第二章 电力电子器件概述..ppt

第二章电力电子器件概述,2.6电力场效应晶体管（MOSFET）,2.2功率二极管,2.3晶闸管,2.4可控开关的理想特征,2.5双极结型晶体管和达林顿管,2.1简介,2.7门极可关断晶闸管（GTO）,2.8绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2.9其他功率开关器件,2.10可控开关的比较,2.11驱动和吸收电路,2.12半导体功率器件的选择,2.1简介,第二章电力电子器件概述,功率半导体器件的分类,功率二极管导通和关断均由电路潮流决定。,晶闸管当器件在承受正向电压时，由控制信号控制器件的导通，而关断状态由电路潮流决定。,可控开关由控制信号控制器件的导通和关断。,不可控型,半可控型,全控型,下页,返回,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,全控型电力电子器件,电力场效应晶体管（MOSFET）,双极结型晶体管（BJT）,门极可关断晶闸管（GTO）,绝缘栅门极换流晶闸管（IGCT）,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,整流二极管及模块,下页,上页,返回,2.2功率二极管,第二章电力电子器件概述,2.2.1功率二极管的基本特性,当功率二极管承受正向电压时，它的正向导通压降很小，大约在1V左右。当功率二极管承受反向电压时，只有极小的漏电流可通过该器件。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,反向偏置电压超过某一规定值时，反向漏电流迅速增加。正常工作状态下，反向电压不允许达到或超过规定的截止电压。由于关断状态下的漏电流和通态压降都很小，因而，功率二极管的伏安特性可被理想化。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,功率二极管处于导通状态时，因其导通速度很快，故可当作理想开关。,反向恢复电流可消除功率二极管的过剩载流子，并在其后能阻断反极性电压。它还会使感应电路产生一个反向过冲电压。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.2.2功率二极管的主要参数,功率二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,设正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流为,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,额定电流有效值为,某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数,根据上式求出正弦半波的波形系数为,如额定电流IFAV100A的电流功率二极管，其额定电流有效值IFKfIFAV157A。注这里是正弦半波,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,有时候，其参数表中也给出在指定的温度下流过某一瞬态正向大电流时功率二极管的最大瞬时正向压降。正向压降越低，通态损耗越小。,功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。,具体使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此项参数。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,功率二极管对应于反向重复峰值电压时的反向电流。,管芯PN结的平均温度，而且是在PN结不至损坏的前提下所能承受的最高平均温度。,TJM通常在125175℃范围之内。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,在功率二极管从导通到阻断的过程中，二极管会流过一定的负电流。从功率二极管电流下降到零开始，直至在此回到零所需时间。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,该项参数反应了二极管抵抗短路冲击电流的能力。显然，设计器件的保护电路时，保护电路的动作电流应小于该参数。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.2.3几种常用的功率二极管,肖特基二极管,用于正向压降较低一般是0.3V的低压输出电路。,快恢复二极管,用于带有可控开关且反向恢复时间较短的高频电路中。,工频二极管,用于工频交流电路之中，其通态电压被限定得尽可能低，将产生一个较大的可适用于工频交流电路的反向恢复时间trr。,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,一、晶闸管的结构,,,结构分为管芯及散热器两大部分。,方式分为螺栓型与平板型两种。,2.3晶闸管,2.3.1晶闸管的基本特性,螺栓型散热效果差，用于200Ａ以下容量的元件,,,平板型散热效果好，用于200Ａ以上的元件,a）自冷b）风冷c）水冷,内部结构四层（P-N-P-N）三端（A、K、G）,,,二、晶闸管的工作原理特点正向阻断反向阻断1、导通条件正向阳极电压，正向门极电压。关断条件必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。,,,2、内部物理过程,晶体管的集电极电流为另一只晶体管的基极电流→形成正反馈,晶闸管工作原理由PNPN四层半导体料组成的四层三端器件，三个P-N结P1阳极A（Anode）N2阴极KCathodeP2引出门极GGate,,,,双三极管模型和导通原理,晶闸管的阳极电流应为,,,K,导通后，Ig无影响,3关断IaIC/hFE式中，hFE是元件的直流电流增益。,BJT理想化伏安特性曲线,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,通态时，基极电流必须保持不变。大功率晶体管的直流电流增益hFE的值通常在5到10之间。,双极结型晶体管,电流控制型元件,得到更大的电流增益,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,达林顿晶体管对电压非常敏感，轻微的过电压uCEsat就会导致它的损坏，且整体开关速度较慢。不论是单个器件或单个芯片上的达林管结构，BJT在关断期间都有一个储存时间。