第1章 電力電子技術(shù)王云亮第三版

1、第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件主要內(nèi)容：n常用電力電子器件分類；n常用電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、主要參數(shù)；n常用電力電子器件的基本驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路和保護(hù)方法；n常用電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù)。 1.1 1.1 引引 言言n電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，n新器件的誕生或器件特性的新進(jìn)展，都帶動(dòng)了電力電子應(yīng)用技術(shù)的新突破，或?qū)е鲁霈F(xiàn)新的電路拓?fù)?。n電力電子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展又對(duì)電力電子器件提出了更新、更高的要求，進(jìn)一步推動(dòng)了高性能、新器件的研制。n電力電子器件在電力電子電路中一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在通態(tài)時(shí)應(yīng)能流過(guò)很大電流而壓降很低；在斷態(tài)時(shí)應(yīng)能承受很高電壓而漏電流很?。?/p>

2、斷態(tài)與通態(tài)間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短且功率損耗較小。1.2 1.2 電力電子器件的結(jié)構(gòu)、特性和主要參數(shù)電力電子器件的結(jié)構(gòu)、特性和主要參數(shù)1.2.1 功率二極管1. 功率二極管的結(jié)構(gòu)功率二極管外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)2. 2. 功率二極管的工作原理nP型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合一體，其中，N型半導(dǎo)體區(qū)電子濃度大，P型半導(dǎo)體區(qū)空穴濃度大，因此，N區(qū)電子要向P區(qū)擴(kuò)散與P區(qū)空穴復(fù)合，在N區(qū)邊界側(cè)留下正離子層， P區(qū)空穴要向N區(qū)擴(kuò)散與N區(qū)電子復(fù)合，在P區(qū)邊界側(cè)留下負(fù)離子層，在交界處漸漸形成空間電荷區(qū)；n多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，決定空間電荷區(qū)的寬度，形成PN結(jié)； nPN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，二極管是

3、一個(gè)正方向單向?qū)щ姟⒎捶较蜃钄嗟碾娏﹄娮悠骷?. 3. 功率二極管的特性(1) 功率二極管的伏安特性二極管具有單向?qū)щ娔芰?，二極管正向?qū)щ姇r(shí)必須克服一定的門(mén)坎電壓Uth(又稱死區(qū)電壓)。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管的反向電流IS是很小的，但是當(dāng)外加反向電壓超過(guò)二極管反向擊穿電壓URO后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加，二極管被電擊穿后將造成PN結(jié)的永久損壞。 功率二極管的伏安特性(2) 功率二極管的開(kāi)關(guān)特性p因結(jié)電容的存在，功率二極管在通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中的特性為功率二極管的動(dòng)態(tài)特性。p功率二極管由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)時(shí)，功率二極管的正向壓降也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，然后逐漸趨

4、于穩(wěn)態(tài)壓降值。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間，稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。p當(dāng)原處于正向?qū)ǖ墓β识O管的外加電壓突然變?yōu)榉聪驎r(shí)，功率二極管不能立即關(guān)斷，其電流逐漸下降到零，然后有較大的反向電流和反向過(guò)沖電壓出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間才能進(jìn)入截止。其中，td為延遲時(shí)間，tf為電流下降時(shí)間，trr為反向恢復(fù)時(shí)間， trr td tf 。 功率二極管的開(kāi)關(guān)特性p 由于PN結(jié)電容的存在，二極管從導(dǎo)通到截止的過(guò)渡過(guò)程與反向恢復(fù)時(shí)間trr、最大反向電流值IRM，與二極管PN結(jié)結(jié)電容的大小、導(dǎo)通時(shí)正向電流IFR所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)電荷Q、電路參數(shù)以及反向電流di/dt等都有關(guān)。p普通二極管的trr=210s，快速恢復(fù)二極管的tr

5、r為幾十至幾百ns, 超快恢復(fù)二極管的trr僅幾個(gè)ns。4. 4. 功率二極管的主要參數(shù)(1) 額定電壓URR反向不重復(fù)峰值電壓URSM是指即將出現(xiàn)反向擊穿的臨界電壓；二極管的額定電壓URR（反向重復(fù)峰值電壓URRM）取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80；(2) 額定電流IFR 功率二極管的額定電流IFR被定義為在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40和散熱條件下工作，其管芯PN結(jié)溫升不超過(guò)允許值時(shí)，所允許流過(guò)的正弦半波電流平均值 。若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為 mIttdII1)(sin210mFR(3) 最大允許的全周期均方根正向電流IFrms二極管流過(guò)半波正弦電流的平均值為IFR時(shí)，與其發(fā)熱等效

6、的全周期均方根正向電流IFrms 由式(1-1)和(1-2)可得 (4) 最大允許非重復(fù)浪涌電流IFSM這是二極管所允許的半周期峰值浪涌電流。該值比二極管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了二極管抗短路沖擊電流的能力。功率二極管屬于功率最大半導(dǎo)體器件，二極管參數(shù)是正確選用二極管依據(jù)。 m02mFrms21)()sin(21ItdtIIFRFRFrms57. 12III1.2.2 1.2.2 晶閘管及派生器件n晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR, 普通晶閘管是一種具有開(kāi)關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。小電流塑封式小電流塑封式小電流螺旋式小電流螺旋式大電流螺旋式大電

7、流螺旋式大電流平板式大電流平板式圖形符號(hào)圖形符號(hào)2. 2. 晶閘管的結(jié)構(gòu)n晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。結(jié)構(gòu)和雙晶體管模型3 3. . 晶閘管的工作原理IGIB2IC2(IB1)IC1晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖n欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件：應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上正向電壓。應(yīng)在晶閘管的門(mén)極與陰極之間也加上正向電壓和電流。n晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽(yáng)極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。4. 4. 晶閘管的特性(1) 晶閘管的伏安特性n晶閘管的伏安特性是晶閘管

