電力電子技術(shù)-王旭光-第一章

電力電子技術(shù)---王旭光---第一章第一頁，共74頁。0.1電力電子學科的性質(zhì)0.2電力電子技術(shù)簡史0.3電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容緒論緒論4/16/20232第二頁，共74頁。電力電子技術(shù)研究用電子技術(shù)對能量的形式進行變換。電力電子技術(shù)是一門邊緣學科。橫跨電力工程、電子技術(shù)和自動控制三大領(lǐng)域。0.1電力電子技術(shù)學科的性質(zhì)4/16/20233第三頁，共74頁。

80年代則有了另一個功率器件：絕緣柵雙極晶閘管（IGBT）。接著開發(fā)的是場控晶閘管（MCT）。0.2電力電子技術(shù)的發(fā)展簡史電力電子技術(shù)早在1900年初就已出現(xiàn)，但當時很雜亂，不能稱為真正的學科。1956年，美國貝爾電話公司的John.mell制造出世界上第一個晶閘管，1957年，得到了商業(yè)化應(yīng)用。、一般把1957年作為電力電子技術(shù)誕生的時間。70年代初期出現(xiàn)了大功率晶體管(GTR)，70年代末又有功率場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）。4/16/20234第四頁，共74頁。0.3電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容1.AC-CD，把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。2.CD-AC，把直流電變?yōu)榻涣麟?，這是整流的逆過程，稱為逆變。3.AC1-AC2，把一種形式的交流電變?yōu)榱硪环N形式的交流電。若變換前后頻率不變，稱為交流調(diào)壓，若變換前后頻率變化，稱為變頻。4.DC1-DC2,對直流電壓的大小進行變換，稱為斬波。5.無觸點電子開關(guān)。4/16/20235第五頁，共74頁。0.4電力電子技術(shù)的應(yīng)用礦業(yè)開發(fā)工業(yè)控制電力機車直流輸電軍事家用電器農(nóng)業(yè)生產(chǎn)文化娛樂辦公自動化機器人4/16/20236第六頁，共74頁。第1章電力電子器件電力電子器件11.1單向?qū)щ娖骷?1.2晶閘管31.3全控器件41.4新型電力電子器件51.5電力電子器件的驅(qū)動61.6電力電子器件的保護71.7電力電子器件的緩沖電路4/16/20237第七頁，共74頁。電力電子器件的種類4/16/20238第八頁，共74頁。各類電力電子器件的應(yīng)用范圍4/16/20239第九頁，共74頁。1.1單向?qū)щ娖骷缙诘钠骷?，如真空的電子二極管、充有某種氣體的離子管以及水銀整流器。也出現(xiàn)過一些固體的單向?qū)щ娖骷?，如用氧化銅、硒等制成的整流器件。工業(yè)生產(chǎn)還曾大量采用交－直機組。早期的單向?qū)щ娖骷鲜銎骷加泻車乐氐娜毕?。氧化銅和硒片制成的整流器件耐壓很低，它們的反向漏電流也較大。電子管內(nèi)有燈絲，壽命短，體積大，玻璃封裝，易碎。水銀整流器內(nèi)含有毒的汞蒸汽。交－直機組工作時伴隨著機械運動，從而出現(xiàn)了噪聲、振動、摩擦等問題，使得效率降低，維修量大。4/16/202310第十頁，共74頁。功率二極管的工作頻率有很大的差別，使用時要根據(jù)工作頻率合理選擇。1.1單向?qū)щ娖骷β识O管的注意事項正確理解額定電壓的含義。額定電壓指二極管承受最大電壓的瞬時值。如一個二極管兩端加220V的正弦電壓，其有效值為220V，但其最大瞬時值為正確理解額定電流的含義。二極管的額定電流為其能夠承受的正弦半波電流的最大平均值.4/16/202311第十一頁，共74頁。1.2晶閘管1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理11.2.2晶閘管的特性21.2.3晶閘管的主要參數(shù)31.2.4國產(chǎn)晶閘管的型號44/16/202312第十二頁，共74頁。晶閘管的外形和電路符號螺栓式模塊平板式TO-2201.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理4/16/202313第十三頁，共74頁。晶閘管可以等效成2個三極管1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理4/16/202314第十四頁，共74頁。要使晶閘管從阻斷態(tài)轉(zhuǎn)為導通態(tài)，必須同時滿足以下條件：1.