电力电子技术 第1章 电力电子器件.pdf

电力电子技术第1章电力电子器件上海电力学院电子教研室电力电子技术第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特征同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征:电功率大小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都 远大于处理信息的电子器件工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路,管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电 流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定作电路分析时，为简单起见往 往用理想开关来代替22008-5-14电力电子技术第1章 电力电子器件 1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特征(3)需要由信息电子电路来控制为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在 器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 3电力电子技术第1章 电力电子器件 1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗包括:导通时器件上有-定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流器件功率损耗 的主要成因 断态漏电流极小，开通损耗和关断损耗的总称器件开通或关断的转换过程中产生对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也 是造成器件发热的原因之一器件开关频率 较高时，开关损 耗会随之增大可能 成为器件功率 损耗的主要因 素2008-5-14上海电力学院电子技术教研室4电力电子技术第1章 电力电子器件 1.1电力电子器件概述1.1.3电力电子器件的分类按照器件受控的程度，分为以下三类：(1)半控型器件通过控制信号可以控制其导通而A 不能控制其关断晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件关断由其在主电路中承受 的电压和电流决定(2)全控型器件通过控制信号既可控制其导通 又可控制其关断，又称自关断器件0绝缘栅双极晶体管(IGBT)0电力场效应晶体管(Power MOSFET,简称为电力MOSFET)0 门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor GTO)2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 5电力电子技术第1章 电力电子器件 1.1电力电子器件概述1.1.3电力电子器件的分类(3)不骤器件不能用控制信号来控制其通断，_ _因此也就不需要驱动电路电力二极管、(Power Diode)按照驱动信号的性质，分为两类：0电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通 或者关断的控制0电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的 电压信号就可实现导通或者关断的控制(又称为场控器件，或场效应器件)2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 6电力电子技术第1章 电力电子器件 1.1电力电子器件概述1.1.3电力电子器件的分类按照器件内部参与导电的载流子情况分为三类：0单极型器件由一种载流子参与导电的器件0双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的 器件2008-5-14上海电力学院电子技术教研室7电力电子技术第1章 电力电子器件 1.1电力电子器件概述1.1.4本章内容和学习要点0各种器件的工作原理、基本特性、主要参数/一国0器件选择和使用中应注意的一些问题，0电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 8电力电子技术第1章 电力电子器件1.2不可控器件电力二极管结构和原理简单，工作可靠，自 20世纪50年我初期就获得应用尤其快恢复二极管、肖特基二极管，分别在中、IWJ频整流和逆 变，以及低压高频整流的 场合，具有不可替代的地基本结构和工作原理与信息 电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础图1-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a 外形b 结构c 电气图形符号2008-5-14上海电力学院电子技术教研室电力电子技术第1章电力电子器件 1.2不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理内电场。0 Q QPN结的正向导通状态导通压降1V左右，表现为低阻态PN结的反向截止状态PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容G，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容 品和扩散电容CD2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 10oO Q。Q o QoO Q oOQ 0。00p型区.-00000空间电荷区.,9.9 9.N型区图1-3 PN结的形成1.静态特性（主要指其伏安特性）电力电子技术第1章 电力电子器件 1.21.2.2电力二极管的基本特性正向电流对应 的电力二极管两 端的电压件即为 其正向电压降反向电压时，只有少 子引起的微小而数值 恒定的反向漏电流。J图1一4电力二极管的伏安特性不可控器件电力二极管1正向电压大到一定、值（门槛电压a。），正向电流开始明显 增加，处于稳定导 通状态。72008-5-14上海电力学院电子技术教研室11电力电子技术第1章电力电子器件 1.2不可控器件电力二极管1.2.2电力二极管的基本特性2.动态特性0动态特性因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有 一个过渡过程，此过程中的电压一电流特性是随时间变化的2008-5-14上海电力学院电子技术教研室12电力电子技术第1章电力电子器件 1.2不可控器件电力二极管1.2.2电力二极管的基本特性u开关特性反映通态和断态之间的转换过程V关断过程：【F d，FUf 0,UG02.晶闸管导通后，UG不起作用半控型3.晶闸管关断条件：IA某一数值 IH维持电流，几十mA92008-5-14上海电力学院电子技术教研室21电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.1晶闸管的结构与工作原理二晶闸管工作原理：2 41=%+CBOl（）42=。2。+CBO2（12 。二”十心（1-3 心二心+42（1-4）+1cBOl+/cBO2I h 二1一01+a2)0阻断状态：zG=o,%+02很小。之和0开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致%+。2趋近 于1的话，流过晶闸管的电流右（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。