8、陽(yáng)極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽(yáng)極電流IA之間的關(guān)系特性。晶閘管的伏安特性(3) 晶閘管的開(kāi)關(guān)特性晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖開(kāi)通過(guò)程 p開(kāi)通時(shí)間ton包括延遲時(shí)間td與上升時(shí)間tr，即 ton=td+ tr (1-4)p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p普通晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間約為幾微妙。關(guān)斷過(guò)程 p關(guān)斷時(shí)間toff：包括 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr與正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr，即 toff=trr+tgr (1-5)p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；p正向阻

9、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；p普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約為幾十至幾百微妙。5. 5. 晶閘管的主要參數(shù)（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。（3）額定電壓 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的那個(gè)數(shù)值標(biāo)作器件型號(hào)上的額定電壓。通常選用晶閘管時(shí)，電壓選擇應(yīng)取(23)倍的安全裕量。(4) 額定電流IT(AV)n在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定冷卻條件下，器件在電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中,管子

10、全導(dǎo)通(導(dǎo)通角 170)，在穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。n晶閘管流過(guò)正弦半波電流波形 如圖所示 晶閘管流過(guò)正弦半波電流波形它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為： 正弦半波電流的有效值為： 式中 Kf 為波形系數(shù) 流過(guò)晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取(1.52)倍的安全裕量。 m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTfIIK(5)浪涌電流n這是晶閘管所允許的半周期內(nèi)使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)正向過(guò)載電

11、流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了晶閘管抗短路沖擊電流的能力?？捎脕?lái)設(shè)計(jì)保護(hù)電路。(6)通態(tài)電壓UTMn晶閘管通以規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。從減少功耗和發(fā)熱的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該選擇通態(tài)電壓較小的晶閘管。(7)維持電流 IH n在室溫和門(mén)極斷路時(shí)，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽(yáng)極電流(8) 擎住電流 IL n晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)移去觸發(fā)信號(hào)之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽(yáng)極電流。對(duì)于同一個(gè)晶閘管來(lái)說(shuō)，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(24)倍。(9) 門(mén)極觸發(fā)電流IGTn在室溫且陽(yáng)極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全

12、開(kāi)通所必需的最小門(mén)極直流電流。(10) 門(mén)極觸發(fā)電壓UGT n對(duì)應(yīng)于門(mén)極觸發(fā)電流時(shí)的門(mén)極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門(mén)極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過(guò)其峰值IGFM 和 UGFM。(11) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/ dt n在額定結(jié)溫和門(mén)極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過(guò)大的斷態(tài)電壓上升率會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。(12) 通態(tài)電流臨界上升率di / dt n在規(guī)定條件下，由門(mén)極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開(kāi)通時(shí)，如果電流上升過(guò)快，會(huì)使門(mén)極電流密度過(guò)大，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。例1-1 兩個(gè)不同

13、的電流波形(陰影斜線部分)如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A，試計(jì)算各波形下晶閘管的電流平均值Id1、Id2，電流有效值I1、I2 ， 并計(jì)算波形系數(shù)Kf1、Kf2。流過(guò)晶閘管的電流波形解：如圖所示的平均值和有效值可計(jì)算如下：A7 .16167. 0)(21m3/0md2ItdII44. 2222dfIIK74. 1111dfIIKA2 .27272. 0)(sin21m4/md1ItdtIIA4 .47477. 0)()sin(21m42m1ItdtIIA8 .4061m2II思考1：如果晶閘管的額定電流是100A,考慮晶閘管的安全裕量,請(qǐng)問(wèn)在以上的情況下, 允許流過(guò)的

14、平均電流是多少?AIIAVTT15757. 1)(AKIIfTd9467. 115722AKIIfTd2 .9074. 115711思考思考2：如果考慮晶閘管的安全裕量, 請(qǐng)問(wèn)在以上的情況下, 允許流過(guò)的平均電流是多少?6.6.晶閘管的派生器件(1)快速晶閘管n快速晶閘管的關(guān)斷時(shí)間50s，常在較高頻率(400Hz)的整流、逆變和變頻等電路中使用，它的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同。目前國(guó)內(nèi)已能提供最大平均電流1200A、最高斷態(tài)電壓1500 V的快速晶閘管系列，關(guān)斷時(shí)間與電壓有關(guān)，約為25s50s。(2)雙向晶閘管 雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性方面來(lái)說(shuō)，都可以看成是一對(duì)反向并聯(lián)的普通晶閘

15、管。在主電極的正、反兩個(gè)方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。n雙向晶閘管在第和第象限有對(duì)稱的伏安特性。雙向晶閘管等效電路及符號(hào)雙向晶閘管的伏安特性(3)逆導(dǎo)晶閘管n逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。n由于逆導(dǎo)晶閘管等效于反并聯(lián)的普通晶閘管和整流管，因此在使用時(shí)，使器件的數(shù)目減少、裝置體積縮小、重量減輕、價(jià)格降低和配線簡(jiǎn)單，特別是消除了整流管的配線電感，使晶閘管承受的反向偏置時(shí)間增加。逆導(dǎo)晶閘管的等效電路及伏安特性(4)光控晶閘管n光控晶閘管(Light Activated Thyristor)是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)器件。n光控晶閘管符號(hào)和等效電路n光控晶閘管的伏

16、安特性光控晶閘管的符號(hào)及等效電路光控晶閘管的伏安特性1.2.3 1.2.3 可關(guān)斷晶閘管GTOn可關(guān)斷晶閘管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，門(mén)極信號(hào)不僅能控制其導(dǎo)通，也能控制其關(guān)斷。1. 可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)nGTO的內(nèi)部包含著數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，它們的門(mén)極和陰極分別并聯(lián)在一起，這是為了便于實(shí)現(xiàn)門(mén)極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計(jì)。n可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號(hào)可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號(hào)2. 可關(guān)斷晶閘管的工作原理(1) 開(kāi)通過(guò)程nGTO也可等效成兩個(gè)晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后回路增益1+2數(shù)值不同。晶閘管的回路增

