电力电子技术全套电子课件完整版ppt整本书电子教案最全教学教程

1、（第5版）电力电子技术课程目标通过本课程的学习，使学生在熟悉和掌握典型电力电子系统模型的工作原理基础上，构建科学合理的设计方案，并能够对电气工程领域复杂工程问题的系统模型和设计方案进行推理和验证。培养学生熟悉和掌握典型电力电子电路的电路模型原理，并进行关键参数计算、主要器件选型。并能够结合具体或特定需求进行合理的分析和初步设计电力变换装置。培养学生在熟悉和掌握典型电力电子电路工作原理的基础上，根据要求制定基本合理的实验方案，并进行必要的计算或可行性分析。考核及成绩评定方法项目形式比例平时作业作业（12次）30%实验实验+实验报告10%小测试小测试（2次）20%期末考试选择题、填空题、简答题、综

2、合题、思考题60%总成绩100%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 本课程的学习要求1. 电力电子技术的内容电力电子技术属电力电子学,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。 电力电子技术是电能的变换技术，是将一种能量形式变换成另一种能量形式。（1）变换器电能有直流电(DC)和交流电(AC)两大类。直流电有电压幅值和极性的不同，交流电有电压幅值、频率、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

3、率和功率因数等)进行变换。变换器共有四种类型：交流-直流变换器(AC-DC Converter, Rectifier)直流-交流变换器(DC-AC Converter, Inverter)：有源逆变；无源逆变。交流-交流变换器(AC-AC Converter)： 交流调压(AC Voltage Controller)；交-交变频(Cycloconverter)。 直流-直流变换器(DC-DC Converter, Chopper)（2） 电力电子器件 功率二极管、晶闸管、可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管 根据其控制特性分：不可控型器件：如

4、功率二极管。半控型器件：晶闸管及其大部分晶闸管派生器件属于这一类器件。全控型器件：也称为自关断器件。可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管等。 按照内部载流子的工作性质分： 单极型器件：导通时只有空穴或电子一种载流子导电的器件。器件的特点主要是工作频率高、导通压降较大，单个器件容量较小，驱动电路简单。双极型器件：导通时的载流子既有空穴也有电子的器件。功率二极管、晶闸管及派生器件、可关断晶闸管、双极型功率晶体管、集成门极换流晶闸管等。器件的特点主要是功率较高、而工作频率较低。复合型器件：复合型既含有单极型器件的结构，又有双极型器件的结构，通常其控

5、制部分采用单极性结构，主功率部分采用双极型结构。绝缘栅双极型晶体管。驱动电路简单，功率较高。是电力电子器件的发展方向。 按照器件驱动的参量分：电流型控制器件：控制极由电流驱动器件的通断，该类器件对驱动波形要求高，驱动电路比较复杂。属于电流型控制器件的有晶闸管、可关断晶闸管、双极型功率晶体管。电压型控制器件：控制极由电压驱动器件的通断，该类器件对驱动波形要求低，驱动电路比较简单。属于电压型控制器件的有功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。GTO已经被IGCT所替代，BJT已经被IGBT所替代。电力电子器件的电压、电流、开关频率是影响它们使用的关键参数电压容量：功率场效应晶体管最低；晶闸管和集成门

6、极换流晶闸管最高。电流容量：功率场效应晶体管最低；晶闸管和集成门极换流晶闸管最高。开关频率：晶闸管最低；功率场效应晶体管最高。控制电路检测电路驱动电路RL主电路VT1VT2保护电路（3） 变换器的辅助电路 变换器必须在一些辅助电路的支持下才能正常工作，这些辅助电路包括： 控制电路：控制电路的功能具有检测、控制和隔离功能。采集变换器工作状态，根据输入和输出的要求产生主电路开关管的通断控制信号，实现强电、弱电的隔离。电气隔离 驱动电路：驱动电路的功能是根据控制电路给出的通断控制信号，提供电力电子器件导通或关断要求的电流波形和电压波形，提供足够的驱动功率，以确保电力电子器件的迅速可靠导通和关断。控制

7、电路检测电路驱动电路RL主电路VT1VT2保护电路 缓冲电路：缓冲电路的功能是在电力电子器件导通和关断的过程中减缓其电流或电压的大小及其上升率，以降低电力电子器件的开关损耗和开关应力。每个电力电子器件都要有缓冲电路控制电路检测电路驱动电路RL主电路VT1VT2保护电路 保护电路：保护电路的功能是在电源或负载出现异常时，保护电力电子器件和设备免于损坏。在主电路和控制电路中附加一些电路，对故障实施保护控制电路检测电路驱动电路RL主电路VT1VT2保护电路2. 电力电子技术的发展电力电子器件的发展全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t

