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(yè)，共74頁(yè)。0.1電力電子學(xué)科的性質(zhì)0.2電力電子技術(shù)簡(jiǎn)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(yè)，共74頁(yè)。電力電子技術(shù)研究用電子技術(shù)對(duì)能量的形式進(jìn)行變換。電力電子技術(shù)是一門邊緣學(xué)科。橫跨電力工程、電子技術(shù)和自動(dòng)控制三大領(lǐng)域。0.1電力電子技術(shù)學(xué)科的性質(zhì)4/16/20233第三頁(yè)，共74頁(yè)。

80年代則有了另一個(gè)功率器件：絕緣柵雙極晶閘管（IGBT）。接著開(kāi)發(fā)的是場(chǎng)控晶閘管（MCT）。0.2電力電子技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史電力電子技術(shù)早在1900年初就已出現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)很雜亂，不能稱為真正的學(xué)科。1956年，美國(guó)貝爾電話公司的John.mell制造出世界上第一個(gè)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(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）。4/16/20234第四頁(yè)，共74頁(yè)。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(guò)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(duì)直流電壓的大小進(jìn)行變換，稱為斬波。5.無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)。4/16/20235第五頁(yè)，共74頁(yè)。0.4電力電子技術(shù)的應(yīng)用礦業(yè)開(kāi)發(fā)工業(yè)控制電力機(jī)車直流輸電軍事家用電器農(nóng)業(yè)生產(chǎn)文化娛樂(lè)辦公自動(dòng)化機(jī)器人4/16/20236第六頁(yè)，共74頁(yè)。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(dòng)61.6電力電子器件的保護(hù)71.7電力電子器件的緩沖電路4/16/20237第七頁(yè)，共74頁(yè)。電力電子器件的種類4/16/20238第八頁(yè)，共74頁(yè)。各類電力電子器件的應(yīng)用范圍4/16/20239第九頁(yè)，共74頁(yè)。1.1單向?qū)щ娖骷缙诘钠骷缯婵盏碾娮佣O管、充有某種氣體的離子管以及水銀整流器。也出現(xiàn)過(guò)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(jī)組。早期的單向?qū)щ娖骷鲜銎骷加泻車?yán)重的缺陷。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(jī)組工作時(shí)伴隨著機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)了噪聲、振動(dòng)、摩擦等問(wèn)題，使得效率降低，維修量大。4/16/202310第十頁(yè)，共74頁(yè)。功率二極管的工作頻率有很大的差別，使用時(shí)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(xiàng)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(shí)值。如一個(gè)二極管兩端加220V的正弦電壓，其有效值為220V，但其最大瞬時(shí)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(yè)，共74頁(yè)。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(guó)產(chǎn)晶閘管的型號(hào)44/16/202312第十二頁(yè)，共74頁(yè)。晶閘管的外形和電路符號(hào)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(yè)，共74頁(yè)。晶閘管可以等效成2個(gè)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(yè)，共74頁(yè)。要使晶閘管從阻斷態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通態(tài)，必須同時(shí)滿足以下條件：1.陽(yáng)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(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)，需滿足以下條件之一：1.使陽(yáng)極電流接近0，IA=0。2.在陽(yáng)極與陰極之間加反向電壓，UAK<0。實(shí)驗(yàn)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(yè)，共74頁(yè)。晶閘管的陽(yáng)極特性曲線1.在無(wú)門極電流時(shí)，當(dāng)A-K之間加正向電壓，陽(yáng)極只有很小的漏電流。2.當(dāng)陽(yáng)極電壓增大到一定值時(shí)，器件會(huì)從阻斷態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通態(tài)，稱為“硬開(kāi)通”。3.A-K之間加反向電壓，會(huì)出現(xiàn)很小的反向漏電流，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“擊穿”。1.2.2晶閘管的特性4/16/202316第十六頁(yè)，共74頁(yè)。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——電壓參數(shù)斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM和斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM這一參數(shù)用來(lái)衡量晶閘管對(duì)正向電壓的耐受能力。