第2章電力電子器件2ppt課件

1、第第2 2章章 電力電子器件電力電子器件2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.4 2.4 全控型器件全控型器件 2.5 2.5 功率集成電路功率集成電路 2.6 2.6 電力電子器件的維護電力電子器件的維護 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 本章引見常見典型電力電子器件的構(gòu)造、任務(wù)原理、主要參數(shù)、運用特點等內(nèi)容。 電力電子器件是電力電子技術(shù)的中心。2-1-1 電力電子器件概念特征2-1-2 電力電子器件分類2-1-3 電力電子器件的主要技術(shù)目的2.1.1

2、2.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征主電路中元部件要接受較高的電壓、經(jīng)過較大的電流。直接用于主電路中實現(xiàn)電能變換或控制的電子器件稱為電力電子器件。電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中直接承當(dāng)電能的變換或控制義務(wù)的電路被稱為 主電路。與信息處置用電子器件相比，電力電子器件的普通具有如下特征：2-1-1 2-1-1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征處置電功率的才干小至毫瓦級，大至兆瓦級。電力電子器件能接受電壓和電流的才干，是其最重要的參數(shù)。如晶閘管：12000V/1000A1) 能處置的電功率較大能處置的電功率較大2.1.1 2.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件

3、的概念與特征 2) 2) 電力電子器件普通任務(wù)在開關(guān)形狀電力電子器件普通任務(wù)在開關(guān)形狀電力電子器件普通任務(wù)在開關(guān)形狀，以減少器件本身損耗，提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性與任務(wù)效率。電力電子器件導(dǎo)通時通態(tài)阻抗很小，管壓降接近于零，相當(dāng)于短路，而電流由外電路決議。電力電子器件阻斷時斷態(tài)阻抗很大，電流幾乎為零，相當(dāng)于斷路，而管子兩端電壓由外電路決議。2.1.1 電力電子器件的概念與特征信息電子電路給出開關(guān)形狀切換的控制信息決議電力電子器件何時開通、何時關(guān)斷 3) 電力電子器件常采用信息電子電路進展控制4) 4) 對電力電子器件通常采取一定維護措施對電力電子器件通常采取一定維護措施電力電子器件通常價錢昂貴，同時電

4、力電子器件直接用于處置電能的主電路中，器件的損壞將導(dǎo)致整個電氣設(shè)備或系統(tǒng)任務(wù)解體，從而會呵斥嚴重損失，因此，要采取一定措施保證電力電子器件可靠任務(wù)。2.1.1 2.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征 電力電子器件的運用系統(tǒng)通常包括： 以電力電子器件為中心的主電路 對主電路形狀進展檢測的檢測電路 確定電力電子器件開關(guān)控制信息的控制電路 電力電子器件的驅(qū)動電路 電力電子器件的維護電路2.1.1 2.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征 電力電子安裝框圖： 2.1.2 電力電子器件的分類 根據(jù)器件開關(guān)控制才干分類根據(jù)器件參與導(dǎo)電的載流子類型分類根據(jù)器件制造資

5、料分類不可控器件二極管 半控型器件晶閘管全控型器件如IGBT單極型如MOSFET雙極型如GTR復(fù)合型如IGBT硅半導(dǎo)體器件,目前運用碳化硅器件 2.1.3 電力電子器件的主要技術(shù)目的 主要關(guān)注電氣容量、開關(guān)特性、控制特性、熱特性等目的。電氣容量目的:額定電壓、額定電流等 開關(guān)特性主要描畫器件從導(dǎo)通到關(guān)斷或從關(guān)斷到導(dǎo)通時器件的電壓、電流隨時間變化的特性。如開通時間、關(guān)斷時間等 2.1.3 電力電子器件的主要技術(shù)目的控制特性目的描畫可控器件開通與關(guān)斷條件及其對控制信號的要求。如驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流等目的。熱特性主要描畫器件損耗導(dǎo)致器件溫升的特性。如最高結(jié)溫、熱阻等目的。 要使器件能在電路系統(tǒng)中可靠任