8、(年)电子管问世晶体管诞生晶闸管问世水银（汞弧）整流器时代晶闸管时代IGBT、IGCT和功率集成器件出现和发展时代GTOBJT功率MOSFET出现和发展时代碳化硅等宽禁带半导体材料发展集成电路及微型计算机的发展：分立元件集成电路专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。微型计算机的发展，运算精度提高、位数增加、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，具有自诊断功能、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，电力电子器件、微电子技术、控制

9、理论是现代电力电子技术的发展动力。3. 电力电子技术的典型应用（1）在电动机调速系统中的应用 无轨电车、城市地铁、电动汽车、机车牵引等交通运输系统；电动汽车机车牵引3. 电力电子技术的典型应用（1）在电动机调速系统中的应用 热轧机、冷轧机、飞剪机等电动机调速系统；轧钢机冶金工业3. 电力电子技术的典型应用（1）在电动机调速系统中的应用 各类起重机械、矿井提升机、堆料机、输送机、机床及各种自动化生产线； 供水系统、造纸、印染、纺织等工业系统。 调速电梯、风机、泵类负载采用变频调速后，节能效果也很显著。 采用软启动控制可以减少交流电机启动时的电流冲击而被广泛应用。数控机床电机调速（2）在电力系统中

10、的应用静止无功补偿器、有源电力滤波器、动态电压恢复器等，有效地减少了传统变流装置形成的电网公害，提高了电网功率因数，抑制了电网谐波，防止了电网电压瞬时跌落、闪变，有效地改善了电力系统中电能的质量。高压直流输电系统；柔性交流输电技术可以大幅提高电力系统的稳定性。高压直流装置HVDC静止无功补偿器柔性交流输电（2）在电力系统中的应用 据估计，在发达国家，用户使用的电能中有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子装置的处理。在电力系统的发电机的直流励磁与交流励磁系统，可以达到节能和提高电力系统稳定性的目的。太阳能发电、风能发电发出的电能 质量较差。 利用电力电子技术进 行能量储存和 缓冲，可以 有效

11、 地改善电能质量。太阳能、风能新型能源（3）在交直流电源中的应用大功率直流电源在电解和电镀设备中被广泛使用。开关电源在办公自动化设备、计算机设备、电子产品、通信电源、工业测控、电子仪器和仪表中被广泛采用。电解铝电子装置程控交换机（3）在交直流电源中的应用不间断电源（UPS）被广泛地应用于计算机机房、医院、宾馆等重要的用电场所。工业感应加热电源主要应用于钢水精炼及电磁搅拌改进结晶状态和金属表面的淬火热处理等场合。节能灯具在照明用电领域的应用：白炽灯发光效率低、热损耗大，日光灯必须有镇流器启辉，无功功率大。采用AC-DC-AC变换技术的电子镇流器体积小，可减少无功和有功损耗。采用交流调压实现照明的

12、电子调光，也可节约能源。在节能照明灯具中，目前推广使用的LED灯、无极灯等。UPS家用电器 在21世纪，电力电子不但将在全球工业化中产生重大影响，也将在能量交换、可再生能源、大容量储能、电动汽车等中发挥重要作用，也将对解决或减轻环境恶化问题产生积极影响。造成气候变化和全球变暖的原因一部分来自传统的化石燃料燃烧，通过电力电子技术，可以提升能源系统的效率，通过节约能源可以减少能源消耗，也意味着发电量的减少，可以减轻环境污染和全球变暖。 智能电网的合理建设关系到我国电力行业的可持续发展，电力电子在智能电网中起着非常重要的作用，如最大化的利用可再生能源和大容量储能装置对系统频率和母线电压的控制、对电能

13、质量的改善、为用户提供更加经济的电力、系统更高的利用效率、系统更高的可靠性、操作的容错功能等。另外，电力电子技术的智能化发展还为功率处理以及信息处理带来了新的结合方式，对我国今后经济以及生态的可持续发展产生深远影响。4. 电力电子技术课程的学习要求（知识、能力）熟悉和掌握常用电力电子器件的特性和参数，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。设计开关管的驱动电路、缓冲电路和保护电路。掌握各种变换器的特点、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。教学日历4. 电力电子技术课程的