當(dāng)正向電壓高至UBO時(shí)，即使沒(méi)有門極電流晶閘管也會(huì)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，在工程應(yīng)用中這是不允許的。實(shí)際上，在電壓接近UBO時(shí)，陽(yáng)極電流就開(kāi)始增大，這一點(diǎn)就是不重復(fù)峰值電壓UDSM。由于普通型晶閘管多用于50Hz的交流電，重復(fù)峰值電壓UDRM是針對(duì)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(yè)，共74頁(yè)。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——電壓參數(shù)反向不重復(fù)峰值電壓URSM和反向重復(fù)峰值電壓URRM這一參數(shù)用來(lái)衡量晶閘管的反向電壓的耐受能力。當(dāng)反向電壓高至UBR時(shí)，晶閘管會(huì)進(jìn)入擊穿狀態(tài)，在電壓接近UBR時(shí)，陽(yáng)極電流就開(kāi)始增大，這一點(diǎn)就是不重復(fù)峰值電壓URSM。同樣，反向重復(fù)峰值電壓URRM是針對(duì)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(yè)，共74頁(yè)。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(dāng)電流為額定通態(tài)平均電流時(shí)，陽(yáng)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(yè)，共74頁(yè)。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——電流參數(shù)晶閘管允許通過(guò)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(wú)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(duì)電流作以下處理：設(shè)允許通過(guò)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(guò)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(shí)際通過(guò)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(yè)，共74頁(yè)。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(dǎo)通狀態(tài)的最小陽(yáng)極電流，如果IA<IH，則晶閘管關(guān)斷。

在晶閘管開(kāi)通過(guò)程中，陽(yáng)極電流必須大于某一數(shù)值才能夠真正進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)若門極電流消失，晶閘管仍能保持導(dǎo)通狀態(tài)，這個(gè)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(yè)，共74頁(yè)。1.1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——?jiǎng)討B(tài)參數(shù)從在陽(yáng)極和陰極之間加反向電壓到晶閘管真正恢復(fù)阻斷能力所需要的時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間tq。欲使晶閘管可靠地關(guān)斷，陽(yáng)極和陰極之間的反向電壓的持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于tq。開(kāi)通時(shí)間tgt晶閘管從門極得到正電壓到真正進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)需要一定的時(shí)間，這一時(shí)間稱為開(kāi)通時(shí)間tgt，這一過(guò)程包括兩個(gè)部分，延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。td階段對(duì)應(yīng)晶閘管內(nèi)部的兩個(gè)等效晶體管正反饋建立的過(guò)程，此階段IA上升緩慢；tr對(duì)應(yīng)正反饋建立后IA上升的過(guò)程。為可靠地開(kāi)通晶閘管，門極控制電壓作用的時(shí)間不應(yīng)小于tgt。2.關(guān)斷時(shí)間tq4/16/202322第二十二頁(yè)，共74頁(yè)。1.2.3晶閘管的主要參數(shù)——?jiǎng)討B(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(huì)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(guò)大將會(huì)起到類似于觸發(fā)電流的作用，引起兩個(gè)晶閘管的正反饋，使晶閘管誤導(dǎo)通。所以要對(duì)du/dt進(jìn)行限制。晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)的過(guò)程中，陽(yáng)極首先從門極附近的一個(gè)小區(qū)域開(kāi)始導(dǎo)電，該區(qū)域逐漸擴(kuò)大，最終擴(kuò)展到整個(gè)陽(yáng)極。如果電流上升地過(guò)快，將使門極附近的導(dǎo)電區(qū)域電流密度過(guò)大，此時(shí)雖陽(yáng)極電流并未超過(guò)規(guī)定值，但導(dǎo)電區(qū)域會(huì)由于過(guò)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(yè)，共74頁(yè)。1.2.4國(guó)產(chǎn)晶閘管的型號(hào)D為D級(jí)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?jǐn)?shù)字漢語(yǔ)拼音漢語(yǔ)拼音符號(hào)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(jí)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(yè)，共74頁(yè)。