开关时间一般是在几百纳秒到几微秒的范围内。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.5.2BJT的主要参数,1集电极额定值电压VCEM,最高集电极电压额定值是指集电极的击穿电压值，它不仅因器件不同而不同，即使是同一器件，也会由于基极电路条件的不同而不同。,2集电极额定值电流ICM,以b值下降到额定值的1/2至1/3时的IC值为ICM；以结温和耗散功率为尺度来确定ICM值。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,最大脉冲电流的额定值,内部引线熔断的集电极电流，或是引起集电结损坏的集电极电流，或1.53倍的ICM。,3饱和压降UCES,单个三极管一般不超过11.5V，其值随集电极电流IC的上升而增大。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,4基极电流的最大允许值IBM,内引线允许流过的最大基极电流，通常取IBM≈（1/21/6）ICM。与ICM相比，其裕量通常很大。,5最高结温额定值TJM,正常工作时不损坏器件所允许的最高结温，由器件所用的半导体材料、制造工艺、封装方式及可靠性要求决定。BJT使用时须选配合适的散热器。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,6最大功耗额定值PCM,BJT在最高允许结温时所对应的耗散功率，它受结温的限制，其大小主要由集电极工作电压和集电极电流的乘积决定。,7开通和关断时间ton、toff,开通时间,,BJT从断态施加驱动信号开始到等效电阻降为零的通态所经历的时间。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,ton、toff的值越小，BJT开关过程中的损耗也越小，且可在高频率下工作。,关断时间,,BJT从通态撤除驱动信号到等效电阻为无限大的断态所经历的时间。,8热阻Rjc,BJT的PN结与管壳之间的热阻Rjc。,1二次击穿现象,出现击穿现象（AB段），称一次击穿。,1,2,集电极局部过热，C→D负阻效应,低电流，大电压，称二次击穿，元件损坏。,,,二次击穿现象与安全工作区,安全工作区,,,FBSOA,RBSOA,正向偏置安全区,反向偏置安全区,下页,上页,返回,2.6电力场效应晶体管（MOSFET）,第二章电力电子器件概述,2.6.1电力场效应晶体管的基本特性,电力场效应晶体管MOSFET是电压控制型器件。,1、结构,,,功率场效应晶体管（P-MOSFET）,特点电压控制，控制极（栅极）静态内阻高驱动功率小，开关速度高，无二次击穿，安全工作区宽,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,当栅-源极电压低于门槛电压uGSth时，MOSFET像近似断开的开关。MOSFET供给栅－源极大小合适的持续电压才能导通。,当MOSFET处在从开到关的转换过程中，或反过来从关到开的转换过程中，在栅沟道本征电容充、放电时，栅极才会出现电流。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,MOSFET的开关时间非常短，通常在几十纳秒到几百纳秒之间。正常运行范围内，MOSFET的漏极和源极之间的导通电阻随着它承受的截止电压的增加很快增加。在每单元面积的基础上，其导通阻抗和所承受的额定截止电压BUDSS的关系为,式中，k是一个取决于器件结构的常数。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,由式知，当截止电压较低时，器件的导通阻抗很小，开关损失可以很小，通过式Ps1/2UdI0fstcontcoff可知，此时可以具有很高的开关速度。,300400V等级的MOSFET仅仅当开关频率超出30100kHZ时才与双极晶体管差不多。低电压时多选择MOSFET。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,因为MOSFET的导通阻抗有正的温度系数，所以很容易并联使用。并联的MOSFET中若有某个器件的导通电流较大，则使导通阻抗也相应增加，从而自动地起到平衡其它并联MOSFET中电流的作用。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.6.2电力场效应晶体管（MOSFET）的主要参数,2.6.2.1静态特性参数,场效应管能承受的最高工作电压，是标称MOSFET额定电压的参数。,通常选UDS为实际工作电压的23倍。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,在规定的测试条件下，最大漏极直流电流、漏极脉冲电流的幅值，是标称MOSFET额定电流的参数。,在一定栅源电压下，MOSFET从可变电阻区进入饱和区时的直流电阻值。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,由MOSFET输出特性曲线可知，在一定范围内，Ron将随着uGS的增加而减小。通态电阻Ron越小，通态损耗越小。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,漏、源极之间形成导电沟道所需的最小栅源电压。,保证栅源绝缘不被击穿的最高电压。,多为5V左右。,通常为20V。栅源驱动电压通常为1215V。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,漏极电流对栅源电压的导数,,在一定漏源电压下，栅源电压高低决定了漏极电流大小。跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS。,一般生产厂家提供的是漏源极短路的输入电容Ciss、共源极输出电容Ccss和反向转移电容Crss。它们之间的关系是CissCGSCGDCrssCGDCcssCDSCGD,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定MOSFET的安全工作区。,实际使用注意留适当的裕量,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.6.2.2动态特性参数,1开关时间,2duDS/dt限制,MOSFET的开关过程所需要得时间。开通时间ton定义为tontdontr关断时间toff定义为tofftdofftf,过高的duDS/dt可能使MOSFET误导通，易损坏器件。