14、学习要求（素养） 通过本课程的学习，学生应该了解电力电子学科最新进展，具有分析和解决电力电子学科的复杂工程问题的能力，具有一定的工程素养和创新精神。知晓电力电子学科应该具有的职业道德和工程伦理，具备相关电气节能技术、电气安全意识和治理电力电子公害的技术。通过本课程的学习，了解电力电子技术在我国国民经济发展中的重要作用，具有为我国电气工程的发展而刻苦钻研和奋斗的伟大理想。第1章 电力电子器件主要内容：常用电力电子器件分类；常用电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性、主要参数和安全工作区；常用电力电子器件的基本驱动电路、缓冲电路和保护方法； 1.1 引 言电力电子器件是电力电子技术的基础。新器

15、件的诞生或器件特性的新进展，都带动了电力电子应用技术的新突破，或导致出现新的电路拓扑。电力电子应用技术的发展又对电力电子器件提出了更新、更高的要求，进一步推动了高性能、新器件的研制。电力电子器件都工作在开关状态，也称为开关管，在通态时应能流过很大电流而压降很低；在断态时应能承受很高电压而漏电流很小；电力电子器件在使用时都要加散热器。1.2 电力电子器件的结构、特性和主要常数开关管的外形常用的有塑封型分立器件、塑封型模块、平板型分立器件，开关管外形与容量的关系如下图所示。1.2.1 功率二极管1. 功率二极管的结构PN结具有单向导电性，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。功率二

16、极管的电气符号2. 功率二极管的特性(1) 伏安特性 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加，二极管被电击穿后将造成PN结的永久损坏。 功率二极管的伏安特性门坎电压Uth反向击穿电压URO(2) 开关特性因结电容的存在，功率二极管在通态和断态之间转换时，有一个过渡过程，这个过程中的特性为功率二极管的动态特性。1）导通特性功率二极管由断态转为通态时，功率二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP，然后逐渐趋于稳态压降值。这一动

17、态过程的时间，称为正向恢复时间tfr。正向恢复时间tfr功率二极管的开关过程的波形 2）关断特性 当导通的功率二极管的突加反向电压，其电流逐渐下降到零，然后有较大的反向电流和反向过冲电压，经过一个反向恢复时间trr 才能截止。其中，td为延迟时间，tf为电流下降时间，反向恢复时间trr为 trrtd tf 。 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。 反向恢复时间trr功率二极管的开关过程的波形4. 功率二极管的主要参数(1) 额定电压URR反向不重复峰值电压URSM是指即将出现反向击穿的临界电压；二极管的额定电压URR（反向重

18、复峰值电压URRM）取反向不重复峰值电压URSM的80；电压安全裕量是23倍！(2) 额定电流IFR 功率二极管的额定电流IFR被定义为在规定的环境温度为+40和散热条件下工作，其管芯PN结温升不超过允许值时，所允许流过的正弦半波电流平均值 。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为 (3) 最大允许的电流有效值 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 由上述两式可得 (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。 功率二极管是功率

19、最大的电力电子器件。datasheet11.2.2 晶闸管及派生器件晶闸管(Thyristor)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电力电子器件。1. 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。晶闸管的电气符号2. 晶闸管的工作原理 iGiB2iC2(iB1)iC1晶闸管结构和双晶体管模型双晶体管 模型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。晶闸管关断条件：为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下

20、，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。4. 晶闸管的特性(1) 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和阳极电流IA之间的关系特性。是稳态特性。晶闸管的伏安特性门坎电压晶闸管的伏安特性(2) 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QG和一条极限低阻门极伏安特性QD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。PG为门极允许的最大平均功率。其中, QABCQ为不可靠触发区, ABCGFEDA为可靠触发区。晶闸管的门极伏安特性最大平均功率最大功率

21、不可靠触发区晶闸管的开关过程的波形(3) 开关特性1）导通特性 导通时间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的导通时间约为几微妙。导通时间ton2）关断特性 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 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；普通晶闸管的关

22、断时间约为几十至几百微妙。关断时间toff晶闸管的开关过程的波形5. 晶闸管的主要参数（1）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。（2）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。断态重复峰值电压反向重复峰值电压（3）额定电压实测晶闸管UDRM和URRM中较小的那个数值作为器件型号上的额定电压。而根据实际承受最大电压选用晶闸管时，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，在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,晶闸管全导通(导通角 170)，在稳定的额