17、益1+2常為1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。這為門(mén)極負(fù)脈沖關(guān)斷陽(yáng)極電流提供有利條件。(2) 關(guān)斷過(guò)程n當(dāng)GTO已處于通態(tài)時(shí)，對(duì)門(mén)極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成IG，相當(dāng)于將IC1的電流抽出，使晶體管N1P2N2的基極電流減小，使IC2和IK隨之減小，IC2減小又使IA和IC1減小，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。n當(dāng)IC2和IC1的減小使1+21時(shí)，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿足維持導(dǎo)通條件，陽(yáng)極電流下降到零而關(guān)斷。n由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關(guān)斷。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的

18、方法不能使其關(guān)斷。3.3.可關(guān)斷晶閘管的特性可關(guān)斷晶閘管的特性(1) GTO的陽(yáng)極伏安特性 GTO的陽(yáng)極伏安特性 (2) GTO的開(kāi)通特性 n開(kāi)通時(shí)間ton由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成。nGTO的延遲時(shí)間一般為1-2s，上升時(shí)間隨著陽(yáng)極電流的增大而增大。(3) GTO的關(guān)斷特性 n關(guān)斷過(guò)程toff由儲(chǔ)存時(shí)間ts、下降時(shí)間tf、尾部時(shí)間tt組成nGTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨著陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般為2s。GTO的開(kāi)關(guān)特性 4. 4. 可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)GTO有許多參數(shù)與晶閘管相同，這里只介紹一些與晶閘管不同的參數(shù)。(1) 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATOn電流過(guò)大時(shí)1+2稍大于1的條件可能被

19、破壞，使器件飽和程度加深，導(dǎo)致門(mén)極關(guān)斷失敗。(2) 關(guān)斷增益offnGTO的關(guān)斷增益off為最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)電流最大值IgM之比off通常只有5左右。1.2.4 雙極型功率晶體管1. 1. 雙極型功率晶體管的結(jié)構(gòu) BJT的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 2. 2. 雙極型功率晶體管的工作原理n與三極管的工作原理相同n單個(gè)BJT電流增益較低，驅(qū)動(dòng)時(shí)需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，為了提高電流增益，常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。達(dá)林頓晶體管3.3.雙極型功率晶體管的特性雙極型功率晶體管的特性(1) BJT的輸出特性BJT的輸出特性開(kāi)通過(guò)程n延遲時(shí)間tdn上升時(shí)間trn開(kāi)通時(shí)間ton ton=td+tr關(guān)斷過(guò)程n儲(chǔ)存時(shí)間ts

20、n下降時(shí)間tfn關(guān)斷時(shí)間toff toff=ts+tfBJT的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都是幾微妙。BJT的開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性(2) BJT的開(kāi)關(guān)特性4. 4. 雙極型功率晶體管的主要參數(shù)(1) 最高工作電壓 BJT的反向擊穿電壓決定管子承受外加電壓的上限，也是BJT的重要參數(shù)。nUEBO是集電極開(kāi)路時(shí)射基極間的擊穿電壓；nUCBO是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集基極間的擊穿電壓。nUCEO 是基極開(kāi)路時(shí)集電極-發(fā)射極之間的擊穿電壓。（2）集電極最大電流ICM 即集電極允許流過(guò)的最大電流值。（3）最大功率損耗額定值PCM 即最高允許工作溫度下的耗散功率。（4）BJT的電流放大倍數(shù)值 定義為晶體管的集電極電流和基極電流之比。

21、（5） BJT的反向電流 BJT的反向電流會(huì)消耗一部分電源能量，會(huì)影響管子的穩(wěn)定性。常希望反向電流盡可能小。有ICBO、ICEO和IEBO。（6）最大允許結(jié)溫TJMn雙極型功率晶體管結(jié)溫過(guò)高時(shí)將導(dǎo)致熱擊穿而燒毀。是晶體管能正常工作的最高允許結(jié)溫。1.2.5 1.2.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管n根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。n根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型可分為N溝道和P溝道兩大類；n根據(jù)零柵壓時(shí)器件的導(dǎo)電狀態(tài)又可分為耗盡型和增強(qiáng)型兩類；n電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型1. 1. 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) 功率MOSFET在特性上的優(yōu)越之處在于沒(méi)有熱

22、電反饋引起的二次擊穿、輸入阻抗高、跨導(dǎo)的線性度好和工作頻率高。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管VDMOS的結(jié)構(gòu)、符號(hào)2. 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理n當(dāng)柵源極電壓UGS0時(shí)，漏極下的P型區(qū)表面呈現(xiàn)空穴的堆積狀態(tài)，不可能出現(xiàn)反型層，無(wú)法溝通漏源。此時(shí)即使在漏源之間施加電壓也不會(huì)形成P區(qū)內(nèi)載流子的移動(dòng)，即VMOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。我們把這種正常關(guān)斷型的MOSFET稱為增強(qiáng)型。n當(dāng)柵源極電壓UGS0且不夠充分時(shí)，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無(wú)法溝通漏源，此時(shí)VMOS管仍保持關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)柵源極電壓UGS超過(guò)UG(th)時(shí)，柵極下面的硅的表面從P型反型成N型，形成N型表面層并把源區(qū)和漏區(qū)聯(lián)系起來(lái),從而把漏源溝通