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.6.2.3功耗与温度特性参数,MOSFET工作指标,最大允许功耗PDmax,最高工作结温TJM,壳温TC,结壳热阻Rthjc,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,设MOSFET开关频率为ƒ，通过电流的有效值为ID，一次开通、关断损耗分别为Pon、Poff，则有开关损耗PSPonPoffƒ通态损耗PCRonID断态损耗PL0MOSFET内部发热功率PD≈PSPC使用时应限制器件的功耗，使PDPDmax，并提供良好的散热条件使器件温升不超过额定温升。,应用高频开关注意开关损耗,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,MOSFET允许的最高结温是确定的，壳温与外部散热条件密切相关。外部散热条件决定了MOSFET器件的实际允许功耗。,MOSFET容易受到静电危害。通常使用时应在栅、源极之间并联电阻。,MOSFET中寄生有一个反并联二极管，使用中有时需要利用该管进行续流。,Ⅰ漏源电阻限制线Ⅱ最大漏极电流限制线Ⅲ最大功率限制线Ⅳ最大漏源电压限制线,2安全工作区,,,主要参数与安全工作区,1主要参数,（a）漏极电压UDS,（b）电流定额ID,（c）栅源电压UGS,下页,上页,返回,2.7门极可关断晶闸管（GTO）,第二章电力电子器件概述,2.7.1门极可关断晶闸管的基本特性,门极可关断晶闸管,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。,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,1）GTO的结构和工作原理,,,门极可关断晶闸管,工作原理与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,121是器件临界导通的条件。,由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。,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,设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。导通时12更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,图1-7晶闸管的工作原理,门极可关断晶闸管,GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。,由上述分析我们可以得到以下结论,门极可关断晶闸管,开通过程与普通晶闸管相同关断过程与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。,GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,GTO与晶闸管相同之处,GTO能够通过施加短时的门极脉冲电流而触发导通。一旦导通，就能维持这种导通状态而不再需要门极电流。,GTO与晶闸管不同之处,GTO可通过施加负的门阴极电压而被关断，并因此引起大的负门极电流。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,,吸收电路,GTO不能随意使用，除非设计好一个吸收电路,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,,由电阻、电容、二极管组成的电路用在GTO电路中，使关断时的du/dt减小。,使用关断吸收电路时可有效降低电压变化率。,GTO的通态压降比晶闸管略高。GTO能够承受高电压和大电流。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.7.2门极可关断晶闸管（GTO）的主要参数,用来标称GTO额定电流的参数。,使GTO从通态转为断态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。,1最大可关断阳极电流IATO,2门极关断电流IGM,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,阳极最大可关断电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。,3电流关断增益boff,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,在规定使用条件下，GTO稳定工作时不超过额定结温的周期性（ƒ100Hz）方波电流的最大有效值。,4额定通态电流有效值ITrms,延迟和上升时间之和。,5开通时间ton,上升时间随阳极电流增大而增大。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,储存时间和下降时间之和。,5关断时间ton,关断时间不包括扫尾时间。GTO的储存时间随阳极电流的增加而增大，下降时间一般小于2ms.,作业,第三次用万用表怎样区分晶闸管阳极A、阴极K与门极G判断晶闸管的好坏有那些简单实用的方法,下页,上页,返回,2.8绝缘栅双极晶体管（IGBT）,第二章电力电子器件概述,2.8.1绝缘栅双极晶体管的基本特性,绝缘栅双极晶体管,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。,绝缘栅双极晶体管,1IGBT的结构和工作原理三端器件栅极G、集电极C和发射极E,IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a内部结构断面示意图b简化等效电路c电气图形符号,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,像MOSFET一样，IGBT的输入阻抗高，只需很小的能量来开关器件。如同BJT一样，即使当它承受较高电压时，它的导通压降也很小。与GTO类似，IGBT能够被设计承受一定的反向压降。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.8.2绝缘栅双极晶体管（IGBT）的主要参数,IGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。,1最大集射极间电压UCEM,IGBT的耐压可以做得较高，最大允许电压UCEM可达4500V以上。