23、定结温时所允许的最大通态平均电流。正弦半波电流波形如图所示 晶闸管流过正弦半波电流波形阴影面积它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为： 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，选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。 规定波形下的波形系数(5)浪涌电流晶闸管所允许的半周期内使结温超过额定结温的不重复正向电流。该值比晶闸管的额定电流要大得多。它体现了晶闸管抗短路冲击电流的能力。可用来设计保护电路。(6)通态电压UTM晶闸管通以规定数倍额定通态平均电流时的瞬态峰

24、值电压。从减少功耗和发热的观点出发，应该选择通态电压较小的晶闸管。(7)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。(8)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。datasheet2(9) 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导通所必需的最小门极直流电流。(10) 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I

25、GT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。(11) 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。(12) 通态电流临界上升率di / dt 在规定条件下，晶闸管导通时能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管导通时，如果电流上升过快，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 ， 并计算波形系数Kf1、Kf2。流过晶闸管的电流波

26、形解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：思考题1：如果晶闸管的额定电流是100A，不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?思考题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?6. 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)的整流器、逆变器和变频器中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。(2)双向晶闸管 双向晶闸管可以看成是一对反并联的普通晶闸管。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。双向晶闸管等效电路和电气符号双向晶闸

27、管的伏安特性(3)逆导晶闸管 逆导晶闸管是将晶闸管和整流二极管制作在同一管芯上的集成元件。 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。逆导晶闸管的等效电路和伏安特性(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。光控晶闸管的符号和等效电路光控晶闸管的伏安特性第1章作业一习题一1-11-21-31-41-51.2.3 可关断晶闸管GTO 可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off T

28、hyristor)，门极信号不仅能控制其导通，也能控制其关断。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、等效电路和电气符号GTO的双晶体管模型图双晶体管模型3.可关断晶闸管的特性(1) 伏安特性和晶闸管的特性相似 GTO的双晶体管模型和伏安特性 (2) 开关特性1）导通特性 导通时间ton由 延迟时间td 和 上升时间tr 组成。GTO的延迟时间一般为1-2s，上升时间随着阳极电流的增大而增大。2） 关断特性 关断时间toff 由 存储时间ts、下降时间tf、 尾部时间

29、tt 组成。GTO的存储时间随着阳极电流的增大而增大，下降时间一般为2s。GTO的开关过程的波形 导通时间ton关断时间toff4. 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offGTO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。datasheet3重要的参数1.2.4 集成门极换流晶闸管1. 集成门极换流晶闸管的结构集成门极换流晶闸管IGCT是通过对GTO的结构进行重大

30、改进，引入缓冲层、可穿透发射区和集成续流快速恢复二极管结构，形成了GCT。又将门极驱动电路集成在GCT旁，形成IGCT。GCT是IGCT的核心器件，在相同阻断电压下和GTO结构相比可选用更薄的硅片厚度，从而大大降低开关损耗。当IGCT导通时，它具有晶闸管的工作机理，其特点为大电流和低导通电压。当门极电压反偏时，通过器件的全部电流瞬间从门极抽走，即瞬间从通态转变为断态，这样使IGCT具有承受很大的du/dt冲击的能力，在关断过程中不需要缓冲电路。IGCT有阳极、阴极、门极驱动电源、传输门极控制信号和反馈开关管状态的光纤端口。2. 集成门极换流晶闸管的特点IGCT导通特性像晶闸管，其关断特性像晶体

31、管，具有以下特点： 阻断电压高； 功率容量大； 通态压降低； 开关速度快，特别是关断时间小（小于3s）； 开关损耗低；与标准GTO相比，IGCT的最显著特点是存储时间短。因此，开关管关断时间的差异很小，可方便地将IGCT进行串并联，适合应用于大功率的范围。3. 集成门极换流晶闸管的主要参数IGCT既有晶闸管的电压和电流参数，也有GTO的关断参数。另外，IGCT的开关特性参数还有门极导通状态反馈延迟时间、关断状态反馈延迟时间、通态最小时间（10s）、断态最小时间（10s）以及光纤传输的相关参数等。由于IGCT的以上优点，实际应用中，IGCT已经替代了GTO。1.2.5 双极型功率晶体管1. 双极

