第2章-變頻器常用電力電子器件

第二章變頻器常用電力電子器件

2.1功率二極管（D）

功率二極管的內部是P-N或P-I-N結構，圖示為功率二極管的電路符號和外形。

a)b)c)圖2-1功率二極管的符號和外形a)功率二極管的符號b)螺旋式二極管的外形c)平板式二極管的外形《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

2.伏安特性

功率二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關系稱為伏安特性，其伏安特性曲線如圖所示。正向特性：當從零逐漸增大正向電壓時，開始陽極電流很小，當正向電壓大于0.5V時，正向陽極電流急劇上升，管子正向導通。

反向特性：當二極管加上反向電壓時，起始段的反向漏電流也很小，而且隨著反向電壓增加，反向漏電流只略有增大，但當反向電壓增加到反向不重復峰值電壓值時，反向漏電流開始急劇增加。

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2.1.2主要參數

1.額定正向平均電流IF

在規(guī)定的環(huán)境溫度和標準散熱條件下，元件所允許長時間連續(xù)流過50Hz正弦半波的電流平均值。

2.反向重復峰值電壓URRM

在額定結溫條件下，取元件反向伏安特性不重復峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復峰值電壓URRM。

3.正向平均電壓UF

在規(guī)定環(huán)境溫度和標準散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均電流時，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值

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2.1.3功率二極管的選用

1.選擇額定正向平均電流IF

的原則

IDn=1.57IF=(1.5～2)IDM2.選擇額定電壓URRM

的原則

URRM

=（2～3）UDM

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2.1.4功率二極管的分類

功率二極管一般分為三類：(1)標準或慢速恢復二極管；

(2)快速恢復二極管；

(3)自特基二極管?！蹲冾l器原理與應用（第2版）》第2章

2.2晶閘管（SCR）

2.2.1晶閘管的結構晶閘管是四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其內部結構和等效電路如圖所示。

a)b)c)

圖2-3晶閘管的內部結構及等效電路

a)芯片內部結構b)以三個PN結等效c)以互補三極管等效《變頻器原理與應用（第2版）》第2章晶閘管的外形及符號

a)b)c)

圖2-4晶閘管的外形及符號

a)晶閘管的符號b）螺栓式外形b）帶有散熱器平板式外形《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

2.2.2晶閘管的導通和關斷控制晶閘管的導通控制：

在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時在它的門極和陰極間也加正向電壓形成觸發(fā)電流，即可使晶閘管導通。導通的晶閘管的關斷控制：令門極電流為零，且將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下。

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2.2.3晶閘管的陽極伏安特性

晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關系，稱為陽極伏安特性。圖2-5晶閘管的陽極伏安特性

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2.2.4晶閘管的參數

1.正向斷態(tài)重復峰值電壓ＵDRM

2.反向重復峰值電壓ＵRRM

3.通態(tài)平均電壓ＵT(AV)

4.晶閘管的額定電流ＩT(Ａv)

5.維持電流ＩH

6.擎住電流ＩL

《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.2.5晶閘管的門極伏安特性及主要參數

1.門極伏安特性

門極伏安特性是指門極電壓與電流的關系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個PN結，所以電壓與電流的關系和普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特性曲線如圖2-6所示。

圖2-6《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

2.門極主要參數

（1）門極不觸發(fā)電壓ＵGD和門極不觸發(fā)電流ＩGD（2）門極觸發(fā)電壓ＵGT和門極觸發(fā)電流ＩGT（3）門極正向峰值電壓ＵGM、門極正向峰值電流ＩGM和門極峰值功率ＰGM《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

2.2.6晶閘管觸發(fā)電路

1.晶閘管對觸發(fā)電路的要求

①觸發(fā)脈沖應具有足夠的功率和一定的寬度；②觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步；③觸發(fā)脈沖的移相范圍應滿足變流裝置提出的要求。2.觸發(fā)電路的分類

依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質可分為模擬式、數字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。

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2.觸發(fā)電路的分類

觸發(fā)電路可按不同的方式分類，依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質可分為模擬式、數字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。

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2.2.7晶閘管的保護

1.晶閘管的過電流保護

1)快速熔斷器保護(見下圖）2）過電流繼電器保護。過電流繼電器可安裝在交流側或直流側。3）限流與脈沖移相保護?！蹲冾l器原理與應用（第2版）》第2章2.晶閘管過電壓保護