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,导通状态时集电极和发射极之间的管压降。,2通态压降,,在小电流段的1/2额定电流以下通态压降具有负温度系数，在1/2额定电流以上通态压降具有正温度系数，因此IGBT在并联使用时具有电流自动调节能力。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,擎住效应,IGBT管中由驱动电压UGE控制IC大到一定的程度时，IGBT中寄生的NPN和PNP晶体管处于饱和状态，栅极G失去对集电极电流IC的控制作用。,集电极电流值超过ICM时，IGBT产生擎住效应。IGBT在关断时电压上升率duCE/dt太大将产生擎住效应。,,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,器件出厂时必须规定集电极电流值超过ICM，以及在此相应的栅极-发射极最大电压UCEM。,3集电极电流最大值ICM,在正常工作温度下允许的最大耗散功率。,4最大集电极功耗PCM,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,IGBT在开通时为正向偏置，其安全工作区称为正偏安全工作区FBSOA。IGBT在关断时为反向偏置，此时的安全工作区称为反偏安全工作区RBSOA。,5安全工作区,IGBT具有耐脉冲电流冲击能力。导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。反偏安全工作区与电压上升率duCE/dt有关，duCE/dt越大，反偏安全工作区越小。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,IGBT的输入阻抗高，可达1091011Ω数量级，呈纯电容性，驱动功率小。,6输入阻抗,IGBT的最高允许结温TJM为150℃。IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。,7最高允许结温TJM,2.9其它功率开关器件和模块1、MOS控制晶闸管2、静电感应晶体管SIT3、静电感应晶闸管SITH4、集成门极换流晶闸管（IGCT）5、集成功率模块,下页,上页,返回,2.9其他功率开关器件,第二章电力电子器件概述,2.9.1MOS控制晶闸管及其基本特性,MCT像IGBT和MOSFET一样是电压控制器件。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,MCT具有GTO的许多优点，包括通过比较大的电流时通态压降低和自锁功能。MCT的驱动电路更简单。MCT的开关速度更快。,MCT比相同等级的IGBT的通态压降更低。单个MCT的额定电流明显比GTO小。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.9.1.2MCT的主要参数,MCT在门极开路而结温为额定值时，加于MCT上的正向断态最大脉冲电压。,1断态峰值电压UDRM,MCT在门极开路而结温为额定值时，加于MCT上的反向最大脉冲电压。,2反向峰值电压URRM,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,结温额定和门极开路情况下，不导致从断态向通态转换的最大阳极电压上升率。,3断态电压变化率du/dt,应用中，实际电压上升率须小于此临界值。,规定条件下，MCT随时通过的无有害影响的最大通态电流变化率。,4通态电流变化率di/dt,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,MCT在门极开路而结温为额定值时，流过MCT的正向断态最大脉冲电流。,5断态峰值电流IDRM,额定电流时管子导通的管压降峰值。,6通态压降UTM,UTM随阳极电流的增加而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。,2.9.2静电感应晶体管SIT,漏电流受栅极上的外加垂直电场控制的垂直沟道场效应晶体管。简称SIT。1971年由日本的西泽润一首创。70年代中期，它作为音频功率放大器件在日本得到迅速发展。,静电感应晶体管SIT,,,2.9.2静电感应晶体管SIT,SIT是一种电压控制器件。在零栅压或很小的负栅压时，靠近源极一侧的沟道中出现呈马鞍形分布的势垒，由源极流向漏极的电流完全受此势垒控制。在漏极上加一定电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高，源漏电流越大，亦即源漏极之间是靠漏电压的静电感应保持其电连接的。,2.9.2静电感应晶体管SIT,SIT的特点是频率覆盖范围宽、功率覆盖范围大，广泛应用于高保真音响、电源、电机控制、通信机、雷达、导航和各种电子仪器中。同双极型晶体管相比，SIT具有线性好、噪声小，输入阻抗高、输出阻抗低，开关速度快，可靠性高，低温性能好等优点。,2.9.2静电感应晶体管SIT,和双极型晶体管相比,SIT具有以下的优点①线性好、噪声小。用SIT制成的功率放大器,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。②输入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。③SIT是一种无基区晶体管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。④它是一种多子器件，在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁能力强。⑤无二次击穿效应，可靠性高。⑥低温性能好，在-196下工作正常。⑦抗辐照能力比双极晶体管高50倍以上。,2.9.3.静电感应晶闸管SITH,在结构上比SIT增加了一个PN结在内部形成了两个三极管，这两个三极管起晶闸管的作用。故又称场控晶闸管，三个引出极被称为阳极A、阴极K和门极G。因为SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有通态电压低、通流能力强的特点，它很多性能与GTO相似，但开关速度较GTO快是大容量的快速器件，SITH制造工艺复杂，通常是正常导通型（也可制成正常关断型），一般关断SIT和SITH需要几十伏的负电压。