23、，使VMOS管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。通常把導(dǎo)電的反型層稱作溝道。此時(shí)，漏源之間施加電壓，電子從源極通過(guò)溝道移動(dòng)到漏極形成漏極電流ID。 3.3.功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性(1) 功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性n轉(zhuǎn)移特性表示功率MOSFET的輸入柵源電壓UGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)移特性 表示功率MOSFET的放 大能力，與BJT中的電 流增益相仿，由于功率 MOSFET是電壓控制器 件，因此用跨導(dǎo)這一參 數(shù)來(lái)表示。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性(2) 功率MOSFET的輸出特性n當(dāng)柵源電壓UGS一定時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓UDS間關(guān)系曲線稱為VMOSFET的輸出特性。只有當(dāng)柵源電壓UGS超過(guò)

24、UG(th)時(shí)，使MOSFET進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。柵源電壓UGS越大，漏極電流越大，可見(jiàn)漏極電流ID受柵源電壓 UGS的控制。輸出特性分為三個(gè)區(qū)域，可調(diào)電阻區(qū)、飽和區(qū)和雪崩區(qū)。n可調(diào)電阻區(qū)，器件的電阻值是變化的。當(dāng)柵源電壓UGS一定時(shí)，器件內(nèi)的溝道已經(jīng)形成，若漏源電壓UDS很小時(shí)，對(duì)溝道的影響可忽略，溝道的寬度和電子的遷移率幾乎不變，所以ID與UDS幾乎呈線性關(guān)系。n飽和區(qū)，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID趨于不變。n雪崩區(qū)，當(dāng)UDS增大至使漏極PN結(jié)反偏電壓過(guò)高，發(fā)生雪崩擊穿，ID突然增加，此時(shí)進(jìn)入雪崩區(qū)，直至器件損壞。使用時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。(3) 功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性 開(kāi)通特性 n在tt0時(shí)，加?xùn)?/p>

25、極電壓信號(hào)uGG，通過(guò)RG對(duì)柵源電容CGS充電，柵極電流iG呈指數(shù)曲線下降，柵極電壓uGS呈指數(shù)曲線上升。n當(dāng)tt1時(shí)，uGSUG(th)，器件開(kāi)始導(dǎo)通，隨著uGS增加，iD按指數(shù)曲線上升。當(dāng)tt2時(shí)，漏極電流上升到iDIo，此時(shí)，柵極電壓達(dá)到恒定值，uGSuGG，iG下降到接近0。n當(dāng)tt2時(shí)，柵極電流iG全部流入柵漏電容CGD，漏極電流iD使漏源極電容放電，直到t=t3，漏源極電壓達(dá)到由其通態(tài)電阻決定的最小值UDS(ON) 。n當(dāng)tt3時(shí)，漏源極電壓保持通態(tài)最小值UDS(ON) ，此時(shí)柵極電流iG繼續(xù)對(duì)CGD充電，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線上升，直到t4時(shí)刻，uGS達(dá)到uGG，iG0，器件進(jìn)

26、入完全導(dǎo)通狀態(tài)。關(guān)斷特性n在tt5時(shí)，柵極電壓信號(hào)uGG降到零，此時(shí)CGS和CGD通過(guò)RG放電，柵極電壓uGS呈指數(shù)曲線下降，柵極電流iG突變到負(fù)最大值后呈指數(shù)曲線下降，n在tt6時(shí)，柵極電壓uGS達(dá)到恒定值并保持，此時(shí)柵極電流iG全部從CGD中吸取，漏源極電壓uDS線性變化，當(dāng)tt7時(shí)，uDSuDD，n當(dāng)tt7時(shí)，柵極電流iG、柵極電壓uGS和漏極電流iD均呈指數(shù)曲線下降，當(dāng)tt8時(shí)， uGSUG(th)，漏極電流iD接近為零，MOSFET關(guān)斷。n當(dāng)tt8時(shí)，柵極電壓uGS繼續(xù)按指數(shù)曲線下降到零，此時(shí)柵極電流iG為零。當(dāng)t=t9時(shí)，漏極電流iD0。從脈沖電壓下降到零到漏極電流開(kāi)始減小。uGS

27、下降，iD減小，到uGSUG(th)，溝道關(guān)斷，iD下降到零。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)特性 開(kāi)通時(shí)間從脈沖電壓的前沿到iD出現(xiàn)，這段時(shí)間用t10t1-t0表示，也稱為開(kāi)通延遲時(shí)間td，從iD開(kāi)始上升到iD達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所用時(shí)間用t21t2-t1表示，也稱為上升時(shí)間tr。 tontdtr關(guān)斷時(shí)間這段時(shí)間用t75t7-t5表示，也稱為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間ts，這段時(shí)間用t97t9-t7表示，也稱為下降時(shí)間tf。 tofftstf4. 4. 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)（1）漏源擊穿電壓BUDS 該電壓決定了功率MOSFET的最高工作電壓。（2）柵源擊穿電壓BUGS 該電壓表征了功率MOSFET柵源之間能承受的最高

28、電壓。（3）漏極最大電流ID 表征功率MOSFET的電流容量。（4）開(kāi)啟電壓UG(th) 又稱閾值電壓，它是指功率MOSFET流過(guò)一定量的漏極電流時(shí)的最小柵源電壓。(5) 通態(tài)電阻Ron 是指在確定的柵源電壓UGS下，功率MOSFET處于恒流區(qū)時(shí)的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。(6) 極間電容 是影響其開(kāi)關(guān)速度的主要因素。其極間電容分為兩類；一類為CGS和CGD，它們由MOS結(jié)構(gòu)的絕緣層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；另一類是CDS，它由PN結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。1.2.6 1.2.6 絕緣柵雙極型晶體管IGBTn絕緣柵雙極型晶