6、務(wù)，器件的運用情況必需符合器件技術(shù)目的所限定的條件。 2.2 不可控器件電力二極管 1二極管是由一個PN結(jié)組成的半導(dǎo)體元件2二極管的根本特性：單導(dǎo)游電性3電力二極管的容量很大4分為普通整流二極管，快速二極管等類2.2.1 電力二極管的根本原理 2.2.1 電力二極管的根本原理二極管的根本特性：單導(dǎo)游電性2.2.2 電力二極管的主要特性 1 靜態(tài)特性 穩(wěn)態(tài)時陽極電流與其陽極陰極間電壓的關(guān)系.UB：雪崩擊穿電壓UTO：門檻電壓，UFUTO時二極管導(dǎo)通額定運轉(zhuǎn)時 UF*IF決議通態(tài)損耗2.2.2 電力二極管的主要特性 2 動態(tài)特性-開通特性 反映器件在通態(tài)、斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程中電流、電壓隨時間變化的特

7、性，通常也稱為開關(guān)特性二極管接受正向電壓時,電流經(jīng)過一定時間才干到達穩(wěn)態(tài)值,這個時間tfr就是正向恢復(fù)時間,或稱開通時間。2.2.2 電力二極管的主要特性 2 動態(tài)特性-關(guān)斷特性 2.2.2 電力二極管的主要特性 2 動態(tài)特性-關(guān)斷特性 2-2-3 2-2-3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流正向平均電流IFAV指在規(guī)定的散熱條件與管殼溫度下，二極管長指在規(guī)定的散熱條件與管殼溫度下，二極管長期運轉(zhuǎn)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的期運轉(zhuǎn)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱器件額定電流的參數(shù)。平均值。這也是標(biāo)稱器件額定電流的參數(shù)。 2) 反向反復(fù)峰值電壓URRM

8、 URRM通常規(guī)定為雪崩擊穿電壓的2/3。運用中所選二極管的反向反復(fù)峰值電壓應(yīng)為該二極管實踐接受的反向電壓峰值的23倍。2-2-3 2-2-3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)3) 正向壓降UF4) 反向恢復(fù)時間trr 普通稱反向恢復(fù)時間在5微秒以上的二極管為普通二極管，反向恢復(fù)時間在5微秒以下的二極管為快恢復(fù)二極管。普通二極管多用于開關(guān)頻率在1kHz以下的整流電路中。在高頻開關(guān)電路中，通常選擇二極管的trr為其開關(guān)周期的百分之一以下。 5) 最高任務(wù)結(jié)溫最高任務(wù)結(jié)溫Tjm在規(guī)定電流和散熱條件下，在規(guī)定電流和散熱條件下，PN結(jié)不致?lián)p壞條件結(jié)不致?lián)p壞條件下所能接受的最高平均溫度下所能接受的最高平

9、均溫度 2-2-4 2-2-4 二極管的主要類型二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向恢復(fù)特性等不同進展分類。 普通二極管General Purpose Diode 又稱整流二極管Rectifier Diode，多用于開關(guān)頻率不高1kHz以下的整流電路。 其反向恢復(fù)時間較長，普通在5s以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以到達很高。 2-2-4 2-2-4 二極管的主要類型二極管的主要類型快恢復(fù)二極管Fast Recovery DiodeFRD 恢復(fù)過程短：反向恢復(fù)過程普通在5s以下 。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者那么在100ns

10、以下，甚至到達2030ns。2-2-4 2-2-4 二極管的主要類型二極管的主要類型肖特基二極管Schottky Barrier DiodeSBD 構(gòu)造：金屬-N型半導(dǎo)體結(jié)合，屬于多子器件 優(yōu)點：反向恢復(fù)時間很短1040ns，正向壓降也很?。灰虼?，其開關(guān)損耗和正導(dǎo)游通損耗都比快速二極管還要小，效率高。 弱點：反向耐壓較低，多用于200V以下的低壓場所；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必需更嚴厲地限制其任務(wù)溫度。2.32.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 晶閘管Thyrister曾被稱為可控硅整流器或可控硅 Silicon Controlled Rectifier.1