八蜥一由外电路决定。上海电力学院电子技术教研室 22电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.1 晶闸管的结构与工作原理其他几种可能导通的情况：0阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 一不易控制,0阳极电压上升率d u/dt过高卜难以应用 于实践。0结温较高。光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘 而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管。0只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速 而可靠的控制手段2008-5-14上海电力学院电子技术教研室23电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.2 晶闸管的基本特性1.静态特 性。承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导通0承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通0晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 24电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.2晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性A正向 导通第I象限是正向特性“RSM URRM -4-HO,G27-/r=0CJG1AA“DRM DSM第川象限 是反向特性雪崩 击穿2008-5-14上海电力学院电媪术教研室25电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.2晶闸管的基本特性2.动态特性电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.3晶闸管的主要参数1.电压定额2）反向重复峰值电 压URRM 在门 极断路而结温为额 定值时，允许重复 加在器件上的反向 峰值电压URSM RRM厂雪崩 击穿取UDRM和URRM中较小的标值 作为该器件的额定电压。5后（2 3）UAKM-iA压UDRM 在门 极断路而结温为额 定值时，允许重复 加在器件上的正 向峰值电压。3）通态（峰值）电压4M 瞬态峰值电压。2008-5-14晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的上海电力学院电子技术教研室 27电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.3晶闸管的主要参数2.电流定额1 通态平均电流/aAV 额定电流晶闸管在环境温度为40。（3和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波 电流的平均值。按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取:_|实际电流有效值A”广（L52 1.572008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 28电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.3晶闸管的主要参数2 维持电流4使晶闸管维持导通所必需的最小电流 一般为几十到几百mA；结温越高，则及越小3 擎住电流/L 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信 号后，能维持导通所需的最小电流通常人约为（24 /H4 浪涌电流ASM指由于电路异常情况引起的并使结温超过 额定结温的不重复性最大正向过载电流2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 29电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.3晶闸管的主要参数3.动态参数(1)断态电压临界上升率d/dt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外 加电压最大上升率(2)通态电流临界上升率由/亚指在规定条件下，晶闸管能承受而无有 害影响的最大通态电流上升率GAK2008-5-14上海电力学院电子技术教研室30电力电子技术第1章电力电子器件 1.3半控型器件晶闸管1.3.4晶闸管的派生器件1 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor-FST 400Hz,高频晶闸管10kHz以上；频率高，容量小）2.双向晶闸管(Triode AC Switch-TRIAC或Bidirectional triode thyristor图1-10双向晶闸管的电气图形符号 和伏安丁性a 电气图形符号b 伏安特性图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和 伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性3.逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor-RCT（原向环联一极菅的晶哽院电子技术教研室 31电力电子技术第1章电力电子器件 L 3半控型器件晶闸管1.3.4晶闸管的派生器件4.光控晶闸管(Light Triggered Thyristor-LTT)/图1-12光控晶闸国光强度照 管的电气图形符号和伏安特性A a)电气图形符号%b)伏安特性a)b)光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目 前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位2008-5-14上海电力学院电子技术教研室32电力电子技术第1章 电力电子器件1.4典型全控型器件1.4.1 门极可关断晶闸管(Gat e-Tur n-Of f Thy r i st or-GTO)V晶闸管的一种派生器件V可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断vGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近,因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用2008-5-14上海电力学院电子技术教研室33电力电子技术第1章电力电子器件 L 4典型全控型器件1.4.1门极可关断晶闸管1.GT0的结构和工作原理结构：（与普通晶闸管比较）相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极 不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个 甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极 则在器件内部并联在一起图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号a 各单元的阴极、门极间隔排列的图形b 并联单元结构断面示意图c 电气图形符号2008-5-14上海电力学院电子技术教研室34电力电子技术第1章电力电子器件 L 4典型全控型器件1.4.1门极可关断晶闸管1.GT0的结构和工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析Aa)b)图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理%+。