,,静电感应晶闸管SITH,静电感应晶闸管SITH,,,,,,,,,,A,K,G,,,,,,,,,,,A,K,G,,,,,,,,,,A,,K,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT集成门极换流晶闸管IntergratedGateCommutatedThyristors是一种中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件集成门极换流晶闸管门极换流晶闸管门极单元。,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,1997年由ABB公司提出。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT已用于电力系统电网装置100MVA和中功率工业驱动装置5MW中，在中压变频器领域内成功的应用了11年的时间（到09年为止）。由于IGCT的高速开关能力无需缓冲电路，因而所需的功率元件数目更少，运行的可靠性大大增高。,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT集IGBT（绝缘门极双极性晶体管）的高速开关特性和GTO（门极关断晶闸管）的高阻断电压和低导通损耗特性于一体，一般触发信号通过光纤传输到IGCT单元。在ACS6000的有缘整流单元的相模块里，每相模块由IGCT和二极管、钳位电容组成，由独立的门极供电单元GUSP为其提供能源。,2.9.5集成功率模块,电力电子器件的模块化是器件发展的趋势，早期的模块化仅是将多个电力电子器件封装在一个模块里，例如整流二极管模块和晶闸管模块是为了缩小装置的体积给用户提供方便。随着电力电子高频化进程，BJTGTR、IGBT等电路的模块化就减小了寄生电感，增强了使用的可靠性。,2.9.5集成功率模块,现在模块化在经历标准模块、智能模块（IntelligentPowerModule－IPM）到被称为是“Allinone”的用户专用功率模块（ASPM）的发展，力求将变流电路所有硬件（包括检测、诊断、保护、驱动等功能）尽量以芯片形式封装在模块中，使之不再有额外的连线，可以大大降低成本，减轻重量，缩小体积，并增加可靠性。,下页,上页,返回,2.10可控开关的比较,第二章电力电子器件概述,可控开关器件的相关性质比较,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,电力半导体器件性能比较,下页,上页,返回,2.11驱动和吸收电路,第二章电力电子器件概述,可控电力半导体开关的开关速度和通态损耗取决于它的控制方式。在设计一个合理的换流电路时，重要的是在BJT、MOSFET、GTO或IGBT的栅极的基础上设计合理的驱动电路。未来的趋势是把电力开关的大部分驱动电路整合到器件封装内。,2.11.1电力电子器件驱动电路概述,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。,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,驱动电路与电力电子器件的连接方式1.直接连接操作不安全，主电路干扰触发电路。,2.11.1电力电子器件驱动电路概述,驱动电路与电力电子器件的连接方式1.直接连接操作不安全，主电路干扰触发电路。2.光耦合器连接输入和输出间电隔离，绝缘性能好，抗干扰能力强。3.脉冲变压器耦合连接有良好的电气绝缘。,2.11.1电力电子器件驱动电路概述,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，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,脉冲变压器,脉冲变压器,2.11.1电力电子器件驱动电路概述,按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。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，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,分类,2.11.2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。晶闸管触发电路应满足下列要求脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，脉冲的前沿应尽可能陡；触发脉冲应有足够的幅度，即足够的功率；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。,t,理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）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,常用的触发脉冲信号,触发信号可为直流、交流或脉冲电压；,触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。,2.11.2晶闸管的触发电路,（a）为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合；（b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，也用于触发要求不高的场合；（c）矩形脉冲；（d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合；（e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性负载的装置；（f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。,2.11.2晶闸管的触发电路,2.11.3典型全控型器件的驱动电路,1GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。,推荐的GTO门极电压电流波形,1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通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。,2.11.3典型全控型器件的驱动电路,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。