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1、电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课第第2 2章章 电力力电子器件子器件主讲教师：施主讲教师：施 金金 良良电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.1电力力电子器件概述子器件概述2.2不可控器件不可控器件电力二极管力二极管2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件2.4全控型器件全控型器件2.5功率模功率模块与功率集成与功率集成电路路2.6电力力电子器件子器件驱动与与维护电路路2.7电力力电子器件的串子器件的串联与并与并联运运转本章小本章小结第第2章章电力电子器件电力电子器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.1电力电子器件概述电力电子器件概述 电
2、力电子器件(Power Electronic Device)是指可直接用于处置电能的主电路中，实现电能的变换或控制的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)的电子器件。可以以为是由电子技术手段控制的任务于开关形状的电力器件。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种任务特性。这些器件构成装置不仅体积小、任务可靠，而且节能效果十清楚显(普通可节电10%40%)。 2.1.1电力电子器件的分类 不可控型、半控型和全控型器件 双极型、单极型和混合型器件 电流控制型和电压控制型器件2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课1.不可控型、半控型和全控型器件
3、不可控型、半控型和全控型器件2.1)不可控型器件：电力二极管不可控型器件：电力二极管3.不可控型器件是指不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。这种不可控型器件是指不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。这种器件只需两个端子，导通和关断完全是由其在主电路中接受的电压和电流决器件只需两个端子，导通和关断完全是由其在主电路中接受的电压和电流决议的。议的。4.2)半控型器件：普通晶闸管半控型器件：普通晶闸管5.由于这类器件经过控制信号只能控制其开通而不能控制其关断。半控型由于这类器件经过控制信号只能控制其开通而不能控制其关断。半控型器件的关断完全是由其在主电路中接受的电压和电流决议的。普通晶闸管
4、及器件的关断完全是由其在主电路中接受的电压和电流决议的。普通晶闸管及其大部分派生器件属于这一类。其大部分派生器件属于这一类。6.3)全控型器件：大功率三极管，全控型器件：大功率三极管，IGBT，MOSFET等等7.由于这类器件经过控制信号既可以控制其开通，又可以控制其关断，故由于这类器件经过控制信号既可以控制其开通，又可以控制其关断，故被称为全控型器件。这类器件种类很多，目前最常用的是被称为全控型器件。这类器件种类很多，目前最常用的是IGBT和电力和电力MOSFET，在处置兆瓦级大功率电能的场所，门极可关断晶闸管，在处置兆瓦级大功率电能的场所，门极可关断晶闸管(GTO)运用运用也较多。也较多。
5、2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.双极型、双极型、单极型和混合型器件极型和混合型器件3.众多众多电力力电子器件又可分子器件又可分为双极型、双极型、单极型和混合型三种极型和混合型三种类型。凡由一型。凡由一种种载流子参与流子参与导电的称的称为单极型器件，如极型器件，如电力力MOSFET、静、静电感感应晶体管晶体管(SIT)等。凡由等。凡由电子和空穴两种子和空穴两种载流子参与流子参与导电的称的称为双极型器件，如双极型器件，如PN结整流管、普通晶整流管、普通晶闸管、管、电力晶体管等。由力晶体管等。由单极型和双极型两种器件极型和双极型两种器件组成的复成
6、的复合型器件称合型器件称为混合型器件，如混合型器件，如IGBT和和MOS控制晶控制晶闸管管(MCT)等。等。图2.1所示所示为电力力电子器件子器件“树。4.图2.1电力力电子器件子器件“树2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课3.电流控制型和电压控制型器件电流控制型和电压控制型器件4.1)电流控制型器件电流控制型器件5.假设是经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，这假设是经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，这类电力电子器件被称为电流控制型电力电子器件或者电流驱动型电力电子器类电力电子器件被称为电流控制型电力电子器件或
7、者电流驱动型电力电子器件。件。6.2)电压控制型器件电压控制型器件7.假设是仅经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假设是仅经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，这类电力电子器件被称为电压控制型电力电子器件或者电或者关断的控制，这类电力电子器件被称为电压控制型电力电子器件或者电压驱动型电力电子器件。压驱动型电力电子器件。2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.1.2电力电子器件的运用特点电力电子器件的运用特点从运用角度出发，主要可从以下五个方面调查电力电子器件的性能特点。从运用角度出发，主要可从以下五
8、个方面调查电力电子器件的性能特点。导通压降。电力电子器件任务在饱和导通形状时仍产生一定的管耗，管耗导通压降。电力电子器件任务在饱和导通形状时仍产生一定的管耗，管耗与器件导通压降成正比。与器件导通压降成正比。运转频率。遭到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开关时间越短，运转频率。遭到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开关时间越短，器件可运转的频率越高。器件可运转的频率越高。器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。耐冲击才干。这主要是指器件短时间内接受过电流的才干。半控型器件的耐冲击才干。这主要是指器件
9、短时间内接受过电流的才干。半控型器件的耐冲击才干远高于全控型器件。耐冲击才干远高于全控型器件。可靠性。这主要是指器件防止误导通的才干。可靠性。这主要是指器件防止误导通的才干。2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.1.3电力电子器件的现状和开展趋势电力电子器件的现状和开展趋势目前电力电子器件的种类和开展历史如图目前电力电子器件的种类和开展历史如图2.2所示。电力电子器件的主要所示。电力电子器件的主要性能目的为电压、电流和任务频率三个参数，经过对这三项参数的比较即可性能目的为电压、电流和任务频率三个参数，经过对这三项参数的比较即可明白每种器件的运用范
10、围。明白每种器件的运用范围。图图2.2电力电子器件的种类和开展历史电力电子器件的种类和开展历史2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课单管的输出功率单管的输出功率图图2.3所示为逆变器每臂用单个器件时的输出功率与任务频率的关系曲线。所示为逆变器每臂用单个器件时的输出功率与任务频率的关系曲线。图图2.3单个器件输出频率与任务频率的关系单个器件输出频率与任务频率的关系2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.电流与电压的等级电流与电压的等级3.几种全控型器件的电压与电流等级的比较曲线如图几种全控型器件的电压与电流
11、等级的比较曲线如图2.4所示。所示。4.图图2.4几种全控型器件的电压和电流等级的比较曲线几种全控型器件的电压和电流等级的比较曲线2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课3.功率损耗功率损耗4.图图2.5给出了给出了1000V级器件功率损耗与任务频率的关系曲线。级器件功率损耗与任务频率的关系曲线。5.图图2.51000V级器件功率损耗与任务频率的关系级器件功率损耗与任务频率的关系2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课实际证明，各种器件以本人的某种优势占领一定范围的运用领域，但与实际证明，各种器件以本人的某种优