2=1是器件临界导通的条件。当时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当+OC2Vl时，不能维持饱和导通而关断2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 35电力电子技术第1章电力电子器件 L 4典型全控型器件1.4.1 门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因：是其与普通晶闸管有如下区别：（1）设计a2较大，使晶体管丫2控制灵敏，易于GTO关断 2 导通时+02更接近1 普通晶闸管%+0221.15,导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导 通时管压降增大（3 多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为 缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流2008-5-14上海电力学院电子技术教研室36电力电子技术第1章 电力电子器件 L 4典型全控型器件1.4.2 电力晶体管(Gi ant Tr ansi st or-GTR,或Bi pol ar Junct i on Tr ansi st or-BJT)20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管,但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代1.GTR的结构和工作原理基极b发射极c基极b集电极c一般米用共 发射极接法a b 0 AMOSFET图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a 内部结构断面示意图b 电气图形符号c 内部载流子的流动2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 37电力电子技术第1章电力电子器件 L4典型全控型器件1.4.2电力晶体管。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的0主要特性是耐压高、电流大、开关特性好0通常采用至少由两个晶体管按达林顿(Darlington Transistor)接法组成的单元结构亦称复合晶体管DT。(两只或更多只晶体管)0采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成2008-5-14上海电力学院电子技术教研室38电力电子技术第1章 电力电子器件1.4 典型全控型器件1.4.2电力晶体管2.GTR的基本特性(1)静态特性GTR工作在开关状态,即在截止区和饱和区,过渡时经过放大区图1J6共发射极接法时GTR的输俑性(2)动态特性%t90空人一_延迟时间G-和上升时 1 间午二者 忆个之和为开”/&一 通时间4n _2008-5-14储存时间4和下降时间 3二者之和为关断时 间Gff，几口以内，晶闸管和GTO的工2 工3 于4上海电力学院电子技术教研室39电力电子技术第1章电力电子器件 L 4典型全控型器件1.4.2电力晶体管3.GTR的极限运行参数2008-5-14上海电力学院电子技术教研室40电力电子技术第1章电力电子器件 1.4典型全控型器件1.4.2电力晶体管4.GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿:-e升高至4eM时，迅速增大，出现雪崩击穿只要人不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变二次击穿：一次击穿发生时4增大到某个临界点时会二次击穿临 界线限定突然急剧上升，并伴 随电压的陡然下降立即导致器件的永久损 坏工或者工作特性明 显衰变O2008-5-14上海电力学院电子技术教研室图1-18 GTR的安全工侑区电力电子技术第1章 电力电子器件1.4.3电力场效应晶体管(Power MOSFET)特点：(N沟道增强型)V用栅极电压来控制漏极电流V驱动电路简单，需要的驱动功率小场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对 输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。V开关速度快，工作频率高MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断 过程非常迅速开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是 主要电力电子器件中最高的v热稳定性优于GTR,无二次击穿问题v电流容量小，耐下低，一般只适用于功率不超过的电力电子装置院电子技术教研室 42电力电子技术第1章电力电子器件 L 4典型全控型器件1.4.3电力场效应晶体管1.电力MOSFET的结构和工作原理单极型晶体管导电机理与小功率MOS管 相同，但结构上有较大 区别，电力MOSFET为 多元集成结构电力MOSFET的工作原理:截止：aDSo,aGS=o 导电：UDSQ9 UGS UT（开启电压）2008-5-14上海电力学院电子技术教研室电力电子技术第1章电力电子器件 L 4典型全控型器件1.4.3电力场效应晶体管2.电力MOSFET的基本特性1 静态特性50*非40201030饱-不必;饱和区“GS=8V=6VUs=5V7-4V10/20340/5 0截止区 UGS=T=3Vv b)图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性 a 转移特性b 输出特性电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间 来回转换2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 44电力电子技术第1章 电力电子器件1.4.3电力场效应晶体管1.4 典型全控型器件2)动态特性 T州oRGGS RFD“GS 4，D信号GSP lA/ry0DA开通延迟时间。(间一 p前沿时刻到 GS=UT并开始出现,D 的时刻间的时间段b)1图1-2a)测上升时间4-GS从“T上脉冲信号源，R RL一负升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段a力学院d(曲!关断时间off-rd(off)信号源内阻，RG开通时间=b/+1 on d(on)r已极隹下降时间 tfUGSP下降到 WGS IGET特点1.4.4 绝缘栅双极晶体管2.IGBT的基本特性1)IGBT的静态特性驱动原理与电力MOSFET 基本相同，场控器件，通断 由栅射极电压口决定开启电压GE(th)能实 现电导调制而导 通的最低栅射电 压，+25笺时,GE(th)的值一般 为 26V“GEUGE(th)时，MOSFET 内 形成沟道，为晶体管提图23 IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性供基极电流,IGBT导通电导调制效 应使电阻RN 减小，使逋 态压降小上学町1术.