11、956年貝爾實驗室發(fā)明：三端四層半控型器件 1957年通用電氣消費第一只商用晶閘管.任務(wù)頻率較低.能接受的電壓、電流在可控器件中最大.通常采用相控技術(shù)進展控制.大量運用于交流變直流的整流電路中2.3.1 2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理 1) 晶閘管構(gòu)造 2.3.1 2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理2) 晶閘管的任務(wù)原理1反向阻斷特性 2不加門極電壓時正向阻斷特性 設(shè)UAK0, 此時PN結(jié)J1總是處于反偏形狀，因此晶閘管處于關(guān)斷形狀 設(shè)UAK0 2 給門極加觸發(fā)脈沖4關(guān)斷條件 2 晶閘管的任務(wù)原理1 給陽極加反壓 此時PN結(jié)J1處于反偏形狀，晶閘

12、管關(guān)斷 2 降低陽極電流，使晶閘管內(nèi)等效雙晶體管進入陽極電流減小的正反響過程，最終使陽極電流為零而關(guān)斷 2.3.2 晶閘管的根本特性 1) 晶閘管的伏安特性 伏安特性-陽極陰極間的電壓和陽極電流間的關(guān)系正向轉(zhuǎn)機電壓iG =0 對應(yīng)的最大正向阻斷電壓擎住電流-由阻斷態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通態(tài)且維持導(dǎo)通的最小陽極電流維持電流維持電流- -維持晶閘管維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流導(dǎo)通的最小電流2.3.2 晶閘管的根本特性 1. 晶閘管的伏安特性 伏安特性-陽極陰極間的電壓和陽極電流間的關(guān)系反向擊穿電壓反向擊穿電壓- -使晶閘使晶閘管由反向阻斷形狀變?yōu)楣苡煞聪蜃钄嘈螤钭優(yōu)榉聪驌舸┑淖钚‰妷悍聪驌舸┑淖钚‰妷壕чl管處于反向

13、阻斷/正向阻斷時陽極漏電流很小,相當(dāng)于開路2.3.2 晶閘管的根本特性 2) 晶閘管的動態(tài)特性 -開通和關(guān)斷過程中陽極電流、陽極與陰極間電壓及晶閘管的損耗隨時間變化的特性 晶閘管的動態(tài)特性2.3.2 晶閘管的根本特性 2) 晶閘管的動態(tài)特性 晶閘管的動態(tài)特性陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%開通時間ton=td + tr 導(dǎo)通延時td tr 上升時間trr反向阻斷恢復(fù)時間關(guān)斷時間toff=trr+tgrtgr 正向阻斷恢復(fù)時間2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管的參數(shù)很多，這里主要

14、引見陽極電壓和電流參數(shù)、動態(tài)參數(shù)、門極參數(shù)、溫度特性參數(shù)等. 1) 1) 晶閘管陽極電壓和電流參數(shù)晶閘管陽極電壓和電流參數(shù) 規(guī)定斷態(tài)反復(fù)峰值電壓為斷態(tài)不反復(fù)峰值電壓 的90%，而斷態(tài)不反復(fù)峰值電壓的值應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)機電壓 ，所留裕量由消費廠家自定。 DSMUFBOU正向(斷態(tài))反復(fù)峰值電壓 DRMU2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 1) 晶閘管陽極電壓和電流參數(shù) 規(guī)定反向反復(fù)峰值電壓為反向不反復(fù)峰值電壓 的90%，而反向不反復(fù)峰值電壓的值應(yīng)低于反向擊穿電壓 ，所留裕量由消費廠家自定。 RSMURBDU反向反復(fù)峰值電壓 RRMU通常把 和 中的較小值標(biāo)作器件的額定電壓 DRMURRMU選用器件時，應(yīng)使

