电力电子器件概述.ppt

1、电力电子器件,电力电子器件概述 不可控器件电力二极管 半控型器件晶闸管 典型全控型器件,信息电子技术的基础,介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题,简要概述电力电子器件的概念、分类等问题,本章主要内容：,电力电子器件,电力电子技术的基础,电子器件：晶体管和集成电路,引言,电力电子器件,电力电子器件的概述,电力电子器件的概念与特征 电力电子器件的分类,电力电子器件的概念与特征,电力电子电路的基础 电力电子器件 概念:,主电路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,电力电子器件可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子

2、器件,同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：,1、能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。处理电功率的能力一般远大于用于信息处理的电子器件。,2.特征,2、电力电子器件一般都工作在开关状态。,3、实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。,4、为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损 坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,半控型器件,绝缘栅双极晶体管（IGBT） 电力场效应晶体管（电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）,不可控器件,电力二极管（Power

3、Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。,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。,晶闸管及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,电力电子器件的分类,按照器件工作的驱动信号的性质，分为两类：,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：,1) 电流驱动型,1) 单极型器件,2) 电压驱动型,通过从控制端注入电流来实现导通或者抽出电流实现关断，简称流控。,通过在控制端和公共端之间施加一定的

4、电压信号来实现导通或者关断，简称压控。,2) 双极型器件,3) 复合型器件,由一种载流子参与导电的器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,不可控器件电力二极管,PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数 电力二极管的主要类型,PN结与电力二极管的工作原理,从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装,电力二极管的外形,结构,电气图形符号,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。,扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称

5、为耗尽层、阻挡层或势垒区。,空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。,交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。,PN结形成过程,PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。,PN结的性质,PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要

6、特征。,PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。,PN结的电容效应 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 。（思考：对二级管工作产生何种影响）,电力二极管和普通二极管的区别,正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。,电力二极管的基本特性,1.

7、静态特性 主要指其伏安特性,电力二极管的伏安特性,当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。 与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,2. 动态特性,电力二极管的基本特性,动态特性,开关特性,反映通态和断态之间的转换过程,因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。（主要指开关特性）,延迟时间 td= t1- t0, 电流下降时间 tf= t2- t1 反向恢复时间 trr= td+ tf 恢复特

8、性的软度 Sr =tf /td，,正向偏置转换为反向偏置,关断过程：,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。 在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。,这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。,开通过程：,零偏置转换为正向偏置,电力二极管的主要参数,1.正向平均电流IF(AV) 在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值（额定电流）,IF(AV),

9、电力二级管电流,平均值,有效值,平均值和有效值之间的关系,使用时要按照有效值相等原则来选取该参数,3. 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,电力二极管的主要参数,2. 正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态 正向电流时对应的正向压降,4. 最高工作结温TJM 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受 的最高平均温度。 TJM通常在125-175C范围之内。,5. 反向恢复时间trr trr=td+tf ，关断过程中，电流降到零

10、起到 恢复反向阻断能力止的时间。 6. 浪涌电流IFSM 指电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。,电力二极管的主要参数,电力二极管的主要类型,1. 普通二极管 优点：正向电流定额和反向电压定额可以达到很高， 分别可达数千安和数千伏以上。 缺点：反向恢复时间较长，多用于开关频率不高的整 流电路中,2. 快恢复二极管,优点：反向恢复时间短，正向压降低 缺点：反向耐压能力弱,优点 反向恢复时间很短（10-40ns） 正向恢复过程中没有明显的电压过冲 在反向耐压较低的情况下正向压降也小，明显低于快恢复二极管 开关损耗和正向导通损耗比快速二极管还小，效率更高,3. 肖特基二极管,缺

