全控型電力電子器PPT演示文稿

1、第4章 全控型電力電子器件 1第4章 全控型電力電子器件 4.1 4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管(gto) (gto) 4.2 4.2 大功率晶體管（大功率晶體管（gtrgtr） 4.3 4.3 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 4.4 4.4 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 4.5 4.5 其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件習(xí)題及思考題習(xí)題及思考題 第4章 全控型電力電子器件 2 門極可關(guān)斷晶閘管(gate turn off thyristor)簡(jiǎn)稱gto。 它具有普通晶閘管的全部特性，如耐壓高（工作電壓可高達(dá)6000 v）、電流大（電流可達(dá)6000 a)以及造價(jià)便宜等

2、；同時(shí)它又具有門極正脈沖信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通、門極負(fù)脈沖信號(hào)觸發(fā)關(guān)斷的特性，而在它的內(nèi)部有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，所以它屬于全控型雙極型器件。它的電氣符號(hào)如圖4-1所示，有陽極a、 陰極k和門極g三個(gè)電極。 4.1 4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管(gto)(gto)第4章 全控型電力電子器件 3圖4-1 gto的電氣符號(hào)akg第4章 全控型電力電子器件 44.1.1 gto4.1.1 gto的基本工作原理的基本工作原理 gto的工作原理與普通晶閘管相似，其結(jié)構(gòu)也可以等效看成是由pnp與npn兩個(gè)晶體管組成的反饋電路。兩個(gè)等效晶體管的電流放大倍數(shù)分別為1和2。gto觸發(fā)導(dǎo)通的條件是：當(dāng)它

3、的陽極與陰極之間承受正向電壓，門極加正脈沖信號(hào)（門極為正， 陰極為負(fù)）時(shí)，可使1+2，從而在其內(nèi)部形成電流正反饋，使兩個(gè)等效晶體管接近臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)。 第4章 全控型電力電子器件 5 導(dǎo)通后的管壓降比較大，一般為23 v。只要在gto的門極加負(fù)脈沖信號(hào)，即可將其關(guān)斷。當(dāng)gto的門極加負(fù)脈沖信號(hào)（門極為負(fù)，陰極為正）時(shí)，門極出現(xiàn)反向電流，此反向電流將gto的門極電流抽出，使其電流減小，1和2也同時(shí)下降， 以致無法維持正反饋，從而使gto關(guān)斷。因此， gto采取了特殊工藝，使管子導(dǎo)通后處于接近臨界飽和狀態(tài)。 由于普通晶閘管導(dǎo)通時(shí)處于深度飽和狀態(tài)，用門極抽出電流無法使其關(guān)斷，而gto處于臨界飽和狀

4、態(tài)，因此可用門極負(fù)脈沖信號(hào)破壞臨界狀態(tài)使其關(guān)斷。 第4章 全控型電力電子器件 6 由于gto門極可關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)，可在陽極電流下降的同時(shí)再施加逐步上升的電壓，不像普通晶閘管關(guān)斷時(shí)是在陽極電流等于零后才能施加電壓的。因此，gto關(guān)斷期間功耗較大。另外，因?yàn)閷?dǎo)通壓降較大，門極觸發(fā)電流較大，所以gto的導(dǎo)通功耗與門極功耗均較普通晶閘管大。 第4章 全控型電力電子器件 71 1 最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流i iatoato gto的最大陽極電流除了受發(fā)熱溫升限制外，還會(huì)由于管子陽極電流ia過大使1+2 稍大于1的臨界導(dǎo)通條件被破壞， 管子飽和加深，導(dǎo)致門極關(guān)斷失敗，因此，gto必須規(guī)定一個(gè)最大

5、可關(guān)斷陽極電流iato，也就是管子的銘牌電流。iato與管子電壓上升率、工作頻率、反向門極電流峰值和緩沖電路參數(shù)有關(guān)， 在使用中應(yīng)予以注意。 4.1.2 gto4.1.2 gto的特定參數(shù)的特定參數(shù)第4章 全控型電力電子器件 8 2 2 關(guān)斷增益關(guān)斷增益q q 這個(gè)參數(shù)是用來描述gto關(guān)斷能力的。關(guān)斷增益q為最大可關(guān)斷陽極電流iato與門極負(fù)電流最大值igm之比，即 |gmatoqii 目前大功率gto的關(guān)斷增益為35。采用適當(dāng)?shù)拈T極電路， 很容易獲得上升率較快、幅值足夠大的門極負(fù)電流，因此在實(shí)際應(yīng)用中不必追求過高的關(guān)斷增益。 第4章 全控型電力電子器件 9 3 3 掣住電流掣住電流i il

6、l 與普通晶閘管定義一樣，il是指門極加觸發(fā)信號(hào)后， 陽極大面積飽和導(dǎo)通時(shí)的臨界電流。gto由于工藝結(jié)構(gòu)特殊， 其il要比普通晶閘管大得多，因而在電感性負(fù)載時(shí)必須有足夠的觸發(fā)脈沖寬度。 gto有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，在使用時(shí)要特別注意。 第4章 全控型電力電子器件 10表表4-1 4-1 國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)50 a gto50 a gto參數(shù)參數(shù) 第4章 全控型電力電子器件 11 gto設(shè)置緩沖電路的目的是： (1) 減輕gto在開關(guān)過程中的功耗。 (2) 抑制靜態(tài)電壓上升率，過高的電壓上升率會(huì)使gto因位移電流產(chǎn)生誤導(dǎo)通。4.1.3 gto的緩沖電路的緩沖電路第4章 全控型電力電子器件 1

7、2用門極正脈沖可使gto開通，門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷， 這是gto最大的優(yōu)點(diǎn)，但要使gto關(guān)斷的門極反向電流比較大，約為陽極電流的1/5左右。盡管采用高幅值的窄脈沖可以減少關(guān)斷所需的能量， 但還是要采用專門的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路。 4.1.4 gto4.1.4 gto的門極驅(qū)動(dòng)電路的門極驅(qū)動(dòng)電路第4章 全控型電力電子器件 13圖 4-3 門極驅(qū)動(dòng)電路(a) 小容量gto門極驅(qū)動(dòng)電路； (b) 橋式驅(qū)動(dòng)電路； (c) 大容量gto門極驅(qū)動(dòng)電路 v1v2 ecvd1cv3v4uigto(a)v1 ecgto(b)lv2lv3v4gto(c)vrvdv1v2 ec第4章 全控型電力電子器件 14 gto主要