12、势占领一定范围的运用领域，但与其他器件会有竞争，因此用户可有更多的选择。最终各种器件在竞争的根底其他器件会有竞争，因此用户可有更多的选择。最终各种器件在竞争的根底上构成互补的局面。各种电力电子器件寿命的周期曲线如图上构成互补的局面。各种电力电子器件寿命的周期曲线如图2.6所示。所示。图图2.6各种器件寿命的周期曲线各种器件寿命的周期曲线2.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.2 2.2 不可控型器件不可控型器件电力二极管力二极管电力二极管电力二极管(PowerDiode)自自20世纪世纪50年代初期就获得运用，当时也被称为年代初期就获得运用，当时也
13、被称为半导体整流器半导体整流器(SemiconductorRectifier，SR)。虽然是不可控型器件，但其构。虽然是不可控型器件，但其构造和原理简单，任务可靠，所以直到如今，电力二极管依然大量运用于许多造和原理简单，任务可靠，所以直到如今，电力二极管依然大量运用于许多电气设备当中，特别是快恢复二极管和肖特基二极管分别在中、高频整流和电气设备当中，特别是快恢复二极管和肖特基二极管分别在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场所具有不可替代的位置。逆变以及低压高频整流的场所具有不可替代的位置。2.2电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.2.1电力二极管的任务原理和根
14、本特性电力二极管的任务原理和根本特性电力二极管的根本构造都是以半导体电力二极管的根本构造都是以半导体PN结为根底。电结为根底。电力二极管实践上是由一个面积较大的力二极管实践上是由一个面积较大的PN结和两端引线以结和两端引线以及封装组成的。图及封装组成的。图2.7所示为电力二极管的外形、构造和所示为电力二极管的外形、构造和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺栓型和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺栓型和平板型两种封装。平板型两种封装。图图2.7电力二极管的外形、构造和电气图形符号电力二极管的外形、构造和电气图形符号2.2电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术共享资源课共享
15、资源课电力二极管的根本特性包括静态特性和动态特性。静态特性主要是指其电力二极管的根本特性包括静态特性和动态特性。静态特性主要是指其伏安特性，如图伏安特性，如图2.8所示。其与微电子电路中的二极管的伏安特性是一样的。所示。其与微电子电路中的二极管的伏安特性是一样的。图图2.8电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性2.2电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课1.开通特性开通特性2.电力二极管在开通初期会出现较高的瞬态压降，经过一定时间后才干处电力二极管在开通初期会出现较高的瞬态压降，经过一定时间后才干处于稳定形状，并具有很小的管压降。图于稳定形状，并具有很小的管压降。图
16、2.9所示为电力二极管的正向恢复特性所示为电力二极管的正向恢复特性曲线。曲线。3.(a)管压降随时间变化的曲线管压降随时间变化的曲线(b)电力二极管开通电流波形电力二极管开通电流波形4.图图2.9电力二极管的正向恢复特性电力二极管的正向恢复特性2.2电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.关断特性关断特性3.正在导通的电力二极管忽然加一反向电压时，反向阻断才干的恢复也需正在导通的电力二极管忽然加一反向电压时，反向阻断才干的恢复也需求经过一段时间。在未恢复阻断才干之前，电力二极管相当于短路形状，这求经过一段时间。在未恢复阻断才干之前，电力二极管相当于短路形状，这是一个
17、很重要的特性。其反向恢复过程中的电流和电压波形如图是一个很重要的特性。其反向恢复过程中的电流和电压波形如图2.10所所4.图图2.10反向恢复过程中电流和电压波形反向恢复过程中电流和电压波形2.2电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.2.2电力二极管的主要参数力二极管的主要参数额定定电流流ID(AV)电力二极管力二极管长期运期运转时在在额定定结温暖温暖规定的冷却条件下，其允定的冷却条件下，其允许流流过的的最大工最大工频正弦半波正弦半波电流的平均流的平均值称称为电力二极管的正向平均力二极管的正向平均电流流ID(AV)，即即额定定电流。流。额定定电压UDE额定定电压U
18、DE是指是指对电力二极管所能反复施加的反向最力二极管所能反复施加的反向最顶峰峰值电压，通，通常是其雪崩常是其雪崩击穿穿电压UB的的23倍。倍。正向正向压降降UF正向正向压降降UF是指是指电力二极管在指定温度下，流力二极管在指定温度下，流过某一指定的某一指定的稳态正向正向电流流时对应的正向的正向压降。降。浪涌浪涌电流流IFSM浪涌浪涌电流流IFSM是指是指电力二极管所能接受的最大的延力二极管所能接受的最大的延续一个或几个工一个或几个工频周周期的期的过电流。流。2.2电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.2.2电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力二极管在许多电
19、力电子电路中都有着广泛的运用。电力二极管在许多电力电子电路中都有着广泛的运用。电力二极管可以在电力二极管可以在AC/DC变换电路中作为整流元件，也变换电路中作为整流元件，也可以在电感元件的电能需求适当释放的电路中作为续流元可以在电感元件的电能需求适当释放的电路中作为续流元件，还可以在各种变流电路中作为电压隔离、钳位或维护件，还可以在各种变流电路中作为电压隔离、钳位或维护元件。下面引见几种常用的电力二极管。元件。下面引见几种常用的电力二极管。普通二极管普通二极管普通二极管普通二极管(ConventionalDiode)又称整流二极管又称整流二极管(RectifierDiode)，多用于开关频率不
20、高，多用于开关频率不高(1kHz以下以下)的整的整流电路中流电路中快速恢复二极管快速恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短(普通在普通在5ms以下以下)的二极管被称为快速恢复二极管的二极管被称为快速恢复二极管(FastRecoveryDiode，FRD)，简称快速二极管。，简称快速二极管。肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管以金属和半导体接触构成的势垒为根底的二极管称为以金属和半导体接触构成的势垒为根底的二极管称为肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode，SBD)，简称，简称为肖特基二极管。为肖特基二极管。2.2电力二极
21、管电力二极管电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件晶闸管晶闸管(Thyristor)是硅晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器是硅晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器(SiliconControlledRectifier，SCR)，以前被简称为可控硅。，以前被简称为可控硅。自自20世纪世纪80年代以来，晶闸管的位置开场被各种性能更好的全控型器年代以来，晶闸管的位置开场被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能接受的电压和电流容量依然是目前电力电子器件件所取代，但是由于其能接受的电压和电流容量依然是目前电力电子器件中最高的，而且
22、任务可靠，因此在大容量的运用场所，特别是在可控整流中最高的，而且任务可靠，因此在大容量的运用场所，特别是在可控整流领域，晶闸管依然具有比较重要的位置。领域，晶闸管依然具有比较重要的位置。2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.3.1晶闸管的构造和任务原理晶闸管的构造和任务原理晶闸管的构造晶闸管的构造晶闸管的外形如图晶闸管的外形如图2.11(a)所示，其内部构造如图所示，其内部构造如图2.11(b)所示，电气图形符号如图所示，电气图形符号如图2.11(c)所示，模块外形如所示，模块外形如图图2.11(d)所示。所示。图图2.11