陽極與陰極之間加正向電壓，UAK>0。2.門極與陰極之間加正向電壓，UGK>0。要使晶閘管從導通態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)，需滿足以下條件之一：1.使陽極電流接近0，IA=0。2.在陽極與陰極之間加反向電壓，UAK<0。實驗電路晶閘管的外部特性1.2.2晶閘管的特性4/16/202315第十五頁，共74頁。晶閘管的陽極特性曲線1.在無門極電流時，當A-K之間加正向電壓，陽極只有很小的漏電流。2.當陽極電壓增大到一定值時，器件會從阻斷態(tài)轉(zhuǎn)為導通態(tài)，稱為“硬開通”。3.A-K之間加反向電壓，會出現(xiàn)很小的反向漏電流，當電壓達到一定值時，會出現(xiàn)“擊穿”。1.2.2晶閘管的特性4/16/202316第十六頁，共74頁。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——電壓參數(shù)斷態(tài)不重復峰值電壓UDSM和斷態(tài)重復峰值電壓UDRM這一參數(shù)用來衡量晶閘管對正向電壓的耐受能力。當正向電壓高至UBO時，即使沒有門極電流晶閘管也會進入導通狀態(tài)，在工程應(yīng)用中這是不允許的。實際上，在電壓接近UBO時，陽極電流就開始增大，這一點就是不重復峰值電壓UDSM。由于普通型晶閘管多用于50Hz的交流電，重復峰值電壓UDRM是針對器件50Hz的正弦半波電壓的承受能力設(shè)置的，規(guī)定UDRM=0.9UDSM。14/16/202317第十七頁，共74頁。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——電壓參數(shù)反向不重復峰值電壓URSM和反向重復峰值電壓URRM這一參數(shù)用來衡量晶閘管的反向電壓的耐受能力。當反向電壓高至UBR時，晶閘管會進入擊穿狀態(tài)，在電壓接近UBR時，陽極電流就開始增大，這一點就是不重復峰值電壓URSM。同樣，反向重復峰值電壓URRM是針對器件50Hz的正弦半波反向電壓的承受能力設(shè)置的，規(guī)定URRM=0.9URSM。24/16/202318第十八頁，共74頁。額定電壓Ue定義如下：取UDRM和URRM中的較小者，去掉百位以下的數(shù)即為額定電壓Ue。例如某晶閘管UDRM=832V；URRM=786V，則取較小者786V，然后去掉百位以下的數(shù)86，該晶閘管的額定電壓為700V。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——電壓參數(shù)晶閘管的額定電壓Ue當電流為額定通態(tài)平均電流時，陽極和陰極之間的電壓平均值為通態(tài)平均電壓，也稱為管壓降。3晶閘管的通態(tài)平均電壓UT44/16/202319第十九頁，共74頁。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——電流參數(shù)晶閘管允許通過的最大正弦半波電流平均值。不同波形的電流即使平均值相等，產(chǎn)生的熱量也不相同。然而，如果電流的有效值相等，無論波形如何，產(chǎn)生的熱量是相同的。因此為了在不同的波形下利用ITa作為限制晶閘管發(fā)熱的依據(jù)，應(yīng)對電流作以下處理：設(shè)允許通過晶閘管的最大正弦半波電流的幅值為Im，則有效值為I=（π/2）ITa≈1.57ITa。因此1.57ITa為晶閘管允許通過的最大有效值電流。通常要求晶閘管的最大允許電流有效值（1.57ITa）與實際通過的電流有效值IVT之間要留有1.5到2倍的裕量，即

1通態(tài)平均電流ITa4/16/202320第二十頁，共74頁。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——電流參數(shù)能夠維持晶閘管處于導通狀態(tài)的最小陽極電流，如果IA<IH，則晶閘管關(guān)斷。

在晶閘管開通過程中，陽極電流必須大于某一數(shù)值才能夠真正進入導通狀態(tài)，此時若門極電流消失，晶閘管仍能保持導通狀態(tài)，這個電流就是IL。通常IL>IH。