32、型功率晶体管的结构 单个双极型功率晶体管的结构与三极管的结构相同。 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。达林顿晶体管2.双极型功率晶体管的特性(1) 输出特性（仅工作在饱和区、截止区）(2) 输入特性 二极管特性工作在开关状态BJT的输出特性和输入特性饱和区截止区输入特性(3) 开关特性1） 导通特性导通时间ton ton=td+tr2） 关断特性关断时间toff toff=ts+tfBJT的导通时间ton和关断时间toff都是几微秒。BJT开关过程的波形延迟时间td上升时间tr下降时间tf存储时间ts导通时间ton关断时间toff1.2.6

33、功率场效应晶体管1. 功率场效应晶体管的结构 功率MOSFET特性上的优势是没有热电反馈引起的二次击穿、输入阻抗高，具有正的温度系数、跨导的线性度好和工作频率高。功率场效应晶体管的结构和电气符号 功率MOSFET的全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管。 主要是N沟道增强型。2.功率场效应晶体管的特性(1) 转移特性 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，表示功率MOSFET的放大能力，由于功率 MOSFET是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。功率场效应晶体管的转移特性栅极开启电压UG(th）(2) 输出特性当UGS一定时，ID与UDS间关系曲线称

34、为MOSFET的输出特性。当UGS超过UG(th)时，MOSFET导通。UGS越大， ID越大，可见ID受UGS的控制。输出特性分为三个区域。：可调电阻区，器件的电阻值是变化的。当UGS一定时，器件内的沟道已经形成，若UDS很小时，对沟道的影响可忽略，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增大使漏源极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。输出特性可调电阻区饱和区雪崩区(3) 开关特性 1）导通特性 在tt0时，加uG= UG，iG呈指数曲线下降，uGS呈指数曲线上升，

35、uGSt1时，uGSUG(th)，器件开始导通，随着uGS增加，iD按指数曲线上升。当tt2时，iD上升到iDIo，此时，uGS达到恒定值uGSUG，iG下降。当t t2时，iG全部流入CGD，iD使CDS放电，直到t=t3，uDS达到由其通态电阻决定的最小值UDS(ON) ，iG在此期间维持不变 。当t t3时，uDS保持通态最小值UDS(ON) ，此时iG继续对CGD充电，uGS按指数曲线上升，直到t4时刻，uGS达到uGG，iG0，器件进入完全导通状态。2）关断特性 在tt5时，uG降到零，此时CGS和CGD通过RG放电，uGS呈指数曲线下降，iG突变到负最大值后呈指数曲线下降，在tt6

36、时，uGS达到恒定值并保持，此时iG全部从CGD中吸取，uDS线性变化，当tt7时，uDSuDD，当tt7时，iG、uGS和iD均呈指数曲线下降，当tt8时， uGSUG(th)，iD为零，MOSFET关断。当tt8时，uGS继续按指数曲线下降到零，此时iG继续下降。当t=t9时， iG 0。功率MOSFET开关过程的波形 导通时间tont10t1-t0称为导通延迟时间td1; 从iD开始上升到iD达到稳态值t21t2-t1称为上升时间tr。 tontd1tr 关断时间tofft75t7-t5称为关断延时时间td2，t87t8-t7称为下降时间tf。 tofftd2tf由于MOSFET多数载流

37、子导电，不存在存储效应，因此开关过程比较快，开关时间在10-100ns之间，是常用电力电子器件中开关频率最高的。导通时间ton关断时间toff(4) 安全工作区功率MOSFET具有非常宽的安全工作区(SOA)，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)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。 反向偏置安全工作区 反向偏置安全工作区(FBSOA)是关断时工作的极限范围。由最大漏极电流和漏源击穿电压组成，是功率MOSFET可靠性的一

38、个重要参数。 3. 功率场效应晶体管的主要参数（1）漏源击穿电压BUDS 它是功率MOSFET的最高工作电压。（2）栅源击穿电压BUGS 它是功率MOSFET栅源极能承受的最高电压。（3）漏极最大电流IDM 它是功率MOSFET的最大电流容量。（4）开启电压UG(th) 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。datasheet5 (5) 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

39、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。1.2.7 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。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。其控制级是一个MOSFET，而功率级是BJT。相当于MOSFET控制的BJT，是电压控制型器件，IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。(1) IGB