,理想的GTR基极驱动电流波形,2GTR,2.11.3典型全控型器件的驱动电路,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。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,1MOSFET的驱动信号和驱动电路,P-MOSFET对驱动信号的要求（1）触发脉冲要有足够快的上升和下降速度。（2）触发脉冲电压应高于开启电压，但不超过最大触发额定电压BUGS。但也不能过低，否则会使通态电阻增大。（3）驱动电路的输出电阻应较低，以提高P-MOSFET的开关速度。（4）由于栅极输入电容Cin的存在，在开通和关断过程中仍需一定的驱动电流来给Cin充放电，且Cin越大，所需的驱动电流越大。（5）为防止误导通，在P-MOSFET截止时需提供负的栅源电压。（6）驱动电源须并联旁路电容，它不仅能滤除噪声，也可给负载提供瞬时电流，加快MOSFET的开关速度。,（2）IGBT的驱动信号和驱动电路,IGBT对驱动信号的要求（1）充分陡的脉冲上升沿和下降沿。（2）足够大的驱动功率。（3）合适的正向驱动电压UGE。（4）合适的负偏压-UGE。（5）合理的栅极电阻RG。（6）IGBT多用于高压场合，故驱动电路与整个控制电路应严格隔离。（7）利用门极控制特性，实现对IGBT的过电流、短路等保护。符合上述要求的IGBT典型驱动电压波形如下图所示。,符合基本要求的IGBT典型驱动电压波形,（2）IGBT的驱动,2.11.4过电压的产生及过电压保护,外因过电压主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压由雷击引起内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相冲击电压包括换相过电压和换相振荡过电压。前者是由于晶闸管的电流降为0时器件内部个各结层残存载流子复合所产生；后者是由于电感电容形成共振产生的振荡电压,其值与换相结束后的反向电压有关。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。,电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压,2.11.4过电压的产生及过电压保护,过电压保护措施,过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD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。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。,外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图,RC过电压抑制电路联结方式a单相b三相,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。,过电压的产生及过电压保护,,大容量电力电子装置可采用下图所示的反向阻断式RC电路,反向阻断式过电压抑制用RC电路,保护电路参数计算可参考相关工程手册其他措施用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压,过电压的产生及过电压保护,,2.11.5过电流保护,过电流过载和短路两种情况保护措施,同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，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。,过电流保护措施及配置位置,采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。选择快熔时应考虑1电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。2电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。3快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。4为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。,过电流保护,2.11.5过电流保护,全保护过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。,快熔对器件的保护方式全保护和短路保护两种,2.11.6吸收电路,关断缓冲电路（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。开通缓冲电路（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。复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（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。,吸收电路又称缓冲电路SnubberCircuit，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。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,吸收电路的分类,开通吸收电路,它使器件导通时产生的过电流最小。,关断吸收电路,它使器件关断时的过电压最小。,减压吸收电路,它能修正器件的开关波形。,吸收电路中的元件选取及其他注意事项Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册。VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10。尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容。中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路。对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可。,吸收电路-缓冲（SnubberCircuit）,下页,上页,返回,2.12半导体功率器件的选择,第二章电力电子器件概述,器件特性的影响,通态压降或导通电阻决定该器件的传导损失。开关时间决定每次转换的能量损失和开关频率能达到多高。器件的额定电压、额定电流决定该器件的能量控