11、点 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求， 因此多用于200V以下,半控型器件晶闸管,晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件,晶闸管的结构与工作原理,外形有螺栓型和平板型两种封装,晶闸管的外形,结构 电气图形符号,定性：外电路注入电流，在管内形成强烈的正反馈，最终使器件饱和导通。,双晶体管模型,晶闸管的结构与工作原理,定量： Ic1=1IA + ICBO1 （1） Ic2=2IK + ICBO2 （2） IK=IA+IG （3） IA=Ic1+Ic2 （4）,一旦晶闸管导通，就无法通过门 极控制其关断，如何关断呢？,阳极电压升高至相当高的数值造成

12、雪崩效应,晶闸管的其他几种可能导通情况,阳极电压上升率du/dt过高,光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LTT）。,结温较高,注：只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,晶闸管的基本特性,1. 静态特性,（1）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。,（2）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。,（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。,（4）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。,晶闸管的伏安特性 IG

13、2IG1IG,1. 静态特性,2. 动态特性,晶闸管的开通和关断过程,请思考：开通时间与哪些因素有关？,注意：关断时，正向阻断恢复期间，若施加正向电压，晶闸管会重新导通，使用时，要施加足够长时间的反向电压,1. 电压定额,晶闸管的主要参数,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。, 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。,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。,1)断态重复峰值电压UDRM,2)反向重复峰值电压URRM,3)通态（峰值）电压UTM,4)额定电压UT,取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的 额定电压

14、由于晶闸管承受瞬间过电压能力较差，选管时应留一定的安全裕量， 一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2-3倍。,晶闸管的主要参数,2. 电流定额,晶闸管在环境温度为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。,1)通态平均电流 IT(AV),管子额定电流的选择： (1)按电流有效值相等的原则选择晶闸管； (2)留裕量，取1.5-2倍后取整； (3)额定电流等级： 50A以下 1、5、10、20、30、40、50A； 100-1000A 100、200、300、400、500、600、800、1000A。,使晶闸管维持导通所必需的最小电

15、流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。,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2-4倍。,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 。,4) 浪涌电流ITSM,3) 擎住电流 IL,2) 维持电流 IH,3. 动态参数,晶闸管的主要参数,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。,指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。,(2) 通态电流临界上升率di/dt,(1) 断态电压临界上升率du/dt,晶闸管的派生器件,1

16、. 快速晶闸管（FST) 优点：开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 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。,缺点：电压和电流定额都不易做高。,由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略 其开关损耗的发热效应。,2.双向晶闸管,a) 电气图形符号 b) 伏安特性,特点（1）正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管 在第和第III象限有对称的伏安特性。 （2）与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制 电路简单,3. 逆导晶闸管（RCT）,a) 电气图形符号 b) 伏安特性,将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的集成器件。 正向压降小、关断时间短、

17、高温特性好、额定结温高。 无法承受反向电压。,特点,4. 光控晶闸管（LTT）,a) 电气图形符号 b) 伏安特性,利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 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。,特点,典型全控型器件,门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管,GTO的结构,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)电气图形符号,门极可关断晶闸管-GTO,相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 不同点： 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，它们的阴极和

18、门极则在器件内部并联在一起。,和普通晶闸管相比，在结构上有何异同？,工作原理,开通：,开通过程与晶闸管一样，也是靠门极注入电流形成正反 馈，使等效晶体管过饱和而导通（深度较浅）,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+21时，器件退出饱和而关断。(正反馈),关断：,请思考：为什么GTO可通过门极控制关断，而晶闸管不能？,GTO与普通晶闸管在设计上有如下区别：,（2）导通时1+2更接近1，饱和不深，接近临界饱和， 有利门极控制关断。（导通时管压降增大）,（3）多元集成结构使GTO元阴极面

19、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。,（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。 （同样易于导通）,GTO的这些设计都是为其实现可控关断而采取的措施,GTO的动态特性,注意：GTO的开通特性于晶闸管类似，关断则有较大不同,GTO的主要参数, 延迟时间与上升时间之和。, 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。,关断时间toff,开通时间ton,最大可关断阳极电流IATO, GTO额定电流。（这与晶闸管的通态平均电流概念不同）,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。,off一般很小，只有5左右，这

