第1章 电力电子技术.ppt

第1章电力电子器件,主要内容常用电力电子器件分类；常用电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性、主要参数和安全工作区；常用电力电子器件的基本驱动电路、缓冲电路和保护方法；常用电力电子器件的串并联技术。,1.1引言,电力电子器件是电力电子技术的基础，新器件的诞生或器件特性的新进展，都带动了电力电子应用技术的新突破，或导致出现新的电路拓扑。电力电子应用技术的发展又对电力电子器件提出了更新、更高的要求，进一步推动了高性能、新器件的研制。电力电子器件在电力电子电路中一般都工作在开关状态，在通态时应能流过很大电流而压降很低；在断态时应能承受很高电压而漏电流很小；断态与通态间的转换时间很短且功率损耗较小。,1.2电力电子器件的结构、特性和主要常数,1.2.1功率二极管,功率二极管外形、结构和符号,1.功率二极管的结构,2.功率二极管的工作原理P型半导体和N型半导体结合一体，其中，N型半导体区电子浓度大，P型半导体区空穴浓度大，因此，N区电子要向P区扩散与P区空穴复合，在N区边界侧留下正离子层，P区空穴要向N区扩散与N区电子复合，在P区边界侧留下负离子层，在交界处渐渐形成空间电荷区；多数载流子的扩散运动和少数载流子漂移运动到动态平衡，决定空间电荷区的宽度，形成PN结；PN结具有单向导电性，二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。,3.功率二极管的特性,1功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth又称死区电压。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加，二极管被电击穿后将造成PN结的永久损坏。,功率二极管的伏安特性,2功率二极管的开关特性因结电容的存在，功率二极管在通态和断态之间转换时，有一个过渡过程，这个过程中的特性为功率二极管的动态特性。功率二极管由断态转为通态时，功率二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP，然后逐渐趋于稳态压降值。这一动态过程的时间，称为正向恢复时间tfr。,当原处于正向导通的功率二极管的外加电压突然变为反向时，功率二极管不能立即关断，其电流逐渐下降到零，然后有较大的反向电流和反向过冲电压出现，经过一个反向恢复时间才能进入截止。其中，td为延迟时间，tf为电流下降时间，trr为反向恢复时间，trr＝td＋tf。,功率二极管的开关特性,由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。普通二极管的trr2～10s，快速恢复二极管的trr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。,4.功率二极管的主要参数1额定电压URR反向不重复峰值电压URSM是指即将出现反向击穿的临界电压；二极管的额定电压URR（反向重复峰值电压URRM）取反向不重复峰值电压URSM的80％；2额定电流IFR功率二极管的额定电流IFR被定义为在规定的环境温度为40℃和散热条件下工作，其管芯PN结温升不超过允许值时，所允许流过的正弦半波电流平均值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为,3最大允许的全周期均方根正向电流IFrms二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms由式1-1和1-2可得4最大允许非重复浪涌电流IFSM这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。功率二极管属于功率最大半导体器件，二极管参数是正确选用二极管依据。,,,1.2.2晶闸管及派生器件,晶闸管Thyristor就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。,1.晶闸管的外形,小电流塑封式,小电流螺旋式,大电流螺旋式,大电流平板式,图形符号,自冷式,风冷式,水冷式,2.晶闸管的结构晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线A、K、G的器件。,结构和双晶体管模型,3.晶闸管的工作原理IG↑→IB2↑→IC2IB1↑→IC1↑,晶闸管的双晶体管模型与工作电路图,欲使晶闸管导通需具备两个条件应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。,4.晶闸管的特性1晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。,晶闸管的伏安特性,2晶闸管的门极伏安特性由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性OG和一条极限低阻门极伏安特性OD之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM﹑允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,OABCO为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区。