8、用于高電壓、大功率的直流變換電路(即斬波電路)、逆變器電路中，例如恒壓恒頻電源(cvcf)、常用的不停電電源（ups）等。另一類gto的典型應(yīng)用是調(diào)頻調(diào)壓電源， 即vvvf， 此電源較多用于風(fēng)機(jī)，水泵、軋機(jī)、牽引等交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中。 此外，由于gto的耐壓高、電流大、開關(guān)速度快、控制電路簡(jiǎn)單方便，因此還特別適用于汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。圖4-4所示為一種用電感、電容關(guān)斷gto的點(diǎn)火電路。 4.1.5 gto的典型應(yīng)用的典型應(yīng)用第4章 全控型電力電子器件 15圖4-4 用電感、電容關(guān)斷gto的點(diǎn)火電路 r1.5 tr點(diǎn)火線圈gtoc0.5 fl2 mh點(diǎn)火v12 vc10.5 f第4章 全控型電力電子

9、器件 16 圖中g(shù)to為主開關(guān)，控制gto導(dǎo)通與關(guān)斷即可使脈沖變壓器tr次級(jí)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，該電壓使汽油機(jī)火花塞電極間隙產(chǎn)生火花。 在晶體管v的基極輸入脈沖電壓，低電平時(shí)，v截止，電源對(duì)電容c充電，同時(shí)觸發(fā)gto。由于l和c組成lc諧振電路，c兩端可產(chǎn)生高于電源的電壓。脈沖電壓為高電平時(shí)，晶體管v導(dǎo)通，c放電并將其電壓加于gto門極，使gto迅速、可靠地關(guān)斷。 圖中r為限電流電阻，c1（0.5 f）與gto并聯(lián)，可限制gto的電壓上升率。 第4章 全控型電力電子器件 17 大 功 率 晶 體 管 又 可 稱 為 電 力 晶 體 管 （ g i a n t transistor）, 簡(jiǎn)稱gtr，

10、通常指耗散功率（或輸出功率） 1 w以上的晶體管。 gtr的電氣符號(hào)與普通晶體管相同。 圖4-5所示為某晶體管廠生產(chǎn)的1300系列g(shù)tr的外觀，它是一種雙極型大功率高反壓晶體管，具有自關(guān)斷能力， 控制方便，開關(guān)時(shí)間短， 高頻特性好，價(jià)格低廉。目前gtr的容量已達(dá)400 a/1200 v、1000 a/400 v，工作頻率可達(dá)5 khz， 模塊容量可達(dá)1000 a/1800 v， 頻率為30 khz，因此也可被用于不停電電源、中頻電源和交流電機(jī)調(diào)速等電力變流裝置中。 4.2 大功率晶體管（大功率晶體管（gtr）第4章 全控型電力電子器件 18圖4-5 gtr的外觀第4章 全控型電力電子器件 19

11、4.2.1 gtr4.2.1 gtr的極限參數(shù)的極限參數(shù) 1 1集電極最大電流集電極最大電流i icmcm( (最大電流額定值最大電流額定值) ) 一般將電流放大倍數(shù)下降到額定值的1/21/3 時(shí)集電極電流ic的值定為icm。 因此，通常ic的值只能到icm值的一半左右，使用時(shí)絕不能讓ic值達(dá)到icm，否則gtr的性能將變壞。 第4章 全控型電力電子器件 20 2 2 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率p pcmcm p pcmcm即gtr在最高集電結(jié)溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的耗散功率， 它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意gtr的散熱。 如果散

12、熱條件不好，會(huì)促使gtr的平均壽命下降。實(shí)踐表明， 工作溫度每增加20，平均壽命差不多下降一個(gè)數(shù)量級(jí)， 有時(shí)會(huì)因溫度過高而使gto迅速損壞。 第4章 全控型電力電子器件 21 3 3 gtrgtr的反向擊穿電壓的反向擊穿電壓 (1) 集電極與基極之間的反向擊穿電壓ucbo：當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)，集基極間能承受的最高電壓。 (2) 集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓uceo：當(dāng)基極開路時(shí)，集射極間能承受的最高電壓。 當(dāng)gtr的電壓超過某一定值時(shí)，管子性能會(huì)發(fā)生緩慢、不可恢復(fù)的變化，這些微小變化逐漸積累，最后導(dǎo)致管子性能顯著變壞。因此，實(shí)際管子的最大工作電壓應(yīng)比反向擊穿電壓低得多。 第4章 全控型電力電子

13、器件 22 4 4 最高結(jié)溫最高結(jié)溫t tjmjm gtr的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)、器件制造工藝、 封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管的t tjmjm為125150，金封硅管的t tjmjm為150170，高可靠平面管的 t tjmjm為175200。 第4章 全控型電力電子器件 23 1 1 二次擊穿二次擊穿 處于工作狀態(tài)的gtr，當(dāng)其集電極反偏電壓uce逐漸增大到最大電壓buceo時(shí)，集電極電流ic急劇增大，但此時(shí)集電結(jié)的電壓基本保持不變，這叫一次擊穿， 如圖4-6所示。 發(fā)生一次擊穿時(shí)，如果有外接電阻限制電流ic的增大， 一般不會(huì)引起gtr的特性變壞。 如果繼續(xù)增大uce，又不限制i

14、c的增長(zhǎng)， 則當(dāng)ic上升到a點(diǎn)（臨界值）時(shí)，uce突然下降， 而ic繼續(xù)增大（負(fù)阻效應(yīng)），這時(shí)進(jìn)入低壓大電流段， 直到管子被燒壞， 這個(gè)現(xiàn)象稱為二次擊穿。 4.2.2 4.2.2 二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿和安全工作區(qū)第4章 全控型電力電子器件 24圖4-6 二次擊穿示意圖 icuce(usb , isb)二次擊穿aib0第4章 全控型電力電子器件 25 a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓usb和電流isb稱為二次擊穿的臨界電壓和電流，其乘積為 psb=usbisb 稱為二次擊穿的臨界功率。當(dāng)gtr的基極正偏時(shí)，二次擊穿的臨界功率psb往往還小于pcm，但仍然能使gtr損壞。二次擊穿的時(shí)間在微秒甚至納秒數(shù)量級(jí)內(nèi)