2維持電流IH3掣住電流IL4/16/202321第二十一頁，共74頁。1.1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——動態(tài)參數(shù)從在陽極和陰極之間加反向電壓到晶閘管真正恢復阻斷能力所需要的時間稱為關(guān)斷時間tq。欲使晶閘管可靠地關(guān)斷，陽極和陰極之間的反向電壓的持續(xù)時間應(yīng)大于tq。開通時間tgt晶閘管從門極得到正電壓到真正進入導通狀態(tài)需要一定的時間，這一時間稱為開通時間tgt，這一過程包括兩個部分，延遲時間td和上升時間tr。td階段對應(yīng)晶閘管內(nèi)部的兩個等效晶體管正反饋建立的過程，此階段IA上升緩慢；tr對應(yīng)正反饋建立后IA上升的過程。為可靠地開通晶閘管，門極控制電壓作用的時間不應(yīng)小于tgt。2.關(guān)斷時間tq4/16/202322第二十二頁，共74頁。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——動態(tài)參數(shù)在正向阻斷狀態(tài)，晶閘管的P-N結(jié)J2反偏，J2的結(jié)電容會由于兩端電壓的變化而出現(xiàn)充放電電流，電流的大小為Cdu/dt。這一電流流經(jīng)J3，如果過大將會起到類似于觸發(fā)電流的作用，引起兩個晶閘管的正反饋，使晶閘管誤導通。所以要對du/dt進行限制。晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)的過程中，陽極首先從門極附近的一個小區(qū)域開始導電，該區(qū)域逐漸擴大，最終擴展到整個陽極。如果電流上升地過快，將使門極附近的導電區(qū)域電流密度過大，此時雖陽極電流并未超過規(guī)定值，但導電區(qū)域會由于過熱而燒壞。所以電流上升率di/dt也不能太大。3.電壓上升率du/dt電流上升率di/dt4.4/16/202323第二十三頁，共74頁。1.2.4國產(chǎn)晶閘管的型號D為D級12為1200V100為100AP為普通型晶閘管K為可控示例額定電壓額定電壓通態(tài)電流類型可控意義字母數(shù)字數(shù)字漢語拼音漢語拼音符號54321部分例如KP100-12D型晶閘管，意義為：可控、普通型、通態(tài)平均電流為100A、額的電壓為1200V、通態(tài)電壓為D級由5部分組成，分別是字母或數(shù)字，第3、4部分之間有一橫線4/16/202324第二十四頁，共74頁。1.3全控器件1.3.1可關(guān)斷晶閘管GTO11.3.2功率晶體管GTR21.3.3功率場效應(yīng)管MOSFET31.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT44/16/202325第二十五頁，共74頁。1.3.1可關(guān)斷晶閘管GTO——外形與電路符號GTO的外形電路符號4/16/202326第二十六頁，共74頁。1.3.1可關(guān)斷晶閘管GTO——主要參數(shù)可以通過門極進行關(guān)斷的最大陽極電流，當陽極電流超過IAT0時，門極則無力通過IG將GTO關(guān)斷。GTO的主要參數(shù)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM以及通態(tài)平均電壓UT的定義與普通型晶閘管相同，不過GTO承受反向電壓的能力較小，一般URRM明顯小于UDRM。擎住電流IL和維持電流IH的定義也與普通型晶閘管相同，但對于同樣電流容量的器件，GTO的IH要比普通型晶閘管大得多。GTO還有一些特殊參數(shù)如下。1可關(guān)斷最大陽極電流IAT04/16/202327第二十七頁，共74頁。1.3.1可關(guān)斷晶閘管GTO——主要參數(shù)IAT0與IGRM的比值，βOFF=IAT0/IGRM。這一比值比較小，一般為5左右，這就是說，要想關(guān)斷GTO，所要求的門極負電流的幅度也是很大的。如βOFF=5，GTO的陽極電流為1000A，那么要想關(guān)斷它必須在門極加200A的反向電流?？梢钥闯觯M管GTO可以通過門極反向電流進行可控關(guān)斷，但其技術(shù)實現(xiàn)并不容易。為關(guān)斷GTO門極可以施加的最大反向電流門極最大負脈沖電流IGRM2電流關(guān)斷增益βOFF34/16/202328第二十八頁，共74頁。1.3.2功率晶體管GTR——外形與電路符號電路符號外形功率晶體管的結(jié)構(gòu)與一般小功率晶體管相似，內(nèi)有兩個P-N結(jié)，引出三個電極：發(fā)射極、基極、集電極。并且也分為PNP和NPN兩大類。4/16/202329第二十九頁，共74頁。1.3.2功率晶體管GTR——開關(guān)過程關(guān)斷過程從開始施加反向基極電流到集電極電流開始下降（下降到90%ICO）對應(yīng)的時間叫做存儲時間ts。接著是下降時間tf，定義為集電極電流從90%ICO下降到10%ICO對應(yīng)的時間。關(guān)斷時間toff=ts+tf。

