01第1章电力电子器件 基本模型 电力二极管 晶闸管

01第1章电力电子器件 基本模型 电力二极管 晶闸管

天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007 学期：第二学期 课次 ‎3‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气05-1、2‎ 电气05-3、4‎ 电子05-1、2‎ 周次 ‎2‎ 日期 课题 第1章电力电子器件 基本模型 电力二极管 晶闸管 教学 目的 了解电力电子器件的发展、分类与应用，理解和掌握晶闸管、电力二极管的工作原理、电气特性和主要参数。‎ 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 电力电子器件原理、性能上的不同，各自应用的场合。‎ 教 学 难 点 电力电子器件的工作原理。‎ 实 践 环 节 多媒体 作 业 ‎1—1~4‎ 教研室主任意见：‎ 同意该计划。‎ 通过认识器件了解及工作原理和应用。‎ 签字：刘沂 日期：2007.3.12‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 第1章、电力电子器件 ‎1.1 电力电子器件的基本模型 ‎ ‎1.2 电力二极管 ‎ ‎1.3 晶闸管 ‎1.4 可关断晶闸管 ‎ ‎1.5 电力晶体管 ‎ ‎1.6 电力场效应晶体管 ‎ ‎1.7 绝缘栅双极型晶体管 ‎ ‎1.8 其它新型电力电子器件 ‎1.9 电力电子器件的驱动与保护 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ 第1章、电力电子器件 ‎ ‎1.1 电力电子器件的基本模型 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电 力电子器件（Power Electronic Device）。‎ ‎1.1.1‎‎ 基本模型与特性-‎ 一、基本模型：‎ 电力电子器件可以抽象成下图‎1.1.1‎所示的理想开关模型，‎ 它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的 控制极。‎ 它只工作在“通态”和“断态”两种情况：通态时其电阻为零，‎ 断态时其电阻无穷大。‎ 图‎1.1.1‎ 电力电子器件的理想开关模型 二、基本特性 ‎ （1）电力电子器件一般都工作在开关状态。‎ ‎ （2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。‎ ‎ （3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证 器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。‎ ‎1.1.2‎‎ 电力电子器件的分类 ‎ 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类 ‎① 不可控器件：如：电力二极管（Power Diode）；‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎②半控型器件：如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。‎ ‎③全控型器件：如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、‎ 功率场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate ‎ Bipolar Transistor）等。‎ 二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种： ‎ ‎① 电流控制型器件：‎ 如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等； ‎ ‎② 电压控制半导体器件：‎ 如：代表性器件为MOSFET和IGBT。‎ ‎1.2 电力二极管 ‎1.2.1‎‎ 电力二极管及其工作原理 一、电力二极管：‎ ‎1、电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器，简称SR。‎ 属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。‎ ‎2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的 作用,具有不可替代的地位。 ‎ 二、PN结与电力二极管工作原理：‎ 基本结构和工作原理与二极管一样。以半导体PN结为基础。‎ 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。‎ 图‎1.2.1‎电力二极管的外形、结构和电气图形符号 ‎ a）外形 b）结构 c）电气符号 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。 ‎ ‎1、当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压），正向 电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。‎ ‎2、与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降。‎ 图‎1.2.2‎ 电力二极管的伏安特性曲线 ‎1.2.2‎电力二极管的开关特性及主要类型 一、电力二极管的开关特性 ‎1 定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。 ‎ 开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。‎ 关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。‎ 图‎1.2.3‎ 电力二极管开过程中电压、电流波形 ‎ 延迟时间： （‎1.2.1‎）‎ 电流下降时间： （‎1.2.2‎）‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 反向恢复时间： （‎1.2.3‎）‎ 二、电力二极管的主要类型：‎ （1） 普通二极管：普通二极管又称整流管，多用于开关频率在１kHz 以下的整流电路中，其反向恢复时间在５μs以上，额定电流达数千安，额 定电压达数千伏以上。‎ ‎（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５μs以下的称为快恢复二极管.。‎ 快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。‎ ‎（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流 特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.4～0.6V，而且它的反向恢复 时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关 电路或高频低压整流电路中。