,晶闸管的门极伏安特性,3晶闸管的开关特性,晶闸管的双晶体管模型与工作电路图,①开通过程开通时间ton包括延迟时间td与上升时间tr，即tontdtr1-4延迟时间td门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10的时间,上升时间tr阳极电流从10上升到稳态值的90所需的时间普通晶闸管的导通时间约为几微妙。,②关断过程关断时间toff包括反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr，即tofftrrtgr反向阻断恢复时间trr正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；正向阻断恢复时间tgr晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间；普通晶闸管的关断时间约为几十至几百微妙。,5.晶闸管的主要参数（1）断态重复峰值电压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。（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。（3）额定电压UTN断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取2～3倍的安全裕量。,4额定电流ITAV在环境温度为40℃和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通导通角170，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。,例如晶闸管流过正弦半波电流波形，如图所示,晶闸管流过正弦半波电流波形,平均电流ITAV面积/时间,它的通态平均电流ITAV和正弦电流最大值Im之间的关系表示为,求电流平均值有效值,,,有效电流IT在一个交流电变化周期内，交流电在电阻R上产生的热量，相当于多大数值的直流电在该电阻R上产生的热量，该直流电的数值就是平均电流,求电流平均值有效值,交流电I,在t时间内，在电阻值为R的电阻上产生热量为有效值IT，在时间t内，在电阻为R的电阻上产生的热量为IT2Rt,正弦半波电流的有效值为,,,式中Kf为波形系数流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取1.5～2倍的安全裕量。,晶闸管流过正弦半波电流波形,,〖例1-1〗两个不同的电流波形阴影斜线部分如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im100A，试计算各波形下晶闸管的电流平均值Id1、Id2，电流有效值I1、I2，并计算波形系数Kf1、Kf2。,流过晶闸管的电流波形,解如图所示的平均值和有效值可计算如下,,,,,,思考1如果晶闸管的额定电流是100A,考虑晶闸管的安全裕量,请问在以上的情况下,允许流过的平均电流是多少,,,,思考2如果考虑晶闸管的安全裕量,请问在以上的情况下,允许流过的平均电流是多少,6.晶闸管的派生器件1快速晶闸管快速晶闸管的关断时间≤50s，常在较高频率400Hz的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平均电流1200A、最高断态电压1500V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25s～50s。,2双向晶闸管双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。,双向晶闸管等效电路及符号,双向晶闸管的伏安特性,3逆导晶闸管逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低和配线简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。,逆导晶闸管的等效电路及伏安特性,4光控晶闸管光控晶闸管LightActivatedThyristor是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。光控晶闸管符号和等效电路光控晶闸管的伏安特性,光控晶闸管的符号及等效电路,光控晶闸管的伏安特性,1.2.3可关断晶闸管GTO,可关断晶闸管GTOGateTurn-OffThyristor，门极信号不仅能控制其导通，也能控制其关断。1.可关断晶闸管的结构GTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。,可关断晶闸管的结构、等效电路和符号,可关断晶闸管的结构、等效电路和符号,2.可关断晶闸管的工作原理1开通过程GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益α1α2数值不同。晶闸管的回路增益α1α2常为1.15左右，而GTO的α1α2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。2关断过程当GTO已处于通态时，对门极加负的关断脉冲，形成－IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使α1α21时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。