《电力电子技术》-第3章 直流斩波电路

3直流斩波电路3.1全控电力电子器件3.2直流斩波工作原理3.3

基本直流斩波电路3.4

其他直流斩波电路3.5

直流斩波电路应用3.1全控电力电子器件3.1.1可关断晶闸管3.1.2电力晶体管3.1.3功率场效应晶体管3.1.4绝缘栅双极晶体管3.1.5智能型器件IPM3.1.1可关断晶闸管门极可关断晶闸管简称GTO，是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。GTO既具有普通晶闸管的优点（耐压高，电流大，耐浪涌能力强，价格便宜），同时又具有GTR的优点（自关断能力，无需辅助关断电路，使用方便）。是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域。1．GTO的结构与工作原理GTO的结构原理与普通晶闸管相似，为PNPN四层三端半导体器件，其结构、等效电路及符号如图3-1所示。图中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。其外形如图3-2所示。图3-1GTO的结构、等效电路及符号(a)结构(b)符号图3-2GTO的外形图2．GTO的主要特性（1）阳极伏安特性逆阻型的阳极伏安特性如图所示。由图3-3可见，它与普通晶闸管的伏安特性极其相似。（2）通态压降特性GTO的通态压降特性如图3-4。（3）开通特性开通特性是元件从断态到通态过程中电流、电压及功耗随时间变化的规律。如图3-5所示。（4）关断特性关断特性是指GTO在关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系，如图3-6所示。图3-3GTO的阳极伏安特性图3-4GTO的通态压降

图3-5GTO的开通特性图3-6GTO的关断特性3．GTO的主要参数

（1）最大可关断阳极电流IATO（2）关断增益β

off（3）阳极尖峰电压UP

4．GTO门极驱动要求图3-7为理想门极信号波形，门极电压、电流包含正向开通脉冲和反向关断脉冲（1）导通触发（2）关断触发

图3-7GTO理想门极信号波形5．可关断晶闸管的测试（1）可关断晶闸管电极的判定将万用表置于R×10档或R×100档，轮换测量可关断晶闸管的3个引脚之间的电阻，如图3-8所示。（2）判定可关断晶闸管的好坏①用万用表R×10档或R×100档测量晶闸管阳极（A）与阴极（K）之间的电阻，或测量阳极（A）与门极（G）之间的电阻。如果读数小于1kΩ，说明可关断晶闸管严重漏电，器件已击穿损坏。②用万用表R×10档或R×100档测量测量门极（G）与阴极（K）之间的电阻。如正反向电阻均为无穷大（∞），说明被测晶闸管门极、阴极之间断路，该管也已损坏。

图3-8可关断晶闸管电极判别（3）可关断晶闸管触发特性测试如图3-9所示。将万用表置于R×1档，黑表笔接可关断晶闸管的阳极A，红表笔接阴极G悬空，这时晶闸管处于阻断状态，电阻应为无穷大（∞），如图3-9（a）所示。（4）可关断晶闸管关断能力的初步检测测试方法如图3-10所示。采用1.5V干电池一节，普通万用表一只。图3-9可关断晶闸管触发特性简易测试方法图3-10可关断晶闸管的关断能力测试3.1.2电力晶体管电力晶体管（GTR）是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(BJT)。1．GTR的结构和工作原理图3-11分别给出了NPN型GTR的内部结构断面示意图和电气图形符号。

图3-11NPN型GTR的内部结构断面示意图和电气图形符号

(a)内部结构断面示意图（b）电气图形2．GTR的基本特性(1)静态特性图3-12给出了GTR在共发射极接法时的典型输出特性（即集电极伏安特性），明显地分为我们所熟悉的截止区、放大区和饱和区三个区域。(2)

动态特性图3-13给出了GTR开通和关断过程中基极电流和集电极电流波形的关系。图3-12共发射极接法时GTR的输出特性图3-13GTR的开通和关断过程电流波形3．GTR的基本参数(1)最高工作电压(2)集电极最大允许电流ICM(3)集电极最大耗散功率PCM