15、器件的額定電壓為正常任務(wù)電壓峰值的23倍。1晶閘管陽極電壓和電流參數(shù) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 )( AVTI? 是在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻性負載時經(jīng)過工頻正弦半波電流，穩(wěn)定結(jié)溫不超越額定值時的最大平均電流值。 按我國相關(guān)規(guī)范，取該參數(shù)的整數(shù)值標(biāo)作器件的額定電流。)( AVTI晶閘管的額定電流是以平均電流方式定義的，但從發(fā)熱方面來看，決議管子結(jié)溫的是電流有效值而不是電流平均值，因此在運用中應(yīng)按電流有效值相等的原那么選擇晶閘管。1) 晶閘管陽極電壓和電流參數(shù) 通態(tài)平均電流 )( AVTIavavMMMMavIIIItdtIKIIIttdII57. 122)sin(21:si

16、n21020從而有與峰值關(guān)系為相應(yīng)的有效值正弦半波電流平均值與有效值的關(guān)系:在實踐選用晶閘管時，還應(yīng)留有一定的余量。通常選擇額定電流為正常任務(wù)值1.52倍的晶閘管。 1) 晶閘管陽極電壓和電流參數(shù) 通態(tài)平均電流 )( AVTI電流有效值相等的原那么選擇晶閘管額定電流為 時，允許經(jīng)過的電流有效值為 。另一方面，電路設(shè)計有效值為 時，應(yīng)選擇額定電流為)(AVTI)(2AVTII2I示例AIAIAIIdtITIMTM1001001,17.5710031,3/13.3310091,9/1)(132102時時時先計算實踐有效值:;150,121257. 1;100,708 .69257. 17 .572

17、57. 1;50,4021. 13 .33257. 13 .33257. 13)(2)(1)(的晶閘管選定額為的晶閘管選定額為的晶閘管選定額為AAIIAAAIIAAIIAVTAVTAVT解解: 器件額定電流為 時，其電流有效值為I= 。 根據(jù)有效值相等原那么， 并思索到 2倍余量，額定電流可選擇為：)( AVTI)(2AVTI22I例如2. 晶閘管的動態(tài)參數(shù) -開通時間 -關(guān)斷時間 -斷態(tài)電壓臨界上升率 -通態(tài)電流臨界上升率 3. 門極定額參數(shù) -門極觸發(fā)電流 -門極觸發(fā)電壓 4. 溫度特性參數(shù) -額定結(jié)溫 -結(jié)殼熱阻 2.3.3 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2.3.4 晶閘管

18、的門極觸發(fā)電路 對門極觸發(fā)信號的要求是： 1) 門極電流上升率：觸發(fā)脈沖前沿要陡 2) 門極電流幅值：合理的電流幅值可使 器件導(dǎo)通，脈沖前沿較大的電流幅值 可使器件更快的導(dǎo)通，減少開通損耗 3) 門極脈沖信號寬度：器件導(dǎo)通有一個過 程，需求門極脈沖信號具有一定寬度 4) 門極脈沖信號應(yīng)不超越門極電壓、電流、 功率等最大限定值 5) 觸發(fā)可靠，抗干擾才干強2.3.4 晶閘管的門極觸發(fā)電路 電容C的作用是：在T剛導(dǎo)通時，C上電壓為零，VD全部加在Tm原邊，以后C上電壓上升，Tm原邊電壓將下降，這樣副邊輸出一個前沿幅值較高的脈沖波形。D3的作用是: 將關(guān)斷時脈沖變壓器副邊產(chǎn)生的負電壓信號短路，防止其