開通過程GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，在飽和區(qū)和截止區(qū)之間相互切換。在剛開始施加基極電流的一段時間內(nèi)，集電極電流變化很小，定義從基極電流的出現(xiàn)到集電極電流上升至穩(wěn)定值ICO的10%這段時間為延遲時間td，然后集電極電流迅速上升，集電極電流從10%ICO上升到90%ICO對應(yīng)的時間叫做上升時間tr。開通時間ton=td+tr。4/16/202330第三十頁，共74頁。1.3.2功率晶體管GTR——極限參數(shù)ICM：最大允許集電極電流，表示集電極最大允許通過的電流瞬時值。PCM：一定管殼溫度下集電極最大允許功耗，產(chǎn)品說明書的技術(shù)參數(shù)中PCM與管殼溫度必須同時標出。BUCB0，發(fā)射極開路時集電極與基極之間的擊穿電壓；BUCE0，基極開路時集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓；BUCER，發(fā)射極與基極之間用電阻連接時集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓；BUCES，發(fā)射極與基極之間短路時集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓；BUCEX，發(fā)射結(jié)反偏時集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。這些擊穿電壓之間的關(guān)系為：

BUCB0>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCE0。GTR的極限參數(shù)4/16/202331第三十一頁，共74頁。1.3.2功率晶體管GTR——SB和SOA二次擊穿（SB)如果出現(xiàn)一次擊穿時IC超過一定的數(shù)值，使器件發(fā)熱嚴重，進而會導致二次擊穿的出現(xiàn)。二次擊穿的特征是，電流急劇上升而電壓卻隨之下降，二次擊穿會造成GTR永久的損壞。

安全工作區(qū)（SOA)這樣要使GTR安全的工作，要受到ICM、PCM、BUCE0和二次擊穿曲線SB四個條件的限制，不超過上述限制的區(qū)域叫做安全工作區(qū)SOA（SafeOperatingArea）。

4/16/202332第三十二頁，共74頁。1.3.3功率場效應(yīng)管MOSFET——外型和電路符號電路符號外型4/16/202333第三十三頁，共74頁。1.3.3功率場效應(yīng)管MOSFET——結(jié)構(gòu)源極所連接的N型區(qū)域被P型材料包圍，形成一個個孤立的“小島”，漏極在器件的下部（所以叫垂直導電結(jié)構(gòu)），漏極連接的N型材料形成一個“凸”型，向上一直延伸到柵極的下面。漏極區(qū)域與源極區(qū)域之間被P型材料隔離，P型材料的上端是氧化物絕緣材料，再向上為柵極。這種結(jié)構(gòu)可以大大縮短導電溝道的長度，載流子通過導電溝道后做垂直方向的運動，可以通過更大的電流。4/16/202334第三十四頁，共74頁。柵極不加電壓的情況下，介于源極N型區(qū)域和漏極N型材料“凸”型部分上端的N型區(qū)域之間的P型材料的兩側(cè)形成兩個P-N結(jié)，由于其阻擋作用無論源漏之間的電壓方向如何都會有一個P-N結(jié)反偏，不可能有電流通過，器件處于阻斷狀態(tài)。如果柵極加正電壓，由于電場的作用，柵極下面P型材料中的多數(shù)載流子空穴被排斥，向下運動，同時柵極的正電壓又把P型材料中的少數(shù)載流子電子吸引到P型材料的上部，這樣“小島”和“凸”型上部之間的P型材料中就形成一段反型層，并把兩側(cè)的N型區(qū)連接起來，消除了P-N結(jié)的阻擋作用。通常漏極接電源正，源極接電源負，電流可以從漏極的N區(qū)通過P區(qū)的反型層到達源極的N區(qū)，器件導通。柵極施加的正電壓越高，反型層越深，漏源之間的電流就越大。1.3.3功率場效應(yīng)管MOSFET——工作原理4/16/202335第三十五頁，共74頁。1.3.3功率場效應(yīng)管MOSFET——靜態(tài)特性圖中Uth稱為開啟電壓或門檻電壓，如果UGS<Uth，漏極電流為0。UGS>Uth后開始出現(xiàn)漏極電流，并且UGS越大，漏極電流就越大。轉(zhuǎn)移特性因為MOSFET沒有柵極電流，不可能有像晶體管那樣的反映輸出電壓和輸入電流的輸入特性曲線，但通過改變柵極電壓的大小可以控制VDMOSFET的漏極電流（輸出電流）。