23、晶闸管的外形、内部构造、电气图形符号和模块晶闸管的外形、内部构造、电气图形符号和模块外形外形2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.晶闸管的任务原理晶闸管的任务原理3.按图按图2.12所示电路所示电路4.(1)当晶闸管接受反向阳极电压时，不论门极接受何种电压，晶闸管都处当晶闸管接受反向阳极电压时，不论门极接受何种电压，晶闸管都处于关断形状。于关断形状。5.(2)当晶闸管接受正向阳极电压时，假设门极不施加电压，晶闸管也处于当晶闸管接受正向阳极电压时，假设门极不施加电压，晶闸管也处于关断形状。即晶闸管具有正向阻断才干。关断形状。即
24、晶闸管具有正向阻断才干。6.(3)要使晶闸管由阻断变为导通，必需在晶闸管接受正向阳极电压时，同要使晶闸管由阻断变为导通，必需在晶闸管接受正向阳极电压时，同时在门极施加正向电压。正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。时在门极施加正向电压。正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。7.(4)晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用。晶闸管门极只能控制其导通，晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用。晶闸管门极只能控制其导通，而不能使已导通的晶闸管关断。而不能使已导通的晶闸管关断。8.(5)要使晶闸管关断，必需去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者要使晶闸管关断，必需去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者降
25、低正向阳极电压，使经过晶闸管的电流小于维持电流。维持电流即坚持晶降低正向阳极电压，使经过晶闸管的电流小于维持电流。维持电流即坚持晶闸管导通的最小阳极电流。闸管导通的最小阳极电流。2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课晶闸管的任务原理可以经过晶闸管的双晶体管模型来解释。如图晶闸管的任务原理可以经过晶闸管的双晶体管模型来解释。如图2.132.13所示，晶闸管可以看成由所示，晶闸管可以看成由PNPPNP和和NPNNPN两个晶体管组合而成。两个晶体管组合而成。图图2.12 2.12 晶闸管任务条件的实验电路晶闸管任务条件的实验电路 图图
26、2.13 2.13 晶闸管的双晶体管模晶闸管的双晶体管模型型晶闸管导通实验晶闸管导通实验2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.3.2 晶闸管的特性晶闸管的特性 晶闸管的特性包括静态特性和动态特性。晶闸管的特性包括静态特性和动态特性。静态特性静态特性 晶闸管的静态特性主要是指晶闸管的阳极伏安特性，即晶闸管的阳极与晶闸管的静态特性主要是指晶闸管的阳极伏安特性，即晶闸管的阳极与阴极之间的电压和晶闸管阳极电流之间的关系，如图阴极之间的电压和晶闸管阳极电流之间的关系，如图2.14所示。所示。 图图2.14 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安
27、特性(IG2 IG1 IG)2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.动态特性动态特性3.晶闸管的动态特性是指晶闸管在开通和关断的动态过程中阳极电流和阳晶闸管的动态特性是指晶闸管在开通和关断的动态过程中阳极电流和阳极电压的变化规律，如图极电压的变化规律，如图2.15所示。所示。4.图图2.15晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课1)开经过程开经过程晶闸管门极在晶闸管门极在t0时辰开场遭到理想阶跃电流的触发。对于普通晶闸管时辰开场遭
28、到理想阶跃电流的触发。对于普通晶闸管,其其td=0.51.5ms，tr=0.53ms。这类晶闸管的延迟时间随门极电流的增大。这类晶闸管的延迟时间随门极电流的增大而减小。延迟时间和上升时间随阳极电压的增大都可显著缩短。而减小。延迟时间和上升时间随阳极电压的增大都可显著缩短。2)关断过程关断过程原来导通的晶闸管，当电源电压忽然改动方向时，晶闸管过渡到阻断形原来导通的晶闸管，当电源电压忽然改动方向时，晶闸管过渡到阻断形状的全过程可分阶段阐明。状的全过程可分阶段阐明。2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课晶闸管的关断时间与以下要素有关。
29、晶闸管的关断时间与以下要素有关。(1)关断前的正向电流越大，晶闸管内储存的载流子越多，关断时间就越关断前的正向电流越大，晶闸管内储存的载流子越多，关断时间就越长。长。(2)外加反向电压越高，反向电流越大，或反向电流上升率越大，排除过外加反向电压越高，反向电流越大，或反向电流上升率越大，排除过剩载流子速率就越大，关断时间就越短。剩载流子速率就越大，关断时间就越短。(3)再次施加正向电压或施加正向电压上升率越接近晶闸管极限值，关断再次施加正向电压或施加正向电压上升率越接近晶闸管极限值，关断时间的增长就越明显。时间的增长就越明显。(4)结温越高，载流子复合时间越长，关断时间也越长。结温越高，载流子复
30、合时间越长，关断时间也越长。2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课3)晶闸管的损耗晶闸管的损耗将图将图2.15中每一瞬时晶闸管电流与电压相乘，可得到晶闸管瞬时损耗曲中每一瞬时晶闸管电流与电压相乘，可得到晶闸管瞬时损耗曲线。可将损耗曲线分成以下几部分。线。可将损耗曲线分成以下几部分。(1)通态损耗：这是晶闸管在稳定导通期的功率损耗。通态损耗：这是晶闸管在稳定导通期的功率损耗。(2)断态损耗：这是晶闸管在稳定阻断期的功率损耗。断态损耗：这是晶闸管在稳定阻断期的功率损耗。(3)开通损耗：在开经过程中出现的瞬时功耗。开通损耗：在开经过程
31、中出现的瞬时功耗。(4)关断损耗：在关断过程中出现的瞬时功耗。关断损耗：在关断过程中出现的瞬时功耗。2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.3.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数要想正确地选择和合理地运用晶闸管，不仅需求了解要想正确地选择和合理地运用晶闸管，不仅需求了解晶闸管的任务原理及特性，更重要的是掌握晶闸管的主要晶闸管的任务原理及特性，更重要的是掌握晶闸管的主要参数。下面引见晶闸管的一些主要参数。参数。下面引见晶闸管的一些主要参数。额定电压额定电压UTN所谓晶闸管的额定电压所谓晶闸管的额定电压UTE，是指，是指UDRM与
32、与URRM中较小的值，再取相应于规范电压等级表中较小的值，再取相应于规范电压等级表2.1中更小的电中更小的电压值。例如，某晶闸管实测压值。例如，某晶闸管实测UDRM=734V，URRM=810V，那么额定电压应取，那么额定电压应取700V。表表2.1晶闸管正反向反复峰值电压等晶闸管正反向反复峰值电压等留意在实践运用中选择晶闸管的额定电压值时，通留意在实践运用中选择晶闸管的额定电压值时，通常是元件在实践任务电路中能够接遭到的最大峰值电压的常是元件在实践任务电路中能够接遭到的最大峰值电压的23倍倍(即思索平安裕量即思索平安裕量)。2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子
33、技术电力电子技术共享资源课共享资源课器件的器件的实践温升与践温升与发热和散和散热情况有关情况有关发热和散和散热平衡平衡时，温度不再升高，温度不再升高器件的允器件的允许温升与器件的温升与器件的规格有关格有关发热与器件流与器件流过的的电流大小与波形有关流大小与波形有关实践运用中，践运用中，实践温升践温升允允许温升，并有一定裕量温升，并有一定裕量普通情况下，普通情况下，为了运用方便，采用了运用方便，采用额定定电流表示器件允流表示器件允许的的发热但是，由于但是，由于电力力电子器件流子器件流过的的电流波形比流波形比较复复杂，因此它的，因此它的额定定电流流应遵遵照照发热等效原那么确定等效原那么确定器件消器
34、件消费商按正弦半波下的平均商按正弦半波下的平均电流流标定器件定器件额定定电流流详细运用中运用中应按器件按器件实践波形践波形进展重新展重新计算算器件允许温升与器件的额定电流器件允许温升与器件的额定电流2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.额定定电流流IT(AV)3.晶晶闸管在管在环境温度境温度为40和和规定的冷却形状下，定的冷却形状下，稳定定结温不超越温不超越额定定结温温时所允所允许流流过的最大工的最大工频正弦半波正弦半波电流的平均流的平均值称称为晶晶闸管的通管的通态平均平均电流流IT(AV)。4.正弦半波正弦半波电流平均流平