栅射极间施加反压或 不加信号时，MOSFET内的沟道消 失，晶体管的基极电 流被切断，IGBT关断电力电子技术第1章电力电子器件1.4.4 绝缘栅双极晶体管2)IGBT的动态特性开通延迟时间d(on)从“GE上升至其幅 值10%的时刻，到片上升至10%/CM电流上升时间4-从10%/CM上升至 90%/CM所需时1 0%O90%oGEM9 0%亿3EN11 0%tGEMO9 0%ZCMA-L图1-24 IGBT的开关过程fv2CE(on)一h/i、4*LI CEJM I关断延迟时间G(。-从GE后沿下降到 其幅值90%的时刻.起，到左下降至电流下降时间 tf ic 从90%/CM下降至10%/一关断时间,off开通时 间心IGBT的开关速度低 串电力学院电子技术教研室于电力MOSFET。电力电子技术第1章 电力电子器件1.4.4 绝缘栅双极晶体管0 IGBT的特性和参数特点(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10,与电力MOSFET相当(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击能力(3)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较 大的区域(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似(5)与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以 进一步提高，同时保持开关频率高的特点2008-5-14 上 术汇区1 511.5其他新型电力电子器件1.5.1 MOS控制晶闸管MCT DT(MOS Controlled Thyristor)0MCT结合了二者的优点：v MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程 v晶闸管的高电压大电流、低导通压降v一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组 成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的 MOSFET,和一个控制该晶闸管关断的MOSFETv MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器 件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但 经过17年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压 和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用2008-5-1452电力电子技术第1章 电力电子器件1.5.2静电感应晶体管SIT(Static Induction Transistor)0结型场效应晶体管，1970年诞生0小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即 可制成大功率的SIT器件。多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚 至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高 频感应加热等领域获得应用0缺点：v栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常 导通型器件，使用不太方便v通态电阻、较大，通态契耗也大，因而还未在大多数2电力电子设备中虢逊勤用开室 53电力电子技术第1章 电力电子器件1.5.3静电感应晶闸管SITH(Static Induction Thyristor)0 1972年诞生，工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均 能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶i闸管(Field Controlled Thyristor-FCT)0双极型器件，通态压降低、通流能力强。其很多特性与 GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快 速器件0 SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外,其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因 而其应用范围还有待拓展2008-5-1454电力电子技术第1章电力电子器件1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor)0 也称GCT(Gate-Commutated Thyristor),20世纪90 年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与 GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复 杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大0目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代 GTO在大功率场合的位置2008-5-14上父汇术IS55电力电子技术第1章 电力电子器件1.5.5功率模块与功率集成电路0 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件 封装在一个模块中，称为功率模块0可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从 而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊 断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率 集成电路(Power Integrated Circuit-PIC)2008-5-1456电力电子技术第1章 电力电子器件1.5.5 功率模块与功率集成电路类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重V高压集成电路(High Voltage ICHVIC)一般指横 向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成v智能功率集成电路(Smart Power ICSPIC)一 般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成v 智能功率模块(Intelligent Power Module-IPM)则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集 成，也称智能IGBT(IntelligentIGBT)2008-5-1457电力电子技术第1章电力电子器件1.5.5 功率模块与功率集成电路o功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘 问题以及温升和散热的处理0以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率 