4．GTR的二次击穿和安全工作区(1)二次击穿现象(2)安全工作区正向偏置安全工作区如图3-14(a)所示。反向偏置安全工作区如图3-14(b)所示。

图3-14GTR安全工作区（a）正向偏置安全工作区(b)反向偏置安全工作区3.1.3功率场效应晶体管1．功率MOSFET的结构与工作原理图3-15功率MOSFET的符号(a)N沟道(b)P沟道2．功率MOSFET的主要特性（1）输出特性输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅源电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源极电压UDS间关系的曲线族，如图3-16所示。（2）转移特性转移特性是在一定的漏极与源极电压UDS下，功率MOSFET的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线。如图3-17(a)所示。图3-17(b)所示为壳温TC对转移特性的影响。（3）开关特性功率MOSFET的开关波形如图3-18所示。图3-17功率MOSFET的转移特性图3-16功率MOSFET的输出特性图3-18功率MOSFET开关过程的电压波形3．功率MOSFET的主要参数（1）通态电阻Ron（2）开启电压UGS（th）（3）跨导gm（4）漏源击穿电压BUDS（5）栅源击穿电压BUGS4．功率MOSFET的安全工作区（1）正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区如图3-19所示。（2）开关安全工作区开关安全工作区SSOA表示功率MOSFET在关断过程中的参数极限范围，见图3-20。图3-19正偏安全工作区（FBSOA）的开关安全工作区图3-20开关安全工作区（SSOA）5．功率MOSFET栅极驱动的特点及其要求功率MOSFET对栅极驱动电路的要求主要有：1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要求陡峭。2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度。3）为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压。4）功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流。功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。6．功率MOSFET在使用中的静电保护措施防止静电击穿应注意：1）器件应存放在抗静电包装袋、导电材料袋或金属容器中，不能存放在塑料袋中。2）取用功率MOSFET时，工作人员必须通过腕带良好接地，且应拿在管壳部分而不是引线部分。3）接入电路时，工作台应接地，焊接的烙铁也必须良好接地或断电焊接。4）测试器件时，测量仪器和工作台都要良好接地。器件三个电极没有全部接入测试仪器前，不得施加电压。改换测试范围时，电压和电流要先恢复到零。3.1.4绝缘栅双极晶体管1．IGBT工作原理由结构图可知，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR。其剖面图见图3-21，N沟道IGBT的图形符号如图3-22所示。

图3-21IGBT结构剖面图图3-22N-IGBT图形符号2．IGBT主要特性（1）静态特性IGBT的静态特性包括转移特性和输出特性。IGBT的转移特性是描述集电极电流IC与栅射电压UGE之间关系的曲线，如图3-23（a）所示。图3-23（b）是以栅源电压UGE为参变量的IGBT正向输出特性，也称伏安特性。（2）动态特性IGBT的动态特性也称开关特性，包括开通和关断两个部分，如图3-24所示。图3-23IGBT的静态特性曲线（a）转移特性（b）输出特性图3-24IGBT的动态特性3．IGBT的锁定效应IGBT实际结构的等效电路如图3-25所示。4．IGBT的主要参数（1）集射极击穿电压BUCES（2）开启电压UGE（th）（3）通态压降UCE（on）（4）最大栅射极电压UGES（5）集电极连续电流IC和峰值电流ICM5．IGBT的安全工作区IGBT的安全工作区如图3-26所示。图3-25IGBT实际结构的等效电路图3-26IGBT的安全工作区（a）FBSOA（b）RBSOA6．IGBT对驱动电路的要求7．IGBT容量的选择8．IGBT与MOSFET和GTR的比较3.1.5智能型器件IPM图3-28IPM结构框图3.2直流斩波工作原理基本斩波电路原理图如图3-29所示。斩波器的输出波形如图3-30所示。斩波电路有三种电压控制方式：1)定频调宽控制(脉冲宽度调制——PWM)2)定宽调频(脉冲频率调制——PFM)3)调频调宽混合控制图3-29直流斩波电路原理图3-30电压波形3.3基本直流斩波电路3.3.1降压斩波电路3.3.2升压斩波电路3.3.3升降压斩波电路3.3.1降压斩波电路

图3-31(a)是一个实际的降压斩波电路原理图。图中CH是一个采用全控型器件的斩波器，VD为续流二极管，用于在斩波器关断期间为电感性负载提供续流回路；Ld为平波电抗器，可使负载得到平滑的输出电流。由于τ<T，所以Ud<U，即负载上得到的直流平均电压小于直流输入电压，故称为降压斩波器。图3-31（b）是负载电流连续工况下各点波形图(假设电流io从I1变化到I2)。图3-31降压斩波电路及波形(a)降压斩波电路图(b)电压、电流波形3.3.2升压斩波电路升压斩波电路的工作原理及波形如图3-32所示。

图3-32升压斩波电路及波形（a）降压斩波电路图(b)电压、电流波形3.3.3升降压斩波电路

升降压斩波电路的工作原理如图3-33所示。图3-33升降压斩波电路3.4其他直流斩波电路3.4.1双象限斩波电路3.4.2四象限斩波电路3.4.3多象多重斩波电路3.4.1双象限斩波电路1．桥臂式双象限斩波电路（A型双象限斩波电路）桥臂式双象限斩波电路原理如图3-34所示。2．混合桥式双象限斩波电路（B型双象限斩波电路）混合桥式双象限斩波电路原理如图3-35所示。图3-34桥臂式双象限斩波电路图3-35混合桥式双象限斩波电路3.4.2四象限斩波电路电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电流可逆，实现电动机的两象限运行，但它提供的电压极性是单向的。当需要电机进行正、反转运行以及既可运行于电动机状态又可运行于制动状态时，就必须将两个二象限斩波电路组合起来，分别向电动机提供正、反向电压，成为一个四象限斩波器。四象限斩波器的工作原理如图3-36所示。图3-36四象限斩波电路3.4.3多象多重斩波电路图3-37电路中，两个降压斩波电路单元并联在同一个电源和同一个负载之间，因此它是一个二相二重斩波电路。多相多重斩波电路具有以下特点：（1）输出电流脉动率减小，有利于电机的运行。（2）平波电抗器的重量和体积可明显降低。（3）滤波器的效果会增加。（4）线路较单个斩波电路复杂，尤其是控制电路。（5）由单个斩波器并联构成，总的可靠性可提高。图3-37二相二重斩波电路3.5直流斩波电路应用电气