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(chǎng)效應(yīng)管MOSFET31.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT44/16/202325第二十五頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.1可關(guān)斷晶閘管GTO——外形與電路符號(hào)GTO的外形電路符號(hào)4/16/202326第二十六頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.1可關(guān)斷晶閘管GTO——主要參數(shù)可以通過(guò)門極進(jìn)行關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流，當(dāng)陽(yáng)極電流超過(guò)IAT0時(shí)，門極則無(wú)力通過(guò)IG將GTO關(guān)斷。GTO的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)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(guò)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(duì)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(yáng)極電流IAT04/16/202327第二十七頁(yè)，共74頁(yè)。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(shuō)，要想關(guān)斷GTO，所要求的門極負(fù)電流的幅度也是很大的。如βOFF=5，GTO的陽(yáng)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(guò)門極反向電流進(jìn)行可控關(guān)斷，但其技術(shù)實(shí)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(fù)脈沖電流IGRM2電流關(guān)斷增益βOFF34/16/202328第二十八頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.2功率晶體管GTR——外形與電路符號(hào)電路符號(hào)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(gè)P-N結(jié)，引出三個(gè)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(yè)，共74頁(yè)。1.3.2功率晶體管GTR——開(kāi)關(guān)過(guò)程關(guān)斷過(guò)程從開(kāi)始施加反向基極電流到集電極電流開(kāi)始下降（下降到90%ICO）對(duì)應(yīng)的時(shí)間叫做存儲(chǔ)時(shí)間ts。接著是下降時(shí)間tf，定義為集電極電流從90%ICO下降到10%ICO對(duì)應(yīng)的時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf。

開(kāi)通過(guò)程GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在飽和區(qū)和截止區(qū)之間相互切換。在剛開(kāi)始施加基極電流的一段時(shí)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(shí)間為延遲時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)間叫做上升時(shí)間tr。開(kāi)通時(shí)間ton=td+tr。4/16/202330第三十頁(yè)，共74頁(yè)。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(guò)的電流瞬時(shí)值。PCM：一定管殼溫度下集電極最大允許功耗，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的技術(shù)參數(shù)中PCM與管殼溫度必須同時(shí)標(biāo)出。BUCB0，發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極與基極之間的擊穿電壓；BUCE0，基極開(kāi)路時(shí)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(shí)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(shí)集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓；BUCEX，發(fā)射結(jié)反偏時(shí)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(yè)，共74頁(yè)。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(shí)IC超過(guò)一定的數(shù)值，使器件發(fā)熱嚴(yán)重，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)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(huì)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(gè)條件的限制，不超過(guò)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(yè)，共74頁(yè)。1.3.3功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET——外型和電路符號(hào)電路符號(hào)外型4/16/202333第三十三頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.3功率場(chǎng)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(gè)個(gè)孤立的“小島”，漏極在器件的下部（所以叫垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)），漏極連接的N型材料形成一個(gè)“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(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度，載流子通過(guò)導(dǎo)電溝道后做垂直方向的運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)更大的電流。