,由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。,3.可关断晶闸管的特性1GTO的阳极伏安特性,GTO的阳极伏安特性,2GTO的开通特性开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成。GTO的延迟时间一般为1-2μs，上升时间随着阳极电流的增大而增大。3GTO的关断特性关断过程toff由储存时间ts、下降时间tf、尾部时间tt组成。GTO的储存时间随着阳极电流的增大而增大，下降时间一般为2μs。,GTO的开关特性,4.可关断晶闸管的主要参数GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。1最大可关断阳极电流IATO电流过大时α1α2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。2关断增益offGTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IgM之比off通常只有5左右。,1.2.4双极型功率晶体管1.双极型功率晶体管的结构,BJT的结构和符号,2.双极型功率晶体管的工作原理与三极管的工作原理相同单个BJT电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，为了提高电流增益，常采用达林顿结构。,达林顿晶体管,3.双极型功率晶体管的特性1BJT的输出特性,BJT的输出特性,①开通过程延迟时间td上升时间tr开通时间tontontdtr②关断过程储存时间ts下降时间tf关断时间tofftofftstfBJT的导通时间和关断时间都是几微妙。,BJT的开关响应特性,2BJT的开关特性,3双极型功率晶体管的安全工作区①正向偏置安全工作区BJT的正向偏置安全工作区是由集电极最大电流ICM、集电极最大允许耗散功率PCM、二次击穿耐量有关的PSB和集射极最大电压UCEO所组成的区域。当导通时间变小时，安全工作区增加。②反向偏置安全工作区为了使晶体管截止而不被击穿，电压与电流的工作点必须选在反向安全工作区之内。反向偏置基极电流不同时，反向安全工作区宽窄也不同，若反向偏置基极电流增加时，反向击穿电压升高。,BJT的正向偏置安全工作区,BJT反向偏置安全工作区,4双极型功率晶体管的二次击穿①一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过限度，BJT一般不会损坏，工作特性也不变②二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变,4.双极型功率晶体管的主要参数1最高工作电压即最高集电极电压的额定值。BJT的反向击穿电压决定管子承受外加电压的上限，也是BJT的重要参数。UEBO是集电极开路时射基极间的反向击穿电压；UCBO是发射极开路时集基极间的反向击穿电压。UCEO是基极开路时集电极-发射极之间的反向击穿电压，UCEO在BJT产品目录中作为电压容量给出。（2）集电极最大电流ICM即集电极允许流过的最大电流值。通常规定电流放大倍数β值下降为规定值的（1/21/3）时的IC值为ICM。实际使用中要留有裕量，通常只用到ICM值的（1/31/2）。,（3）最大功率损耗额定值PCM即最高允许工作温度下的耗散功率。产品手册中给出PCM参数时，总是同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。（4）BJT的电流放大倍数β值β定义为晶体管的集电极电流变化率和基极电流变化率之比。（5）BJT的反向电流BJT的反向电流会消耗一部分电源能量，会影响管子的稳定性。常希望反向电流尽可能小。有ICBO、ICEO和IEBO。（6）最大允许结温TJM双极型功率晶体管结温过高时将导致热击穿而烧毁。是晶体管能正常工作的最高允许结温。,1.2.5功率场效应晶体管,根据其结构不同分为结型场效应晶体管，金属-氧化物-半导体场效应晶体管。根据导电沟道的类型可分为N沟道和P沟道两大类；根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类；电力MOSFET主要是N沟道增强型,1.功率场效应晶体管的结构功率MOSFET在特性上的优越之处在于没有热电反馈引起的二次击穿、输入阻抗高、跨导的线性度好和工作频率高。,功率场效应晶体管VDMOS的结构、符号,2.功率场效应晶体管的工作原理当栅源极电压UGS＝0时，漏极下的P型区表面呈现空穴的堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成P区内载流子的移动，即VMOS管保持关断状态。我们把这种正常关断型的MOSFET称为增强型。当栅源极电压UGS＞0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时VMOS管仍保持关断状态。当栅源极电压UGS超过UGth时，栅极下面的硅的表面从P型反型成N型，形成N型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使VMOS管进入导通状态。通常把导电的反型层称作沟道。