29、體管IGBT是80年代中期問(wèn)世的一種新型復(fù)合電力電子器件，由于它兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗和BJT的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這幾年發(fā)展十分迅速。1. 絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)nIGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)BJT。從圖中我們還可以看到在集電極和發(fā)射極之間存在著一個(gè)寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。采用空穴旁路結(jié)構(gòu)并使發(fā)射區(qū)寬度微細(xì)化后可基本上克服寄生晶閘管的擎住作用。IGBT的低摻雜N漂移區(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。n當(dāng)UCE0時(shí)，J3PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。n當(dāng)UCE0時(shí)，分兩種情況： 若門(mén)極電壓UGE開(kāi)啟電壓UG(th)，IGBT

30、呈正向阻斷狀態(tài)。 若門(mén)極電壓UGE開(kāi)啟電壓UG(th)，IGBT正向?qū)āGBT的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及等效電路2. 2. 絕緣柵雙極型晶體管的工作原理絕緣柵雙極型晶體管的工作原理(1) IGBT的伏安特性 伏安特性分3個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源放大區(qū)和飽和區(qū)。 當(dāng)UGEUG(th)，IGBT 工作于阻斷狀態(tài)。 當(dāng)UGEUG(th)， VMOS 溝道體區(qū)內(nèi)形成導(dǎo)電溝道， IGBT 進(jìn)人正向?qū)顟B(tài)。(2) IGBT的轉(zhuǎn)移特性 IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性3.3.絕緣柵雙極型晶體管的特性絕緣柵雙極型晶體管的特性 (3)開(kāi)關(guān)特性IGBT的開(kāi)關(guān)特性4. 絕緣柵雙極型晶體管的主要參數(shù)(1) 集射極額定電壓UCE

31、O nIGBT最大耐壓值。(2) 柵射極額定電壓UGES nUGES是柵極的電壓控制信號(hào)額定值。只有柵射極電壓小于額定電壓值，才能使IGBT導(dǎo)通而不致?lián)p壞。(3) 柵射極開(kāi)啟電壓UG(th) n使IGBT導(dǎo)通所需的最小柵-射極電壓,通常IGBT的開(kāi)啟電壓UG(th)在3V5.5V之間。(4) 集電極額定電流IC n在額定的測(cè)試溫度(殼溫為25)條件下，IGBT所允許的集電極最大直流電流。(5) 集射極飽和電壓UCES nIGBT在飽和導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)額定電流的集射極電壓。通常IGBT的集射極飽和電壓在1.5V3V之間。1.3 1.3 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路是電力電子

32、器件與控制電路之間的環(huán)節(jié)，根據(jù)控制電路的輸入信號(hào)提供足夠的功率使電力電子器件在“斷開(kāi)”與“導(dǎo)通”狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該使電力電子器件快速的導(dǎo)通或關(guān)斷，并保持低開(kāi)關(guān)損耗。驅(qū)動(dòng)電路一般分為是單電源驅(qū)動(dòng)還是雙電源驅(qū)動(dòng)，是直接驅(qū)動(dòng)還是隔離驅(qū)動(dòng)。 電力電子器件的集成驅(qū)動(dòng)電路由于具有和電力電子器件匹配好，具有過(guò)流保護(hù)功能而得到廣泛的應(yīng)用。1.3.1 晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路1.1.晶閘管對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的基本要求 驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以是交流、直流或脈沖，為了減小門(mén)極的損耗，驅(qū)動(dòng)信號(hào)常采用脈沖形式。 驅(qū)動(dòng)脈沖應(yīng)有足夠的功率。驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)大于晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電壓和門(mén)極觸發(fā)電流。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度和陡度

33、。觸發(fā)脈沖的寬度一般應(yīng)保證晶閘管陽(yáng)極電流在脈沖消失前能達(dá)到擎住電流，使晶閘管導(dǎo)通，這是最小的允許寬度。一般觸發(fā)脈沖前沿陡度大于10V/s或800mA/s2.2.觸發(fā)電路的型式n控制電路應(yīng)該和主電路隔離，隔離可采用脈沖變壓器或光電耦合器。n基于脈沖變壓器Tr和晶體管放大器的驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平信號(hào)加至晶體管V1后，變壓器輸出電壓經(jīng)VD2輸出脈沖電流IG觸發(fā)SCR導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零后，VD1、R2續(xù)流，防止過(guò)壓。n變壓器原邊上面接的是強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)帶脈沖變壓器的驅(qū)動(dòng)電路1.3.2 1.3.2 可關(guān)斷晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路可關(guān)斷晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路1. 1. 對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)

34、信號(hào)的要求對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求p根據(jù)GTO的特性，在其門(mén)極加正的驅(qū)動(dòng)電流，GTO將導(dǎo)通；要使GTO關(guān)斷，需要在其門(mén)極加很大的負(fù)電流。因此，通常采用不同回路實(shí)現(xiàn)GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷。p門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)要足夠大，脈沖前沿越陡越有利，而后沿平緩些好。正脈沖后沿太陡會(huì)產(chǎn)生負(fù)尖峰脈沖；負(fù)脈沖后沿太陡會(huì)產(chǎn)生正尖峰脈沖，會(huì)使剛剛關(guān)斷的GTO的耐壓和陽(yáng)極承受的du/dt降低。2. 2. 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路型式門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路型式（1）恒壓源關(guān)斷控制 晶體管V1控制GTO觸發(fā)導(dǎo)通；V2控制GTO關(guān)斷。關(guān)斷電源E2須小于GTO的門(mén)極反向電壓UGRM之值，否則會(huì)引起GTO產(chǎn)生雪崩電流。（2）變壓源關(guān)斷控制p晶體管V通過(guò)電容C供給G