40、T的转移特性(2) IGBT的输出特性伏安特性分3个区域：正向阻断区、有源放大区和饱和区。当uGEUG(th)， MOS管沟道体区内形成导电沟道， IGBT 进人正向导通状态。 IGBT的转移特性和输出特性2.绝缘栅双极型晶体管的特性IGBT开关过程的波形 (3) 开关特性IGBT的导通时间ton等于导通延迟时间td1 +上升时间tr；IGBT的关断时间toff等于关断延迟时间td2+下降时间tf1+尾部时间tf2。导通时间ton关断时间toff(4) 擎住效应 IGBT为四层结构，存在一个寄生晶体管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个电阻， P型体区的电流流过此电阻会对NPN晶体管的基

41、射极加了正偏置电压。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，使NPN晶体管导通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。(5) 安全工作区IGBT等效电路3. 绝缘栅双极型晶体管的主要参数(1) 集射极额定电压UCEO 它是IGBT集射极承受的最大耐压值。(2) 栅射极额定电压UGES 它是是栅极的电压额定值。栅射电压应小于额定值，才能使IGBT导通而不损坏。(3) 栅射极开启电压UG(th) 使IGBT导通所需的最小栅射电压，通常IGBT的开启电压UG(th)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，I

42、GBT所允许的集电极最大直流电流。(5) 集射极饱和电压UCES 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。datasheet6由于IGBT的以上优点，实际应用中，IGBT已经替代了BJT。第1章作业二 习题一1-81-121-131-151.3 电力电子器件的驱动电路驱动电路是电力电子器件与控制电路之间的环节，驱动电路应该提供足够的功率使电力电子器件快速的导通或关断，并保持低开关损耗。驱动电路分为是单电源驱动和双电源驱动，是直接驱动还是隔离驱动。驱动电路性能不好，轻则使开关管不能正常工作，重则导致开关管损坏。是决定电流上升率和动态饱和压降

43、大小的重要因素之一。增加驱动电流使电流上升率增大，使开关管饱和压降降低，减小导通损耗。过大的驱动电流，使开关管饱和过深，退出饱和时间越长，对关断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，是决定开关管不损坏的关键因素之一。1.晶闸管对门极驱动电路的基本要求 驱动信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，驱动信号常采用脉冲形式。 驱动脉冲应有足够的功率。驱动电压和驱动电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。 驱动脉冲应有足够的宽度和陡度。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。驱动脉冲前沿陡度大于10V/s或800mA/s。1.3.1

44、晶闸管的门极驱动电路2. 门极驱动电路的型式控制电路应该和主电路隔离，可采用脉冲变压器或光电耦合器。基于脉冲变压器Tr的驱动电路如图所示，当控制系统发出的高电平信号加至V1后，变压器输出电压经VD2输出脉冲电流IG给SCR门极。当变压器原边电流为零后，VD1、R2续流，防止门极电压过压损坏。变压器原边上面接的是强触发环节带脉冲变压器的驱动电路1.3.2 功率MOSFET、IGBT的栅极驱动电路1.对栅极驱动电路的要求为了使功率MOSFET可靠导通，驱动电压应高于开关管的开启电压，给开关管栅极提供足够的电压，以保证功率MOSFET可靠导通。在功率MOSFET截止时，为了防止误导通，最好能提供负的

45、栅源电压。减小驱动电路的输出电阻，提高栅极充、放电速度，提高开关管的开关速度。驱动电压要具有足够快的上升和下降速度，一般驱动电源并联旁路电容，它不仅滤除噪声，也用于给栅极提供瞬时电流，加快开关管的开关速度。2. 功率MOSFET、IGBT驱动电路功率MOSFET和IGBT是电压型控制的开关管，驱动电路简单，栅极电阻被分为RGon和RGoff，这种方法可以分别优化开通与关断过程中的所有动态参数。栅射极电阻RGE（10到100k）的作用是在驱动器处于高阻输出状态时（关闭状态和驱动器电源电压故障时），防止栅极电容被意外充电。该电阻必须放置在控制终端处。在电源端并联一个低电感的电容器C，它被用来保证驱

46、动器尽可能小的动态内阻，提供了快速开关所需的峰值电流。 栅极驱动电路 日本三菱公司M57962AL是驱动IGBT的集成电路，主要特点有：其内有2500V隔离电压光电耦合器，具有短路保护功能。高速输入输出隔离，输入输出电平与TTL电平兼容，可以驱动600A/600V或400A/1200V的IGBT模块。引脚13和引脚14为控制信号输入端，引脚5为驱动信号输出端，引脚8为故障信号输出。1.3.3 集成驱动电路1.4 电力电子器件的缓冲电路 1.4.1 缓冲电路的作用 电力电子器件的PN结在工作时，都有多数载流子存储。这些载流子的存储电荷为QS，在PN结进行换向时，具有电感的电路中可能产生很大的过电