此时，漏源之间施加电压，电子从源极通过沟道移动到漏极形成漏极电流ID。,3.功率场效应晶体管的特性1功率MOSFET的转移特性转移特性表示功率MOSFET的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。转移特性表示功率MOSFET的放大能力，与BJT中的电流增益相仿，由于功率MOSFET是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。,功率场效应晶体管的转移特性和输出特性,2功率MOSFET的输出特性当栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS间关系曲线称为VMOSFET的输出特性。只有当栅源电压UGS超过UGth时，使MOSFET进入导通状态。栅源电压UGS越大，漏极电流越大，可见漏极电流ID受栅源电压UGS的控制。输出特性分为三个区域，可调电阻区、饱和区和雪崩区。可调电阻区Ⅰ，器件的电阻值是变化的。当栅源电压UGS一定时，器件内的沟道已经形成，若漏源电压UDS很小时，对沟道的影响可忽略，沟道的宽度和电子的迁移率几乎不变，所以ID与UDS几乎呈线性关系。饱和区Ⅱ，当UGS不变时，ID趋于不变。雪崩区Ⅲ，当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区Ⅲ，直至器件损坏。使用时应避免出现这种情况。,2功率MOSFET的输出特性当栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS间关系曲线称为VMOSFET的输出特性。只有当栅源电压UGS超过UGth时，使MOSFET进入导通状态。栅源电压UGS越大，漏极电流越大，可见漏极电流ID受栅源电压UGS的控制。输出特性分为三个区域，可调电阻区、饱和区和雪崩区。可调电阻区Ⅰ，器件的电阻值是变化的。当栅源电压UGS一定时，器件内的沟道已经形成，若漏源电压UDS很小时，对沟道的影响可忽略，沟道的宽度和电子的迁移率几乎不变，所以ID与UDS几乎呈线性关系。饱和区Ⅱ，当UGS不变时，ID趋于不变。雪崩区Ⅲ，当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区Ⅲ，直至器件损坏。使用时应避免出现这种情况。,3功率MOSFET的开关特性①开通特性在t＝t0时，加栅极电压信号uGG，通过RG对栅源电容CGS充电，栅极电流iG呈指数曲线下降，栅极电压uGS呈指数曲线上升。当t﹥t1时，uGS﹥UGth，器件开始导通，随着uGS增加，iD按指数曲线上升。当t＝t2时，漏极电流上升到iD＝Io，此时，栅极电压达到恒定值，uGS≈uGG，iG下降到接近0。当t﹥t2时，栅极电流iG全部流入栅漏电容CGD，漏极电流iD使漏源极电容放电，直到tt3，漏源极电压达到由其通态电阻决定的最小值UDSON。当t﹥t3时，漏源极电压保持通态最小值UDSON，此时栅极电流iG继续对CGD充电，栅极电压uGS按指数曲线上升，直到t4时刻，uGS达到uGG，iG＝0，器件进入完全导通状态。,②关断特性在t＝t4时，栅极电压信号uGG降到零，此时CGS和CGD通过RG放电，栅极电压uGS呈指数曲线下降，栅极电流iG突变到负最大值后呈指数曲线下降，在t＝t5时，栅极电压uGS达到恒定值并保持，此时栅极电流iG全部从CGD中吸取，漏源极电压uDS线性变化，当t＝t6时，uDS＝uDD，当t﹥t6时，栅极电流iG、栅极电压uGS和漏极电流iD均呈指数曲线下降，当t＝t7时，uGS＝UGth，漏极电流iD接近为零，MOSFET关断。当t﹥t7时，栅极电压uGS继续按指数曲线下降到零，此时栅极电流iG为零。当tt8时，漏极电流iD＝0。从脉冲电压下降到零到漏极电流开始减小。uGS下降，iD减小，到uGS﹤UGth，沟道关断，iD下降到零。,功率场效应晶体管的开关特性,①开通时间从脉冲电压的前沿到iD出现，这段时间用⊿t10＝t1-t0表示，也称为开通延迟时间td，从iD开始上升到iD达到稳态值所用时间用⊿t21＝t2-t1表示，也称为上升时间tr。ton＝td＋tr②关断时间这段时间用⊿t64＝t6-t4表示，也称为关断延时时间ts，这段时间用⊿t76＝t7-t6表示，也称为下降时间tf。toff＝ts＋tf,由于MOSFET只靠多数载流子导电，不存在储存效应，因此开关过程比较快，开关时间在10-100ns之间，是常用电力电子器件中开关频率最高的。4安全工作区SOA功率MOSFET没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高电压范围内，但是功率MOSFET的通态电阻比较大，所以在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。①正向偏置安全工作区FBSOA正向偏置安全工作区由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线。,②开关安全工作区SSOA开关安全工作区SSOA表示器件工作的极限范围。在功率MOSFET换流过程中，当器件体内反并联二级管从导通状态进入反向恢复期时，如果漏极电压上升过大，则很容易造成器件损坏。二极管反向恢复期内漏源极的电压上升率称为二极管恢复耐量，二极管恢复耐量是功率MOSFET可靠性的一个重要参数。,安全工作区,4.