35、TO觸發(fā)脈沖信號(hào)，GTO導(dǎo)通時(shí)，電容C充電。當(dāng)關(guān)斷信號(hào)加到可控硅SCR使其導(dǎo)通，電容C經(jīng)SCR放電，為GTO門(mén)陰極提供一個(gè)負(fù)脈沖電流，從而關(guān)斷GTO。恒壓源關(guān)斷控制電路變壓源關(guān)斷控制電路1.3.3 雙極型功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路1. BJT對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的基本要求 BJT導(dǎo)通時(shí)，基極電流值在最大負(fù)載下應(yīng)維護(hù)BJT飽和導(dǎo)通，電流的上升率應(yīng)充分大，以減小開(kāi)通時(shí)間。 BJT關(guān)斷時(shí)，反向注入的基極電流峰值及下降率應(yīng)充分大，以縮短關(guān)斷時(shí)間。 為防止關(guān)斷時(shí)的尾部效應(yīng)而導(dǎo)致BJT的損壞，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供給基射結(jié)合適的反偏電壓，促使BJT快速關(guān)斷，防止二次擊穿。 BJT瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能相應(yīng)地提供足夠大的

36、驅(qū)動(dòng)電流，保證BJT不因退出飽和區(qū)而損壞。 BJT導(dǎo)通過(guò)程中，如果BJT集射結(jié)承受電壓或流過(guò)它的電流超過(guò)了設(shè)定的極限值，應(yīng)能自動(dòng)切除BJT的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 為了提高工作速度，降低開(kāi)關(guān)損耗，多采用抗飽和措施。2. BJT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法(1) 開(kāi)通與通態(tài)n由于器件一般在100120的結(jié)點(diǎn)溫度下使用，考慮到溫度條件，則應(yīng)取比標(biāo)稱值低20%30%的數(shù)值。基極電流應(yīng)盡可能大，以便開(kāi)通或關(guān)斷大的集電極電流。但基極電流過(guò)大會(huì)造成電路過(guò)飽和，增大了關(guān)斷時(shí)間，反而降低了承受破壞的能力。因此，應(yīng)限制基極電流過(guò)大。n在開(kāi)通與通態(tài)的情況下，基極電流按下式取值： IB1=(1.52) ICmax/ (2) 關(guān)斷與斷

37、態(tài) 在BJT的基極加入反向驅(qū)動(dòng)電流，可加速其關(guān)斷，而且基射極的狀態(tài)會(huì)影響集射極承受電壓的能力。如果基射極被反偏置，可控制集射極的耐壓，也能防止由于噪聲引起的操作失誤和抑制du/dt產(chǎn)生的電流。n反向基極電流IB2較大，BJT的關(guān)斷時(shí)間縮短，但是反向偏置安全工作區(qū)變窄，確定IB2必須考濾到使用頻率、反向偏置安全工作區(qū)、存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間。浪涌電壓與IB2的大小和主電路的設(shè)置密切相關(guān)n實(shí)際應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定IB2，IB2最大峰值為IB的(23)倍。3.基極驅(qū)動(dòng)電路的基本型式基極驅(qū)動(dòng)電路的基本型式（1）固定反偏驅(qū)動(dòng)電路 為了減小存儲(chǔ)時(shí)間加速BJT關(guān)斷，常用截止反偏驅(qū)動(dòng)以迅速抽出基區(qū)的過(guò)剩載流子。晶體管

38、V1及V2導(dǎo)通，正電源+VCC經(jīng)過(guò)電阻R3及V2向BJT提供正向基極電流，使BJT導(dǎo)通。當(dāng)V1及V2截止而V3導(dǎo)通，負(fù)電源-VCC加于BJT的發(fā)射結(jié)上，BJT基區(qū)中的過(guò)剩載流子被迅速抽出，BJT迅速關(guān)斷。 固定反偏驅(qū)動(dòng)電路 1.3.4 功率MOSFET、IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路1.1.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 能向柵極提供需要的柵壓，以保證功率MOSFET、IGBT可靠開(kāi)通和關(guān)斷，所以觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前、后沿要求陡峭。 減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻，以提高柵極充、放電速度，從而提高功率MOSFET、IGBT的開(kāi)關(guān)速度。 為了使功率MOSFET、IGBT可靠導(dǎo)

39、通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在功率MOSFET、IGBT截止時(shí)，最好能提供負(fù)的柵源電壓。 功率MOSFET、IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充、放電電流。 驅(qū)動(dòng)電源必須并聯(lián)旁路電容，它不僅濾除噪聲，也用于給負(fù)載提供瞬時(shí)電流，加快功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。2.功率MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)電路 功率MOSFET與IGBT都是電壓型控制器件，其驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，如圖1-45所示。為加快開(kāi)關(guān)時(shí)間，應(yīng)減小柵極電阻。 日本三菱公司M57962AL是為驅(qū)動(dòng)IGBT而設(shè)計(jì)的厚膜集成電路，其內(nèi)有2500V隔離電壓光電耦合器，具有短路保護(hù)功能。M57962A L主要特點(diǎn)有：高

40、速輸入輸出隔離，輸入輸出電平與TTL電平兼容，內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性，具有可靠通斷措施（采用雙電源），可以驅(qū)動(dòng)600A / 600V或400A/1200V的IGBT模塊。驅(qū)動(dòng)電路 M57962AL主要引腳功能是：引腳13和引腳14為控制信號(hào)輸入端，引腳5為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，引腳4和引腳6分別接正電源+E1和負(fù)電源-E1，引腳8為故障信號(hào)輸出。1.3.5 1.3.5 全控器件的過(guò)電壓及過(guò)電流保護(hù) 1. 過(guò)電壓保護(hù)(1) 柵源間的過(guò)電壓保護(hù)n對(duì)于功率MOSFET和IGBT來(lái)說(shuō)，如果柵源間的阻抗過(guò)高，則漏源間電壓的突變會(huì)引起極間電容耦合到柵級(jí)而產(chǎn)生相當(dāng)高的UGS電壓過(guò)沖，這一