15、， 在這樣短的時(shí)間內(nèi)如果不采取有效保護(hù)措施，就會(huì)使gtr內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(diǎn)， 輕者使器件耐壓降低，特性變差；重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通， 造成gtr永久性損壞。由于管子的材料、工藝等因素的分散性， 二次擊穿難以計(jì)算和預(yù)測(cè)。 第4章 全控型電力電子器件 26 gtr發(fā)生二次擊穿損壞是它在使用中最大的弱點(diǎn)。 但要發(fā)生二次擊穿，必須同時(shí)具備三個(gè)條件：高電壓、大電流和持續(xù)時(shí)間。因此，集電極電壓、電流、負(fù)載性質(zhì)、驅(qū)動(dòng)脈沖寬度與驅(qū)動(dòng)電路配置等因素都對(duì)二次擊穿造成一定的影響。 一般說來，工作在正常開關(guān)狀態(tài)的gtr是不會(huì)發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象的。 第4章 全控型電力電子器件 27 2 2 安全工作區(qū)安全工作

16、區(qū) 安全工作區(qū)soa（safe operation area）是指在輸出特性曲線圖上gtr能夠安全運(yùn)行的電流電壓的極限范圍，如圖4-7所示。 二次擊穿電壓usb與二次擊穿電流isb組成的二次擊穿功率psb如圖中虛線所示，它是一個(gè)不等功率曲線。 以3dd8e晶體管測(cè)試數(shù)據(jù)為例，其pcm100 w，uceo200 v，但由于受到二次擊穿的限制，當(dāng)uce100 v 時(shí)，psb為60 w; 當(dāng)uce200 v時(shí)， psb僅為28 w，因此，為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的管子，實(shí)際使用的最高電壓通常要比管子的極限電壓低得多。 圖4-7中陰影部分即為soa。 第4章 全控型電力電子器件 28圖4-7

17、 gtr安全工作區(qū) icicmpsb二次擊穿功率曲線一次擊穿功率曲線pcmuceucem第4章 全控型電力電子器件 29 1 1 基極驅(qū)動(dòng)電路基極驅(qū)動(dòng)電路gtr基極驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路輸出的控制信號(hào)放大到足以保證gtr可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度。 基極驅(qū)動(dòng)電流的各項(xiàng)參數(shù)直接影響gtr的開關(guān)性能，因此根據(jù)主電路的需要正確選擇和設(shè)計(jì)gtr的驅(qū)動(dòng)電路是非常重要的。一般來說，我們希望基極驅(qū)動(dòng)電路有如下功能： (1) 提供全程的正、反向基極電流，以保證gtr可靠導(dǎo)通與關(guān)斷（理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖4-8所示）。 4.2.3 gtr4.2.3 gtr的基極驅(qū)動(dòng)電路及其保護(hù)電路的基極驅(qū)動(dòng)電路及其保護(hù)電路第

18、4章 全控型電力電子器件 30圖4-8 理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形 ubet / s2 sonoff5 s0ibib1ib2ib3第4章 全控型電力電子器件 31 (2) 實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。 (3) 具有自動(dòng)保護(hù)功能， 以便在故障發(fā)生時(shí)快速自動(dòng)切除驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 避免損壞gtr。 (4) 電路盡可能簡(jiǎn)單， 工作穩(wěn)定可靠， 抗干擾能力強(qiáng)。 第4章 全控型電力電子器件 32 1） 簡(jiǎn)單的雙電源驅(qū)動(dòng)電路 電路如圖4-9所示，驅(qū)動(dòng)電路與gtr（v6）直接耦合，控制電路用光耦合實(shí)現(xiàn)電隔離，正、負(fù)電源（+uc2和-uc3）供電。 當(dāng)輸入端s為低電位時(shí)，v1v3導(dǎo)通，v4、v5截止，b點(diǎn)電壓為負(fù)，給gtr

19、基極提供反向基極電流，此時(shí)gtr（v6）關(guān)斷。當(dāng)s端為高電位時(shí)，v1v3 截止，v4、v5導(dǎo)通，v6流過正向基極電流，此時(shí)gtr開通。 第4章 全控型電力電子器件 33圖 4-9 雙電源驅(qū)動(dòng)電路 r3v3r4v2v4r6r10r7v5r8bv6r9 uc3 uc2r5v1r1s uc1r2第4章 全控型電力電子器件 34 2） 集成基極驅(qū)動(dòng)電路 thomson公司生產(chǎn)的uaa4002大規(guī)模集成基極驅(qū)動(dòng)電路可對(duì)gtr實(shí)現(xiàn)較理想的基極電流優(yōu)化驅(qū)動(dòng)和自身保護(hù)。 它采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列dip16封裝，對(duì)gtr基極正向驅(qū)動(dòng)能力為0.5 a，反向驅(qū)動(dòng)能力為-3 a, 也可以通過外接晶體管擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)能力，不需要隔離

20、環(huán)節(jié)。uaa4002可對(duì)被驅(qū)動(dòng)的gtr實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、 退飽和保護(hù)、最小導(dǎo)通的時(shí)間限制（ton（min）112s），最大導(dǎo)通的時(shí)間限制、正反向驅(qū)動(dòng)電源電壓監(jiān)控以及自身過熱保護(hù)。 第4章 全控型電力電子器件 35圖 4-10 uaa4002內(nèi)部功能框圖各管腳的功能如下： 反向基極電流輸出端ib2。負(fù)電源端(-5 v)。輸出脈沖封鎖端，為“1”封鎖輸出信號(hào)，為“0”解除封鎖。輸入選擇端，為“1”選擇電平輸入，為“0”選擇脈沖輸入。 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。由r-接負(fù)電源，該腳通過一個(gè)電阻與負(fù)電源相接。當(dāng)負(fù)電源的電壓欠壓時(shí)可起保護(hù)作用。負(fù)電源欠壓保護(hù)的門檻電|u-|min由式r-rv/2（1+|u-|min/