19、損壞晶閘管門極。D1、RD的作用是: T關(guān)斷時釋放儲存在Tm中的磁場能量，防止關(guān)斷時因脈沖變壓器原邊電感產(chǎn)生過高的反電勢而擊穿晶體管T。2.3.5 晶閘管的派生器件 1) 雙向晶閘管 -通常采用負脈沖觸發(fā) -采用電流有效值作為額定電流參數(shù) -多用于交流調(diào)壓、固態(tài)繼電器等電路 2) 逆導(dǎo)晶閘管 -逆導(dǎo)晶閘管的正向特性與普通晶閘管一樣，具有開通可控性，而反向特性與二極管正導(dǎo)游電特性一樣。 -用于不需求阻斷反向電壓的電路 2.3.5 晶閘管的派生器件2.4 全控型器件 電流控制型電流控制型電流控制型器件從控制極注電流控制型器件從控制極注入或抽取電流信號來控制器件的開通或關(guān)入或抽取電流信號來控制器件的

20、開通或關(guān)斷斷. . 如可關(guān)斷晶閘管如可關(guān)斷晶閘管GTOGTO、 集成門極集成門極換流晶閘管換流晶閘管IGCTIGCT。全控型器件利用控制信號可控制開通與關(guān)斷的器件。通常也稱為自關(guān)斷器件。分類：電流控制型 電壓控制型主要特點是：控制功率較大、控制電路復(fù)雜、任務(wù)頻率較低。電壓控制型電壓控制型經(jīng)過在控制極建立電場經(jīng)過在控制極建立電場提提供電壓信號實施器件的開通與關(guān)斷控制供電壓信號實施器件的開通與關(guān)斷控制. .如功率場效應(yīng)管如功率場效應(yīng)管MOSFETMOSFET、絕緣柵雙極、絕緣柵雙極晶體管晶體管IGBTIGBT2.4 全控型器件 主要特點是：控制功率小、控制電路簡單、任務(wù)頻率較高。2.4.1可關(guān)斷晶

21、閘管 1) 1) 可關(guān)斷晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理可關(guān)斷晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理 GTO的構(gòu)造表示圖、等效電路與電氣符號的構(gòu)造表示圖、等效電路與電氣符號 2.4.1可關(guān)斷晶閘管-GTO的開通原理和普通晶閘管一樣 -GTO能關(guān)斷的關(guān)鍵是：能從門極抽取電流改動二個晶體管的任務(wù)形狀。GTO是從制造工藝上做到這點的。 GTO能從門極抽取電流使雙晶體管進入放大形狀 而關(guān)斷2.4.1可關(guān)斷晶閘管2.4.1可關(guān)斷晶閘管2. 主要參數(shù) 最大可關(guān)斷陽極電流 ATOI利用門極脈沖可以關(guān)斷的最大陽極電流.這是標(biāo)稱GTO額定電流容量的參數(shù). 門極關(guān)斷電流 GMI使GTO從通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)所需的門極反向瞬時峰值電流的最小值. |

22、GMATOoffII5off通常 10電流關(guān)斷增益 2.4.2 功率場效應(yīng)管 場效應(yīng)管分為結(jié)型、絕緣柵型兩類。本節(jié)以絕緣柵場效應(yīng)管為例引見場效應(yīng)管的任務(wù)原理及其主要特性、參數(shù)。絕緣柵型場效應(yīng)管利用柵極與源極間的電壓來控制漏極與源極間的等效電阻從而控制器件的開通與關(guān)斷形狀。1) 功率場效應(yīng)管的構(gòu)造與任務(wù)原理垂直導(dǎo)電分散場效應(yīng)管構(gòu)造、電路符號 絕緣層1) 功率場效應(yīng)管的構(gòu)造與任務(wù)原理-反導(dǎo)游通特性：漏極源極間的電壓uDS0 VGS0 時，柵源結(jié)相當(dāng)于一電容，柵極帶正電荷，將在接近柵極的P內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生電子，即在P區(qū)內(nèi) 構(gòu)成一個反型層P變到N。反型層反型層作為導(dǎo)電溝道將源極 與漏極 銜接在一同，構(gòu)成電流