35、均值IT(AV)、电流有效流有效值IT和和电流最大流最大值Im三者的关系三者的关系为：5.(2-1)6.(2-2)7.在正弦半波情况下在正弦半波情况下电流波形系数流波形系数Kf为：8.(2-3)9.所以，晶所以，晶闸管在流管在流过恣意波形恣意波形电流并思索了平安裕量情况下的流并思索了平安裕量情况下的额定定电流流IT(AV)的的计算公式算公式为：10.(2-4)11.2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课3.通通态平均平均电压UT(AV)4.当晶当晶闸管流管流过正弦半波的正弦半波的额定定电流平均流平均值和和稳定的定的额定定结温温时
36、，元件阳，元件阳极与阴极之极与阴极之间电压降的平均降的平均值称称为晶晶闸管的通管的通态平均平均电压UT(AV)，简称管称管压降。降。5.维持持电流流IH6.在室温在室温40的条件下，当晶的条件下，当晶闸管管门极断开极断开时，使晶，使晶闸管管维持持导通所需求通所需求的最小阳极的最小阳极电流称流称维持持电流流IH。7.5.擎住擎住电流流IL8.晶晶闸管管刚从断从断态转入通入通态，并移除触，并移除触发信号之后，使管子能信号之后，使管子能维持通持通态所所需求的最小阳极需求的最小阳极电流称流称为擎住擎住电流流IL。2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资
37、源课共享资源课6.断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt断态电压临界上升率是指在额定结温暖门极开路的情况下，不导致晶闸管断态电压临界上升率是指在额定结温暖门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。从断态到通态转换的外加电压最大上升率。7.通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最大通态电流上升率。大通态电流上升率。8.门极触发电流门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT门极触发电流门极触发电流IGT是指在室温下，晶闸管
38、施加是指在室温下，晶闸管施加6V正向阳极电压时，使元件正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必需的最小门极电流。由断态转入通态所必需的最小门极电流。9.额定结温额定结温Tjm额定结温是指晶闸管在正常任务时所允许的最高结温。额定结温是指晶闸管在正常任务时所允许的最高结温。.2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.3.4晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管(FST)包括常规的快速晶闸管和任务在更高频率的高频晶闸管，包括常规的快速晶闸管和任务在更高频率的高频晶闸管，可分别运用于可分别运用于40
39、0Hz和和10kHz以上的斩波或逆变电路中。以上的斩波或逆变电路中。2.双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)可以以为是一对反并联衔接的普通晶闸管的集成，其可以以为是一对反并联衔接的普通晶闸管的集成，其电气图形符号和伏安特性如图电气图形符号和伏安特性如图2.16所示。所示。(a)电气图形符号电气图形符号(b)伏安特性伏安特性2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课3.逆导晶闸管逆导晶闸管逆导晶闸管逆导晶闸管(RCT)是将晶闸管与一个二极管反并联再制造在同一管芯上的是将晶闸管与一个二极管反并联再制造在同一管芯上的功率
40、集成器件。这种器件不具有接受反向电压的才干，一旦接受反向电压即功率集成器件。这种器件不具有接受反向电压的才干，一旦接受反向电压即开通。其电气图形符号和伏安特性如图开通。其电气图形符号和伏安特性如图2.17所示。所示。4.光控晶闸管光控晶闸管光控晶闸管光控晶闸管(LTT)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号替代电又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号替代电信号对器件进展触发的晶闸管，其电气图形符号和伏安特性如图信号对器件进展触发的晶闸管，其电气图形符号和伏安特性如图2.18所示。所示。(a)电气图形符号电气图形符号(b)伏安特性伏安特性2.3半控型器件半控型器件晶晶闸管及其派生器件管及
41、其派生器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.4.1 电力晶体管 电力晶体管(Giant Transistor，GTR)是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)，所以英文有时候也称为Power BJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个称号是等效的。GTR的根本构造有NPN和PNP两种，而在电力电子电路中主要采用NPN构造。 GTR的根本任务原理和根本特性 图2.19 共发射极接法时GTR的静态特性 图2.20 GTR开通和关断过程中 的电流波形2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享
42、资源课2.GTR的主要参数的主要参数3.1)最高任务电压最高任务电压4.GTR上所加的电压超越规定值时，就会发生击穿。上所加的电压超越规定值时，就会发生击穿。5.2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM6.通常规定直流电流放大系数通常规定直流电流放大系数hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对应的时所对应的Ic为为集电极最大允许电流。集电极最大允许电流。7.3)集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM8.集电极最大耗的功率是指在最高任务温度下允许的耗散功率。集电极最大耗的功率是指在最高任务温度下允许的耗散功率。2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享
43、资源课3.GTR的二次的二次击穿景象与平安任穿景象与平安任务区区当当GTR的集的集电极极电压升高至前面所述的升高至前面所述的击穿穿电压时，集，集电极极电流迅速增流迅速增大，大，这种首先出种首先出现的的击穿是雪崩穿是雪崩击穿，被称穿，被称为一次一次击穿。穿。图2.21GTR的平安任的平安任务区区2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.4.2晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.电力电力MOSFET的构造和任务原理的构造和任务原理电力电力MOSFET的种类和构造繁多，按导电沟道可分为的种类和构造繁多，按导电沟道可分为P沟道和沟道和N沟道。电力沟道。电力MOSFET和
44、微电子技术中的和微电子技术中的MOS管管的导电机理一样。的导电机理一样。(a)内部构造断面表示图内部构造断面表示图(b)电气图形符号电气图形符号2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2. 电力电力MOSFET的根本特性的根本特性静态特性静态特性 电力电力MOSFET的静态特性包括转移特性和输出特性。如图的静态特性包括转移特性和输出特性。如图2.23(a)所示。所示。 图图2.23 电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2) 动态特性动态特性 相对于相对于GTR来说，电力来
45、说，电力MOSFET的开关速度非常快。相对于的开关速度非常快。相对于GTR来说，来说，电力电力MOSFET的开关速度非常快。它的开通、关断时间只与电力的开关速度非常快。它的开通、关断时间只与电力MOSFET的的输入电输入电容的充放电有关，因此其开、关时间与驱动电路的输出阻抗亲密相关。图容的充放电有关，因此其开、关时间与驱动电路的输出阻抗亲密相关。图2.24所示为电力所示为电力MOSFET的动态特性波形。的动态特性波形。图图2.24 电力电力MOSFET的动态特性波形的动态特性波形2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课3. 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数