21、5）（k）決定，若接地，則無此保護(hù)功能。 第4章 全控型電力電子器件 36 通過電阻rv值決定最小導(dǎo)通時(shí)間to n （ m i n ）0.06rvs，實(shí)際中ton（min）可在112 s之間調(diào)節(jié)。 通過電容cv接地，最大導(dǎo)通時(shí)間ton(max)2rvcv s（式中rv的單位為k、cv的單位為f），若腳接地，則不限制導(dǎo)通時(shí)間。 接地端。 由rv d接地，輸出相對(duì)輸入電壓前沿延遲量tvd=0.05rvds（式中rvd的單位為k），調(diào)節(jié)范圍為112 s。 第4章 全控型電力電子器件 37 由rsvd接地，完成退飽和保護(hù)。所謂退飽和保護(hù)，是指gtr一般工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)其基極驅(qū)動(dòng)電流或負(fù)載電流降低時(shí)，

22、gtr會(huì)退出飽和而進(jìn)入放大區(qū)，管壓降會(huì)明顯增加。 此腳的功能就是，當(dāng)gtr出現(xiàn)退飽和時(shí)，切除gtr的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)斷gtr。rsvd上的電壓ursvd=10rsvd/rv (v)，當(dāng)從13腳引入的管壓降uceursvd時(shí)，退飽和保護(hù)動(dòng)作；若11腳接負(fù)電源，則無退飽和保護(hù)。 過電流保護(hù)端，接gtr射極的電流互感器。若電流值大于設(shè)定值，則過流保護(hù)動(dòng)作，關(guān)斷gtr；若12腳接地，則無過流保護(hù)功能。 第4章 全控型電力電子器件 38 13通過抗飽和二極管接到gtr的集電極。 14正電源端（1015 v)。 15輸出級(jí)電源輸入端，由r接正電源。調(diào)節(jié)r大小可改變正向基極驅(qū)動(dòng)電流ib1。 16正向基極電流輸出

23、端ib1 。 第4章 全控型電力電子器件 39邏 輯 處 理 器延遲ton(m ax)u檢 測(cè)21161536108rinkrvdcvgndton(m in)u檢 測(cè)輸 入uib 1ib 2uic12 0.2 v913uc e 17rv11rsvd14uc c5s4se圖 4-10 uaa4002內(nèi)部功能框圖第4章 全控型電力電子器件 40 圖4-11是用uaa4002作驅(qū)動(dòng)的開關(guān)電路實(shí)例，其容量為8 a/400 v， 采用電平控制方式，最小導(dǎo)通時(shí)間為2.8 s。 由于uaa4002的驅(qū)動(dòng)容易擴(kuò)展，因而可通過外接晶體管驅(qū)動(dòng)各種型號(hào)和容量的gtr，也可以驅(qū)動(dòng)功率mosfet管。 第4章 全控型電

24、力電子器件 41圖 4-11 由uaa4002驅(qū)動(dòng)的開關(guān)電路 uaa400211 gtr16151423135671233 frl( )150 100 1098100 f 10 v( )47 k 5 vui0.1 f0.1 f390 第4章 全控型電力電子器件 42 2 2 gtrgtr的保護(hù)電路的保護(hù)電路 1) gtr的過電壓保護(hù)及di/dt、du/dt的限制 在電感性負(fù)載的開關(guān)裝置中，gtr在開通和關(guān)斷過程中的某一時(shí)刻，可能會(huì)出現(xiàn)集電極電壓和電流同時(shí)達(dá)到最大值的情況，這時(shí)gtr的瞬時(shí)開關(guān)損耗最大。 若其工作點(diǎn)超出器件的安全工作區(qū)soa，則極易產(chǎn)生二次擊穿而使gtr損壞。 緩沖電路可以使gt

25、r在開通中的集電極電流緩升，關(guān)斷中的集電極電壓緩升， 避免了gtr同時(shí)承受高電壓、大電流。另一方面，緩沖電路也可以使gtr的集電極電壓變化率du/dt和集電極電流變化率di/dt得到有效的抑制，防止高壓擊穿和硅片局部過熱熔通而損壞gtr。 第4章 全控型電力電子器件 43圖4-12 緩沖電路 rllsgtrcsvdsrsvdfucc第4章 全控型電力電子器件 44 圖4-12是一種緩沖電路。在gtr關(guān)斷過程中，流過負(fù)載rl的電流通過電感l(wèi)s、二極管vds給電容cs充電。因?yàn)閏s上的電壓不能突變，這就使gtr在關(guān)斷過程中電壓緩慢上升，避免關(guān)斷過程初期gtr中電流下降不多時(shí)電壓就升到最大值的情況，

26、 同時(shí)也使電壓上升率du/dt被限制。在gtr開通過程中，一方面cs經(jīng)rs、ls和gtr回路放電，減小了gtr所承受的較大的電流上升率di/dt；另一方面，負(fù)載電流經(jīng)電感l(wèi)s后受到緩沖，也就避免了開通過程中g(shù)tr同時(shí)承受大電流和高電壓的情形。 值得注意的是，緩沖電路之所以能減小gtr的開關(guān)損耗， 是因?yàn)樗裧tr開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路內(nèi)，消耗在電阻rs上， 但這會(huì)使裝置的效率降低。 第4章 全控型電力電子器件 45 2) gtr的過電流保護(hù) (1） gtr的uce識(shí)別法。 負(fù)載過電流或基極驅(qū)動(dòng)電流不足都會(huì)導(dǎo)致gtr退出飽和區(qū)而進(jìn)入放大區(qū)，管壓降明顯增加。 圖4-13所示的識(shí)別保護(hù)電路檢測(cè)gtr

27、管壓降并與基準(zhǔn)值ur比較， 當(dāng)管壓降uceur時(shí)就使驅(qū)動(dòng)管v截止，切除gtr的驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 關(guān)斷過流的gtr。ur的大小取決于需要保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)的負(fù)載電流大小。ur的值通常由它所對(duì)應(yīng)的額定負(fù)載電流值確定。 由于gtr在脫離飽和區(qū)時(shí)uce變化較大，因此過載保護(hù)效果很好， 它可使gtr在幾個(gè)微秒之內(nèi)封鎖驅(qū)動(dòng)電流， 關(guān)斷gtr。 第4章 全控型電力電子器件 46圖4-13 識(shí)別保護(hù)電路 uccvrcuigtrur第4章 全控型電力電子器件 47 (2） gtr橋臂互鎖保護(hù)法。 若一個(gè)橋臂上的兩個(gè)gtr控制信號(hào)重疊或開關(guān)器件本身延時(shí)過長(zhǎng)，則會(huì)造成橋臂短路。為了避免橋臂短路，可采用互鎖保護(hù)法，即一個(gè)gtr