应用场合0智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展0功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为 机电一体化的理想接口2008-5-14 上fl术厂尸1 58电力电子技术第1章 电力电子器件当前的格局:IGBT：主体，第4代产品，制造水平2.5kV/L8kA,MW以下首选，仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈 竞争，试图在MW以上取代GTOGTO：MW以上首选，制造水平6kV/6kA光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA,容量最大POWER MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固功率模块和功率集成电路：电力电子发展的趋势2008-5-14上海电力学院电子技术教研室591.6 电力电子器件的驱动1.6.1电力电子器件驱动电路概述 驱动电路主电路与控制电路之间的接口 P3驱动电路要为控制电路与主电路之间提供电气使电力电子器件工作在 较理想的开关状态，缩 短开关时间，减小开关 损耗，对装置的运行效 率、可靠性和安全性都 有重要的意义对器件或整个装置的一 些保护措施也往往设在 驱动电路中，或通过驱 动电路实现驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的 信号按控制目标的要求,转换为加在电力电子器 件控制端和公共端之间,可以使其开通或关断的 信号对半控型器件只需提供 开通控制信号对全控型 器件则既要提供开通控a)图 1-25光耦备器的类型及接法上寓礁神最橱型C）高传输比型 60电力电子技术第1章 电力电子器件1.6.2晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在 需要的时刻由阻断转为导通（广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路）晶闸管触发电路应满足下列要求:V触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（擎住电流）V触发脉冲应有足够的幅度V不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发 区域之内V应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的 电气隔离2008-5-14 上 学耕术611.6.2晶闸管的触发电路13 4图1-26 理想的晶闸管触发脉冲电流波形人，2脉冲前沿上升时间（1m）1113 强脉范度 5，M强脉冲幅值（3/GT5，GT）%脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5/GT-2/GT）VD1和R3是为了V1、V2由导 通变为截止时脉冲变压器TM 释放其储存的能量而设V1、V2构成脉冲放大环节V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶 闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲图1-27常见的 晶闸管触发电路2008-5-14上海电力学院电子技术教研室62电力电子技术第1章 电力电子器件1.6.3 典型全控型器件的驱动电路1.电流驱动型器件的驱动电路0 GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和 陡度要求高，且一般需在整个 导通期间施加正门极电流使GTO关断需施加负门极电 流，对其幅值和陡度的要求 更高，关断后还应在门阴极 施加约5V的负偏压以提高抗 干扰能力00lGA图1-28 推荐的GTO门 极电压电流波形讦室631.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型的直接耦合式GTO驱动电路:VD2、VD3、C2、C3 构成倍压整流电路提 供+15V电压二极管VD1和电容 C1提供+5V电压 joVD4和电容C4提 供15V电压2008-5-14C9 VD.L JW心V2开通时输 出正脉冲平 顶部分寸，输出 正强脉冲吗I*怖*上室0%10 kHz N 50V13 2TC VD4，图 1-294 TEV3关断后H3 和94提供门 极负偏压典型的直接耦合式GTO驱动电路上 术 V2关断而V3开通时 输出负脉冲曾电力电子技术第1章 电力电子器件1.6.3 典型全控型器件的驱动电路GTR/-1开通驱动电流应使GTR处/于准饱和导通状态，使之b A/不进入放大区和深饱和区关断GTR时，施加一定图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形 的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗v关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压2008-5-14 上 学 术 65电力电子技术第1章电力电子器件1.6.3典型全控型器件的驱动电路GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分驱动GTR的集成驱动电路：THOMSON 公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL 上惮附术5n 66电力电子技术第1章 电力电子器件1.6.3 典型全控型器件的驱动电路2.电压驱动型器件的驱动电路0栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立 驱动电压，要求驱动电路输出电阻小0使MOSFET开通的驱动电压一般1015V,使 IGBT开通的驱动电压一般1520V0关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗0在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增=大而减小2008-5-14上 IFOnO 术67电力电子技术第1章 电力电子器件1.6.3 典型全控型器件的驱动电路当有输入信号时A输 出正电平，V2导通 输出正驱动电压o+VTV CCv MOSFETV2o电力MOSFET的一种驱动电路:电气隔离和晶体管放大电路两部分无输入信号时高速放大器A输出 负电平,V3导通输出负驱动电压R】VR2nCiRV3 IE RG 9 20 V J20VA%卜T尺4-O-CC,图1-32 电力MOSFET的一种驱动电路专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的 M57918L,其输入信号电流幅值为16mA,输出最大脉冲电流通血和3A,输出驱就制出抬天和40V。68电力电子技术第1章 电力电子器件L7电力电子器件的保护1.7.1 过电压的产生及过电压保护力子置能过压 电电装可的电外因 过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起/正向/导通换相过电压：晶闸管、二极管在换相结束后较大 的反向电流，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减 小，会由线路电感在器件两端感应出过电压内因 过电压1主要来自电力电 子装置内部器件 2的珏杀过程关断过电压：全控型器件关断时,正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压上海电力学院电子技术教研室 701.