46、1) 漏极额定电压漏极额定电压UDS 漏极额定电压漏极额定电压UDS是标称电力是标称电力MOSFET电压定额的参数。电压定额的参数。 2) 漏极额定电流漏极额定电流ID和漏极峰值电流和漏极峰值电流IDM 漏极额定电流漏极额定电流ID和漏极峰值电流和漏极峰值电流IDM是标称电力是标称电力MOSFET电流定额参数。电流定额参数。 3) 栅源电压栅源电压UGS 栅源电压栅源电压UGS是为了防止绝缘栅层因栅源电压过高而发生介质电击穿而是为了防止绝缘栅层因栅源电压过高而发生介质电击穿而设定的参数。设定的参数。 2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课4) 通态电阻通态电阻R
47、on 通常规定，通常规定，Ron是在确定的栅源电压是在确定的栅源电压UGS下，电力下，电力MOSFET饱和导通饱和导通时漏源电压与漏极电流的比值。时漏源电压与漏极电流的比值。 5)最大耗散功率最大耗散功率PD 最大耗散功率最大耗散功率PD表示器件所能接受的最大发热功率。除了上述参数外，表示器件所能接受的最大发热功率。除了上述参数外，电力电力MOSFET还有其他一些参数，如开启电压、输入电容、开通时间和关断还有其他一些参数，如开启电压、输入电容、开通时间和关断时间等，运用时请参考相关手册和资料。时间等，运用时请参考相关手册和资料。2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资
48、源课2.4.3绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的构造和任务原理的构造和任务原理IGBT也是三端器件，具有栅极也是三端器件，具有栅极G、集电极、集电极C和发射极和发射极E。IGBT的内部构造断面表示图如图的内部构造断面表示图如图2.25(a)所示。所示。(a)内部构造断面表示图内部构造断面表示图(b)简化等效电路简化等效电路(c)电气图形符号电气图形符号2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课IGBT的根本特性和主要参数的根本特性和主要参数IGBT的根本特性包括静态特性和动态特性。静态特性主要是指的根本特性包括静态特性和动态特性。静态特性主要是指IGBT的的
49、转移特性和输出特性，动态特性是指转移特性和输出特性，动态特性是指IGBT的开关特性。的开关特性。IGBT的转移特性是指集电极输出电流的转移特性是指集电极输出电流IC与栅射电压与栅射电压UGE之间的关系曲之间的关系曲线，如图线，如图2.26(a)所示。所示。(a)转移特性转移特性(b)输出特性输出特性2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课IGBT的的开开关关特特性性如如图图2.27所所示示。由由图图可可知知，IGBT的的开开关关特特性性与与电电力力MOSFET根根本本一一样样。开开通通时时间间ton和和关关断断时时间间toff是是衡衡量量IGBT开开关关速速度度的
50、的重重要目的。要目的。图图2.27IGBT的开关特性的开关特性.2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课IGBT的擎住效的擎住效应和平安任和平安任务区区擎住效擎住效应IGBT的更复的更复杂景象那么需用景象那么需用图2.28来来阐明。明。图中中示出，示出，IGBT内内还含有一个寄生的含有一个寄生的NPN晶体管，它与作晶体管，它与作为主开关器件的主开关器件的PNP晶体管一同晶体管一同组成一个寄生晶成一个寄生晶闸管管(可可对照照IGBT构造构造图图2.25(a)。图2.28具有寄生晶具有寄生晶闸管的管的IGBT等效等效电路路2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子
51、技术共享资源课共享资源课2)平安任务区平安任务区IGBT具有较宽的平安任务区。具有较宽的平安任务区。IGBT常任务于开关任务形状。它的常任务于开关任务形状。它的平安任务区分为正向偏置平安任务区平安任务区分为正向偏置平安任务区(FBSOA)和反向偏置平安任务区和反向偏置平安任务区(RBSOA)。图图2.29(a)、(b)所示分别为所示分别为IGBT的的FBSOA和和RBSOA。图图2.29IGBT平安任务区平安任务区2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.4.4门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(Gate-Turn-CffThyri
52、stor，GTO)是高电压大电流双极全控型器件。是高电压大电流双极全控型器件。GTO和普通晶闸管一和普通晶闸管一样，是样，是PNPN四层半导体构造，外部也是引出阳极、阴极四层半导体构造，外部也是引出阳极、阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是，和门极。但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个极，但内部那么包功率集成器件，虽然外部同样引出三个极，但内部那么包含数十个甚至数百个共阳极的小含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些元，这些GTO元的元的阴极和门极在器件内部并联在一同。这种特殊构造是为了阴极和门极在器件内部并联在一同。这种特殊构造是为了便于实
53、现门极控制关断而设计的。便于实现门极控制关断而设计的。GTO可以经过在门极可以经过在门极施加负的脉冲电流使其关断。施加负的脉冲电流使其关断。GTO的许多性能虽然与的许多性能虽然与IGBT、电力、电力MOSFET相比要差，但其电压、电流容量较相比要差，但其电压、电流容量较大。大。2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.4.5静电感应晶体管静电感应晶体管静电感应晶体管静电感应晶体管(StaticInductionTransistor，SIT)诞生于诞生于1970年，它年，它实践上是一种结型场效应晶体管。实践上是一种结型场效应晶体管。SIT具有任务频率高、输出功率大
54、、线性具有任务频率高、输出功率大、线性度好、无二次击穿景象、热稳定性好、抗辐射才干强、输入阻抗高等一系列度好、无二次击穿景象、热稳定性好、抗辐射才干强、输入阻抗高等一系列优点，目前已在雷达通讯设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应优点，目前已在雷达通讯设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的运用。加热等某些专业领域获得了较多的运用。2.4.6门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管静电感应晶闸管静电感应晶闸管(StaticInductionThyristor，SITH)亦称作场控晶闸管亦称作场控晶闸管(FieldControlledThyristor，FCT)或
55、双极静电感应晶闸管或双极静电感应晶闸管(BSITH)。由于。由于SITH的制造工艺比较复杂，本钱比较高，而且关断时需求较大的门极驱动电的制造工艺比较复杂，本钱比较高，而且关断时需求较大的门极驱动电流，因此它的开展曾遭到一定影响。流，因此它的开展曾遭到一定影响。2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.4.7MOS控制晶闸管控制晶闸管MOS控制晶闸管控制晶闸管(MOSControlledThyristor，MCT)是将是将MOSFET与晶闸与晶闸管组合而成的复合型器件。管组合而成的复合型器件。MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通具有高电压、大电流、高载流密度
56、、低通态压降的特点。态压降的特点。MCT可接受极高的可接受极高的di/dt和和du/dt，使得其维护电路可以简化。，使得其维护电路可以简化。另外，另外，MCT的开关速度超越的开关速度超越GTR，开关损耗也小。，开关损耗也小。2.4.8集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管(IntergratedGateCommutatedThyristors，IGCT)是一种中压变频器所开发的用于巨型电力电子成套安装中的新型电力是一种中压变频器所开发的用于巨型电力电子成套安装中的新型电力半导体开关器件半导体开关器件(集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管=门极换流晶闸管门极换流