可以通過轉(zhuǎn)移特性曲線描述柵極電壓對漏極電流的控制能力。4/16/202336第三十六頁，共74頁。1.3.3功率場效應(yīng)管MOSFET——靜態(tài)特性輸出特性輸出特性曲線如圖，反映漏極電流ID與漏源之間的電壓UDS的關(guān)系。由圖可見，它類似于晶體管的輸出特性曲線族，不同的是每條曲線的參數(shù)是UGS，而雙極型晶體管以IB作為參數(shù)。三個區(qū)域：（1）當UGS≤Uth時為截止區(qū)，漏極電流極小。（2）在UGS>Uth但UDS很小的一個范圍，ID隨UDS的增大而增大，該區(qū)域稱為非飽和區(qū)或可變電阻區(qū)，相當于雙極型晶體管的“飽和區(qū)”。（3）UDS增大到一定的程度，ID基本不隨UDS變化，在柵極電壓一定的情況下，器件呈恒流特性，該區(qū)域稱為飽和區(qū)。4/16/202337第三十七頁，共74頁。1.3.3功率場效應(yīng)管MOSFET——動態(tài)特性在開通過程中，當G-S之間的電壓uGS上升到MOSFET的開啟電壓Uth時，開始出現(xiàn)漏極電流iD，此后iD隨uGS的增大而增大，直至達到穩(wěn)定值。從驅(qū)動信號源出現(xiàn)電壓到漏極出現(xiàn)電流這段時間叫做開通延遲時間td，從漏極出現(xiàn)電流到iD達到穩(wěn)定值對應(yīng)的時間為上升時間tr，兩者之和為開通時間ton。在關(guān)斷過程中，首先驅(qū)動信號源的電壓下降到0（或負值），G-S之間的電容通過信號源內(nèi)阻放電，開始的一段時間漏極電流并沒有變化，這段時間叫做關(guān)斷延遲時間ts。之后，iD開始下降，當uGS≤UT時，iD下降到0，此過程對應(yīng)的時間為下降時間tf。關(guān)斷時間toff定義為4/16/202338第三十八頁，共74頁。1.3.3功率場效應(yīng)管MOSFET——SOA在UDS較小的范圍內(nèi)，UDS越小D-S之間的導通電阻Ron越大，同樣電流下發(fā)熱越嚴重，所以在漏極電流較小的情況下，允許通過的電流隨UDS的減小而減?。ㄈ鐖D中左端的斜線）。當UDS大到一定程度，Ron變得很小，允許通過的電流只受最大漏極電流IDM的約束。但在UDS比較大時，安全工作區(qū)受到最大漏極功耗的限制，如圖中右側(cè)的斜線。MOSFET的安全工作區(qū)MOSFET在運行時受到D-S之間最大電壓、最大漏極電流和最大漏極功耗等因素的限制（MOSFET沒有二次擊穿），其正向偏置安全工作區(qū)如圖所示。該圖的橫軸為對數(shù)坐標，所以功率曲線為直線。4/16/202339第三十九頁，共74頁。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——外形與電路符號電路符號集電極C發(fā)射極E柵極GIGBT模塊的外形4/16/202340第四十頁，共74頁。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——結(jié)構(gòu)器件的柵極G與發(fā)射極E之間的結(jié)構(gòu)與MOSFET是相同的，所以IGBT也是電壓控制型器件。它的漏極不是直接引出，而是又經(jīng)過一個PN結(jié)在IGBT導通時這個PN結(jié)為正偏，P區(qū)向N區(qū)擴散空穴，提高電導率。

4/16/202341第四十一頁，共74頁。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性IGBT也是一種電壓控制型器件。通過改變柵極G和發(fā)射極E之間的電壓來控制集電極電流IC的大小，柵極也沒有電流，不可能有類似普通雙極型晶體管的輸入特性曲線，反映控制特性的曲線為轉(zhuǎn)移特性曲線。柵極-發(fā)射極之間的電壓uGE較小時沒有集電極電流。當uGE達到開啟電壓Uth時，開始出現(xiàn)集電極電流，隨柵極-發(fā)射極之間的電壓uGE的增大，集電極電流IC也增大，因此，IGBT也是一個電壓控制型器件，這一點與MOSFET類似。4/16/202342第四十二頁，共74頁。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——靜態(tài)特性在uCE很小時，IC隨uCE的增大而迅速上升，這個區(qū)域稱為線性導電區(qū)；uCE增大到一定值，IC不再隨uCE變化而基本保持恒定，該區(qū)域為恒流飽和區(qū)；如果繼續(xù)uCE的值，使電壓超出了器件的承受能力，則曲線進入擊穿區(qū)。電流增大，圖中曲線發(fā)生彎曲。