‎ 三、电力二极管的主要参数：‎ ‎（1）额定正向平均电流IF(AV)‎ 额定正向平均电流——在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）和散 热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波 电流的峰值为Im,‎ 额定电流(平均电流)为: （‎1.2.4‎）‎ 额定电流有效值为: （‎1.2.5‎）‎ 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效 值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.5~2倍的裕量。‎ ‎（2）反向重复峰值电压ＵRRM：‎ 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿 电压UＢ的2/3。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎（3） 正向压降ＵF：‎ 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又 称管压降)。‎ ‎1.3 晶闸管 ‎ 晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶 闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。‎ ‎ 普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。‎ 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：‎ ‎4500A‎/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等 领域, 为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。‎ ‎1.3.1‎‎ 晶闸管及其工作原理 ‎1、晶闸管的结构：‎ ‎ （1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋 式和大电流平板式(额定电流在‎200A以上),由图‎1.3.1‎(a)、(b)、(c)、(d)所示。‎ 图‎1.3.1‎ 晶闸管的外型及符号 ‎（2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A, 阴极K和门极(或称栅极)G, ‎ 它的电气符号如图‎1.3.1‎(e)所示。‎ 晶闸管是大功率器件, 工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。‎ 30‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎4‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎2‎ 日期 课题 第1章电力电子器件 晶闸管及其他电力电子器件 教学 目的 理解和掌握可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效晶体管和绝缘栅双极型晶体管的工作机理、电气特性和主要参数。‎ 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 电力电子器件原理、性能上的不同，各自应用的场合。‎ 教 学 难 点 电力电子器件的工作原理。。‎ 实 践 环 节 多媒体 作 业 ‎1—5~14‎ 教研室主任意见：‎ 同意该计划，重点在晶闸管的特性分析上。‎ 签字：刘沂 日期：2007.3.16‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎2、晶闸管的工作原理 晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流。 ‎ 图‎1.3.2‎ 晶闸管的内部结构和等效电路 （1） 导通：阳极施加正向电压时→给门极G也加正向电压→‎ 门极电流Ig经三极管放大后成为集电极电流，又是三极 管的基极电流→放大后的集电极电流进一步使Ig增大且又作为 的基极电流流入→重复上述正反馈过程→两个三极管、都快速进入 饱和状态→晶闸管阳极A与阴极K之间导通→满足阳极正偏的条件,晶闸 管就一直导通。‎ ‎(2）阻断：晶闸管A 、K间承受正向电压→门极电流Ig=0时→和 之间的正反馈不能建立起来→晶闸管A 、K间处于正向阻断状态。 ‎ ‎1.3.2‎‎ 晶闸管的特性与主要参数 ‎１. 晶闸管的伏安特性 ：‎ 图‎1.3.3‎ 晶闸管阳极伏安特性 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 晶闸管的正向特性：‎ ‎=0→器件两端施加正向电压→正向阻断状态→只有很小的正向漏电流流 过→正向电压超过临界极限即正向转折电压，则漏电流急剧增大→器件开通 ‎→随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。‎ 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。‎ 闸管的反向特性：‎ 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。‎ ‎2.晶闸管的开关特性 晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。‎ ‎(1) 开通过程：‎ 普通晶闸管延迟时为0.5∽1.5μs，上升时间为0.5∽3μs。‎ ‎(2) 关断过程：‎ 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。‎ ‎（3）晶闸管的开通与关断时间： ‎ 普通晶闸管的开通时间 约为6μs。关断时间约为几十到几百微秒。‎ ‎3.晶闸管的主要特性参数 ‎ ‎（1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压 ‎ 1）正向重复峰值电压 :‎ ‎ 门极断开(Ig=0), 元件处在额定结温时,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值 电压 (此电压不可连续施加)的80%所对应的电压(此电压可重复施加,其重 复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms)。‎ ‎ 2）反向重复峰值电压 :‎ ‎ 元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压的80%所对应 的电压。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ 3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取与中的最小值,选用时，‎ 定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压 ‎2～3倍。‎ ‎（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流 ‎ 1） 定义：在环境温度为‎40℃‎和规定的冷却条件下, 晶闸管在电阻性负载导 通角不小于170°的单相工频正弦半波电路中, 当结温稳定且不超过额定结温 所允许的最大通态平均电流。在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流 算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，其有一定的电流裕量。‎ ‎2）计算方法：‎ 额定电流(平均电流)为： ‎ ‎ （‎1.3.3‎）‎ 额定电流有效值为：‎ ‎ （‎1.3.4‎）‎ ‎（3）门极触发电流和门极触发电压 定义：在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的 最小门极电流，称为门极触发电流。