57、晶闸管+门极单元门极单元)，1997年年由由ABB公司提出。公司提出。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、构造紧凑、导通损耗低等特点，而且制造本钱低，废品率高，有很好的运用构造紧凑、导通损耗低等特点，而且制造本钱低，废品率高，有很好的运用前景。前景。2.4全控型器件全控型器件电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课 自自20世纪世纪80年代中后期开场，在电力电子器件研制和开发中的一个共同年代中后期开场，在电力电子器件研制和开发中的一个共同趋势是逐渐实现模块化。图趋势是逐渐实现模块化。图2.31所示为桥式所示为桥式IGBT模块内
58、部电路。功率模块在模块内部电路。功率模块在中等功率电力电子安装中得到广泛运用，并逐渐向大功率开展。中等功率电力电子安装中得到广泛运用，并逐渐向大功率开展。图图2.30 功率模块外形图功率模块外形图 图图2.31 桥式桥式IGBT模块内部电路模块内部电路2.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.5.1IPM的构造的构造这里以三菱公司的这里以三菱公司的PM100DSA120为例，为例，IPM功能框功能框图如图图如图2.32所示，它包括了功率器件、驱动回路、检测与所示，它包括了功率器件、驱动回路、检测与维护电路，其外形图如图维护电路，其外形图如
59、图2.33所示。所示。图图2.32IPM功能框图功能框图2.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.5.2IPM的内置功能的内置功能1开关平安任务区开关平安任务区开关开关(关断关断)平安任务区通常定义为在反复关断运转时平安任务区通常定义为在反复关断运转时的最大允许瞬时电压和电流。开关平安任务区可用图的最大允许瞬时电压和电流。开关平安任务区可用图2.34(a)中的电流和电压波形来定义。中的电流和电压波形来定义。(a)开关平安任务区电流和电压波形开关平安任务区电流和电压波形2.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子技术电力电子技
60、术共享资源课共享资源课2短路平安任务区短路平安任务区 短路平安任务区通常定义为在反复短路运转时的最大短路平安任务区通常定义为在反复短路运转时的最大IGBT集电极电流集电极电流ISC。ICC、ICES、VCC这这3个目的是出厂个目的是出厂IPM型号数据手册中给出的技术目型号数据手册中给出的技术目的，普通都不超越其规定值的，普通都不超越其规定值(任务在平安任务区内任务在平安任务区内)。通常。通常IPM不会损坏，短不会损坏，短路平安任务区电流波形如图路平安任务区电流波形如图2.34(b)所示。所示。 (b) 短路平安任务区电流和电压波形短路平安任务区电流和电压波形2.5功率模块与功率集成电路功率模块
61、与功率集成电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.5.3IPM的维护功能的维护功能1开关平安任务区开关平安任务区IPM的维护电路可以实现控制电压欠压维护、过热维护、过流维护和短的维护电路可以实现控制电压欠压维护、过热维护、过流维护和短路维护。路维护。(1)过热维护过热维护(OT)：在接近：在接近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当当IPM温度传感器测出其基板的温度超越规定温度值时，发生过热维护，封温度传感器测出其基板的温度超越规定温度值时，发生过热维护，封锁门极驱动电路，输出缺点信号。锁门极驱动电路，输出缺点信号。(2)过流维护过流
62、维护(OC)：假设流过：假设流过IGBT的电流值超越过流动作电流，且时间超的电流值超越过流动作电流，且时间超越越toff(10ms)，那么发生过流维护，封锁门极驱动电路，输出缺点信号，为防，那么发生过流维护，封锁门极驱动电路，输出缺点信号，为防止产生过大的止产生过大的di/dt，大多数，大多数IPM采用两级关断方式。采用两级关断方式。2.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课(3)控制电压欠压维护控制电压欠压维护(UV)：IPM运用运用+15V供电，假设供电电压低于设定供电，假设供电电压低于设定电压，且时间超越电压，且时间超越toff，那么发
63、生欠压维护，封锁门极驱动电路，输出缺点，那么发生欠压维护，封锁门极驱动电路，输出缺点信号。信号。(4)短路维护短路维护(SC)：假设负载发生短路或因控制系统缺点导致短路，流过：假设负载发生短路或因控制系统缺点导致短路，流过IGBT的电流值超越短路动作电流，那么立刻发生短路维护，封锁门极驱动的电流值超越短路动作电流，那么立刻发生短路维护，封锁门极驱动电路，输出缺点信号。电路，输出缺点信号。2.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.6.1晶闸管触发电路晶闸管触发电路晶闸管是半控型电力电子器件。为了使晶闸晶闸管是半控型电力电子器件。为了使晶闸管
64、由阻断形状转入导通形状，晶闸管在接受正向管由阻断形状转入导通形状，晶闸管在接受正向阳极电压的同时，还需求在门极加上适当的触发阳极电压的同时，还需求在门极加上适当的触发电压。控制晶闸管导通的电路称为触发电路。电压。控制晶闸管导通的电路称为触发电路。2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课1.触发信号要有足够的功率触发信号要有足够的功率为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必需大于晶为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必需大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必需保证具有足够的触闸管产品参数提
65、供的门极触发电压与触发电流值，即必需保证具有足够的触发功率。发功率。2.触发脉冲必需与主回路电源电压坚持同步触发脉冲必需与主回路电源电压坚持同步为了保证电路的质量及可靠性，要求晶闸管在每个周期内都在一样的相为了保证电路的质量及可靠性，要求晶闸管在每个周期内都在一样的相位上触发。位上触发。3.触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡为使被触发的晶闸管能坚持住导通形状，晶闸管的阳极电流在触发脉冲为使被触发的晶闸管能坚持住导通形状，晶闸管的阳极电流在触发脉冲消逝前必需到达擎住电流，因此，要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过消逝前必需到达擎住电流，因此，要求触发脉冲应具有一定的
66、宽度，不能过窄。特别是当负载为电感性负载时，因其中电流不能突变，更需求较宽的触窄。特别是当负载为电感性负载时，因其中电流不能突变，更需求较宽的触发脉冲，才可使元件可靠导通。发脉冲，才可使元件可靠导通。2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课4.触触发脉冲的移相范脉冲的移相范围应能能满足主足主电路的要求路的要求触触发脉冲的移相范脉冲的移相范围与主与主电路的方式、路的方式、负载性性质及及变流安装的用途有流安装的用途有关。例如，关。例如，单相全控相全控桥电阻阻负载要求触要求触发脉冲移相范脉冲移相范围为180，而，而电感性感性负载(不接不接
67、续流管流管时)要求移相范要求移相范围为90。三相半波整流。三相半波整流电路路电阻阻负载时要求移要求移相范相范围为150，而三相全控，而三相全控桥式整流式整流电路路电阻阻负载时要求移相范要求移相范围为120。5.应有良好的抗干有良好的抗干扰性能、温度性能、温度稳定性及与主定性及与主电路的路的电气隔离气隔离图2.35所示所示为触触发电路在晶路在晶闸管管变流安装中所流安装中所处的位置，其作用是将控的位置，其作用是将控制信号制信号Uk转变成延成延迟角角a(或或b)信号，向晶信号，向晶闸管提供管提供门极极电流，决流，决议各个晶各个晶闸管的管的导通通时辰。辰。图2.35触触发电路在晶路在晶闸管管变流安装中
68、的位置流安装中的位置2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.6.2GTO驱动电路驱动电路GTO可以用正门极电流开通和负门极电流关断。理想可以用正门极电流开通和负门极电流关断。理想的的GTO门极驱动电流波形如图门极驱动电流波形如图2.36所示，驱动电流波形的所示，驱动电流波形的上升沿陡度、波形的宽度和幅度，以及下降沿的陡度等对上升沿陡度、波形的宽度和幅度，以及下降沿的陡度等对GTO的特性有很大影响。的特性有很大影响。图图2.36理想的理想的GTO门极驱动电流波形门极驱动电流波形2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护