20、是GTO的一个主要缺点。,GTR的结构,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,电力晶体管,GTR也是一种多元结构，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，再采用集成电路工艺将许多这种 单元并联而成 。,主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。,工作原理,GTR工作原理与信息电子电路中的三极管基本相同,可以通过对基极b注入电流控制集电极c的导通,同时可以通过对基极b注入负电流控制集电极c的关断,GTR属于电流控制型全控型双极型电力电子器件,(1) 静态特性,基本特性,共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区 GTR工作在开关状态，即工作在截

21、止区或饱和区 在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区,(2) 动态特性,基本特性,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。,请思考：如何加快GTR的开通时间？,关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。,请思考：如何加快GTR的关断时间？,1)最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿 实际使用时，为确保安全，最高工作电压很低。,主要参数,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

22、散功率,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。,GTR的二次击穿现象与安全工作区,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 。,由于GTR存在二次击穿问题，使其安全工作区变得很小,安全工作区由最高电压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。,GTR的安全工作区,安全工作区,N沟道增强型电力MOSFET的结构,电力场效应晶体管,结构上与小功率MOS管有较大区别，一般采用垂直结构,电力M

23、OSFET的结构和电气图形符号,电力MOSFET也是一种多元集成结构,UGS控制导电沟道的厚度（沟道电阻）， 进而控制电力MOSFET的开通与关断,电力MOSFET的工作原理,UDS控制导电沟道的形状，UDS达到一定 值，沟道会出现夹断,UGS和UDS都在影响着电流ID的大小,GTR属于电压控制型全控型单极型电力电子器件,漏极电流ID和栅源间电 压UGS的关系称为MOSFET 的转移特性。,电力MOSFET的转移特性和输出特性,基本特性,漏极伏安特性称为 MOSFET的输出特性。,电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间转换。,电力MOSFET的漏源之间有一个与之反并联的寄生二

24、极管。 （请思考：寄生二极管对其工作会产生何种影响？）,1)静态特性,2)动态特性,a) 测试电路 b) 开关过程波形,请思考：为什么UGS达到UGSP后继续上升而iD不变？,稳定的iD与哪些因素有关？,注意：1、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。 2、开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,电力MOSFET的工作特点总结,1、一种电压控制器件，驱动电路简单，需要的驱动功率小。 （因为驱动时仅存在充放电电流） 2、开关速度快，工作频率高 （因为是一种单极型器件，不存在储存效应） 3、热稳定性优于GTR 4、电流容量小，耐压低,无法

25、承受反向电压 （一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置）,电力MOSFET的主要参数,电力MOSFET电压定额,1)漏极电压UDS,2)漏极直流电流ID,电力MOSFET电流定额,4) 栅源电压UGS,栅源之间的绝缘层很薄， UGS20V将导致绝缘层击穿。,3) 漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,5)极间电容,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

26、复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor 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。,1.4.4,1. 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1-22 IGBT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,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,IGBT的结构 图1-22aN

27、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。,图1-22 IGBT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,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控

28、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。,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,2. IGBT的基本特性 1)IGBT的静态特性,图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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

29、电压。 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V。 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。 uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。,图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,2)IGBT的动态特性,图1-24 IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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

30、) 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。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,图1-24 IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,IGBT的关断过程 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

31、间与电流下降之和。 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,图1-24 IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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MOSFET。 IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。 高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,通过对IGBT的基本特性的分析，可以看

32、出：,3. IGBT的主要参数,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,正常工作温度下允许的最大功耗 。,3) 最大集电极功耗PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。,2) 最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,1) 最大集射极间电压UCES,IGBT的特性和参数特点可以总结如下：,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,(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

33、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 。,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。,图1-22 IGBT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,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,擎住效应或自锁效应：,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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 。,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。,反