对应于门极触发电流的门极电压称为门 极触发电压。‎ ‎（4）通态平均电压 定义：在规定环境温度、标准散热条件下， 元件通以正弦半波额定电流时，‎ 阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降)。‎ ‎（5）维持电流和掣住电流 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳 极电流为维持电流。‎ 给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发 电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流。‎ ‎1.3.3‎‎ 晶闸管的派生器件 ‎ ‎1. 快速晶闸管(Fast Switching Thyristor—FST)‎ 可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(简称FST)。‎ 开关频率在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。‎ 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正 反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。‎ ‎2. 双向晶闸管(TRIAC)‎ 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第II象限有对称的伏安 特性。‎ 图‎1.3.4‎ 双向晶闸管的电气图形符号 图 1.3.5 逆导晶闸管的电气图形符号 ‎ 和伏安特性 和伏安特性 ‎（a) 电气图形符号 (b) 伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 ‎3. 逆导晶闸管 (RCT)‎ ‎1)将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。‎ ‎2)与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温特性好、额 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 定结温高等优点；‎ ‎4. 光控晶闸管(LTT)‎ ‎1)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管 。‎ ‎2) 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。‎ ‎3）大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二 极管或半导体激光器。‎ ‎4）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。‎ 图‎1.3.6‎ 控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 ‎1.4 可关断晶闸管 ‎ 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 以下内容以介 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，绍为主 即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。‎ ‎1、可关断晶闸管的结构 与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门 极。 ‎ 和普通晶闸管的不同点：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 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 一起。 ‎ 图‎1.4.1‎ 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 ‎2、可关断晶闸管的工作原理 ‎ 1）GTO的导通机理与SCR是相同的。‎ ‎ 2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和 导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 ‎ ‎3、可关断晶闸管的应用 ‎ ‎1）GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量 较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。‎ 用门极正脉冲可使GTO开通， 用门极负脉冲可以使其关断， 这是GTO最 大的优点。 ‎ GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型， 在使用时要特别注意。不少 GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联 。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎1.4.2‎‎ 可关断晶闸管的特性 图‎1.4.2‎ 可关断晶闸管的开关特性 ‎1.5 电力晶体管 ‎ ‎1) 术语用法：‎ 电力晶体管（GTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体 管。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。‎ ‎2）应用：‎ ‎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。‎ 1.5.1 电力晶体管及其工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、‎ 开关特性好。‎ 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。‎ 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。‎ 1.5.2 电力晶体管的特性 GTR共射电路输出特性 输出特性：截止区(又叫阻断区)、线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎1.6 电力场效应晶体管 ‎1）分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属-氧化物-半导体场效应管（简称 MOSFET）‎ ‎2）通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。‎ ‎3）特点：输入阻抗高(可达40MΩ以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可 达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、‎ 安全工作区(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电 力电子装置。