輸出特性反映集電極電流與集電極-發(fā)射極間電壓之間關(guān)系的曲線為輸出特性曲線，為一曲線族。曲線族中每一條曲線由一個固定的uGE值確定。4/16/202343第四十三頁，共74頁。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——動態(tài)特性IGBT在開通和關(guān)斷過程中集電極電流iC與柵極電壓之間也存在著一定的延時。從柵極-發(fā)射極之間電壓uCE上升到穩(wěn)態(tài)值的10%到集電極電流iC上升到穩(wěn)態(tài)值的10%對應(yīng)的時間稱為開通延遲時間td。從iC上升到穩(wěn)態(tài)值的10%到上升至穩(wěn)態(tài)值的90%所對應(yīng)的時間為上升時間tr；開通時間ton：ton=td+tr。把從uCE下降到原來的90%到iC下降到穩(wěn)態(tài)值的90%所對應(yīng)的時間稱為關(guān)斷延遲時間ts，iC從穩(wěn)態(tài)值的90%下降到穩(wěn)態(tài)值的10%對應(yīng)的時間稱為下降時間tf。關(guān)斷時間toff=ts+tf。4/16/202344第四十四頁，共74頁。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——動態(tài)特性在IGBT中，除有一個PNP型三極管外，還存在著一個NPN型寄生三極管，它由J1和J2之間的N型材料、兩側(cè)的P型材料和與E極連接的N+材料構(gòu)成。這樣，IGBT可左圖電路來等效。在NPN型三極管（圖中的V2）的B-E之間有一個與之并聯(lián)的擴展電阻Rbr，IGBT工作時電流會流過這個電阻產(chǎn)生壓降，相當于給NPN型三極管V2提供正向偏置，偏置電壓的大小與集電極電流iC有關(guān)。在一般情況下，該電壓不大，不至于使NPN型三極管導通，但如果iC很大，Rbr就可能給V2的發(fā)射結(jié)提供足夠的電壓使其導通。V2一旦導通，就會與PNP型三極管形成正反饋，兩個晶體管很快進入飽和狀態(tài)，此時V1、V2實際上構(gòu)成了一個晶閘管，門極失去了控制作用。這就是所謂擎住效應(yīng)。擎住效應(yīng)4/16/202345第四十五頁，共74頁。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——SOAIGBT的安全工作區(qū)(SOA)由最大集電極電流ICM、集電極-發(fā)射極最大電壓UCEM和集電極最大功耗與坐標軸圍成，如圖所示（圖的橫軸為對數(shù)坐標，所以功率曲線為直線）。IGBT的SOA4/16/202346第四十六頁，共74頁。1.4新型電力電子器件1.4.1靜電感應(yīng)晶體管SIT11.4.2靜電感應(yīng)晶閘管SITh21.4.3MOS控制晶閘管MCT34/16/202347第四十七頁，共74頁。1.4.1靜電感應(yīng)晶體管SIT當UGS=0，上述PN結(jié)兩側(cè)的這個耗盡區(qū)不大，尚沒有連接起來，此時如果在D-S間加以電壓，會有電流在D-S極之間流動。如果使UGS<0（S接正G接負），分布在N-區(qū)的耗盡區(qū)的厚度將加大，兩側(cè)耗盡區(qū)之間的導電溝道會變窄，同樣漏-源極電壓下漏極電流會減小。因此可以通過改變UGS來控制D-S之間的電流ID。由此可以看出，SIT的工作原理與耗盡型結(jié)型場效應(yīng)管類似，改變G-S之間的反向電壓可以調(diào)節(jié)漏極電流。SIT的結(jié)構(gòu)如圖（a），其電路符號如圖（b），有三個電極：漏極D、源極S和柵極G。兩側(cè)的P+型材料與中部的N-材料將形成PN結(jié)，在P+N-結(jié)合面的兩側(cè)存在著一個耗盡區(qū)，里面沒有載流子，不能導電。4/16/202348第四十八頁，共74頁。1.4.2靜電感應(yīng)晶閘管SIThSITh的結(jié)構(gòu)如圖（a），電路符號如圖（b）。從圖中可以看出，SITh相當于在SIT的基礎(chǔ)上增加了最下面一層P型材料，形成一個PN結(jié)J2，具有了單向?qū)щ娦?。在UGK=0時，J1兩側(cè)不導電的耗盡區(qū)較薄，中間的N型材料留有一個導電溝道，電流可以從陽極流向陰極。當在柵極和陰極之間施以負電壓（UGK<0），PN結(jié)J1受到較大的反壓，兩側(cè)的耗盡區(qū)連接起來，阻斷了電流，器件關(guān)斷。4/16/202349第四十九頁，共74頁。