功率场效应晶体管的主要参数（1）漏源击穿电压BUDS该电压决定了功率MOSFET的最高工作电压。（2）栅源击穿电压BUGS该电压表征了功率MOSFET栅源之间能承受的最高电压。（3）漏极最大电流ID表征功率MOSFET的电流容量。（4）开启电压UGth又称阈值电压，它是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。,5通态电阻Ron是指在确定的栅源电压UGS下，功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。6极间电容是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为CGS和CGD，它们由MOS结构的绝缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是CDS，它由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。,1.2.6绝缘栅双极型晶体管IGBT,绝缘栅双极型晶体管IGBT是80年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。1.绝缘栅双极型晶体管的结构IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。,当UCE＜0时，J3PN结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。当UCE＞0时，分两种情况①若门极电压UGE＜开启电压UGth，IGBT呈正向阻断状态。②若门极电压UGE＞开启电压UGth，IGBT正向导通。,IGBT的结构、符号及等效电路,2.绝缘栅双极型晶体管的工作原理,1IGBT的伏安特性伏安特性分3个区域正向阻断区、有源放大区和饱和区。当UGEUGth，IGBT工作于阻断状态。当UGEUGth，VMOS沟道体区内形成导电沟道，IGBT进人正向导通状态。2IGBT的转移特性,IGBT的伏安特性和转移特性,3.绝缘栅双极型晶体管的特性,3开关特性,IGBT的开关特性,4擎住效应IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻，P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通；当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。5安全工作区,IGBT的安全工作区,4.绝缘栅双极型晶体管的主要参数1集射极额定电压UCEOIGBT最大耐压值。2栅射极额定电压UGESUGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏。3栅射极开启电压UGth使IGBT导通所需的最小栅-射极电压,通常IGBT的开启电压UGth在3V～5.5V之间。,4集电极额定电流IC在额定的测试温度壳温为25℃条件下，IGBT所允许的集电极最大直流电流。5集射极饱和电压UCESIGBT在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压。通常IGBT的集射极饱和电压在1.5V～3V之间。,1.3电力电子器件的驱动电路,驱动电路是电力电子器件与控制电路之间的环节，根据控制电路的输入信号提供足够的功率使电力电子器件在“断开”与“导通”状态之间进行转换，驱动电路应该使电力电子器件快速的导通或关断，并保持低开关损耗。驱动电路一般分为是单电源驱动还是双电源驱动，是直接驱动还是隔离驱动。电力电子器件的集成驱动电路由于具有和电力电子器件匹配好，具有过流保护功能而得到广泛的应用。,1.3.1晶闸管的门极驱动电路1.晶闸管对门极驱动电路的基本要求①驱动信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，驱动信号常采用脉冲形式。②驱动脉冲应有足够的功率。驱动电压和驱动电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。③触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10V/s或800mA/s。。,2.触发电路的型式控制电路应该和主电路隔离，隔离可采用脉冲变压器或光电耦合器。基于脉冲变压器Tr和晶体管放大器的驱动电路如图所示，当控制系统发出的高电平信号加至晶体管V1后，变压器输出电压经VD2输出脉冲电流IG触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，VD1、R2续流，防止过压。变压器原边上面接的是强触发环节,带脉冲变压器的驱动电路,1.3.2可关断晶闸管的门极驱动电路1.对门极驱动信号的要求根据GTO的特性，在其门极加正的驱动电流，GTO将导通；要使GTO关断，需要在其门极加很大的负电流。因此，通常采用不同回路实现GTO的导通和关断。门极驱动信号要足够大，脉冲前沿越陡越有利，而后沿平缓些好。正脉冲后沿太陡会产生负尖峰脉冲；负脉冲后沿太陡会产生正尖峰脉冲，会使刚刚关断的GTO的耐压和阳极承受的du/dt降低。,2.门极驱动电路型式（1）恒压源关断控制晶体管V1控制GTO触发导通；V2控制GTO关断。关断电源E2须小于GTO的门极反向电压UGRM之值，否则会引起GTO产生雪崩电流。