4/16/202334第三十四頁(yè)，共74頁(yè)。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(gè)P-N結(jié)，由于其阻擋作用無(wú)論源漏之間的電壓方向如何都會(huì)有一個(gè)P-N結(jié)反偏，不可能有電流通過(guò)，器件處于阻斷狀態(tài)。如果柵極加正電壓，由于電場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(lái)，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(fù)，電流可以從漏極的N區(qū)通過(guò)P區(qū)的反型層到達(dá)源極的N區(qū)，器件導(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)管MOSFET——工作原理4/16/202335第三十五頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.3功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET——靜態(tài)特性圖中Uth稱為開(kāi)啟電壓或門檻電壓，如果UGS<Uth，漏極電流為0。UGS>Uth后開(kāi)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?yàn)镸OSFET沒(méi)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(guò)改變柵極電壓的大小可以控制VDMOSFET的漏極電流（輸出電流）?？梢酝ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)移特性曲線描述柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力。4/16/202336第三十六頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.3功率場(chǎng)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(jiàn)，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(gè)區(qū)域：（1）當(dāng)UGS≤Uth時(shí)為截止區(qū)，漏極電流極小。（2）在UGS>Uth但UDS很小的一個(gè)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(dāng)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(yè)，共74頁(yè)。1.3.3功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET——?jiǎng)討B(tài)特性在開(kāi)通過(guò)程中，當(dāng)G-S之間的電壓uGS上升到MOSFET的開(kāi)啟電壓Uth時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)漏極電流iD，此后iD隨uGS的增大而增大，直至達(dá)到穩(wěn)定值。從驅(qū)動(dòng)信號(hào)源出現(xiàn)電壓到漏極出現(xiàn)電流這段時(shí)間叫做開(kāi)通延遲時(shí)間td，從漏極出現(xiàn)電流到iD達(dá)到穩(wěn)定值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為上升時(shí)間tr，兩者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。在關(guān)斷過(guò)程中，首先驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的電壓下降到0（或負(fù)值），G-S之間的電容通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻放電，開(kāi)始的一段時(shí)間漏極電流并沒(méi)有變化，這段時(shí)間叫做關(guān)斷延遲時(shí)間ts。之后，iD開(kāi)始下降，當(dāng)uGS≤UT時(shí)，iD下降到0，此過(guò)程對(duì)應(yīng)的時(shí)間為下降時(shí)間tf。關(guān)斷時(shí)間toff定義為4/16/202338第三十八頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.3功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET——SOA在UDS較小的范圍內(nèi)，UDS越小D-S之間的導(dǎo)通電阻Ron越大，同樣電流下發(fā)熱越嚴(yán)重，所以在漏極電流較小的情況下，允許通過(guò)的電流隨UDS的減小而減小（如圖中左端的斜線）。當(dāng)UDS大到一定程度，Ron變得很小，允許通過(guò)的電流只受最大漏極電流IDM的約束。但在UDS比較大時(shí)，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(yùn)行時(shí)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(méi)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(duì)數(shù)坐標(biāo)，所以功率曲線為直線。4/16/202339第三十九頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——外形與電路符號(hào)電路符號(hào)集電極C發(fā)射極E柵極GIGBT模塊的外形4/16/202340第四十頁(yè)，共74頁(yè)。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(guò)一個(gè)PN結(jié)在IGBT導(dǎo)通時(shí)這個(gè)PN結(jié)為正偏，P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散空穴，提高電導(dǎo)率。