晶閘管過電壓產生的原因主要有：關斷過電壓、操作過電壓和浪涌過電壓等。對過電壓的保護方式主要是接入阻容吸收電路、硒堆或壓敏電阻等。圖2-8為交流側接入阻容吸收電路的幾種方法。硒堆或壓敏電阻的聯結方法與此相同?！蹲冾l器原理與應用（第2版）》第2章交流側接入阻容吸收電路的幾種方法

圖2-8

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2.3門極可關斷晶閘管（GTO）

2.3.1GTO的結構

GTO的結構也是四層三端器件

a)

b)

圖2-9GTO的結構與符號

a)GTO的結構剖面b)圖形符號《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.3.2GTO的主要參數1.最大可關斷陽極電流ＩＡTO

通常將最大可關斷陽極電流ＩＡTO作為GTO的額定電流。2.關斷增益βoff

關斷增益βoff為最大可關斷陽極電流ＩATO與門極負電流最大值ＩGM之比，其表達式為

βoff＝ＩATO/│ＩGM│

βoff比晶體管的電流放大系數β小得多，一般只有５左右。

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2.3.3GTO的門極控制

GTO橋式門極驅動電路的工作原理是：當V1與V2飽和導通時，形成門極正向觸發(fā)電流，使GTO導通；當觸發(fā)VT1、VT2這兩只普通晶閘管導通時，形成較大的門極反向電流，使GTO關斷。

GTO橋式門極驅動電路

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2.3.4GTO的緩沖電路

圖2-13GTO斬波器及其保護電路圖中R、L為負載，VD為續(xù)流二極管，LA是GTO導通瞬間限制di／dt的電感。RsCs和VDs組成了緩沖電路。GTO的陽極電路串聯一定數值的電感LＡ來限制di／dt?！蹲冾l器原理與應用（第2版）》第2章

2.4功率晶體管（GTR）2.4.1GTR的結構a)b)c)圖2-14GTR摸塊a)GTR的結構示意圖b)GTR摸塊的外形c)GTR摸塊的等效電路《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

2.4.2GTR的參數

(1)UCEO：既基極開路CE間能承受的電壓。

(2)最大電流額定值ICM：

(3)最大功耗額定值PCM

（4）開通時間ton：包括延遲時間td和上升時間tr。（5）關斷時間ｔoff：包括存儲時間ｔs和下降時間ｔf

。《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.4.3二次擊穿現象當集電極電壓UCE逐漸增加，到達某一數值時，如上述UCEO，IC劇增加，出現擊穿現象。首先出現的擊穿現象稱為一次擊穿，這種擊穿是正常的雪崩擊穿。這一擊穿可用外接串聯電阻的辦法加以控制，只要適當限制晶體管的電流(或功耗)，流過結的反向電流不會太大，進入擊穿區(qū)的時間不長，一次擊穿具有可逆性，一般不會引起晶體管的特性變壞。但是，一次擊穿出現后若繼續(xù)增大偏壓UCE，而外接限流電阻又不變，反向電流IC將繼續(xù)增大，此時若GTR仍在工作，GTR的工作狀態(tài)將迅速出現大電流，并在極短的時間內，使器件內出現明顯的電流集中和過熱點。電流急劇增長，此現象便稱為二次擊穿。一旦發(fā)生二次擊穿，輕者使GTR電壓降低、特性變差，重者使集電結和發(fā)射結熔通，使晶體管受到永久性損壞?！蹲冾l器原理與應用（第2版）》第2章2.4.4GTR的驅動電路

抗飽和恒流驅動電路

圖2-16抗飽和恒流驅動電路《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.4.5GTR的緩沖電路緩沖電路也稱為吸收電路，它是指在GTR電極上附加的電路，通常由電阻、電容、電感及二極管組成，如圖2-17所示為緩沖電路之一。

圖2-17GTR的緩沖電路《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.5功率場效應晶體管（P-MOSFET）

2.5.1功率場效應管的結構

a)b)

圖2-18P-MOSFET的結構與符號a)P-MOSFET的結構b)P-MOSFET符號

《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

2.5.2P-MOSFET的工作原理當漏極接電源正極，源極接電源負極，柵源之間電壓為零或為負時，Ｐ型區(qū)和Ｎ-型漂移區(qū)之間的ＰＮ結反向，漏源之間無電流流過。如果在柵極和源極加正向電壓UGS，不會有柵流。但柵極的正電壓所形成電場的感應作用卻會將其下面Ｐ型區(qū)中的少數載流子電子吸引到柵極下面的Ｐ型區(qū)表面。當UGS大于某一電壓值UT時，柵極下面Ｐ型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使Ｐ型半導體反型成Ｎ型半導體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID。電壓UT稱為開啟電壓，UGS超過UT越多，導電能力越強。漏極電流ID越大?！蹲冾l器原理與應用（第2版）》第2章