1.4.3MOS控制晶閘管MCTMCT的內(nèi)部有一個PNP型晶體管V1和一個NPN型晶體管V2，兩個晶體管相互連接與普通晶閘管的等效電路相同，其中任何一個出現(xiàn)導通電流則在兩管之間形成正反饋使兩個晶體管均迅速進入飽和狀態(tài)。在MCT中還有一個P溝道場效應(yīng)管ON-FET和一個N溝道場效應(yīng)管OFF-FET。它們的作用是控制等效晶閘管的通斷。MOS控制晶閘（MOSFETControlledThyristor）的等效電路如圖（a）所示，其電路符號如圖（b）所示。MCT三個電極分別為陽極A、陰極K、柵極G。4/16/202350第五十頁，共74頁。1.5電力電子器件的驅(qū)動1.5.1晶閘管驅(qū)動電路11.5.2GTO驅(qū)動電路21.5.3GTR驅(qū)動電路31.5.4場控器件的驅(qū)動電路44/16/202351第五十一頁，共74頁。1.5.1晶閘管的驅(qū)動電路——門極特性晶閘管的門極和陰極之間為一PN結(jié)，控制信號相當于給這個PN結(jié)施加正向電壓，電壓UGK和電流IG之間應(yīng)表現(xiàn)出PN結(jié)正向特性的關(guān)系，但由于晶閘管的特殊要求導致設(shè)計和工藝上的差異，上述PN結(jié)和一般作為二極管使用的PN結(jié)的特性有很大的不同，晶閘管曲線線的斜率有時很大，有時又會很小，存在著很大的離散性。把門極伏安特性曲線中斜率最大的和最小的兩條曲線標在UGK-IG平面，作為其門極伏安特性。驅(qū)動信號的幅度受到最大門極電壓UGM、最大門極電流IGM和最大門極功耗PGM的限制，為保證晶閘管可靠“觸發(fā)”導通，門極電壓和門極電流要具有一定的強度，手冊中通常表示為門極可靠觸發(fā)電壓UGT和門極可靠觸發(fā)電流IGT。4/16/202352第五十二頁，共74頁。1.5.1晶閘管的驅(qū)動電路——強觸發(fā)希望觸發(fā)電流IG有以下特點：脈沖前沿陡峭，并且脈沖剛開始的一段時間有較大的幅度，這樣有利于晶閘管的快速開通；隨后IG下降到一個較小的數(shù)值并維持到脈沖結(jié)束，這樣有利于減少門極及驅(qū)動電路的功耗。另外，由于晶閘管的陰極與強電回路連接，電壓很高，而驅(qū)動電路為電壓很低的電子線路，一般要將兩者進行電氣隔離，通常采用脈沖變壓器或光電耦合器。4/16/202353第五十三頁，共74頁。1.5.2GTO的驅(qū)動電路——要求對觸發(fā)電流的波形的要求：開通時門極電流的上升率盡可能陡，一般取門極電流上升率為5—10A/μs。開通門極電流要具有一定的幅度，剛開始的強觸發(fā)階段要求門極電流IG為門極直流額定觸發(fā)電流IGM的3—10倍，這也是為了縮短開通時間。脈沖要有一定的寬度，對于開通正脈沖，其持續(xù)時間要為GTO開通時間的數(shù)倍以上，如果負載為電感性，開通正脈沖的持續(xù)時間要大于陽極電流建立的時間。關(guān)斷門極電流的上升沿要陡，一般要求關(guān)斷門極電流的上升率為10—50A/μs。關(guān)斷門極電流脈沖要有一定的幅度，該幅度與欲關(guān)斷的陽極電流的大小和關(guān)斷增益βOFF有關(guān)。關(guān)斷脈沖要有一定的寬度，從而保證可靠關(guān)斷4/16/202354第五十四頁，共74頁。1.5.2GTO的驅(qū)動電路——驅(qū)動電路GTO的驅(qū)動波形單電源驅(qū)動電路雙電源驅(qū)動電路4/16/202355第五十五頁，共74頁。1.5.3GTR的驅(qū)動電路——要求對GTR取得的要求：在使GTR從阻斷轉(zhuǎn)為導通過程中，IB的幅度要足夠大，以使得GTR盡快導通并進入飽和狀態(tài)，這樣可以減少GTR的開通損耗。GTR已經(jīng)導通，必須有一定的基極電流來維持，這個電流必須GTR工作在飽和狀態(tài)，但又不能過大使GTR進入深度飽和，以免增加關(guān)斷GTR的難度，同時基極電流過大也會使GTR的基極功耗增加，這同樣是應(yīng)該避免的。關(guān)斷GTR的過程中應(yīng)提供反向基極電流，抽取器件內(nèi)部的載流子，使GTR快速關(guān)斷。當GTR處于阻斷狀態(tài)時最好在其基極-發(fā)射極之間加一定的反向電壓，增加GTR的阻斷能力和防止誤導通。4/16/202356第五十六頁，共74頁。1.5.3GTR的驅(qū)動電路——驅(qū)動電路驅(qū)動電路舉例4/16/202357第五十七頁，共74頁。如果二極管參數(shù)相等，其導通壓降均為UD，則UCE=UBE+UD，說明集電極電位高于基極電位，集電結(jié)反偏但數(shù)值較小，此時GTR處于準飽和狀態(tài)。1.5.3GTR的驅(qū)動電路——貝克鉗位電路中A、E之間的電壓為由此可得出貝克鉗位電路4/16/202358第五十八頁，共74頁。