4/16/202341第四十一頁(yè)，共74頁(yè)。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(guò)改變柵極G和發(fā)射極E之間的電壓來(lái)控制集電極電流IC的大小，柵極也沒(méi)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(shí)沒(méi)有集電極電流。當(dāng)uGE達(dá)到開(kāi)啟電壓Uth時(shí)，開(kāi)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(gè)電壓控制型器件，這一點(diǎn)與MOSFET類似。4/16/202342第四十二頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——靜態(tài)特性在uCE很小時(shí)，IC隨uCE的增大而迅速上升，這個(gè)區(qū)域稱為線性導(dǎo)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?yàn)楹懔黠柡蛥^(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(jìn)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(gè)固定的uGE值確定。4/16/202343第四十三頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——?jiǎng)討B(tài)特性IGBT在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中集電極電流iC與柵極電壓之間也存在著一定的延時(shí)。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(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為開(kāi)通延遲時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)間為上升時(shí)間tr；開(kāi)通時(shí)間ton：ton=td+tr。把從uCE下降到原來(lái)的90%到iC下降到穩(wěn)態(tài)值的90%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為關(guān)斷延遲時(shí)間ts，iC從穩(wěn)態(tài)值的90%下降到穩(wěn)態(tài)值的10%對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf。4/16/202344第四十四頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.4絕緣柵雙極型晶體管IGBT——?jiǎng)討B(tài)特性在IGBT中，除有一個(gè)PNP型三極管外，還存在著一個(gè)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(lái)等效。在NPN型三極管（圖中的V2）的B-E之間有一個(gè)與之并聯(lián)的擴(kuò)展電阻Rbr，IGBT工作時(shí)電流會(huì)流過(guò)這個(gè)電阻產(chǎn)生壓降，相當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)通。V2一旦導(dǎo)通，就會(huì)與PNP型三極管形成正反饋，兩個(gè)晶體管很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)V1、V2實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)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(yè)，共74頁(yè)。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(biāo)軸圍成，如圖所示（圖的橫軸為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，所以功率曲線為直線）。IGBT的SOA4/16/202346第四十六頁(yè)，共74頁(yè)。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(yè)，共74頁(yè)。1.4.1靜電感應(yīng)晶體管SIT當(dāng)UGS=0，上述PN結(jié)兩側(cè)的這個(gè)耗盡區(qū)不大，尚沒(méi)有連接起來(lái)，此時(shí)如果在D-S間加以電壓，會(huì)有電流在D-S極之間流動(dòng)。如果使UGS<0（S接正G接負(fù)），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(dǎo)電溝道會(huì)變窄，同樣漏-源極電壓下漏極電流會(huì)減小。因此可以通過(guò)改變UGS來(lái)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(chǎng)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(hào)如圖（b），有三個(gè)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(gè)耗盡區(qū)，里面沒(méi)有載流子，不能導(dǎo)電。4/16/202348第四十八頁(yè)，共74頁(yè)。1.4.2靜電感應(yīng)晶閘管SIThSITh的結(jié)構(gòu)如圖（a），電路符號(hào)如圖（b）。從圖中可以看出，SITh相當(dāng)于在SIT的基礎(chǔ)上增加了最下面一層P型材料，形成一個(gè)PN結(jié)J2，具有了單向?qū)щ娦?。在UGK=0時(shí)，J1兩側(cè)不導(dǎo)電的耗盡區(qū)較薄，中間的N型材料留有一個(gè)導(dǎo)電溝道，電流可以從陽(yáng)極流向陰極。當(dāng)在柵極和陰極之間施以負(fù)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(lái)，阻斷了電流，器件關(guān)斷。4/16/202349第四十九頁(yè)，共74頁(yè)。