2.5.3P-MOSFET的特性１.轉移特性２．輸出特性《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

３.開關特性３.開關特性《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.5.4P-MOSFET的主要參數

1.漏源擊穿電壓BUDS

2.漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM

3.柵源擊穿電壓BUGS

4.開啟電壓UT

5.極間電容

6.通態(tài)電阻Ron

《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.5.5Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的柵極驅動

1）觸發(fā)脈沖的前后沿要陡峭，觸發(fā)脈沖的電壓幅值要高于器件的開啟電壓，以保證Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的可靠觸發(fā)導通。2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關斷時為柵極電容提供低電阻放電回路，減小柵極電容的充放電時間常數，提高Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的開關速度。3）Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ開關時所需的驅動電流為柵極電容的充放電流。Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的極間電容越大，所需的驅動電流也越大。為了使開關波形具有足夠的上升和下降陡度，驅動電流要具有較大的數值。《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.5.6P-ＭＯＳＦＥＴ的保護

1.工作保護

柵源過電壓的保護

漏源過電壓的保護

過電流保護

2.靜電保護

器件應存放在抗靜電包裝袋、金屬容器或導電材料包裝袋中，工作人員取用器件時，必須使用腕帶良好接地，且應拿器件管殼，不要拿引線；安裝時，工作臺和電烙鐵應良好接地；測試時，測量儀器和工作臺要良好接地，器件的三個電極必須都接入測試儀器或電路，才能施加電壓。改換測試時，電壓和電流要先恢復到零。

《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.6絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

2.6.1IGBT的結構a)b)c)d)

圖2-24IGBT結構示意圖、電路符號和等效電路a)IGBT模塊b)IGBT結構示意圖c)電路符號d)等效電路《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.6.2IGBT的基本特性

1)傳輸特性2)輸出特性

《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.6.3IGBT的主要參數

1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES

2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES

3)額定集電極電流IC，

4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat)

5)開關頻率《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.6.4IGBT的驅動電路

1)驅動電路與IGBT的連線要盡量短。2)用內阻小的驅動源對柵極電容充放電。3)驅動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。4)驅動電平+UGE的選擇必須綜合考慮。5)在關斷過程中，應施加一負偏壓UGE。6)在大電感負載下，IGBT的開關時間不能太短，以確保IGBT的安全。

7)驅動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離。

《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.7集成門極換流晶閘管（IGCT）

2.7.1IGCT的結構與工作原理1.結構

a）b）圖2-25

GTO、GCT的結構圖圖2-26IGCT的符號a）GTO的結構圖b）GCT的結構圖《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.IGCT的工作原理

IGCT的導通原理與GTO完全一樣，但關斷原理與GTO完全不同，在GCT的關斷過程中，GCT能瞬間從導通轉到阻斷狀態(tài)，變成一個PNP晶體管以后再關斷，所以它不受外加電壓變化率du/dt限制；而GTO必須經過一個既非導通又非關斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉換，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制外加電壓變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下GCT的等效電路可認為是一個基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯電路。

《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.7.2IGCT的特點

（1）緩沖層（2）透明陽極（3）逆導技術（4）門極驅動技術《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.8智能功率模塊(1PM)

2.8.1IPM的結構

IPM智能功率模塊內部基本結構圖

《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.8.2IPM的主要特點

IPM內含驅動電路，可以按最佳的IGBT驅動條件進行設定；IPM內含過流（OC）保護、短路（SC）保護，使檢測功耗小、靈敏、準確；IPM內含欠電壓（UV）保護，當控制電源電壓小于規(guī)定值時進行保護；IPM內含過熱（OH）保護，可以防止IGBT和續(xù)流二極管過熱，在IGBT內部的絕緣基板上設有溫度檢測元件，結溫過高時即輸出報警（ALM）信號，該信號送給變頻器的單片機，使系統(tǒng)顯示故障信息并停止工作。IPM還內含制動電路，用戶如有制動要求可另購選件，在外電路規(guī)定端子上接制動電阻，即可實現制動?！蹲冾l器原理與應用（第2版）》第2章2.8.3IPM選擇注意事項

（1）采用光電耦合器由于IPM驅動電路要求信號傳輸延遲時間不應超過0.5μs，因而器件只能采用快速光電耦合器，可選用邏輯門光電耦