‎ ‎1.6.1‎‎ 电力场效应管及其工作原理 ‎1、电力场效应管的结构 ‎ 图‎1.6.1‎ N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号 目前生产的VDMOS中绝大多数是N沟道增强型，这是由于P沟道器件在相 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 同硅片面积下，其通态电阻是N型器件的2～3倍。因此今后若无特别说明，均 指N沟道增强型器件。‎ VDMOS的典型结构特点：‎ ‎ (1)垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获 得大的电流容量；‎ ‎(2)设置了高电阻率的N－区以提高电压容量；‎ ‎(3)短沟道(1 ～ 2μm)降低了栅极下端SiO2层的栅沟本征电容和沟道电阻，提 高了开关频率；‎ ‎ (4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。‎ ‎2、电力场效应管的工作原理 （1） 截止：栅源电压 ≤0 或 0＜≤ (为开启电压，又叫 阈值电压)；‎ ‎（2）导通：＞时，加至漏极电压＞0； ‎ ‎（3）漏极电流ID ：VDMOS的漏极电流ID受控于栅压。‎ ‎1.7 绝缘栅双极型晶体管 ‎ IGBT：绝缘栅双极型晶体管。兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的 低导通压降特性两者优点的一种复合器件。IGBT于1982年开始研制，1986年投 产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。 ‎ 目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达‎1800A，最高电压等级达 ‎4500V，工作频率达50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高 速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。‎ ‎1.7.1‎‎ 绝缘栅双极型晶体管及其工作原理 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎1. IGBT的结构 ‎ ‎ ‎ 图‎1.7.1‎ IGBT的结构、简化等效电路与电气符号 IGBT的结构如图‎1.7.1‎(a)所示。它是在VDMOS管结构的基础上再增加一 个P+层，形成了一个大面积的P+N结，和其它结、一起构成了一个相当 于由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR;简化等效电路如图‎1.7.1‎(b)所示。‎ 电气符号如图‎1.7.1‎（c）所示GBT有三个电极:集电极Ｃ、发射极Ｅ和栅极Ｇ。‎ ‎ 2. IGBT的工作原理 IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅电压 控制集电极电流的栅控自关断器件。‎ ‎ ‎1.7.2‎ 缘栅双极型晶体管的特性 IGBT的伏安特性和转移特性 图‎1.7.2‎ IGBT的伏安特性和转移特性 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 （1） IGBT的伏安特性（如图‎1.‎‎7.2a)反映在一定的栅极一发射极电压下器 件的输出端电压UCE与电流的关系。‎ ‎ IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。‎ ‎（2）IGBT的转移特性曲线（如图‎1.7.2‎b） ‎ IGBT开通： > (开启电压,一般为3～6V) ；‎ 其输出电流与驱动电压基本呈线性关系； ‎ IGBT关断： < ；‎ ‎1.8 其它新型电力电子器件 ‎1.8.1‎静电感应晶体管（SIT）‎ 它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性 好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；广泛用于高频感应加热设备(例如 ‎200kHz、200kW的高频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、大功率中频 广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。‎ ‎1.8.2‎‎ 静电感应晶闸管（SITH） ‎ ‎1）它自1972年开始研制并生产；‎ ‎2）优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损 耗小、 及 耐量高等； ‎ ‎3）应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域； ‎ ‎4）缺点：SITH制造工艺复杂，成本高； ‎ ‎1.8.3‎‎ MOS控制晶闸管（MCT） ‎ MCT自20世纪80年代末问世，已生产出‎300A/2000V、‎1000A/1000V的器 件；结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其主导元 件是SCR，控制元件是MOSFET；特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 阻抗高、驱动功率小、开关速度高；‎ ‎1.8.4‎‎ MOS控制晶闸管（IGCT/GCT） ‎ IGCT ：（Integrated Gate-Commutated Thyristor）‎ 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；‎ IGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优选功率器件之一。‎ 1.8.5 功率模块与功率集成电路 PIC（Power Integrated Circuit）：‎ ‎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。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）。‎ 类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重:高压集成电路 ‎（High Voltage IC，简称HVIC，一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单 片集成）;‎ 智能功率集成电路（Smart Power IC，简称SPIC，一般指纵向功率器件与逻辑 或模拟控制电路的单片集成）;‎ 智能功率模块（Intelligent Power Module，简称IPM，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）。‎ 30‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎5‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎3‎ 日期 课题 第1章电力电子器件 器件的驱动与保护 教学 目的 电力电子电路的驱动、保护与控制所包括的内容 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 晶闸管触发电路，GTO与GTR驱动电路的介绍 教 学 难 点 电力电子器件的驱动和保护电路 实 践 环 节 多媒体及实践课 作 业 ‎1—15~26‎ 教研室主任意见：‎ 同意该计划，教学实践结合会达到良好的效果。