47、压US=Ldi/dt，当此过电压施加在器件的PN结上时，如果不加以吸收，这个过电压就可能击穿PN结而损坏器件。 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。 如右上图所示的未加缓冲电路时开关管的开关波形，在导通和关断过程中的某一时刻，会出现开关管端电压和开关管电流同时达到最大值的情况，瞬时开关损耗也最大。 如右图所示的复合缓冲电路，其中LS提供导通缓冲电路的作用，减少开关管的di/dt及导通损耗；CS和VDS组成有极性的关断缓冲电路，减少开关管的du/dt及关断损耗，RS提供放电回路，避免了开关管端

48、电压和电流同时出现最大值的情况。电力电子器件的开关波形 开关过程的负载线轨迹 缓冲电路关断缓冲电路导通缓冲电路 缓冲电路所以能够减小开关管的开关损耗，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、怎样消耗掉，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。耗能式缓冲电路馈能式缓冲电路1.4.2 缓冲电路的类型1. 耗能式缓冲电路(1) RC关断缓冲电路 在晶闸管的阳极和阴极并联RC缓冲

49、电路，用来防止晶闸管两端过大的du/dt，其中RS能减小晶闸管导通时CS的放电电流。 (2) RCD关断缓冲电路 CS吸收电路中产生的过电压。开关管导通，CS有很大的放电电流流过开关管，在CS上串联一个RS限制放电电流。在RS的两端又并联了VDS，这样在吸收过电压时不经过RS，以加快对过电压的吸收，而CS只能通过RS放电，这样就可以衰减放电电流以保护开关管。 RC缓冲电路 RCD关断缓冲电路(3) 母线吸收式关断缓冲电路 RCD组成的关断缓冲电路虽具有较明显的抑制du/dt的作用，但电阻R的功耗很大，既造成散热困难，又影响了系统的效率。数个开关管共用一个母线吸收式缓冲电路的方案既具有抑制du/

50、dt的作用，又可大大降低电阻R的功耗。母线吸收式缓冲电路两个开关管互补通断(4) 导通缓冲电路 开关管导通时稳态电流值越大，导通时间越短，则di/dt越大。 为了限制di/dt的大小，常采用串联电感的方法，导通缓冲电路由电感LS和二极管VDS组成，与开关管串联，在开关管导通过程中，电感LS限制电流的上升率di/dt；当开关管关断时，储存在电感LS中的能量通过二极管VDS的续流作用而消耗在VDS和电感本身的电阻上。导通缓冲电路复合缓冲电路(5) 复合缓冲电路 当开关管导通时，LS限制电流上升率di/dt，而缓冲电容中的能量经CS、RS和LS回路放电，也减少了开关管承受的电流上升率di/dt。当开

51、关管关断时，由于CS、VDS限制了开关管两端的电压上升率du/dt。2. 馈能式缓冲电路将储能元件中的储能通过适当的方式回馈给负载或电源，可以提高装置的效率。在馈能过程中，由于采用的元件不同，又可分为无源和有源两种方式。无源馈能式能量的回馈主要由C0和VDC来实现，C0称为转移电容，VDC称为回馈二极管。在开关管关断时，CS充电至电源电压VCC，在开关管下一次导通时，负载电流从VDf转移至开关管；同时CS上的电能转移至C0上。当开关管再次关断时，CS再次充电，而C0向负载放电，能量得到回馈。 馈能式复合缓冲电路 1.4.3 缓冲电路元件的选择增加CS，可以有效的抑制过电压，但采用过大的CS，会

52、增加整体损耗。缓冲电路元器件的参数选择不当，或连线过长造成分布电感过大，也可能产生严重的过电压。因此尽量减小连接线的分布电感，这就意味着要尽可能缩短VDS、CS和开关管的连线长度。要求VDS能快速导通、反向恢复时间trr短、反向恢复电荷Qr尽量小，缓冲电路中的CS和RS应当是无感元件，以尽可能减小吸收电路的杂散分布电感。例如RS不应选用线绕式的，而应是涂膜工艺制作的无感电阻，CS应选用低串联电阻、电感小且频率特性好的电容。1.5 全控型器件的过电压及过电流保护 1. 过电压保护(1) 栅源极或栅射极的过电压保护 对于功率MOSFET和IGBT来说，如果栅源极或栅射极的阻抗过高，则漏源电压或集源