1.5.4場控器件的驅(qū)動電路場控型（電壓控制型）電力電子器件的驅(qū)動電路。由于柵極和源極之間是絕緣的，所以在器件導通和關(guān)斷的穩(wěn)定狀態(tài)都不可能出現(xiàn)柵極電流，需要的僅是一個柵極電壓。但是器件的各電極之間都存在著電容，從驅(qū)動的輸入端看相當于一個電容網(wǎng)絡(luò)，因此驅(qū)動電壓的變化將產(chǎn)生電容充放電電流，充放電時間常數(shù)影響柵極電壓變化的速率，進而影響器件的開關(guān)速度。時間常數(shù)越大，充放電時間就越長。為了減小時間常數(shù)，要求驅(qū)動回路的電阻盡可能小。初學者容易忽視的一個問題是，欲使場控器件關(guān)斷必須為柵-源之間提供放電通路或在柵-源之間加反向電壓，不能簡單地撤掉柵源之間的正向驅(qū)動電壓而使柵-源之間開路。對驅(qū)動電路的要求4/16/202359第五十九頁，共74頁。1.5.4場控器件的驅(qū)動電路圖為單管驅(qū)動電路，圖中uS為驅(qū)動信號源，uS為正時晶體管VT導通，其發(fā)射極電流為被驅(qū)動的MOSFET的輸入電容充電，使柵極電位迅速上升，MOSFET開通。uS為0時VT截止，MOSFET柵-源之間儲存的電荷經(jīng)VD、信號源放電，使MOSFET關(guān)斷。圖為推挽式驅(qū)動電路，當uS為正時晶體管VT1導通VT2截止，VT1發(fā)射極電流為被驅(qū)動的MOSFET的輸入電容充電，MOSFET開通。uS為零時晶體管VT2導通VT1截止，MOSFET的輸入電容儲存的電荷通過VT2迅速釋放，使器件關(guān)斷。4/16/202360第六十頁，共74頁。1.5.4場控器件的驅(qū)動電路圖為一種簡單的磁耦合驅(qū)動電路。晶體管VT導通時脈沖變壓器的初級線圈中電流上升，使得次級感應(yīng)出上正下負的電壓，該電壓通過二極管VD1為MOSFET的輸入電容充電，使MOSFET導通。VT關(guān)斷時脈沖變壓器初級的電流下降，次級線圈中感應(yīng)出上負下正的電壓，使MOSFET的輸入電容反向充電，柵-源之間的電壓由正變負，MOSFET關(guān)斷。

VD2為續(xù)流二極管，為晶體管關(guān)斷后線圈中的電流提供通路，該二極管的導通壓降很小，會使線圈電流經(jīng)較長的時間才能衰減到零，為加快電流的衰減速度，可在續(xù)流回路中串聯(lián)一個大小適當?shù)碾娮杌蛞欢〝?shù)值的穩(wěn)壓管。

4/16/202361第六十一頁，共74頁。1.6.1過電壓的保護11.6.2過電流的保護21.6.3MOSFET的柵極保護31.6電力電子器件的保護4/16/202362第六十二頁，共74頁。1.6.1過電壓的保護變壓器一般為降壓型，電源開關(guān)斷開時，初、次級繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當電源合閘時，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過電容加在變壓器次級，使得變壓器次級電壓超出正常值。電源拉閘斷電時也會造成過電壓，在通電的狀態(tài)將電源開關(guān)斷開將使激磁電流從一定的數(shù)值迅速下降到0，因為電壓為Ldi/dt，在電感一定的情況下，電流的變化率越大，產(chǎn)生的過電壓也越大。這個電壓的大小與拉閘瞬間電流的數(shù)值有關(guān)，在正弦電流的最大值時斷開電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過電壓也就越大。

過電壓的產(chǎn)生1.4/16/202363第六十三頁，共74頁。1.6.1過電壓的保護變壓器的負載側(cè)也會出現(xiàn)過電壓。電力電子設(shè)備的負載電路一般都為電感性，如果在電流較大時突然切除負載，電路中會出現(xiàn)過電壓，熔斷器的熔斷也會產(chǎn)生過電壓。另外電力電子器件的換相也會使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過電壓。上述過電壓大都發(fā)生在電路正常工作的狀態(tài)，一般叫做操作過電壓。除此之外，雷電和其它電磁感應(yīng)源也會在電力電子設(shè)備中感應(yīng)出過電壓，這類過電壓發(fā)生的時間和幅度的大小都是沒有規(guī)律的，是難以預(yù)測的。4/16/202364第六十四頁，共74頁。1.6.1過電壓的保護阻容保護過電壓的幅度一般都很大，但是其作用時間一般都很短暫，即過電壓的能量并不是很大的。利用電容兩端的電壓不能突變這一特點，將