34、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集电极功耗确定。,正偏安全工作区（FBSOA）,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。,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。,其他新型电力电子器件,1.5.1 MOS控制晶闸管MCT 1.5.2 静电感应晶体管SIT 1.5.3 静电感应晶闸管SITH 1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 1.5.5

35、功率模块与功率集成电路,1.5,MOS控制晶闸管MCT,MCT（MOS Controlled Thyristor）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MOSFET。 MCT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

36、入实际应用。,1.5.1,静电感应晶体管SIT,SIT（Static Induction Transistor）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。,1.5.2,静电感应晶闸管SITH,SITH（St

37、atic Induction Thyristor）1972年，又被称为场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）。 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。此外，其制造工艺比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。,1.5.3,集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也称G

38、CT（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，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。,1.5.4,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

39、片上，称为功率 集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。,1.5.5,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（High Voltage ICHVIC）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 ICSPIC）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（Intelligent Power ModuleIPM）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）。,功率模块与功率集成电路,1.5.5,功率集成电路的主要

40、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。,功率模块与功率集成电路,1.5.5,电力电子器件器件的驱动,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述 1.6.2 典型全控型器件的驱动电路,1.6,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，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

41、往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。,1.6.1,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。,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,图1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,电力电子器件驱动电路概述,1.6.1,按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分，可分为

42、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路。,电力电子器件驱动电路概述,1.6.1,典型全控型器件的驱动电路,1) GTO 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。 使GTO关断需施加负门极电流，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（比普通晶闸管承受du/dt的能力差，若阳极电压上升率较高时会误触发。）。,图1-2

43、8推荐的GTO门极电压电流波形,1.6.3,1. 电流驱动型器件的驱动电路,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，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。 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，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,典型的直接耦合式GTO驱动电路：,图1-29 典型的直接耦合式GTO驱动电路,二极管VD1和电容C1提供+5V电压 VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压 VD4和电容C4提供-15V电压 V1开通时，输出正强脉冲 V2开通时输出正

44、脉冲平顶部分 V2关断而V3开通时输出负脉冲 V3关断后R3和R4提供门极负偏压,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,2) GTR 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，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。,图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分,二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入V，会使V过饱和。有了贝克

45、箝位电路，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Ubc0。 C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。,图1-31GTR的一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,2. 电压驱动型器件的驱动电路 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1015V，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

46、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。,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,1) 电力MOSFET的一种驱动电路： 电气隔离和晶体管放大电路两部分,无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压。 当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。 专为驱动电力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。,图1-32电力MOSFET的一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,2) IGBT的驱动 多采用专用的混合集成驱动器,

47、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） 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但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。 M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为 -10V。,图1-33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,电力电子器件器件的保护,1.7.1 过电压的产生及过电压保护 1.7.2 过电流保护 1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7,过电压的产生及过电压保护,电力

48、电子装置可能的过电压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 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。,1.7.1,过电压保护措施,图1-34过电压抑制措施及配置位置 F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电

49、感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路RCD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,过电压的产生及过电压保护,1.7.1,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1-35。,图1-35RC过电压抑制电路联结方式 a)单相b)三相,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

50、的直流侧。,过电压的产生及过电压保护,1.7.1,大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路,图1-36反向阻断式过电压抑制用RC电路,保护电路参数计算可参考相关工程手册 其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压,过电压的产生及过电压保护,1.7.1,过电流保护,过电流过载和短路两种情况 常用措施（图1-37）,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。 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

51、器整定在过载时动作。,图1-37过电流保护措施及配置位置,1.7.2,采用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。 选择快熔时应考虑： (1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。 (2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。 (3)快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值。 (4)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。,过电流保护,1.7.2,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

52、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过电流保护环节，响应最快 。,过电流保护,1.7.2,缓冲电路（Snubber Circuit）,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

53、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。,1.7.3,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,缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7.3,关断时的负载曲线,图1-39关断时的负载线,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ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低。,缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7.3,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,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,图1-40示出另两种，其中RC缓冲电路主要用于小容