53、电压的突变会引起极间电容耦合到栅级而产生相当高的UGS电压过冲，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏。如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。采取的措施有：为适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源间并接阻尼电阻。有些型号的功率MOSFET和IGBT内部输入端接有齐纳保护二极管。(2) 集射极或漏源极的过电压保护 电路中有感性负载，或回路中有等效电感时，则当器件关断时，电流的突变会产生比电源电压还高得多的集射极或漏源极的电压过冲，导致器件的损坏。对MOSFET、IGBT应采取前面介绍的稳压管钳位，二极管钳位或RCD缓冲电路等保护措施。 2. 过电流保护全控型电力电子器件的热容量极小，过电流能

54、力很低，其过流损坏在微秒级的时间内，远远小于快速熔断器的熔断时间，所以诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对自关断型电力电子器件来说是无用的。为了使全控型器件组成的电力电子装置安全运行，保护的主要做法是：利用参数状态识别对单个器件进行保护；利用互锁的办法对桥臂中两个器件进行保护；利用电流检测等办法进行保护。(1) 桥臂互锁保护 由于开关管有关断时间，同一桥臂的两个开关管不能同时导通，只有确认一个开关管关断后，另一个开关管才能导通。为防止同一桥臂的两个开关管同时导通，应该设置桥臂互锁时间。桥臂互锁时间的长短与开关管的关断时间相关。(2) 过饱和保护 基极驱动引起的过饱和使BJT的存储时间不必要地加

55、长，直接影响着BJT的开关频率。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电路来完成。GTO、IGBT在过饱和时也会使关断时间增大，造成关断损耗增大的问题，也可以采用准饱和驱动电路实现过饱和保护 。也称为贝克钳位电路。(3) 直接检测电流法 当主回路电流大于开关管的集电极最大电流或漏极最大电流时，会使得开关管损坏；当IGBT的集电极电流过大时，会使得IGBT产生擎住现象。可以采用电流传感器和控制电路配合使开关管在电流超过额定值之前关断。(4) GTO的过流保护 由于GTO的最大可关断阳极电流的特性，当阳极电流超过IATO时，试图关断GT

56、O会使GTO损坏，因此，当检测到阳极电流超过IATO时，应该封锁关断脉冲，然后采取其他措施使阳极电流下降到IATO以下，然后再关断GTO。3. 静电保护 功率MOSFET和IGBT的栅极绝缘的氧化层很薄，在静电较强的场合，容易引起静电击穿，造成栅源短路。此外，静电击穿电流易将栅源的金属化薄膜铝熔化，造成栅极或源极开路。故应采取如下措施：应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中，不能放在塑料袋或纸袋中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。将开关管接入电路时，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，最好是用内热式烙铁，先焊栅极，后焊漏极与源极或集电极和发射极，最好使

57、用12V24V的低电压烙铁，且前端作为接地点。在测试开关管时，测量仪器和工作台都必须良好接地，并尽量减少相同仪器的使用次数和使用时间，开关管的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压。 第1章作业三习题一1-91-161-181.6 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。 晶闸管串联后的反向电压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

58、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。1.6.1 晶闸管的串并联（2） 动态均压 晶闸管在导通和关断的过程中，由于各器件的导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C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在C支路中串联R。晶闸管串联均压电路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，串联的各晶闸管导通时间之差要小；要求门极触发

59、脉冲的前沿要陡，触发脉冲的电流要大，使晶闸管的导通时间短，趋于一致。 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 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（1）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。（2）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。 晶闸管并联时的电流分配 晶闸管并联均流电路采用两个耦合较好的空心电

60、感，也可起到一定的均流效果。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，必须提高电流安全裕量，并联后选择晶闸管的额定电流为 晶闸管串并联连接时，应尽可能选择参数比较接近的晶闸管进行并联触发脉冲前沿要陡，电流要大，使各晶闸管导通时间之差要小适当增大电感，可以减少各并联支路中动态电流的偏差安装时使各支路铜线长短相同，使各支路分布电感和导线电阻相近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1.6.2 功率MOSFET的串并联1. 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