28、關(guān)斷后，另一個(gè)才導(dǎo)通。采用橋臂的互鎖保護(hù)， 不但能提高可靠性，而且可以改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能， 提高系統(tǒng)的工作頻率。 圖4-14所示為互鎖保護(hù)的示意圖，這種互鎖控制是通過與門來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)a為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)gtra導(dǎo)通，其發(fā)射極輸出低電平將另一接口的與門封鎖，則gtrb關(guān)斷。如何判別gtr是否關(guān)斷是互鎖保護(hù)的關(guān)鍵問題。 分析表明，只要gtr的b-e間已建立足夠大的反向電壓ube，gtr一定被關(guān)斷（如esm6045d管子的ube -4 v時(shí)可靠關(guān)斷）。圖4-15 為ube的識(shí)別電路。當(dāng)gtr關(guān)斷時(shí)， ube -4 v， 恒流源電路中發(fā)光二極管因流過穩(wěn)定電流而發(fā)光，以此作為gtr的關(guān)斷信號(hào)。 第4章 全

29、控型電力電子器件 48圖 4-14 gtr橋臂互鎖保護(hù)示意圖 uccgtragtrb負(fù) 載驅(qū) 動(dòng)驅(qū) 動(dòng)&接 口接 口ab第4章 全控型電力電子器件 49圖4-15 ube識(shí)別電路 vgtr第4章 全控型電力電子器件 50gtr的應(yīng)用已發(fā)展到晶閘管領(lǐng)域，與一般晶閘管比較， gtr有以下應(yīng)用特點(diǎn)： (1) 具有自關(guān)斷能力。 gtr因?yàn)橛凶躁P(guān)斷能力，所以在逆變回路中不需要復(fù)雜的換流設(shè)備，與使用晶閘管相比，不但使主回路簡(jiǎn)化、重量減輕、 尺寸縮小，更重要的是不會(huì)出現(xiàn)換流失敗的現(xiàn)象，提高了工作的可靠性。 (2) 能在較高頻率下工作。 gtr的工作頻率比晶閘管高12個(gè)數(shù)量級(jí)，不但可獲得晶閘管系統(tǒng)無法獲得的優(yōu)

30、越性能，而且因頻率提高還可降低各磁性元件和電容器件的規(guī)格參數(shù)及體積重量。 4.2.4 gtr的應(yīng)用的應(yīng)用第4章 全控型電力電子器件 51 下面介紹幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子來說明gtr的應(yīng)用。 1) 直流傳動(dòng) gtr在直流傳動(dòng)系統(tǒng)中的功能是直流電壓變換，即斬波調(diào)壓，如圖4-16所示。所謂斬波調(diào)壓，是利用電力電子開關(guān)器件將直流電變成另一固定或大小可調(diào)的直流電，有時(shí)又稱此為直流變換或開關(guān)型dc/dc變換電路。 圖中vd1v6構(gòu)成一個(gè)三相橋式整流電路，獲得一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。vd為續(xù)流二極管，作用是在gtr關(guān)斷時(shí)為直流電機(jī)提供電流，保證直流電機(jī)的電樞電流連續(xù)。通過改變gtr的基極輸入脈沖的占空比來控制gtr的導(dǎo)

31、通與關(guān)斷時(shí)間， 在直流電機(jī)上就可獲得電壓可調(diào)的直流電。 第4章 全控型電力電子器件 52 由于gtr的斬波頻率可高達(dá)2 khz左右，在該頻率下， 直流電動(dòng)機(jī)電樞電感足以使電流平滑，這樣電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)減小，溫升比用晶閘管調(diào)速低，從而能減小電動(dòng)機(jī)的尺寸。 因此，在200 v以下、 數(shù)十千瓦容量?jī)?nèi)， 用gtr不但簡(jiǎn)便， 而且效果好。 第4章 全控型電力電子器件 53圖 4-16 gtr直流斬波調(diào)速 vd1vd3vd5uvwvd4vd6vd2gtrvdm第4章 全控型電力電子器件 54 2) 電源裝置 目前大量使用的開關(guān)式穩(wěn)壓電源裝置中，grt的功能是斬波穩(wěn)壓。 與以往的晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓或可控整流穩(wěn)壓

32、相比， 其優(yōu)點(diǎn)是效率高， 頻率范圍一般在音頻之外，無噪聲， 反應(yīng)快， 濾波元件可大大縮小。 第4章 全控型電力電子器件 55 3) 逆變系統(tǒng) 與晶閘管逆變器相比，gtr關(guān)斷控制方便、可靠，效率提高10%，有利于節(jié)能。 圖4-17給出了電壓型晶體管逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖。 主電路由二極管vd1vd6構(gòu)成一個(gè)三相橋式整流電路， c1為濾波電容，以獲得穩(wěn)定的直流電壓。由gtr（v0）、l、 c2和續(xù)流二極管組成斬波電路， v0的基極電路輸入可調(diào)的電壓信號(hào)，則可在c2兩端得到電壓可調(diào)的直流電壓。v1v6是六個(gè)gtr構(gòu)成的三相逆變電路，每個(gè)gtr的集發(fā)極之間所接的二極管為其緩沖電路。 第4章 全控型電力

33、電子器件 56圖 4-17 晶體管逆變調(diào)速系統(tǒng)框圖 vd1vd3vd5uvwvd4vd6vd2v0c1lc2r過 流 檢 測(cè)過 電 壓 檢 測(cè)&基 極電 路 圖電 壓調(diào) 速 器振 蕩 器給 定積 分 器uc cudd環(huán)形分配器v2v1v4v3v6v5m第4章 全控型電力電子器件 57 控制電路的工作情況為：階躍速度指令信號(hào)ugd經(jīng)給定積分器變?yōu)樾逼滦盘?hào)，可以限制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與制動(dòng)時(shí)的電樞電流。 此速度指令一方面通過電壓調(diào)節(jié)器、 基極電路控制v0基極的關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)間，即控制斬波電路，使輸出與逆變器頻率成正比的電壓，以保證在調(diào)速過程中實(shí)現(xiàn)恒磁通；另一方面，速度指令經(jīng)電壓頻率變換器（振蕩器）變成相應(yīng)脈