23、通道 NN單極型器件？注： 撤除柵源電壓，反型層消逝，DS間恢復(fù)阻斷形狀1) 功率場效應(yīng)管的構(gòu)造與任務(wù)原理使MOSFET導(dǎo)通只需建立柵源間電場, 即給柵源間結(jié)電容充電即可，而給柵源間結(jié)電容放電即可使MOSFET關(guān)斷 電壓控制型器件MOSFET柵源間結(jié)電容很小，柵源間結(jié)電容沖放電時間很短，因此MOSFET驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快。漏源間電流由反型層提供通道，允許經(jīng)過電流的才干有限 功率MOSFET主要用于高頻、小功率場所。 2) 功率MOSFET的根本特性 MOSFET的根本特性包括靜態(tài)特性與動態(tài)特性。MOSFET的靜態(tài)特性指其轉(zhuǎn)移特性與輸出特性，動態(tài)特性主要指其開關(guān)特性。1.轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性:

24、一定漏源電壓下漏極電流和柵源電壓之間的關(guān)系。 開啟電壓 2) 功率MOSFET的根本特性2. 輸出特性 描畫一定柵源電壓下，漏極電流與漏源電壓的關(guān)系 區(qū)-非飽和區(qū) 區(qū)-飽和區(qū)， 也稱恒流區(qū) 區(qū)-截止區(qū) IV區(qū)-雪崩擊穿區(qū) 電力電子電路中MOSFET主要任務(wù)在非飽和區(qū)、截止區(qū)，即任務(wù)在開關(guān)形狀 2) 功率MOSFET的根本特性3. 動態(tài)特性 -反映MOSFET的開關(guān)過程 上升延遲時間td(on)上升時間tr 開通時間 ton=td(on)+tr 下降延遲時間td(off) 下降時間tf 關(guān)斷時間 toff=td(off)+tf 3) 功率MOSFET的主要參數(shù) 主要參數(shù)場效應(yīng)管能接受的最高任務(wù)電

25、壓 在規(guī)定測試條件下場效應(yīng)管能接受的最 大漏極延續(xù)電流、漏極脈沖電流的幅值 一定柵源電壓下，MOSFET從可變電 阻區(qū)進入飽和區(qū)時的直流電阻值 通態(tài)電阻越小，通態(tài)損耗越少 漏極擊穿電壓UDS 漏極延續(xù)電流ID /漏極脈沖電流幅值 IDM通態(tài)電阻RON 3) 功率MOSFET的主要參數(shù) 主要參數(shù)漏源之間構(gòu)成導(dǎo)電溝道所需的最小柵源電壓。 開啟電壓多為5V左右。 開啟電壓UGS(th) 保證柵源絕緣不被擊穿的最高電壓 BUGS通常為20伏 柵源擊穿電壓BUGS 開通時間 ton與關(guān)斷時間toff4) MOSFET的柵極驅(qū)動電路 MOSFET是電壓控制型器件，開關(guān)過程中只需對等效輸入電容充放電即可。

26、設(shè)MOSFET穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時柵源電壓為UGS 等效柵極輸入電容為Cin 開通時驅(qū)動電路提供的充電電流近似為: 關(guān)斷時驅(qū)動電路抽取的電流近似為: onGSinonGtUCI)(offGSinoffGtUCI)(4) MOSFET的柵極驅(qū)動電路采用光耦隔離的MOSFET的典型驅(qū)動電路 tubtuatuGStui?輸入電容在開經(jīng)過程中是變化的!2.4.3 絕緣柵雙極晶體管IGBT 1) 絕緣柵雙極晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理 IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor C-集電極 E-發(fā)射極 G-柵極2.4.3 絕緣柵雙極晶體管IGBT 1) 絕緣柵雙極晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理

