電力電子基礎(chǔ)

1、電力電子教案第一章 電力電子器件一、 教學(xué)目的與要求通過(guò)本章的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握各種電力電子器件的特性和使用方法。二、授課內(nèi)容1、 電力電子器件的概念、特點(diǎn)和特性。2、 各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。三、重點(diǎn)、難點(diǎn)及學(xué)生的要求1、重點(diǎn)1） 晶閘管，GTO, GTR, P-MOSFET等 電力電子器件的工作原理，基本特性 及主要參數(shù)。2） 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)2、難點(diǎn)各類(lèi)電力電子器件的基本特性。3、 要求1) 掌握電力電子器件的型號(hào)命名法醫(yī)及其參數(shù)和特性曲線(xiàn)的使用方法。 2) 掌握各類(lèi)電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)。 3) 熟悉各類(lèi)保護(hù)電路的作用及

2、原理。 4) 了解電力電子器件的串并聯(lián)使用方法 1.1 電力電子器件的概念和特征 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件概念:電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件主電路（main power circuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路1.1.1 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)沖，而電力

3、電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。1.1.2 電力電子器件的分類(lèi)按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類(lèi)：1)半控型器件: 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。2)全控型器件: 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱(chēng)自關(guān)斷器件。3)不可控器件:不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。12 不可控器件電力二極管。Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎?/p>

4、復(fù)二極管和肖特基二極管，分別 在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位。1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線(xiàn)以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱(chēng)為空間電荷PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左

5、右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。PN結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱(chēng)為結(jié)電容CJ，又稱(chēng)為微分電容。 結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD 。勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用。外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流，其電流密度較大，因而

6、額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。引線(xiàn)和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線(xiàn)和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響。為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。1.2.2 電力二極管的基本特性1. 靜態(tài)特性主要指其伏安特性 開(kāi)通過(guò)程：電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高 。1.2.3 電力二極管的主

7、要參數(shù)1. 正向平均電流IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。 2. 正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降，有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降。3.反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向

8、最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3，使用時(shí)往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定。 4. 最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。5. 反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間。6. 浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。 1.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的

9、不同要求選擇不同類(lèi)型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。1. 普通二極管（General Purpose Diode）又稱(chēng)整流二極管（Rectifier Diode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中，其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5ms以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。2. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）3. 肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡(jiǎn)稱(chēng)為肖特基二極管2

10、0世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿(mǎn)足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）。正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。 13 半控器件晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美國(guó)

11、貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間晶體管的特性是：在低

12、發(fā)射極電流下a 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，a 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，a1+a2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通（門(mén)極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致a1+a2趨近于1的話(huà)，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)。陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高。結(jié)溫較高。光直接照射硅片，即光觸發(fā)。光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱(chēng)為光控晶閘管（Light Triggered T

13、hyristorLTT）。只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。 1.3.2 晶閘管的基本特性 1. 靜態(tài)特性 總結(jié)前面介紹的工作原理，可以簡(jiǎn)單歸納晶閘管正常工作時(shí)的特性如下：承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性1) 正向特性 IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓

14、Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱(chēng)為維持電流。2) 反向特性晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。2. 動(dòng)態(tài)特性1) 開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。

15、上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+ tr （1-6）普通晶閘管延遲時(shí)為0.51.5ms，上升時(shí)間為0.53ms。晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形2) 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?。?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+t

16、gr , 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)1. 電壓定額1)通態(tài)平均電流 IT(AV) 晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱(chēng)其額定電流的參數(shù)。2) 維持電流 IH : 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。3) 擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍。4) 浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。 2.