69、电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课1.门极开通电路门极开通电路GTO的门极触发特性与普通晶闸管根本一样，驱动电路设计也根本一致。的门极触发特性与普通晶闸管根本一样，驱动电路设计也根本一致。要求门极开通控制电流信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓的脉冲波形。要求门极开通控制电流信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓的脉冲波形。2.门极关断电路门极关断电路要求关断控制电流波形为前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓。要求关断控制电流波形为前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓。3.门极反偏电路门极反偏电路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子
70、技术共享资源课共享资源课小容量小容量GTO门极驱动电路门极驱动电路(b)桥式驱动电路桥式驱动电路(c)大容量大容量GTO门极驱门极驱动电路动电路图图2.37门极驱动电路门极驱动电路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课图图2.38所示为一种直接耦合的多信号电容储能驱动电路，电路包括门极所示为一种直接耦合的多信号电容储能驱动电路，电路包括门极开通、门极关断及门极反偏等环节，其中开通、门极关断及门极反偏等环节，其中u1是是GTO的开通讯号，的开通讯号，u2是关断信是关断信号，号，u3是反偏控制信号。是反偏控制信号。图图2-38直接耦合
71、式电容储能直接耦合式电容储能GTO驱动电路驱动电路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.6.3GTR驱动电路路GTR基极基极驱动电路的作用是将控制路的作用是将控制电路路输出的控制信号出的控制信号电流放大到足以流放大到足以保保证大大电力二极管能可靠开通或关断。基极力二极管能可靠开通或关断。基极驱动电路普通路普通应满足以下根本要足以下根本要求。求。(1)控制开通控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡流前沿要陡(小于小于1ms)，并且要有一定的，并且要有一定的过冲冲电流，以流，以缩短开通短开通时间，减小开通，减小开通损耗。耗。(2)GT
72、R导通后，通后，应相相应减小减小驱动电流，使流，使GTR处于准于准饱和和导通形状，且通形状，且使之不使之不进入放大区和深入放大区和深饱和区，以降低和区，以降低驱动功率，功率，缩短短储存存时间。2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课(3)GTR关断关断时，应迅速加上足迅速加上足够大的反向基极大的反向基极电流，迅速抽取基区的剩流，迅速抽取基区的剩余余载流子，以确保流子，以确保GTR快速关断，并减小关断快速关断，并减小关断损耗。耗。(4)GTR的的驱动电路要具有自路要具有自动维护功能，以便在缺点形状下能快速自功能，以便在缺点形状下能快速
73、自动切除基极切除基极驱动信号，防止信号，防止GTR遭到遭到损坏。理想的坏。理想的GTR基极基极驱动电流波形如流波形如图2.39所示所示图2.36理想的理想的GTO门极极驱动电流波形流波形2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课1.贝克钳位电路贝克钳位电路为了提高为了提高GTR的任务速度，驱动电路都以抗饱和的贝克钳位电路作为根的任务速度，驱动电路都以抗饱和的贝克钳位电路作为根本电路。它使本电路。它使GTR任务在准饱和形状，提高了器件开关过程的快速性能，因任务在准饱和形状，提高了器件开关过程的快速性能，因此成为一种被广泛采用的根本电路。
74、贝克钳位电路的详细方式如图此成为一种被广泛采用的根本电路。贝克钳位电路的详细方式如图2.40所示。所示。图图2.40贝克钳位电路贝克钳位电路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2GTR基极驱动电路基极驱动电路 简单的双电源驱动电路如图简单的双电源驱动电路如图2.41所示，驱动电路与所示，驱动电路与GTR(VT6)直接耦合，直接耦合，控制电路用光耦合实现电隔离，正、负电源控制电路用光耦合实现电隔离，正、负电源(+UC2和和-UC3)供电。简单的双电供电。简单的双电源驱动电路如图源驱动电路如图2.41所示。所示。图图2.41 双电源
75、驱动电路双电源驱动电路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课3.集成基极集成基极驱动电路路UAA4002可可对被被驱动的的GTR实现过流流维护、退、退饱和和维护、最小、最小导通通的的时间限制限制(ton(min)=112s)、最大、最大导通的通的时间限制、正反向限制、正反向驱动电源源电压监控以及本身控以及本身过热维护，其原理框，其原理框图如如图2.42所示。所示。图2.42UAA4002模模块的原理框的原理框图2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课UAA4002具有丰
76、富的维护功能，其中有集电极电流限制、防止退饱和、具有丰富的维护功能，其中有集电极电流限制、防止退饱和、导通时间间隔控制、电源电压监测、时延、热维护等。图导通时间间隔控制、电源电压监测、时延、热维护等。图2.43所示为由所示为由UAA4002模块构成的模块构成的8A、400V开关电路，此电路采用电平控制方式。开关电路，此电路采用电平控制方式。图图2.43由由UAA4002模块组成的开关电路模块组成的开关电路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.6.4IGBT驱动电路路IGBT具有具有P-MOSFET的高速开关和的高速开关和电压驱
77、动特性及双极型晶体管的低特性及双极型晶体管的低饱和和电压特性的特性的电力半力半导体器件。由于体器件。由于IGBT具有与具有与P-MOSFET类似的似的输入入特性，特性，输入阻抗高，因此入阻抗高，因此驱动电路相路相对比比较简单，驱动功率也比功率也比较小。小。对IGBT栅极极驱动电路有以下根本要求。路有以下根本要求。(1)因因IGBT的的栅-射极之射极之间有数千皮法左右的极有数千皮法左右的极间电容，容，为加快建立加快建立驱动电压，要求，要求驱动电路具有路具有较小的内阻。小的内阻。(2)栅极极驱动电源的功率要足源的功率要足够大，大，这样可以保可以保证在在IGBT导通后，其功率通后，其功率输出出级总是
78、是处于于饱和形状。和形状。(3)要提供大小适宜的正向要提供大小适宜的正向驱动电压。(4)要提供大小适宜的反向要提供大小适宜的反向驱动电压。(5)要提供适宜的开关要提供适宜的开关时间。(6)要有要有较强的抗干的抗干扰才干及才干及对IGBT的的维护功能。功能。2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课采用脉冲变压器组成的栅极驱动电路如图采用脉冲变压器组成的栅极驱动电路如图2.44所示。图所示。图2.45所示为采用光所示为采用光电耦合器进展隔离的栅极驱动电路。电耦合器进展隔离的栅极驱动电路。ui为高电平常，光耦器件副方三极管导为高电平常，光
79、耦器件副方三极管导通，通，MOS管管VT1截止，那么截止，那么VT2导通，导通，VT3截止，截止，UCC经经VT2向向IGBT栅栅极提供驱动电流；当极提供驱动电流；当ui为低电平常，光耦器件副方三极管不通，为低电平常，光耦器件副方三极管不通，VT1导通，导通，那么那么VT2截止，截止，VT3导通，导通，-UCC经经VT3向向IGBT栅极提供反向电流，使栅极提供反向电流，使IGBT关断。关断。图图2.44采用脉冲变压器组成的栅极驱动电路采用脉冲变压器组成的栅极驱动电路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课图图2.45采用光电耦合器进
80、展隔离的栅极驱动电路采用光电耦合器进展隔离的栅极驱动电路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课目前，国外许多消费目前，国外许多消费IGBT器件的厂家专门研制消费了与器件的厂家专门研制消费了与IGBT配套的集配套的集成栅极驱动电路，比较典型的有日本富士公司的成栅极驱动电路，比较典型的有日本富士公司的EXB系列。系列。EXB系列芯片的系列芯片的内部构造图如图内部构造图如图2.46所示。所示。图图2.46EXB系列芯片的内部构造图系列芯片的内部构造图2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资