27、 MOSFET關(guān)斷時，PNP管也關(guān)斷，IGBT處于阻斷形狀MOSFET導(dǎo)通時PNP管隨之導(dǎo)通，IGBT處于導(dǎo)通形狀。經(jīng)過控制MOSFET來控制PNP三極管，從而控制IGBT的開通與關(guān)斷。2) 絕緣柵雙極晶體管的根本特性 1. 轉(zhuǎn)移特性 指在一定C、E電壓下，輸出集電極電流iC與G、E間電壓uGE之間的關(guān)系。 開啟電壓 )(thGEU)(thGEGEUU才產(chǎn)生集電極電流時IGBT2. 伏安特性 2) 絕緣柵雙極晶體管的根本特性 指以柵極電壓uGE為參變量時，集電極電流iC與集射極電壓iCE之間的關(guān)系。 UFBR 正向擊穿電壓 URM 反向擊穿電壓 3.動態(tài)特性指IGBT開通和關(guān)斷過程中集電極電流

28、、集射極電壓及動態(tài)損耗隨時間變化的特性。 3) 擎住效應(yīng)很小，通常情況下 上壓降缺乏以使 導(dǎo)通,MOSFET的開通與關(guān)斷可控制 的開與關(guān) bR2T1TbR擎住效應(yīng) 上壓降較大使 導(dǎo)通， 開與關(guān)不受MOSFET控制bR2T1T.過大的 Ci緣由.過快集射極 電壓變化.過高集射 極電壓4) IGBT的主要參數(shù) 柵極發(fā)射極開啟電壓 柵極發(fā)射極擊穿電壓 集電極發(fā)射極正向擊穿電壓 最大集電極電流 飽和壓降 開關(guān)時間 結(jié)殼熱阻 IGBT驅(qū)動電路任務(wù)原理和MOSFET的驅(qū)動電路是一樣的。目前對大中容量器件常采用集成驅(qū)動電路如EXB840等。4) IGBT的主要參數(shù)目前IGBT的最高柵極電壓通常為20V， 最

29、高允許結(jié)溫為150。中小容量IGBT的開關(guān)任務(wù)頻率在20 kHz40 kHz, 大容量IGBT的開關(guān)任務(wù)頻率通常在5 kHz左右IGBT的柵極驅(qū)動電壓通常為1215V目前商用IGBT的集電極電流最大可做到3600A， 集射極電壓可到達4500V以上IGBT是目前運用最為廣泛的電力電子器件, 運用功率范圍從幾百瓦到數(shù)百千瓦。IGBT的主要參數(shù)例IGBT的主要參數(shù)例IGBT的主要參數(shù)例轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IGBT的主要參數(shù)例伏安特性伏安特性IGBT的主要參數(shù)例開關(guān)時間開關(guān)時間IGBT的主要參數(shù)例柵極充電特性柵極充電特性2.4.4 集成門極換流晶閘管(IGCT) IGCT：Integrated Gate

30、 Commutated Thyristor 集成門極換流晶閘管是將門極換流晶閘管GCT與其門極驅(qū)動電路集成于一體構(gòu)成的器件。 IGCT自2019年商品化以來，已勝利運用于工業(yè)和牽引傳動、電力傳輸?shù)却蠊β蔬\用場所，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件。 1) GCT的構(gòu)造及其等效電路 與GTO的重要差別是：GCT陽極內(nèi)側(cè)P與N-半導(dǎo)體之間多了N型緩沖層，同時陽極是由利于電子經(jīng)過的較薄的P型半導(dǎo)體構(gòu)成。2) GCT任務(wù)原理 忽略N和N-半導(dǎo)體間的差別，那么GCT和GTO構(gòu)造一樣，都可用雙晶體管模型來模擬 GCT正向偏置時從門極注入電流可使其導(dǎo)通 從門極抽取足夠多電流可使GCT關(guān)斷 2) GCT任務(wù)原