41、電壓會(huì)引起柵極氧化層永久性損壞。如果是正方向的UGS瞬態(tài)電壓還會(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。采取的措施有： 為適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，在柵源間并接阻尼電阻。 有些型號(hào)的功率MOSFET和IGBT內(nèi)部輸入端接有齊納保護(hù)二極管。 (2) 集射極或漏源極的過(guò)電壓保護(hù)n電路中有感性負(fù)載，或回路中有等效電感時(shí)，則當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電流的突變會(huì)產(chǎn)生比電源電壓還高得多的集射極或漏源極的電壓過(guò)沖，導(dǎo)致器件的損壞。n對(duì)GTO、BJT、MOSFET、IGBT應(yīng)采取前面介紹的穩(wěn)壓管鉗位，二極管RC鉗位或RCD緩沖電路等保護(hù)措施。 2. 2. 過(guò)電流保護(hù)n自關(guān)斷電力電子器件的熱容量極小，過(guò)電流能力很低，其過(guò)流損壞在微秒級(jí)的時(shí)間

42、內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于快速熔斷器的熔斷時(shí)間，所以諸如快速熔斷器之類的過(guò)電流保護(hù)方法對(duì)自關(guān)斷型電力電子器件來(lái)說(shuō)是無(wú)用的。n為了使自關(guān)斷型器件組成的電力電子裝置安全運(yùn)行，保護(hù)的主要做法是：利用狀態(tài)識(shí)別對(duì)單個(gè)器件進(jìn)行保護(hù)；利用互鎖的辦法對(duì)橋臂中兩個(gè)器件進(jìn)行保護(hù)；利用電流檢測(cè)等辦法進(jìn)行保護(hù)。(1) 電壓狀態(tài)識(shí)別保護(hù)n當(dāng)BJT、GTO、IGBT等電力電子器件處于過(guò)載或短路故障狀態(tài)時(shí),隨著集電極電流或陽(yáng)極電流的增加,其集射極電壓UCE或陽(yáng)極陰極的電壓UAK均發(fā)生相應(yīng)變化, BJT的基射極電壓UBE也發(fā)生變化，可利用這一特點(diǎn)對(duì)BJT等自關(guān)斷器件進(jìn)行過(guò)載和短路保護(hù)。n基射極電壓狀態(tài)識(shí)別保護(hù) 在基極電流和結(jié)溫一定時(shí)，UB

43、E隨IC正比變化，其關(guān)系曲線如圖所示，BJT的基極電壓UBE與基準(zhǔn)值電壓UR通過(guò)比較器進(jìn)行比較，正常工作條件下：UBEUR，比較器輸出低電平保證驅(qū)動(dòng)管V的導(dǎo)通，一旦UBEUR，比較器輸出 高電平使驅(qū)動(dòng)管V截止，阻斷了BJT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)斷將要過(guò)流的BJT。n集射極電壓狀態(tài)識(shí)別保護(hù)電路 檢測(cè)UCE也可達(dá)到過(guò)電流保護(hù)的目的，集射極電壓UCE與IC的關(guān)系曲線如圖所示 監(jiān)測(cè)基極電壓狀態(tài)識(shí)別保護(hù)電路監(jiān)測(cè)集射極電壓狀態(tài)識(shí)別保護(hù)電路(2) 橋臂互鎖保護(hù)n逆變器運(yùn)行時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，由于開(kāi)關(guān)管有關(guān)斷時(shí)間，只有確認(rèn)一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，另一個(gè)開(kāi)關(guān)管才能導(dǎo)通。為防止同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)

44、該設(shè)置橋臂互鎖時(shí)間，防止橋臂短路故障。橋臂互鎖時(shí)間的長(zhǎng)短與開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間相關(guān)。 (3) 過(guò)飽和保護(hù)nBJT的二次擊穿多由于BJT工作于過(guò)飽和狀態(tài)引起的，而基極驅(qū)動(dòng)引起的過(guò)飽和使BJT的存儲(chǔ)時(shí)間不必要地加長(zhǎng)，直接影響著B(niǎo)JT的開(kāi)關(guān)頻率，所以BJT的過(guò)飽和保護(hù)對(duì)它的安全可靠工作有著極其重要的作用。通常過(guò)飽和保護(hù)可根據(jù)被驅(qū)動(dòng)BJT的基射極電壓降的高低來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)基極驅(qū)動(dòng)電流的大小，構(gòu)成準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動(dòng)電路來(lái)完成。GTO、IGBT在過(guò)飽和時(shí)也會(huì)使關(guān)斷時(shí)間增大，造成關(guān)斷損耗增大的問(wèn)題，也可以采用準(zhǔn)飽和驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)過(guò)飽和保護(hù) 。1.4 1.4 電力電子器件的緩沖電路電力電子器件的緩沖電路1.4.1 緩沖電路

45、的作用n電力電子器件的PN結(jié)在工作時(shí)，都有多數(shù)載流子存儲(chǔ)。這些載流子的存儲(chǔ)電荷為QS，在PN結(jié)進(jìn)行換向時(shí)，具有電感的電路中可能產(chǎn)生很大的過(guò)電壓US=Ldi/dt，當(dāng)此過(guò)電壓施加在器件的PN結(jié)上時(shí)，如果不加以吸收，這個(gè)過(guò)電壓就可能擊穿PN結(jié)而損壞器件。n附加各種緩沖電路，目的不僅是降低浪涌電壓、du/dt和di/dt,還希望能減少器件的開(kāi)關(guān)損耗、避免器件損壞和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。n圖1-49所示的未加緩沖電路時(shí)電力電子器件的開(kāi)關(guān)波形，在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的某一時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)管端電壓和開(kāi)關(guān)管電流同時(shí)達(dá)到最大值的情況，這時(shí)瞬時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也最大。n如圖1-51所示的復(fù)合緩沖電路，其中電感LS