1.4.3MOS控制晶閘管MCTMCT的內(nèi)部有一個(gè)PNP型晶體管V1和一個(gè)NPN型晶體管V2，兩個(gè)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(gè)出現(xiàn)導(dǎo)通電流則在兩管之間形成正反饋使兩個(gè)晶體管均迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)。在MCT中還有一個(gè)P溝道場(chǎng)效應(yīng)管ON-FET和一個(gè)N溝道場(chǎng)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(hào)如圖（b）所示。MCT三個(gè)電極分別為陽(yáng)極A、陰極K、柵極G。4/16/202350第五十頁(yè)，共74頁(yè)。1.5電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.5.1晶閘管驅(qū)動(dòng)電路11.5.2GTO驅(qū)動(dòng)電路21.5.3GTR驅(qū)動(dòng)電路31.5.4場(chǎng)控器件的驅(qū)動(dòng)電路44/16/202351第五十一頁(yè)，共74頁(yè)。1.5.1晶閘管的驅(qū)動(dòng)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(hào)相當(dāng)于給這個(gè)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(dǎo)致設(shè)計(jì)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(shí)很大，有時(shí)又會(huì)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(biāo)在UGK-IG平面，作為其門極伏安特性。驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dǎo)通，門極電壓和門極電流要具有一定的強(qiáng)度，手冊(cè)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(yè)，共74頁(yè)。1.5.1晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路——強(qiáng)觸發(fā)希望觸發(fā)電流IG有以下特點(diǎn)：脈沖前沿陡峭，并且脈沖剛開(kāi)始的一段時(shí)間有較大的幅度，這樣有利于晶閘管的快速開(kāi)通；隨后IG下降到一個(gè)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(dòng)電路的功耗。另外，由于晶閘管的陰極與強(qiáng)電回路連接，電壓很高，而驅(qū)動(dòng)電路為電壓很低的電子線路，一般要將兩者進(jìn)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(yè)，共74頁(yè)。1.5.2GTO的驅(qū)動(dòng)電路——要求對(duì)觸發(fā)電流的波形的要求：開(kāi)通時(shí)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(kāi)通門極電流要具有一定的幅度，剛開(kāi)始的強(qiáng)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(kāi)通時(shí)間。脈沖要有一定的寬度，對(duì)于開(kāi)通正脈沖，其持續(xù)時(shí)間要為GTO開(kāi)通時(shí)間的數(shù)倍以上，如果負(fù)載為電感性，開(kāi)通正脈沖的持續(xù)時(shí)間要大于陽(yáng)極電流建立的時(shí)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(yáng)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(yè)，共74頁(yè)。1.5.2GTO的驅(qū)動(dòng)電路——驅(qū)動(dòng)電路GTO的驅(qū)動(dòng)波形單電源驅(qū)動(dòng)電路雙電源驅(qū)動(dòng)電路4/16/202355第五十五頁(yè)，共74頁(yè)。1.5.3GTR的驅(qū)動(dòng)電路——要求對(duì)GTR取得的要求：在使GTR從阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通過(guò)程中，IB的幅度要足夠大，以使得GTR盡快導(dǎo)通并進(jìn)入飽和狀態(tài)，這樣可以減少GTR的開(kāi)通損耗。GTR已經(jīng)導(dǎo)通，必須有一定的基極電流來(lái)維持，這個(gè)電流必須GTR工作在飽和狀態(tài)，但又不能過(guò)大使GTR進(jìn)入深度飽和，以免增加關(guān)斷GTR的難度，同時(shí)基極電流過(guò)大也會(huì)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(guò)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(dāng)GTR處于阻斷狀態(tài)時(shí)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(dǎo)通。4/16/202356第五十六頁(yè)，共74頁(yè)。1.5.3GTR的驅(qū)動(dòng)電路——驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路舉例4/16/202357第五十七頁(yè)，共74頁(yè)。如果二極管參數(shù)相等，其導(dǎo)通壓降均為UD，則UCE=UBE+UD，說(shuō)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(shí)GTR處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)。1.5.3GTR的驅(qū)動(dòng)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(yè)，共74頁(yè)。1.5.4場(chǎng)控器件的驅(qū)動(dòng)電路場(chǎng)控型（電壓控制型）電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。