‎ 签字：刘沂 日期：2007.3.19‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎1.9 电力电子器件的驱动与保护 电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容：‎ ‎（1）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理 后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断状态。‎ ‎（2）过流、过压保护：包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的 电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系 统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成 事故。‎ ‎（3）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压和过流，减小开关损耗。‎ ‎（4）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电 流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤 除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载的电 力质量。 （5）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热心力，‎ 降低开关器件的结温。 （6）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经 处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机、停机信号和保护信号。‎ ‎1.9.1‎‎ 电力电子器件的换流方式 定义：电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。‎ 电力半导体器件可以用切断或接通电流的开关表示。‎ 在图‎1.9.1‎中，、表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，当关断，‎ 导通时，电流流过；当关断，导通时，电流i从转移到。 ‎ 构，如图‎1.8.4‎(a)。‎ ‎2）三极：阳极A、阴极、栅极G，‎ ‎3）原理：‎ 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；‎ 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；‎ 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ ‎ 图‎1.9.1‎ 桥臂的换流 图1.9.2 脉冲电压换流原理图 ‎ 一般来说，换流方式可分为以下四种：‎ ‎（1）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流称为器件 换流。‎ ‎（2）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一 个臂向另一个臂转移称为电网换流。‎ ‎（3）负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器件关断，实现电流从 一个臂向另一个臂转移称为负载换流。凡是负载电流的相位超前电压的场合，‎ 都可以实现负载换流。‎ ‎（4）脉冲换流：设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，‎ 控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移称为脉冲换流，有时也称 为强迫换流或电容换流。‎ 脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。‎ 1.9.2 驱动电路 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制信号，又要提供关断控制信号。‎ 构，如图‎1.8.4‎(a)。‎ ‎2）三极：阳极A、阴极、栅极G，‎ ‎3）原理：‎ 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；‎ 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；‎ 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通 过脉冲变压器或光耦来实现。‎ ‎1．晶闸管SCR触发驱动电路 作用：产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。‎ 工作原理：当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器 PT输出电压经D2输出脉冲电流触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零 后，D1、DZ续流，PT的原边电压速降为零，防止变压器饱和。‎ ‎ ‎ 图‎1.9.3‎ 带隔离变压器的SCR驱动电路 图1.9.4 光耦隔离的SCR驱动电路 ‎2．GTO的驱动电路 GTO的几种基本驱动电路：‎ ‎1）晶体管Ｔ导通、关断过程：图‎1.9.5‎ (a)‎ 电源Ｅ经Ｔ使GTO触发导通，电容Ｃ充电， 电压极性如图示。当Ｔ关断时，‎ 电容Ｃ放电，反向电流使GTO关断。‎ Ｒ起开通限流作用，Ｌ在SCR阳极电流下降期间释放出储能，补偿GTO的门 极关断电流，提高了关断能力。‎ ‎ 该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电源， 其关断能力有限且不易控 制。另一方面，电容Ｃ上必须有一定的能量才能使GTO关断，故触发Ｔ的脉冲必 须有一定的宽度。‎ 构，如图‎1.8.4‎(a)。‎ ‎2）三极：阳极A、阴极、栅极G，‎ ‎3）原理：‎ 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；‎ 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；‎ 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎1.9.5‎ GTO的基本驱动电路 ‎2）导通和关断过程：图‎1.9.5‎(b)‎ 导通时GTO门极与阴极间流过负电流而被关断；由于GTO的开通和关断均 依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；‎ ‎3）图‎1.9.5‎(c)中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。 ‎ ‎4）图‎1.9.5‎(d)，对于‎300A以上的GTO，用此驱动电路可以满足要求。‎ ‎3．GTR的驱动电路 ‎ ‎1) 作用: 将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断 的程度。 ‎ ‎ 2) 功能: ‎ ‎①提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断。‎ ‎② 实现主电路与控制电路的隔离。 ‎ ‎ ③ 具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损 坏GTR。