DATASHEET机电力MOSFET的结构是单极型晶体管。+导电机理与小功率 MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。豪电力MOSFET的结构豪小功率MOS管是横向导电器件。豪 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFET (Vertical

31、MOSFET )。H 按垂直导电结构的差异，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 MOS 结构的 VDMOSFET (Vertical Double-diffused MOSFET )。豪这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。机电力MOSFET的工作原理截止：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。篙 导电：在栅源极间加正电压 UGS-当UGS大于UT时，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)电力MOSFET的基本特性(1)静态特性机漏极电

32、流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。和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。鼻MOSFET的漏极伏安特性：截止区(对应于GTR的截止区) 非饱和区(对应GTR的饱和区)饱和区(对应于GTR的放大区)-工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 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。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。动态特性豪开通过程开通延迟时间td(on)悴上升时间tr-开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和机关断过程悴关断延迟时间td(off)下降时间tf- 关断时间toff关断延迟时间和下降时间之

33、和 MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 可降低驱动电路内阻 Rs减小时间常数，加快开关速度。-不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。篙 开关时间在10100ns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。3)电力MOSFET的主要参数除跨导Gfs、开启电压 UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(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

34、MOSFET电流定额栅源电压UGSUGS 20V将导致绝缘层击穿 。极间电容极间电容 CGS、CGD和CDS1.4.4绝缘栅双极晶体管GTR和GTO的特点一一双极型，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的优点一一单极型，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。豪两类器件取长补短结合而成的复合器件一Bi-MOS器件机 绝缘栅双极晶体管 (Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT 或 IGT)(DATASHEET 1 2 )-GTR和MOSFET复合，结合二者的优

35、点。1986年投入市场，是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。1) IGBT的结构和工作原理机 三端器件：栅极 G、集电极C和发射极E密 IGBT的结构艇 图1-22a N沟道 VDMOSFET 与GTR组合N沟道IGBT。机IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。艇 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。密RN为晶体管基区内的调制电阻。IGBT的原理绝缘栅双极晶体管驱动原理与电力 MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。念 导通：

36、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。+ 通态压降：电导调制效应使电阻 RN减小，使通态压降减小。 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。2) IGBT的基本特性图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a)转移特性b)输出特性(2) IGBT 的动态特性 U IGBT的开通过程与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)黑电流上升时间tr 开通时间ton+ uCE的下降过程分为 tfvl和tfv2两段。 tfvl IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2

37、MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。机 IGBT的关断过程和关断延迟时间td(off)机电流下降时间離 关断时间toff艇电流下降时间又可分为 tfil和tfi2两段。机tfil IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。 艇tfi2 IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。90%10%90%10%图1-24 IGBT的开关过程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。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。最大集电极功耗 PCM正常工作温度下允许的最大功耗。机IGBT的特性和参数特点

38、可以总结如下：眾开关速度高，开关损耗小。豪 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。融通态压降比VDMOSFET低。机输入阻抗高，输入特性与 MOSFET类似。机 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 。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。帝 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。悴擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐

39、渐解决。- 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。和 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。密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。1.5.1 MOS控制晶闸管 MCT艇 MCT ( MOS Con trolled Thyristor)MOSFET 与晶闸管的复合(DATASHEET)豪MCT结合了二者的优点：豪 承受极高di/dt和du/dt,快速的开关过程，开关损耗小。密 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。農一个MCT器件由数以万计的 MCT元

40、组成。U 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 MOSFET。鼻 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。1.5.2 静电感应晶体管 SITSIT ( Static Induction Transistor)结型场效应晶体管-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

41、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。1.5.3静电感应晶闸管 SITHSITH ( Static Induction Thyristor)场控晶闸管(Field Controlled Thyristor FCT)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。此外，电流关断增益较小，因而 其应用范围还有待拓展。集成门极换流晶闸管IGCT豪 IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyris

42、tor)GCT ( Gate-Commutated Thyristor)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。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。悴 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。篙 DATASHEET 12功率模块与功率集成电路基本概念豪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。U 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。密 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。豪将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等

43、信息电子电路制作在同一芯片上，称为 功率集成电路 (Power Integrated CircuitPIC )。難 DATASHEET实际应用电路-高压集成电路(High V oltage IC 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(Smart Power IC 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。篙 智能功率模块 (Intelligent Power Module 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( Intelligent IGBT )。发展现状悴 功率集成电路的主要技术

44、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。1.6.1 电力电子器件驱动电路概述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。 徒对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。:;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。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 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

45、控制信号，又要提供关断控制信号。机 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I光耦合器的类型及接法a) 一C)图 1-25a)普通型 b)高速型 c)高传输比型分类按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型 和电压驱动型。驱动电路具体形式可为 分立元件的，但目前的趋势是采用 专用集成驱动电路。 、双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。、为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电1.6.2晶闸管的触发电路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

46、刻由阻断转为导通。篙 晶闸管触发电路应满足下列要求：、脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。Q 触发脉冲应有足够的幅度。7不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。Q有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。1LjL12 tj3L|1 一t4图1-26 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（VS）t1t3强脉宽度I帖强脉冲幅值（3I GT5 GTtlt 脉冲宽度I 脉冲平顶幅值（1.5IGT2GT 常见的晶闸管触发电路篙VI、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。

47、 1.6.3 典型全控型器件的驱动电路1）电流驱动型器件的驱动电路GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。尊GTO关断控制需施加负门极电流。可分机GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分,为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。密 直接耦合式驱动电路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。鼻 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。（2） GTR密 开通驱动电流应使 GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。艇关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（ 6V左右）的负偏压。GT

48、R的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。驱动 GTR 的集成驱动电路中， THOMSON 公司的 UAA4002和三菱公司的 M57215BL 较为常见。2）电压驱动型器件的驱动电路机电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。農为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。和 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。密 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。艇 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。（1）电力MOSFET 的一种驱动电路：U电气隔离和晶体管放大电路两部分密 专为

49、驱动电力 MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为 +2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。（2）IGBT的驱动豪多采用专用的混合集成驱动器。机 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）。1.7.1 过电压的产生及过电压保护艇 电力电子装置可能的过电压 一一外因过电压和内因过电压鼻 外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因艇 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起觀雷击过电压：由雷击引起机 内因

50、过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程眾 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，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。机 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。过电压保护措施眾 电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。和 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。1.7.2过电流保护过电流一一过载和短路两种情况保护措施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。1快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护 两种會全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置