由于柵極和源極之間是絕緣的，所以在器件導(dǎo)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(gè)柵極電壓。但是器件的各電極之間都存在著電容，從驅(qū)動(dòng)的輸入端看相當(dāng)于一個(gè)電容網(wǎng)絡(luò)，因此驅(qū)動(dòng)電壓的變化將產(chǎn)生電容充放電電流，充放電時(shí)間常數(shù)影響柵極電壓變化的速率，進(jìn)而影響器件的開(kāi)關(guān)速度。時(shí)間常數(shù)越大，充放電時(shí)間就越長(zhǎng)。為了減小時(shí)間常數(shù)，要求驅(qū)動(dòng)回路的電阻盡可能小。初學(xué)者容易忽視的一個(gè)問(wèn)題是，欲使場(chǎng)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(jiǎn)單地撤掉柵源之間的正向驅(qū)動(dòng)電壓而使柵-源之間開(kāi)路。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求4/16/202359第五十九頁(yè)，共74頁(yè)。1.5.4場(chǎng)控器件的驅(qū)動(dòng)電路圖為單管驅(qū)動(dòng)電路，圖中uS為驅(qū)動(dòng)信號(hào)源，uS為正時(shí)晶體管VT導(dǎo)通，其發(fā)射極電流為被驅(qū)動(dòng)的MOSFET的輸入電容充電，使柵極電位迅速上升，MOSFET開(kāi)通。uS為0時(shí)VT截止，MOSFET柵-源之間儲(chǔ)存的電荷經(jīng)VD、信號(hào)源放電，使MOSFET關(guān)斷。圖為推挽式驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)uS為正時(shí)晶體管VT1導(dǎo)通VT2截止，VT1發(fā)射極電流為被驅(qū)動(dòng)的MOSFET的輸入電容充電，MOSFET開(kāi)通。uS為零時(shí)晶體管VT2導(dǎo)通VT1截止，MOSFET的輸入電容儲(chǔ)存的電荷通過(guò)VT2迅速釋放，使器件關(guān)斷。4/16/202360第六十頁(yè)，共74頁(yè)。1.5.4場(chǎng)控器件的驅(qū)動(dòng)電路圖為一種簡(jiǎn)單的磁耦合驅(qū)動(dòng)電路。晶體管VT導(dǎo)通時(shí)脈沖變壓器的初級(jí)線圈中電流上升，使得次級(jí)感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓，該電壓通過(guò)二極管VD1為MOSFET的輸入電容充電，使MOSFET導(dǎo)通。VT關(guān)斷時(shí)脈沖變壓器初級(jí)的電流下降，次級(jí)線圈中感應(yīng)出上負(fù)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(fù)，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(dǎo)通壓降很小，會(huì)使線圈電流經(jīng)較長(zhǎng)的時(shí)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(gè)大小適當(dāng)?shù)碾娮杌蛞欢〝?shù)值的穩(wěn)壓管。

4/16/202361第六十一頁(yè)，共74頁(yè)。1.6.1過(guò)電壓的保護(hù)11.6.2過(guò)電流的保護(hù)21.6.3MOSFET的柵極保護(hù)31.6電力電子器件的保護(hù)4/16/202362第六十二頁(yè)，共74頁(yè)。1.6.1過(guò)電壓的保護(hù)變壓器一般為降壓型，電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，初、次級(jí)繞組均無(wú)電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當(dāng)電源合閘時(shí)，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過(guò)電容加在變壓器次級(jí)，使得變壓器次級(jí)電壓超出正常值。電源拉閘斷電時(shí)也會(huì)造成過(guò)電壓，在通電的狀態(tài)將電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)將使激磁電流從一定的數(shù)值迅速下降到0，因?yàn)殡妷簽長(zhǎng)di/dt，在電感一定的情況下，電流的變化率越大，產(chǎn)生的過(guò)電壓也越大。這個(gè)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(shí)斷開(kāi)電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過(guò)電壓也就越大。

過(guò)電壓的產(chǎn)生1.4/16/202363第六十三頁(yè)，共74頁(yè)。1.6.1過(guò)電壓的保護(hù)變壓器的負(fù)載側(cè)也會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓。電力電子設(shè)備的負(fù)載電路一般都為電感性，如果在電流較大時(shí)突然切除負(fù)載，電路中會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓，熔斷器的熔斷也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。另外電力電子器件的換相也會(huì)使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過(guò)電壓。上述過(guò)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(guò)電壓。除此之外，雷電和其它電磁感應(yīng)源也會(huì)在電力電子設(shè)備中感應(yīng)出過(guò)電壓，這類過(guò)電壓發(fā)生的時(shí)間和幅度的大小都是沒(méi)有規(guī)律的，是難以預(yù)測(cè)的。4/16/202364第六十四頁(yè)，共74頁(yè)。1.6.1過(guò)電壓的保護(hù)阻容保護(hù)過(guò)電壓的幅度一般都很大，但是其作用時(shí)間一般都很短暫，即過(guò)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(diǎn)，將