‎ ‎④ 电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。‎ 构，如图‎1.8.4‎(a)。‎ ‎2）三极：阳极A、阴极、栅极G，‎ ‎3）原理：‎ 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；‎ 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；‎ 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎4．MOSFET和IGBT的驱动电路 图‎1.9.6‎ UAA4002组成的GTR驱动电路 由于IGBT的输入特性几乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的 驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于VDMOS。‎ 图‎1.9.7‎ 采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路 图1.9.8 推挽输出的栅极驱动电路 ‎（1）采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路 如图‎1.9.7‎所示 ‎（2）推挽输出的栅极驱动电路 如图‎1.9.8‎所示 ‎（3）EXB系列集成驱动电路 如图‎1.9.9‎图1.9.10所示 ‎（4）M‎57962L组成的IGBT驱动电路 ‎ 构，如图‎1.8.4‎(a)。‎ ‎2）三极：阳极A、阴极、栅极G，‎ ‎3）原理：‎ 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；‎ 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；‎ 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎1.9.9‎ EXB8XX驱动模块框图 图1.9.10 集成驱动器的应用电路 ‎1.9.3‎‎ 保护电路 电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久 性损坏。‎ 过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电 压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输 入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故 。‎ ‎1 . 过电流保护（过流包括过载和短路）‎ 图‎1.9.11‎ 电力电子系统中常用的过流保护方案 ‎ 措施：通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断 构，如图‎1.8.4‎(a)。‎ ‎2）三极：阳极A、阴极、栅极G，‎ ‎3）原理：‎ 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；‎ 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；‎ 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。‎ 30‎ 津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。‎ 快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之 后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。 ‎ ‎2．过电压保护 ‎ 过电压——外因过电压和内因过电压。‎ 外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作 引起）等外因。‎ 内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。‎ 电力电子系统中常用的过电压保护方案：‎ 图‎1.9.12‎ 电力电子系统中常用的过电压保护方案 ‎ ‎3．开关器件串联、并联使用时的均压、均流 作用：防止器件串联使用时电压、并联使用时电流分配不均匀，使其电压、电 流超过器件的极限损坏器件。‎ ‎1.9.4‎‎ 缓冲电路 ‎ 1）原因：‎ 电力电子器件工作状态有开通、通态、关断、断态四种工作状态，其中断态 时承受高电压，通态时承载大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受 过压、过流、过大的、以及过大的瞬时功率。‎ ‎2）缓冲电路作用：防止高电压和大电流可能使器件工作点超出安全工作范围。‎ 构，如图‎1.8.4‎(a)。‎ ‎2）三极：阳极A、阴极、栅极G，‎ ‎3）原理：‎ 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；‎ 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；‎ 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。‎ 30‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 器件关断过程：电流经过C、D给无感电容器充电，使器件的UCE电压缓慢 上升，可有效地抑制过电压的产生；‎ 器件关断过程：电流经过C、D给无感电容器充电，使器件的UCE电压缓慢 上升，可有效地抑制过电压的产生。‎ 作用：采用缓冲吸收回路后：不仅保护了器件，使之工作在安全工作区，而且 由于器件的开关损耗有一部分转移到了缓冲吸收回路的功率电阻R上，因此降低 了器件的损耗，并且可以降低器件的结面温度，从而可充分利用器件的电压和电 流容量。‎ ‎1.9.5‎‎ 散热系统 电力半导体器件的散热，一般有三种冷却方式：‎ ‎① 自然冷却：只适用于小功率应用场；‎ ‎② 风扇冷却：适用于中等功率应用场合，如IGBT应用电路； ‎ ‎③ 水冷却：适用于大功率应用场合，如大功率GTO、IGCT及SCR等应用 电路。‎ 构，如图‎1.8.4‎(a)。‎ ‎2）三极：阳极A、阴极、栅极G，‎ ‎3）原理：‎ 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；‎ 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；‎ 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。‎ 30‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎6‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎3‎ 日期 课题 驱动与保护、认识器件、器件安装、器件冷却-‎ 教学 目的 1、 理解各种自关断器件对驱动与保护的电路要求 2、 熟悉各种自关断器件的驱动与保护电路的结构与特点 3、 掌握由自关断器件构成PWM直流斩波电路原理与方法 4、 了解器件的安装与冷却的相关内容 课型 面授□多媒体□ 机房□ 实验□ 实习■ 课程设计□‎ 教 学 重 点 晶闸管触发电路，GTO与GTR驱动电路的介绍 教 学 难 点 电力电子器件的驱动和保护电路 实 践 环 节 实践课 作 业 实践报告 教研室主任意见：‎ 同意该计划，教学实践结合会达到良好的效果。‎ 签字：刘沂 日期：2007.3.22‎ 30‎