34、沖，再經(jīng)環(huán)形分配器分頻，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)每隔60輪流加在各開關(guān)器件gtr（v1v6）上，實(shí)現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變過程。 當(dāng)主電路出現(xiàn)過壓或過流時(shí)，其檢測(cè)電路輸出信號(hào)， 封鎖逆變電路的輸出脈沖（環(huán)形分配器），另外還立即封鎖開關(guān)器件gtr(v0）的基極電流，實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)。 第4章 全控型電力電子器件 584.3 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（power mos field effect transistor）簡(jiǎn)稱power mosfet，是20世紀(jì)70年代中后期開發(fā)的新型功率半導(dǎo)體器件，通常又叫絕緣柵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 本書簡(jiǎn)稱為p-mosfet，用字母pm表示。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體

35、管已發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)型式，本節(jié)主要介紹目前使用最多的單極vdmos、 n溝道增強(qiáng)型pm， 管子符號(hào)如圖4-18（a）所示，三個(gè)引腳，s為源極，g為柵極， d為漏極。 源極的金屬電極將管子內(nèi)的n+區(qū)和p區(qū)連接在一起，相當(dāng)于在源極（s）與漏極（d）間形成了一個(gè)寄生二極管。管子截止時(shí)，漏源間的反向電流就在此二極管內(nèi)流動(dòng)。為了明確起見，常又將p-mosfet的符號(hào)用圖4-18（b）表示。如果是在變流電路中，p-mosfet元件自身的寄生二極管流通反向大電流，可能會(huì)導(dǎo)致元件損壞。為避免電路中反向大電流流過p-mosfet元件，在它的外面常并接一個(gè)快速二極管vd2， 串接一個(gè)二極管vd1。 因此，p-mos

36、fet元件在變流電路中的實(shí)際形式如圖4-18（c）所示。 第4章 全控型電力電子器件 59圖 4-18 pm圖形符號(hào) g(柵極)s(源極)d(漏極)(a)(b)gsd(c)gsdvd1vd2第4章 全控型電力電子器件 60 當(dāng)柵源極間的電壓ugs0或0ugsuv（uv為開啟電壓，又叫閾值電壓，典型值為24 v）時(shí)，即使加上漏源極電壓uds，也沒有漏極電流id出現(xiàn)，pm處于截止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)ugs uv且uds 0時(shí)，會(huì)產(chǎn)生漏極電流id， pm處于導(dǎo)通狀態(tài)，且uds越大，id越大。 另外， 在相同的 uds下， ugs越大， id越大。 綜上所述， pm的漏極電流id受控于柵源電壓ugs和漏源電壓u

37、ds 。 第4章 全控型電力電子器件 61 (1) 輸入阻抗高，屬于純?nèi)菪栽?，不需要直流電流?qū)動(dòng)， 屬電壓控制器件， 可直接與數(shù)字邏輯集成電路連接，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 (2) 開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)1 mhz， 比gtr器件快10倍， 可實(shí)現(xiàn)高頻斬波，使開關(guān)損耗小。 (3) 為負(fù)電流溫度系數(shù)，即器件內(nèi)的電流隨溫度的上升而下降的負(fù)反饋效應(yīng)，因此熱穩(wěn)定性好，不存在二次擊穿問題，安全工作區(qū)soa較大。 4.3.1 p-mosfet的主要特性的主要特性第4章 全控型電力電子器件 62 1 基本電路型式基本電路型式 圖 4-19 pm電路的四種形式(a) 共源極電路； (b) 共漏極電路； (c) 轉(zhuǎn)換

38、開關(guān)電路； (d) 交流開關(guān)電路 pmuiuorouc c(a)pmuiuorouc c(b)pm1ui1uc c(c)vd1pm2ui2vd2ropm1ui1(d)vd1ropm2vd2ui2ui4.3.2 p-mosfet的柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路第4章 全控型電力電子器件 63 (1) 共源極電路：相當(dāng)于普通晶體管的共發(fā)射極電路，如圖4-19(a)所示。 (2) 共漏極電路：相當(dāng)于射極跟隨器, 如圖4-19(b)所示。 (3) 轉(zhuǎn)換開關(guān)電路：pm1與pm2輪流驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通可構(gòu)成半橋式逆變器， 如圖4-19(c)所示。 (4) 交流開關(guān)電路：當(dāng)pm1 、 vd2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載為交流正向； 當(dāng)p

39、m2 、vd1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載為交流負(fù)向，如圖4-19(d)所示， 它是交流調(diào)壓電路的常用形式。 第4章 全控型電力電子器件 64 2 2 對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求 (1) p-mosfetr的柵極提供所需要的柵壓，以保證p-mosfet可靠導(dǎo)通。 (2) 減小驅(qū)動(dòng)電路的輸入電阻以提高柵極充放電速度，從而提高器件的開關(guān)速度。 (3) 實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。 (4) 因?yàn)閜-mosfet的工作頻率和輸入阻抗都較高，很容易被干擾，所以柵極驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 理想的柵極控制電壓波形如圖4-20所示，提高柵極電壓上升率dug/dt可縮短開通時(shí)間，但過高會(huì)使管子在開

40、通時(shí)承受過高的電流沖擊。正、負(fù)柵極電壓的幅值ug1、ug2要小于器件規(guī)定的允許值。 第4章 全控型電力電子器件 65t0ugtug1ug2圖4-20 理想的柵極控制電壓波形第4章 全控型電力電子器件 66 3 3 驅(qū)動(dòng)電路舉例驅(qū)動(dòng)電路舉例 圖4-21是一種數(shù)控逆變器，兩個(gè)p-mosfet的柵極不用任何接口電路直接與數(shù)字邏輯驅(qū)動(dòng)電路連接。該驅(qū)動(dòng)電路是由兩個(gè)與非門與rc組成的振蕩電路。當(dāng)門輸入高電平時(shí)，電路起振時(shí)，在pm1、pm2的柵極分別產(chǎn)生高、低電平，使它們輪流導(dǎo)通，將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，?shí)現(xiàn)逆變。振蕩頻率由電容與電阻值決定。 第4章 全控型電力電子器件 67圖4-21 p-mosfet逆變