（2）变压源关断控制晶体管V通过电容C供给GTO触发脉冲信号，GTO导通时，电容C充电。当关断信号加到可控硅SCR使其导通，电容C经SCR放电，为GTO门阴极提供一个负脉冲电压，从而关断GTO。,恒压源关断控制电路,变压源关断控制电路,1.3.3双极型功率晶体管的基极驱动电路1.BJT的驱动电路的重要性驱动电路性能不好，轻则使BJT不能正常工作，重则导致BJT损坏。其特性是决定电流上升率和动态饱和压降大小的重要因素之一。增加基极驱动电流使电流上升率增大，使BJT饱和压降降低，从而减小开通损耗。过大的驱动电流，使BJT饱和过深，退出饱和时间越长，对开关过程和减小关断损耗越不利。驱动电路是否具有快速保护功能，是决定BJT在过电压或过电流后是否损坏的关键因素之一。,2.BJT对基极驱动电路的基本要求①BJT导通时，基极电流值在最大负载下应维护BJT饱和导通，电流的上升率应充分大，以减小开通时间。②BJT关断时，反向注入的基极电流峰值及下降率应充分大，以缩短关断时间。③为防止关断时的尾部效应而导致BJT的损坏，驱动电路应提供给基射结合适的反偏电压，促使BJT快速关断，防止二次击穿。,④BJT瞬时过载时，驱动电路应能相应地提供足够大的驱动电流，保证BJT不因退出饱和区而损坏。⑤BJT导通过程中，如果BJT集射结承受电压或流过它的电流超过了设定的极限值，应能自动切除BJT的基极驱动信号。为了提高工作速度，降低开关损耗，多采用抗饱和措施；为了确保器件使用安全，尽可能采用多种保护措施，为了使电路简化，功能齐全，应尽可能采用集成器件。,3.BJT驱动电路的设计方法BJT的基极驱动方式直接影响着它的工作状态，可使某些参数和特性得到改善或是遭到损害，基极驱动电路的特性是决定集电极电流上升率di/dt和动态饱和压降的重要因素，过驱动可以减小开通损耗，但对关断过程不利，增加了关断损耗。1开通与通态由于器件一般在100℃～120℃的结点温度下使用，考虑到温度条件，则应取比标称值低20～30的数值。基极电流应尽可能大，以便开通或关断大的集电极电流。但基极电流过大会造成电路过饱和，增大了关断时间，反而降低了承受破坏的能力。因此，应限制基极电流过大。在开通与通态的情况下，基极电流按下式取值IB11.5～2ICmax/β,2关断与断态在BJT的基极加入反向驱动电流，可加速其关断，而且基射极的状态会影响集射极承受电压的能力。如果基射极被反偏置，可控制集射极的耐压，也能防止由于噪声引起的操作失误和抑制du/dt产生的电流。反向基极电流IB2较大，BJT的关断时间缩短，但是IB2增大，浪涌电压增大，反向偏置安全工作区变窄，确定IB2必须考滤到使用频率、反向偏置安全工作区、存储时间和下降时间。由于浪涌电压与IB2的大小和主电路的设置密切相关实际应通过实验来确定IB2，IB2最大峰值为IB1的2～3倍。,4.基极驱动电路的基本型式（1）固定反偏驱动电路为了减小存储时间加速BJT关断，常用截止反偏驱动以迅速抽出基区的过剩载流子。晶体管V1及V2导通，正电源VCC经过电阻R3及V2向BJT提供正向基极电流，使BJT导通。当ui为低电平时，V1及V2截止而V3导通，负电源-VCC加于BJT的发射结上，BJT基区中的过剩载流子被迅速抽出，BJT迅速关断。,固定反偏驱动电路,（2）恒流驱动电路“恒流驱动”是指BJT的基极电流保持恒定，恒流驱动使空载时饱和深度加剧，存储时间大。为了克服上述弊端常需采用其他辅助措施。抗饱和贝克箝位电路将多余的基极电流从集电极引出，使BJT在不同集电极电流情况下都处于饱和状态，使集电结处于零偏置或轻微正向偏置的状态。图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。轻载时，当BJT饱和深度加剧而使UCE减小时，A点电位高于集电极电位，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减小了BJT的饱和深度。,抗饱和贝克箝位电路,1.3.4功率MOSFET、IGBT的栅极驱动电路,1.对栅极驱动电路的要求①能向栅极提供需要的栅压，以保证功率MOSFET、IGBT可靠开通和关断，所以触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前、后沿要求陡峭。②减小驱动电路的输出电阻，以提高栅极充、放电速度，从而提高功率MOSFET、IGBT的开关速度。③为了使功率MOSFET、IGBT可靠导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在功率MOSFET、IGBT截止时，最好能提供负的栅源电压。④功率MOSFET、IGBT开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。⑤驱动电源必须并联旁路电容，它不仅滤除噪声，也用于给负载提供瞬时电流，加快功率MOSFET的开关速度。,2.功率MOSFET、IGBT驱动电路功率MOSFET与IGBT的是电压型控制器件，其驱动电路比较简单，如图1-45所示。为加快开关时间，应减小栅极电阻。日本三菱公司M57962AL是为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路，其内有2500V隔离电压光电耦合器，具有短路保护功能。