31、理采用“硬驅(qū)動很快將陰極電流轉(zhuǎn)換到門極門極換流概念的來源，從而使T2首先關(guān)斷GCT的關(guān)斷采用“硬驅(qū)動 技術(shù)-“硬驅(qū)動是指在GCT開關(guān)過程中的短時間內(nèi)給其門極加以電流幅值及其上升率都很大的驅(qū)動信號。 GCT關(guān)斷過程闡明 T2關(guān)斷后,GCT相當(dāng)于一個基極斷開的PNP管與驅(qū)動電路串聯(lián)，由于此時等效PNP晶體管基極開路，因此將很快關(guān)斷 GCT門極關(guān)斷增益僅為1 , 因此驅(qū)動脈沖電流很大3) GCT的驅(qū)動電路GCT門極驅(qū)動電路通常分為通訊電路、邏輯控制電路、開通電路、關(guān)斷電路及電源部分。 2.5 功率集成電路 功率集成電路PIC：Power Integrated Circuit是指將功率半導(dǎo)體器件和其驅(qū)

32、動電路等組合在同一個芯片或是同一個封裝中。目前功率集成電路內(nèi)部運用的功率器件通常為MOSFET或IGBT。采用功率集成電路可以提高電路的功率密度，簡化安裝工藝，提高電力電子安裝性能。功率集成電路有很多種類: 智能功率模塊 (IPM) 用戶公用智能功率模塊ASIPM) 簡單PIC 2.5 功率集成電路 IPM將電力電子器件與驅(qū)動電路、維護電路、檢測電路等集成在一個芯片或模塊內(nèi)ASIPM按照用戶提供的整機線路，把一切元器件以裸片(或半裸片)和芯片的方式集成到一個模塊中簡單PIC 指處置功率較小、包含控制電路等部分的功能較完好的一種功率集成電路 典型的IPM功能框圖變頻器用IPM模塊內(nèi)常含有6個或7

33、個IGBT2.6 電力電子器件的維護 電力電子電路中能夠出現(xiàn)過壓、過流、過熱及過高的電壓電流上升率等不利器件可靠任務(wù)的要素應(yīng)采用一定手段防止/降低這些要素對電力電子器件呵斥損害常用過壓維護、過流維護、過熱維護等措施2.6.1 過電壓維護過電壓緣由：外因過電壓與內(nèi)因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等 內(nèi)因過電壓主要來自安裝內(nèi)部器件的開關(guān)過程 開關(guān)操作導(dǎo)致電感電流急劇變化從而容易產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓過電壓制制措施及配置位置 F 避雷器 D 變壓器靜電屏蔽層 C 靜電感應(yīng)過電壓制制電容RC1 /RC2浪涌過電壓制制用RC電路RV 壓敏電阻過電壓制制器 RCD 開關(guān)器件關(guān)斷過電壓制制用RCD電

34、路2.6.1 過電壓維護典型RC過電壓制制電路結(jié)合方式 2.6.2 過電流維護 過電流緣由： 由負載引起,如負載過重甚至發(fā)生短路 電力電子變換安裝內(nèi)部缺點引起。如電 路參數(shù)變化、器件損壞、電磁干擾導(dǎo)致 控制電路任務(wù)不正常等情況均能夠發(fā)生 過流維護電路分類：限流型或截止型 限流型:不允許電源變換安裝斷電時， 須按限流型設(shè)計限流功能通常利用 閉環(huán)控制原理實現(xiàn) 截止型:當(dāng)檢測到過流信號時直接關(guān) 閉主開關(guān)器件，停頓變流安裝任務(wù)典型的過流維護措施及維護配置 2.6.3 緩沖電路 電力電子器件任務(wù)于開關(guān)形狀，在其開關(guān)過程中，器件會接受過電壓、過高的du/dt、過電流、過高的di/dt及過大的瞬時功率緩沖電路(或吸收電路)主要用來抑制器件開關(guān)時的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗緩沖電路關(guān)斷緩沖電路,抑制du/dt 開通緩沖電路,抑制di/dt 復(fù)合緩沖電路 1) RCD