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压保护措施 阀器件换相过电直流侧RCT压抑制用RC电路抑制电路避雷器DC 丁 i=i LF变压器静电屏蔽层CT!1!IT!士 Dt RCRC,静电感应过电 压抑制电容if-RV RCV T3 RCRCD4压敏电阻过 电压抑制器阀侧浪涌过电压抑制用 反向阻断式RC电路阀侧浪涌过电压 上，抑制用RC电路的和RCD 为抑制内因 过电压的措 施，属于缓 冲电路范畴阀器件 关断过电压抑 制用 RCD电 路电力电子装置可视 具体情况只采用 其中的几种2008-5-14电力电子技术第1章 电力电子器件1.7.1 过电压的产生及过电压保护o外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见0 RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网 侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧图1-35 RC过电压抑 制电路联结方式2008-5-14上海电力学院电子技术教研室a 单相b 7匚相电力电子技术第1章 电力电子器件1.7.2 过电流保护过电流过载和短路两种情况0常用措施：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器电力电子装（同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性）置中最有效、应用最广的 一种过电流 保护措施仅作为短路时的 部分区段的保护交流断路器整定在电子 电路动作之 后实现保护整定在过 载时动作图1-3九瀛麟保制福配置位置第一保护措施2008-5-1473电力电子技术第1章 电力电子器件1.7.3 缓冲电路 Snubber Circuit）关断缓冲电路Cdu/dt 抑制电路）吸收 器件的关断过电压和 换相过电压，抑制du/dt9减小关断损耗缓冲电路 开通缓冲电 专指关断路叫做di/dZ 凌冲电路抑制电路缓冲电路（吸收电路）作用：抑制器件的 内因过电压、du/dt、过电流和di心t，减小器件的开关损耗开通缓冲电路 di/dr 抑制电路）抑制 器件开通时的电流过 冲和此减小器件 的开通损耗0I ZVR I L.三当抑制电路CE无，抑制电路时无缓冲电路时人有缓冲电路时0VDZ6有噂抑制电路时缓冲电路1上 术 enb)74电力电子技术第1章 电力电子器件1.8电力电子器件的串联和并联使用1.8.1晶闸管的串联1.8.2 晶闸管的并联1.8.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点2008-5-14上海电力学院电子技术教研室75电力电子技术第1章 电力电子器件1.8.1晶闸管的串联目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安 特性的分散性，各器件分压不等承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用 反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿静态均压措施：0选用参数和特性尽量一 致的器件/八 VT1VT2Zf PPJ电器阻 用比电 采应向 0，叫的阻值 时的正、反伏安特性差异._ _gli-41上 术串联袍压措施 晶闸管的串联762008-5-14电力电子技术第1章电力电子器件1.8.1晶闸管的串联动态不均压:由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压动态均压措施：V选择动态参数和特性尽量一致的器件v用RC并联支路作动态均压v采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间 上的差异2008-5-14上术W177电力电子技术第1章 电力电子器件1.8.2晶闸管的并联目的：多个器件并联来承担较大的电流问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀均流措施：V挑选特性参数尽量一致的器件V采用均流电抗器V用门极强脉冲触发也有助于动态均流V当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接1.8.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点2。8关联使用时具帆源自陋衡能力，易于并联电力电子技术第1章电力电子器件本章小结。主要内容0全面介绍各种主要电力 电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和 主要参数等0集中讨论电力电子器件 的驱动、保护和串、并 联使用0电力电子器件类型归纳0单极型：电力MOSFET 和SITIGBT功率 MOSFETy功率SIT，肖特基势垒二极之心混合型(复合罂图1-42电力电子器件 分类“树”2008-5-14上，同术W179电力电子技术第1章 电力电子器件0000本章小结双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型：IGBT和MCT电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器 件中的SITH特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高电流驱动型：双极型器件中除SITH外特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导 通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功 率大，驱动电路较复杂2008-5-14 上 学掰术 80电力电子技术第1章 电力电子器件本章小结0当前的格局：0IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA,兆瓦以下首选。不断发展，与IGCT等新 器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO0GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA0光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA,装置 最高达300MVA,容量最大。电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是 低压，地位牢固2008-5-14 上匚，3汇术匚区1 81电力电子技术第1章 电力电子器件图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成2008-5-14上海电力学睨83Q 研 r1电力电子技术第1章 电力电子器件图1.2电力二极管的外形、结构和电气图形符号gA c 电气图形符号a 外形2008-5-14上海电力学明工研室84电力电子技术第1章 电力电子器件图1-3 PN结的形成内电场o o Q Q Q oO oO oO Q Q Q oO oO o0 oO Q oO,e.,e e e e.Q.,e.e0 o o p型区空间电荷区N型区2008-5-14上海电力学明k研室85电力电子技术第1章电力电子器件图1.4电力二极管的伏安特性电力电子技术第1章 电力电子器件图1.5电力二