M57962AL主要特点有高速输入输出隔离，输入输出电平与TTL电平兼容，内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性，具有可靠通断措施（采用双电源），可以驱动600A/600V或400A/1200V的IGBT模块。,驱动电路,M57962AL主要引脚功能是引脚13和引脚14为控制信号输入端，引脚5为驱动信号输出端，引脚4和引脚6分别接正电源E1和负电源-E1，引脚8为故障信号输出。,1.3.5全控器件的过电压及过电流保护,1.过电压保护1栅源间的过电压保护对于功率MOSFET和IGBT来说，如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会引起极间电容耦合到栅级而产生相当高的UGS电压过冲，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏。如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。采取的措施有①为适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源间并接阻尼电阻。②有些型号的功率MOSFET和IGBT内部输入端接有齐纳保护二极管。,2集射极或漏源极的过电压保护电路中有感性负载，或回路中有等效电感时，则当器件关断时，电流的突变会产生比电源电压还高得多的集射极或漏源极的电压过冲，导致器件的损坏。对GTO、BJT、MOSFET、IGBT应采取前面介绍的稳压管钳位，二极管RC钳位或RCD缓冲电路等保护措施。2.过电流保护自关断电力电子器件的热容量极小，过电流能力很低，其过流损坏在微秒级的时间内，远远小于快速熔断器的熔断时间，所以诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对自关断型电力电子器件来说是无用的。,为了使自关断型器件组成的电力电子装置安全运行，保护的主要做法是利用参数状态识别对单个器件进行保护；利用互锁的办法对桥臂中两个器件进行保护；利用电流检测等办法进行保护。1电压状态识别保护当BJT、GTO、IGBT等电力电子器件处于过载或短路故障状态时,随着集电极电流或阳极电流的增加,其集射极电压UCE或阳极阴极的电压UAK均发生相应变化,BJT的基射极电压UBE也发生变化，可利用这一特点对BJT等自关断器件进行过载和短路保护。,基极电压状态识别保护在基极电流和结温一定时，UBE随IC正比变化，其关系曲线如图所示，BJT的基极电压UBE与基准值电压UR通过比较器进行比较，正常工作条件下UBE＜UR，比较器输出低电平保证驱动管V的导通，一旦UBE＞UR，比较器输出高电平使驱动管V截止，阻断了BJT的驱动信号，关断将要过流的BJT。集射极电压状态识别保护电路检测UCE也可达到过电流保护的目的，集射极电压UCE与IC的关系曲线如图所示,监测基极电压状态识别保护电路,监测集射极电压状态识别保护电路,2桥臂互锁保护逆变器运行时，同一桥臂的两个开关管不能同时导通，由于开关管有关断时间，只有确认一个开关管关断后，另一个开关管才能导通。为防止同一桥臂的两个开关管同时导通，应该设置桥臂互锁时间，防止桥臂短路故障。桥臂互锁时间的长短与开关管的关断时间相关。3过饱和保护BJT的二次击穿多由于BJT工作于过饱和状态引起的，而基极驱动引起的过饱和使BJT的存储时间不必要地加长，直接影响着BJT的开关频率，所以BJT的过饱和保护对它的安全可靠工作有着极其重要的作用。通常过饱和保护可根据被驱动BJT的基射极电压降的高低来自动调节基极驱动电流的大小，构成准饱和基极驱动电路来完成。GTO、IGBT在过饱和时也会使关断时间增大，造成关断损耗增大的问题，也可以采用准饱和驱动电路实现过饱和保护。,3.静电保护功率MOSFET和IGBT的栅极绝缘的氧化层很薄，在静电较强的场合，容易引起静电击穿，造成栅源短路。此外，静电击穿电流易将栅源的金属化薄膜铝熔化，造成栅极或源极开路。故应采取如下措施应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中，不能放在塑料袋或纸袋中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。将开关管接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好是用内热式烙铁，先焊栅极，后焊漏极与源极或集电极和发射极，最好使用12V～24V的低电压烙铁，且前端作为接地点。在测试开关管时，测量仪器和工作台都必须良好接地，并尽量减少相同仪器的使用次数和使用时间，开关管的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压。,1.4电力电子器件的缓冲电路,1.4.1缓冲电路的作用电力电子器件的PN结在工作时，都有多数载流子存储。这些载流子的存储电荷为QS，在PN结进行换向时，具有电感的电路中可能产生很大的过电压USLdi/dt，当此过电压施加在器件的PN结上时，如果不加以吸收，这个过电压就可能击穿PN结而损坏器件。附加各种缓冲电路，目的不仅是降低浪涌电压、du/dt和di/dt,还希望能减少器件的开关损耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。,图1-49所示的未加缓冲电路时电力电子器件的开关波形，在开通和关断过程中的某一时刻，会出现开关管端电压和开关管电流同