46、提供開(kāi)通緩沖電路的作用，減少電力電子器件的di/dt及開(kāi)通損耗；電容CS和二極管VDS組成有極性的關(guān)斷緩沖電路，減少電力電子器件的du/dt及關(guān)斷損耗，電阻RS提供放電回路，避免了開(kāi)關(guān)管端電壓和開(kāi)關(guān)管電流同時(shí)出現(xiàn)最大值的情況。電力電子器件的開(kāi)關(guān)波形 緩沖電路p其負(fù)載線軌跡如圖1-50的實(shí)線所示，p緩沖電路所以能夠減小開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，是因?yàn)榘验_(kāi)關(guān)損耗由器件本身轉(zhuǎn)移至緩沖電路內(nèi)；p根據(jù)這些被轉(zhuǎn)移的能量如何處理、怎樣消耗掉，引出了兩類緩沖電路：一類是耗能式緩沖電路，即轉(zhuǎn)移至緩沖器的開(kāi)關(guān)損耗能量消耗在電阻上，這種電路簡(jiǎn)單，但效率低；另一類是饋能式緩沖電路，即將轉(zhuǎn)移至緩沖器的開(kāi)關(guān)損耗能量以適當(dāng)?shù)姆绞?/p>

47、再提供給負(fù)載或回饋給供電電源，這種電路效率高但電路復(fù)雜。 開(kāi)關(guān)過(guò)程的負(fù)載線軌跡1.4.2 緩沖電路的類型1. 1. 耗能式緩沖電路(1) RC關(guān)斷緩沖電路 在晶閘管的陽(yáng)極和陰極并聯(lián)RC緩沖電路，用來(lái)防止 晶閘管兩端過(guò)大的du/dt造成晶閘管的誤觸發(fā)，其中 電阻RS能減小晶閘管開(kāi)通時(shí)電容CS的放電電流。 (2) RCD關(guān)斷緩沖電路nCS將吸收電路中產(chǎn)生的過(guò)電壓。n開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電容CS有很大的放電電流流過(guò)開(kāi)關(guān)管，在電容器上串聯(lián)一個(gè)吸收電阻RS限制放電電流。n在吸收電阻RS的兩端又并聯(lián)了二極管VDS，這樣在吸收過(guò)電壓時(shí)不經(jīng)過(guò)RS，以加快對(duì)過(guò)電壓的吸收，而電容CS只能通過(guò)電阻RS放電，這樣就可以衰減放

48、電電流以保護(hù)開(kāi)關(guān)管。 晶閘管RC緩沖電路 RCD關(guān)斷緩沖電路(3) 母線吸收式緩沖電路nRCD組成的關(guān)斷緩沖電路雖具有較明顯的抑制du/dt的作用，但電阻R的功耗很大，既造成散熱困難，又影響了系統(tǒng)的效率。數(shù)個(gè)開(kāi)關(guān)管共用一個(gè)母線吸收式緩沖電路的方案既具有抑制du/dt的作用，又可大大降低電阻R的功耗，其緩沖電路如圖所示。(4) 開(kāi)通緩沖電路n開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)穩(wěn)態(tài)電流值越大，開(kāi)通時(shí)間越短，則di/dt越大。母線吸收式緩沖電路n為了限制di/dt的大小，常采用串聯(lián)電感的方法，開(kāi)通緩沖電路由電感LS和二極管VDS組成，與開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通過(guò)程中，電感LS限制電流的上升率di/dt；當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)

49、存在電感LS中的能量通過(guò)二極管VDS的續(xù)流作用而消耗在VDS和電感本身的電阻上。(5) 復(fù)合緩沖電路n當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，LS限制電流上升率di/dt，而緩沖電容中的能量經(jīng)CS、RS和LS回路放電，也減少了開(kāi)關(guān)管承受的電流上升率di/dt。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于CS、VDS限制了開(kāi)關(guān)管兩端的電壓上升率du/dt。開(kāi)通緩沖電路復(fù)合緩沖電路2. 2. 饋能式緩沖電路n將儲(chǔ)能元件中的儲(chǔ)能通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞交仞伣o負(fù)載或電源，可以提高裝置的效率。在饋能過(guò)程中，由于采用的元件不同，又可分為無(wú)源和有源兩種方式。n無(wú)源饋能式能量的回饋主要由C0和VDC來(lái)實(shí)現(xiàn)，C0稱為轉(zhuǎn)移電容，VDC稱為回饋二極管。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，緩沖

50、電容器CS充電至電源電壓VCC，在開(kāi)關(guān)管下一次開(kāi)通時(shí)，電容CS上的電壓轉(zhuǎn)移至電容C0上。當(dāng)開(kāi)關(guān)管再次關(guān)斷時(shí)，電容CS再次充電，而電容C0向負(fù)載放電，能量得到回饋。 饋能式復(fù)合緩沖電路1.5 1.5 電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù)電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù) 盡管電力電子器件的電流容量和電壓等級(jí)在不斷提高，但仍然不能滿足大容量整機(jī)應(yīng)用的要求，需要串聯(lián)使用以提高它們的電壓等級(jí)或并聯(lián)使用以提高它們的電流容量。圖1-74 晶閘管串聯(lián)后的反向電壓1. 晶閘管的串聯(lián)連接（1）靜態(tài)均壓 由于串聯(lián)各器件的正向(或反向)阻斷特性不同，在電路中卻流過(guò)相等的漏電流，因而各器件所承受的電壓是不同的。p選用特性比較一致的器件進(jìn)行串聯(lián)p給每個(gè)晶閘管并聯(lián)均壓電阻Rj。如果均壓電阻Rj遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶閘管的漏電阻，則電壓分配主要決 定于Rj，但如Rj過(guò)小，則會(huì) 造成Rj上損耗增大，