41、器 pm1uo12 vpm2&0.01 f100 k1 m第4章 全控型電力電子器件 68 圖4-22所示為直流斬波的驅(qū)動(dòng)電路。斬波電源為ud，由不可控整流器件獲得，當(dāng)管子pm2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載得電，輸出電流io0。當(dāng)pm2關(guān)斷時(shí)，vd4續(xù)流，直到io0，vd4斷開， 接著pm3導(dǎo)通。 第4章 全控型電力電子器件 69圖 4-22 直流斬波的驅(qū)動(dòng)電路 vd1fpm2vd2c1v2ci3pm1pm3uivd4vd3mlio ud u第4章 全控型電力電子器件 70 由圖4-22可見，由pm2、pm3組成的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是推拉式和自舉式電路的結(jié)合。當(dāng)輸入電壓ui0時(shí)，pm1、pm3截止，電容c1沿v2

42、和ci3（p-mosfet柵極輸入電容）放電， 驅(qū)動(dòng)pm2導(dǎo)通；當(dāng)ui 0時(shí)， pm1導(dǎo)通，uf0，v2截止，電容ci3上的電荷沿vd2、pm1放電，vd2的導(dǎo)通保證了v2可靠截止。pm2關(guān)斷后，負(fù)載電流通過vd4續(xù)流，直到io=0， pm3受正向電壓而導(dǎo)通。 第4章 全控型電力電子器件 71 p-mosfet在電力變流技術(shù)中主要有以下應(yīng)用： (1) 在開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)壓電源方面，可使用p-mosfet器件作為主開關(guān)功率器件可大幅度提高工作頻率，工作頻率一般在200400 khz。 頻率提高可使開關(guān)電源的體積減小，重量減輕，成本降低，效率提高。目前，p-mosfet器件已在數(shù)十千瓦的開關(guān)電源中使用，

43、正逐步取代gtr。 4.3.3 p-mosfet4.3.3 p-mosfet的應(yīng)用的應(yīng)用第4章 全控型電力電子器件 72 (2) 將p-mosfet作為功率變換器件。由于p-mosfet器件可直接用集成電路的邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而且開關(guān)速度快，工作頻率高，大大改善了變換器的功能， 因而在計(jì)算機(jī)接口電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。 (3) 將p-mosfet作為高頻的主功率振蕩、放大器件，在高頻加熱、超聲波等設(shè)備中使用，具有高效、高頻、簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。 第4章 全控型電力電子器件 734.4 4.4 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 4.4.1 igbt4.4.1 igbt的工作原理的工作原理 igbt的

44、結(jié)構(gòu)是在p-mosfet結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改善， 相當(dāng)于一個(gè)由p-mosftet 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)gtr ，其簡(jiǎn)化等效電路如圖4-23 所示，電氣符號(hào)如圖4-24 所示。 igbt有三個(gè)電極， 分別是集電極c、發(fā)射極e和柵極g。 在應(yīng)用電路中，igbt的c接電源正極，e接電源負(fù)極。它的導(dǎo)通和關(guān)斷由柵極電壓來控制。柵極施以正向電壓時(shí)，p-mosfet內(nèi)形成溝道，為pnp型的晶體管提供基極電流，從而使igbt導(dǎo)通。此時(shí)，從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴（少數(shù)載流子）對(duì)n區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少n區(qū)的電阻，使高耐壓的igbt也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，p-mosfet內(nèi)的溝道消失，pnp晶體管的基極

45、電流被切斷，igbt關(guān)斷。由此可知，igbt的導(dǎo)通原理與p-mosfet相同。 第4章 全控型電力電子器件 74圖 4-23 igbt的簡(jiǎn)化等效電路 grbcpnpj1npnj2j3erbe第4章 全控型電力電子器件 75圖4-24 igbt的圖形符號(hào) gecv1第4章 全控型電力電子器件 764.4.2 igbt4.4.2 igbt的特性的特性 igbt的伏安特性（又稱靜態(tài)輸出特性）如圖4-25（a）所示， 它反映了在一定的柵射極電壓uge下器件的輸出端電壓uce與電流ic的關(guān)系。uge越高，ic越大。與普通晶體管的伏安特性一樣，igbt的伏安特性分為截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。值得

46、注意的是，igbt的反向電壓承受能力很差， 從曲線可知，其反向阻斷電壓u ubm只有幾十伏，因此限制了它在需要承受高反壓場(chǎng)合的應(yīng)用。 第4章 全控型電力電子器件 77圖 4-25 igbt的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性(a) 伏安特性； (b) 轉(zhuǎn)移特性 0icuge增加ubmuceouce(a)(b)ic0uge(th)uge第4章 全控型電力電子器件 78 1 1 柵極驅(qū)動(dòng)電路柵極驅(qū)動(dòng)電路 由于igbt的輸入特性幾乎和p-mosfet相同，因此p-mosfet的驅(qū)動(dòng)電路同樣適用于igbt。 1） 采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路 圖4-26是采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路。其工作原理是：控制脈沖u

47、i經(jīng)晶體管v放大后送到脈沖變壓器，由脈沖變壓器耦合，并經(jīng)vdw1、vdw2穩(wěn)壓限幅后驅(qū)動(dòng)igbt。脈沖變壓器的初級(jí)并接了續(xù)流二極管vd1，以防止v中可能出現(xiàn)的過電壓。 r1限制柵極驅(qū)動(dòng)電流的大小，r1兩端并接了加速二極管，以提高開通速度。 4.4.3 igbt4.4.3 igbt的柵極驅(qū)動(dòng)電路及其保護(hù)的柵極驅(qū)動(dòng)電路及其保護(hù)第4章 全控型電力電子器件 79圖4-26 采用變壓器隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路igbtvdw1vdw215 vvd2vd1v uddr1rlui第4章 全控型電力電子器件 80 2） 推挽輸出柵極驅(qū)動(dòng)電路 圖4-27是一種采用光耦合隔離的由v1、v2組成的推挽輸出柵極驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)控

48、制脈沖使光耦合關(guān)斷時(shí)，光耦合輸出低電平，使v1截止，v2導(dǎo)通，igbt在vdw1的反偏作用下關(guān)斷。當(dāng)控制脈沖使光耦合導(dǎo)通時(shí)，光耦合輸出高電平，v1導(dǎo)通，v2截止，經(jīng)ucc、v1 、rg產(chǎn)生的正向電壓使igbt開通。 第4章 全控型電力電子器件 81圖 4-27 推挽輸出柵極驅(qū)動(dòng)電路 v1v2vdw1vdw2r3rgr2ruccr5igbtr4第4章 全控型電力電子器件 82 3） 專用集成驅(qū)動(dòng)電路 exb系列igbt專用集成驅(qū)動(dòng)模塊是日本富士公司出品的， 它們性能好，可靠性高，體積小，得到了廣泛的應(yīng)用。 exb850、exb851是標(biāo)準(zhǔn)型， exb840、 exb841是高速型， 它們的內(nèi)部框

