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1、PowerElectronicsDevicesShanghaiJiaoTongUniversityE.EDepartmentWangYongContact:CopyrightpartlyfromJohnWiley&Sons,IncandfromPERECTheconceptofpowerelectronicdevicesTheelectronicdevicesthatcanbedirectlyusedinthepowerprocessingcircuitstoconvertorcontrolelectricpowerFeaturesofpowerelectronicdeviceslTheele
2、ctricpowerthatpowerelectronicdevicedealswithisusuallymuchlargerthattheinformationelectronicdevicesdoes.lUsuallyworkinginswitchingstatestoreducepowerlosses.lNeedtobecontrolledbytheinformationcircuits.lDrivecircuitsarealwaysnecessarytointerfacetheinformationcircuitandthepowerdeviceslSpecialpackageandh
3、eatsinkarenecessarytodissipatethepowerlosslUncontrolleddevicepowerdiodelSemi-controlleddevicethyristorlTypicalfully-controlleddevicesBJT,Mosfet,IGBT,GTO3typesofpowerdevicesPowerDiodesUncontroledpowerdeviceDiodesstaticcharacteristicOnandoffstatescontrolledbythepowercircuitAnalysis:Case1:VDVFforwardco
4、nduction-largecurrentCase2:VBRVD0(reversebiasbeforebreakdown)-leakagecurrentCase3:VD20VInsulationbreakdownTransconductance:GfsTurnonvoltageUTtd(on)、tr、td(off)、tfVoltageratingUDSCurrentratingIDUGSCGS、CGD和CDS Switchingfrequencydeeprelatedwith Cin.SwitchingcouldbeacceleratedbyreducingRs.Switching time
5、between 10100ns，frequency can behigherthan100kHz.rDS(on)increasesrapidlywiththedeviceblockingvoltageratingDrivepowerincreaseswiththeswitchingfrequencyPositivecoefficient,easilyparalleledMOSFETswitchingcharacteristicsGate-Turn-OffThyristors(GTO)SlowswitchingspeedsUsedatveryhighpowerlevelsRequireelabo
6、rategatecontrolcircuitryGTOTurn-OffNeedaturn-offsnubber:explainedatpage27on-statevoltage(2-3v)isslightlyhigherthanthyristorshandlelargervoltage(upto4.5kV)largecurrentIntegrationwithbothadvantagesBi-MOSdevicesInsulated-gateBipolarTransistorIGBTorIGT）GTR+MOSFET1986massproductionandapplicationbeginVolt
7、ageandcurrentratingareincreasingtoreplaceGTOGTR、GTOsfeaturesbipolar，currentdrive，largecurrent，lowfrequency，largedrivepower，complexdrivecircuitMOSFETadvantageunipolar，voltagedrive，highfrequency，highinputimpedance，simpledrivecircuit,lowdrivepower1)IGBTStructureandworkingprincipleG、C、EIGBT的结构、简化等效电路和电气
8、图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关关断断：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。IGBT的原理的原理IGBTturnonTurnondelay td(on)Currentrisingtimetri Ucefallingtimetfv1Ucefallingtime
9、tfv2Turnontimeton=td(on)+tri+tfv1+tfv2uCEfallingtimeincluding: tfv1+tfv2 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。(2) IGBTIGBTdynamiccharacteristicsTurnoffdelaytimetd(off）Voltagerisingtime trvCurrentfallingtimetfi1 Currentfallingtimetfi2Turnofftimetoff=td(off）+trv+tfi1 + tfi2电流下降时间又可
10、分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT器 件 内 部 的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBTturnoffIGBTsmainparameters(3)MaximumcollectorpowerlossPCM(2)MaximumcollectorcurrentIC(1)Maximumcollector-emittervoltageUCESIGBTsfeaturesHighswitchingspeedOnstatevoltagelowerthanMOSFETHighinputimpedanceLowdrivepowerSi
11、mpledrivecircuitThereiscurrenttailingintheIGBTturnoffduetothestoredchargeinthedriftregionLatchupcharacter-thereisaparasiticthyristorinsidetheIGBTMCTMCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。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MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电
12、压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合OthernewdevicesComparisonofControllableSwitchesSummaryofDeviceCapabilitiesIGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。3.3kV、4.5kV也已经商用化，仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。光光控控晶晶闸闸管管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。电电力
13、力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。功功率率模模块块和和功功率率集集成成电电路路是现在电力电子发展的一个共同趋势。当前的格局当前的格局:ConsiderationsofpowerdeviceselectionOn-stateresistanceindicatestheconductionlossesSwitchingtimesindicatestheenergylosspowertransitionanddeterminehowhightheoperatingfrequencycanbeVoltageandcurrentratingdeterminethedevicep
14、owerhandlingabilityThepowerrequiredbythecontrolcircuitdeterminetheeaseofcontrollingthedeviceThetemperaturecoefficientofthedevicedeterminestheeaseofparallelconnecting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。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驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控
15、制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气隔离气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述按照驱动信号的性质分，可分为电电流流驱驱动动型型和电电压驱动型压驱动型。驱动电路具体形式可为分分立立元元件件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件
16、生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类分类作作用用：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。晶晶闸闸管管触触发发电电路路应应满满足足下下列列要求要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路V2、V3构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和
17、附属电路构成脉冲输出环节。V2、V3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。常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(1)GTOGTO的开开通通控控制制与普通晶闸管相似。GTO关关断断控控制制需施加负门极电流。推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG1)电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开开通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路和门门极极反反偏偏电电路路三部分，可分为脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合式式和直直接接耦耦合合式式两种类型。直接耦
18、合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。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。tOib理想的GTR基极驱动电流波形GTR驱动电路驱动电路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GTR的一种驱动电路驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。电力MOSFET和IGBT是电压驱动型
19、器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般1520V。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。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路(1)电力电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分专为驱动电力专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公而设计的混合集成电路有三菱公司的司的M57918L，其输入信号电流幅值为，其输入信号电流幅值为16mA，输出最，输出最大脉冲电流为大脉
20、冲电流为+2A和和-3A，输出驱动电压，输出驱动电压+15V和和-10V。(2)IGBT的驱动的驱动M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。多采用专用的混合集成驱动器。缓冲电路缓冲电路关关断断缓缓冲冲电电路路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开开通通缓缓冲冲电电路路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电
21、路的结合。按能量的去向分类法：耗耗能能式式缓缓冲冲电电路路和馈馈能能式式缓缓冲冲电电路路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路缓冲电路(SnubberCircuit)：又称吸收电路吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。b)tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析无缓冲电路：有缓冲电路：di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO关断时的负载线充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路