17、電流定額1)通態(tài)平均電流 IT(AV) 2) 維持電流 IH 3) 擎住電流 IL 4) 浪涌電流ITSM3. 動(dòng)態(tài)參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有： (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱(chēng)為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類(lèi)似門(mén)極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。(2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞 。1.3.4 晶閘管的派生器件1. 快速

18、晶閘管（Fast Switching ThyristorFST）包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10ms左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。2.雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）3. 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）4

19、. 光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）1.4 典型全控型器件門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。

20、1.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析。 GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程：強(qiáng)烈正反饋門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使 IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使a1+a21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。2. GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管類(lèi)似，需經(jīng)過(guò)延遲

21、時(shí)間td和上升時(shí)間tr。關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小下降時(shí)間tf 。殘存載流子復(fù)合尾部時(shí)間tt 。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts越短。門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間 。1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic=b ib +Iceo ，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中通常給直流電流增益hFE在直流工

22、作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為bhFE 。單管GTR的b 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。2. GTR的基本特性 (1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)(2) 動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。td主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通過(guò)程 。關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts

23、和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff 。ts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以?xún)?nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。 14.2 絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū) 動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)

24、動(dòng)電路簡(jiǎn)單。兩類(lèi)器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。1. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電

25、阻RN減小，使通態(tài)壓降小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。2. IGBT的基本特性 1)IGBT的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類(lèi)似。開(kāi)啟電壓UGE(th)IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，UGE(th)的值一般為26V。輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系。分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。uCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。2)IGBT的動(dòng)態(tài)特性 IGB

26、T的開(kāi)通過(guò)程 與MOSFET的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行。開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10% ICM。 電流上升時(shí)間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。uCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。IGBT的關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM 。電流下降時(shí)間iC從90%ICM下降至1

27、0%ICM 。 關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和。電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET。IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)。高壓器件的N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會(huì)引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng)。1.5 其他新型電力電子器件 1.5.1 MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： MOSF

28、ET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程。 晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。MCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來(lái)一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過(guò)十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。1.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SITSIT（Static Induction Transistor）1970年，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)

29、構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱(chēng)為正常導(dǎo)通型器件，使用不太便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。1.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH（Static Induction Thyristor）1972年，又被稱(chēng)為場(chǎng)控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）。 比SIT多了一個(gè)具有少子注入功能的PN結(jié)， SITH是兩

30、種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類(lèi)似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。1.5.4 集成門(mén)極換流晶閘管IGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也稱(chēng)GCT（Gate-Commutated Thyristor）20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)所需的驅(qū)動(dòng)功率

31、仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱(chēng)為功率模塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線(xiàn)路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱(chēng)為功率成電路（Power Integrated CircuitPIC）。類(lèi)似功率集成電路的還有許多名稱(chēng)，但實(shí)際上各有側(cè)重。高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（S

32、mart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）則專(zhuān)指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱(chēng)智能IGBT（Intelligent IGBT）。功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開(kāi)發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。1.6 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工

33、作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器。磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)分可分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)電路。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。 為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠(chǎng)家專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。1.6.1 晶閘管

34、的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。1.6.2 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1) GTOGTO的開(kāi)通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門(mén)極電流。使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門(mén)極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門(mén)陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力。GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門(mén)極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類(lèi)型。直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較

35、廣，但其功耗大，效率較低。典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路2) GTR開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。2. 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。使MOSFET開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V。關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取 -5 -15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻

36、值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。1.7 電力電子器件器件的保護(hù) 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)電力電子裝置可能的過(guò)電壓外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外因。 (1) 操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起。 (2) 雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程。 (1) 換相過(guò)電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線(xiàn)路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。 (2) 關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線(xiàn)路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電

37、壓。過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)外因過(guò)電壓抑制措施中，RC過(guò)電壓抑制電路最為常見(jiàn)，典型聯(lián)結(jié)方式見(jiàn)圖1-35。過(guò)電流保護(hù)采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：(1)電壓等級(jí)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓確定。(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。(3)快熔的I 2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I 2t值。(4)為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間-電流特性?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種全保護(hù)：過(guò)載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。對(duì)重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件（很難用快熔保護(hù)），需采用電