81、源课共享资源课EXB系列芯片具有以下功能。系列芯片具有以下功能。(1)内部集成有可隔离内部集成有可隔离2500V交流电压的光电耦合器，故可用于以交流电压的光电耦合器，故可用于以IGBT为为主开关器件的、进线电压为主开关器件的、进线电压为380V的动力设备上。的动力设备上。(2)芯片内部有过流检测电路和低速过流切断电路，其过流检测电路按驱芯片内部有过流检测电路和低速过流切断电路，其过流检测电路按驱动信号与集电极电压之间的关系检测过流。动信号与集电极电压之间的关系检测过流。(3)芯片内部还有检测芯片内部还有检测IGBT集电极发射极间电压降，从而实现被驱动集电极发射极间电压降，从而实现被驱动IGBT
82、欠饱和维护的电路。欠饱和维护的电路。(4)当外部提供当外部提供20V直流电压时，电路内部可使直流电压时，电路内部可使20V电压变为电压变为+15V开栅电开栅电压和压和-5V关栅电压。关栅电压。EXB系列芯片具有以下特点：电路集成化程度高，抗干扰才干强，速度较系列芯片具有以下特点：电路集成化程度高，抗干扰才干强，速度较快，维护功能完善，可实现快，维护功能完善，可实现IGBT最优驱动等；但电路价钱较高，每个最优驱动等；但电路价钱较高，每个IGBT都需配一片集成驱动电路及一个公用驱动电源，使控制电源构造复杂化。都需配一片集成驱动电路及一个公用驱动电源，使控制电源构造复杂化。2.6电力电子器件驱动与维
83、护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课图2.47所示所示为由由EXB850模模块构成的构成的栅极极驱动电路，路，电路中路中C1、C2的的电容容值为33F，主要用来吸收因，主要用来吸收因电源接源接线阻抗引起的供阻抗引起的供电电压变化。化。图2.47EXB850模模块构成的构成的栅极极驱动电路路2.6电力电子器件驱动与维护电路电力电子器件驱动与维护电路电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.7.1电力电子器件的串联运转电力电子器件的串联运转在高电压运用领域，当单只电力电子器件的耐压值不能满足要求时，可在高电压运用领域，当单只电力电子器件的耐压值不能满足
84、要求时，可以用多只同型号器件相串联运转。但必需采用均压措施。图以用多只同型号器件相串联运转。但必需采用均压措施。图2.48以晶闸管为以晶闸管为例。图中例。图中RP为静态均压电阻，为静态均压电阻，RC为动态均压阻容电路。为动态均压阻容电路。图图2.48晶闸管串联运转均压措施晶闸管串联运转均压措施2.7电力电子器件的串联与并联运转电力电子器件的串联与并联运转电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.7.2电力力电子器件的并子器件的并联运运转图2.49(a)为晶晶闸管串管串联电阻的静阻的静态均流均流电路；路；图2.49(b)为晶晶闸管串管串联电抗器的抗器的动态均流均流电路；路；图2.49(c)
85、为晶晶闸管并管并联支路支路间采用相互耦合的均流互采用相互耦合的均流互感器的感器的动态均流均流电路。路。(a)串串电阻均流阻均流(b)串串电抗器均流抗器均流(c)互感器均流互感器均流图2.49晶晶闸管并管并联运运转时的均流措施的均流措施2.7电力电子器件的串联与并联运转电力电子器件的串联与并联运转电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课2.7.3电力电力MOSFET和和IGBT并联运转的特点并联运转的特点电力电力MOSFET的通态电阻的通态电阻Ron具有正的温度系数，并联运用时具有电流具有正的温度系数，并联运用时具有电流自动平衡的才干，因此并联运用比较容易。自动平衡的才干，因此并联运用比较容
86、易。IGBT的通态压降在的通态压降在1/2或或1/3额定电流以下的区段具有负的温度系数，在额定电流以下的区段具有负的温度系数，在1/2或或1/3额定电流以上的区段那么具有正的温度系数，因此额定电流以上的区段那么具有正的温度系数，因此IGBT在并联运用在并联运用时也具有电流的自动平衡才干，与电力时也具有电流的自动平衡才干，与电力MOSFET类似，易于并联运用。类似，易于并联运用。2.7电力电子器件的串联与并联运转电力电子器件的串联与并联运转电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课电力电子器件是指可直接用于处置电能的主电路中，实现电能的变换或电力电子器件是指可直接用于处置电能的主电路中，实现电
87、能的变换或控制的电子器件。控制的电子器件。电流控制型器件的共同特点是：电流控制型器件比电压控制型器件的任电流控制型器件的共同特点是：电流控制型器件比电压控制型器件的任务频率要低；务频率要低；电流控制型器件具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通电流控制型器件具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损耗较小；电流控制型器件的控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，损耗较小；电流控制型器件的控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。电路也比较复杂。电压控制型器件的共同特点是：输入阻抗很高，控制功率小，控制电路电压控制型器件的共同特点是：输入阻抗很高，控制功率小，控制电路比较简单、
88、便于集成；任务频率高；任务温度高，抗辐射才干也强。比较简单、便于集成；任务频率高；任务温度高，抗辐射才干也强。本章小结本章小结电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课从运用角度出发，主要可从以下五个方面调查电力电子器件的性能特点：从运用角度出发，主要可从以下五个方面调查电力电子器件的性能特点：导通压降、运转频率、器件容量、耐冲击才干以及可靠性。导通压降、运转频率、器件容量、耐冲击才干以及可靠性。晶闸管属于四层三端单导游电半控型器件。其导通的条件是：正向阳极晶闸管属于四层三端单导游电半控型器件。其导通的条件是：正向阳极电压和正向门极电压两者同时具备，且要保证阳极电流大于擎住电流。其关电压和正
89、向门极电压两者同时具备，且要保证阳极电流大于擎住电流。其关断的条件是：使其阳极电流小于维持电流。其关断的方法有：去掉阳极电压；断的条件是：使其阳极电流小于维持电流。其关断的方法有：去掉阳极电压；给阳极加反压；降低正向阳极电压，或增大阳极回路阻抗，使流过晶闸管阳给阳极加反压；降低正向阳极电压，或增大阳极回路阻抗，使流过晶闸管阳极的电流小于维持电流。极的电流小于维持电流。本章小结本章小结电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课晶闸管除了在门极触发下能够导通之外，在以下几种情况下也能够被晶闸管除了在门极触发下能够导通之外，在以下几种情况下也能够被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值呵斥雪崩效应；
90、阳极电压上升率触发导通：阳极电压升高至相当高的数值呵斥雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高；光触发。在这些情况下，能够产生误导通。过高；结温较高；光触发。在这些情况下，能够产生误导通。晶闸管、电力二极管、电力晶闸管、电力二极管、电力MOSFET和和IGBT是目前电力电子变换中运是目前电力电子变换中运用最多的器件，必需牢牢掌握这些器件的任务原理、外特性、主要参数和运用最多的器件，必需牢牢掌握这些器件的任务原理、外特性、主要参数和运用本卷须知。在高压、大容量的变换安装中，用本卷须知。在高压、大容量的变换安装中，GTO占有重要的位置，但也要占有重要的位置，但也要留意留意IGCT、SITH
91、等新型器件的开展。等新型器件的开展。本章小结本章小结电力电子技术电力电子技术共享资源课共享资源课在电力电子器件串联运用中，要采取措施处理器件的均压问题，包括在电力电子器件串联运用中，要采取措施处理器件的均压问题，包括静态均压和动态均压。处理的方法是：挑选器件，挑选特性和参数尽量一致静态均压和动态均压。处理的方法是：挑选器件，挑选特性和参数尽量一致的器件串联；采用电阻均压；用的器件串联；采用电阻均压；用RC并联电路均压；采用强脉冲减小器件开通并联电路均压；采用强脉冲减小器件开通时间上的差别也有利于均压。时间上的差别也有利于均压。在电力电子器件并联运用中，要采取措施处理器件的均流问题，包括在电力电子器件并联运用中，要采取措施处理器件的均流问题，包括静态均流和动态均流。处理的方法是：挑选器件，挑选特性和参数尽量一致静态均流和动态均流。处理的方法是：挑选器件，挑选特性和参数尽量一致的器件并联；串入电阻器或快速熔断器的器件并联；串入电阻器或快速熔断器(替代电阻替代电阻)均流；串入电抗器均流；均流；串入电抗器均流；采用并联支路间相互耦合的互感器均流；在器件的控制电路上采取措施，使采用并联支路间相互耦合的互感器均流；在器件的控制电路上采取措施，使器件的开通时间和关断时间尽量接近一致。器件的开通时间和关断时间尽量接近一致。本章小结本章小结