49、圖如圖4-28所示，各管腳功能列于表4-2，表4-3是其額定參數(shù)。 第4章 全控型電力電子器件 83圖 4-28 exb8驅(qū)動(dòng)模塊框圖 過流保護(hù)5461514ame2319第4章 全控型電力電子器件 84表表4-2 exb4-2 exb系列驅(qū)動(dòng)器管腳功能系列驅(qū)動(dòng)器管腳功能 第4章 全控型電力電子器件 85表表4-3 4-3 額額 定定 參參 數(shù)數(shù) 第4章 全控型電力電子器件 86圖 4-29 集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路 exb850851840841615254319c2c1rgigbtucc0 vij驅(qū)動(dòng)信號(hào)過流保護(hù)20 v隔離電源第4章 全控型電力電子器件 87表表4-4 4-4 推薦的柵極電阻

50、和電流損耗（推薦的柵極電阻和電流損耗（exb850exb850） 第4章 全控型電力電子器件 88表表4-5 4-5 推薦的柵極電阻和電流損耗（推薦的柵極電阻和電流損耗（exb840exb840） 第4章 全控型電力電子器件 89 2 2 igbtigbt的保護(hù)的保護(hù) 1) 過電流保護(hù) igbt應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)中， 對(duì)于正常過載（如電機(jī)啟動(dòng)、 濾波電容的合閘沖擊以及負(fù)載的突變等），系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，不至損壞igbt。對(duì)于不正常的短路故障，要實(shí)行過流保護(hù)，通常的做法是： (1) 切斷柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。只要檢測(cè)出過流信號(hào)，就在2s內(nèi)迅速撤除柵極信號(hào)。 (2) 當(dāng)檢測(cè)到過流故障信號(hào)時(shí)，立即將柵極電

51、壓降到某一電平， 同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，在定時(shí)器到達(dá)設(shè)置值之前，若故障消失， 則柵極電壓恢復(fù)正常工作值；若定時(shí)器到達(dá)設(shè)定值時(shí)故障仍未消除，則使柵極電壓降低到零。 這種保護(hù)方案要求保護(hù)電路在12 s內(nèi)響應(yīng)。 第4章 全控型電力電子器件 90 2) 過電壓保護(hù) 利用緩沖電路能對(duì)igbt實(shí)行過電壓抑制并限制過量的電壓變化率du/dt。但由于igbt的安全工作區(qū)寬，因而改變柵極串聯(lián)電阻的大小可減弱igbt對(duì)緩沖電路的要求。然而，由于igbt控制峰值電流的能力比p-mosfet強(qiáng)，因而在有些應(yīng)用中可不用緩沖電路。 3) 過熱保護(hù) 利用溫度傳感器檢測(cè)igbt的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時(shí)， 主電路跳閘以實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。

52、 第4章 全控型電力電子器件 91圖 4-30 單管模塊的內(nèi)部電路和輸出特性(a) 單管模塊； (b) 輸出特性 eceg(a)(b)0246810160320480640201512108uce / vuge7 vtc25ic / a4.4.4 igbt4.4.4 igbt的功率模塊的功率模塊第4章 全控型電力電子器件 92圖 4-31 雙管模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和輸出特性(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)； (b) 輸出特性 c1e1(a)g2e1 / c2g2e2e2(b)02468107 v1012152020406080uc e / vug e 8 vtc 25ic / a第4章 全控型電力電子器件 93圖

53、4-32 六管模塊的內(nèi)部電路 gaeagxexgbebgyeygcecgzezabc第4章 全控型電力電子器件 94表表4-6 4-6 東芝東芝mg25n2s1mg25n2s1的最大額定值（的最大額定值（t tc c2525） 第4章 全控型電力電子器件 95表表4-7 4-7 東芝東芝mg25n2s1mg25n2s1的電氣特性（的電氣特性（t tc c2525） 第4章 全控型電力電子器件 96圖 4-33 智能模塊內(nèi)部框圖 過 流 保 護(hù)短 路 保 護(hù) 層驅(qū) 動(dòng) 器欠 壓 保 護(hù)控 制 輸 入d過 流 保 護(hù)短 路 保 護(hù) 層驅(qū) 動(dòng) 器欠 壓 保 護(hù)控 制 輸 入故障輸出過 流 保 護(hù)第4

54、章 全控型電力電子器件 974.5.14.5.1靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（sitsit） 靜電感應(yīng)晶體管（static induction transistor）簡(jiǎn)稱sit，從20世紀(jì)70年代開始研制，發(fā)展到現(xiàn)在已成為系列化的電力電子器件。它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具有輸出功率大，輸入阻抗高，開關(guān)特性好，熱穩(wěn)定性好以及抗幅射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)已商品化的sit可工作在幾百khz，電流達(dá)300a，電壓達(dá)2000 v， 已廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備（如200 khz、200 kw的高頻感應(yīng)加熱電源）中。sit還適用于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。 4.5 其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件第4章 全控型電力電子器件 981 1sitsit的工作原理的工作原理 圖 4-34 sit的結(jié)構(gòu)及其符號(hào)(a) 結(jié)構(gòu)； (b) 符號(hào) dsgdsg(b)(a)nnnsdpp第4章 全控型電力電子器件 99 sit為常開器件，以n-sit為例，當(dāng)柵源電壓ugs大于或等于零，漏源電壓uds為正向電壓時(shí)，兩柵極之間的導(dǎo)電溝道使漏源之間導(dǎo)通。 當(dāng)加上負(fù)柵源電壓ugs時(shí)，柵源間pn結(jié)產(chǎn)生耗盡層。 隨著負(fù)偏壓ugs的增加，其耗盡層加寬，漏源間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)ugs =up（夾斷電壓）時(shí)，導(dǎo)電溝道被耗盡層夾斷， sit關(guān)斷。 第4章 全控型電力