1、電氣工程概論輔導資料九主 題： 第二章 電力電子技術(第1節)學習時間： 2012年11月26日12月2日內 容：我們這周主要學習電力電子技術第1節中的晶閘管的驅動、功率場效應管、絕緣柵型雙極性晶體管、功率半導體器件的保護，通過學習我們要了解掌握晶閘管的驅動，掌握功率場效應管的結構、工作原理、特性、主要參數、安全工作區，掌握絕緣柵型雙極性晶體管的結構、工作原理、特性、擎住效應和安全工作區，掌握功率半導體器件的過壓、過流保護。第一節 功率半導體器件2.1.6 晶閘管的驅動1.晶閘管觸發電路的基本要求：1）觸發脈沖信號應有一定的功率和寬度。2）為使并聯晶閘管元件能同時導通,觸發電路應能產生強觸發脈

2、沖。3）觸發脈沖的同步及移相范圍。4）隔離輸出方式及抗干擾能力。2常見的觸發電路圖3-12為常見的觸發電路。它由2個晶體管構成放大環節、脈沖變壓器以及附屬電路構成脈沖輸出環節組成。當2個晶體管導通時，脈沖變壓器副邊向晶閘管的門極和陰極之間輸出脈沖。脈沖變壓器實現了觸發電路和主電路之間的電氣隔離。脈沖變壓器原邊并接的電阻和二極管是為了脈沖變壓器釋放能量而設的。2.1.7 功率場效應晶體管功率場效應晶體管是一種單極型電壓控制半導體元件，其特點是控制極靜態內阻極高、驅動功率小、開關速度快、無二次擊穿、安全工作區寬，開關頻率可高達500kHZ，特別適合高頻化的電力電子裝置。但由于電流容量小、耐壓低，一

3、般只適用小功率的電力電子裝置。1.結構與工作原理（1）結構功率場效應晶體管按導電溝道可分為P溝道和N溝道；根據柵源極電壓與導電溝道出現的關系可分為耗盡型和增強型。功率場效應晶體管一般為N溝道增強型。從結構上看，功率場效應晶體管與小功率的MOS管有比較大的差別。圖3-13給出了具有垂直導電雙擴散MOS結構的VD-MOSFET單元的結構圖及電路符號。（2）工作原理如圖3-13 所示，功率場效應晶體管的三個極分別為柵極G、漏極D和源極S。當漏極接正電源，源極接負電源，柵源極間的電壓為零時，P基區與N區之間的PN 結反偏，漏源極之間無電流通過。如在柵源極間加一正電壓，則柵極上的正電壓將其下面的P基區中

4、的空穴推開，電子被吸引到柵極下的P基區的表面，當大于開啟電壓UT 時，柵極下P基區表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導體反型成N型半導體，成為反型層。由反型層構成的N溝道使PN結消失，漏極和源極間開始導電。越大，功率場效應晶體管導電能力越強，也就越大。2.工作特性（1）靜態特性1）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖3-14(a)所示，可以分為三個區，分別是可調電阻區I（隨著的增大，呈線性增長），飽和區II（隨著的增大，基本不變，但大則大），擊穿區III（隨著的增大，迅速增大，元件擊穿）。2）轉移特性。漏極電流與柵源電壓反映了輸入電壓和輸出電流的關系，稱為轉移特性，如圖3-14

5、(b)所示。只有>，才會有。當較大時，特性呈線性。（2）開關特性圖3-15為元件極間電容的等效電路。器件輸入電容在開關過程中需要進行充、放電，影響了開關速度。同時也可看出，靜態時雖柵極電流很小，驅動功率小，但動態時由于電容充放電電流有一定強度，故動態驅動仍需一定的柵極功率。開關頻率越高，柵極驅動功率也越大。功率場效應晶體管的開關過程如圖3-16所示，其中UP 為驅動電源信號，為柵極電壓，iD 為漏極電流。3.主要參數與安全工作區（1）主要參數1）漏源電壓：是指功率場效應晶體管的額定電壓。2）電流定額，：其中是指漏極直流電流，是指漏極脈沖電流幅值。3）柵源電壓：指柵源之間的電壓不能大于，否

6、則元件將被擊穿。（2）安全工作區功率場效應晶體管的正向偏置安全工作區由四條邊界包圍而成，如圖3-17所示。其中I為漏源通態電阻限制線；II為最大漏極電流IDM限制線；III為最大功耗限制線；IV為最大漏源電壓限制線。4.驅動電路圖3-18是一種功率場效應晶體管驅動電路，是具有過載及短路保護功能的窄脈沖驅動電路，當輸入信號ui由低變高時，VTI導通，脈沖變壓器的原邊繞組上的電壓為電源電壓UC1在R2、R3 上的分壓值，脈沖變壓器很快飽和后，耦合到副邊繞組的電壓是一個正向尖脈沖，該脈沖使VT2、VT3導通，而VT2、VT3組成了反饋互鎖電路，故VT2、VT3保持導通，VT4導通，從而使功率場效應晶

7、體管導通。當ui由高電平變低時，在副邊繞組感應出一個負向尖脈沖，使VT2截止，VT3、VT4截止， VT5瞬間導通，從而關斷功率場效應晶體管。2.1.8 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型晶體管屬于電壓控制元件，輸入阻抗大、開關速度高等，目前是電力電子裝置中的主導器件。1.結構與工作原理（1）結構基本結構如圖319(a)所示，相當于一個用MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。（2）工作原理當柵極加正向電壓時，MOSFET內部形成溝道，PNP型晶體管提供基極電流，使IGBT由高阻狀態轉入低阻導通狀態。當柵極加反向電壓時，MOSFET導電溝道消失，PNP型晶體管的基極電流切斷，IGBT關斷

8、。2.工作特性（1）靜態特性IGBT的靜態特性主要有輸出特性及轉移特性，如圖3-20所示。輸出特性表達了集電極電流IC與集電極一發射極間電壓UCE之間的關系。IGBT的轉移特性表示了柵極電壓UG對集電極電流IC的控制關系。（2）動態特性IGBT的動態特性即開關特性，如圖321所示，其開通過程主要由其MOSFET結構決定。3.擎住效應和安全工作區（1）擎住效應如前所述，在IGBT管內存在一個由兩個晶體管構成的寄生晶閘管，同時P基區內存在一個體區電阻Rbr，跨接在NPN晶體管的基極與發射極之間，P基區的橫向空穴電流會在其上產生壓降，在J3結上形成一個正向偏置電壓。若IGBT的集電極電流IC 大到一

9、定程度，這個Rbr上的電壓足以使N+PN晶體管開通，經過連鎖反應，可使寄生晶閘管導通，從而IGBT柵極對器件失去控制，這就是所謂的擎住效應。（2）安全工作區IGBT開通與關斷時，均具有較寬的安全工作區。IGBT開通時對應正向偏置安全工作區，如圖322(a)所示。IGBT關斷時所對應的為反向偏置安全工作區，如圖322(b)所示。4.驅動電路圖323為一電流源柵極驅動電路，由VT2產生穩定的集電極電流IC2，通過調節電位器RC可以穩定IC2數值。IGBT驅動與保護電路的原理圖如圖圖324所示。該電路以富士公司開發的專用集成芯片EXB841為核心組成，工作時須使用20V 獨立的直流電源。IGBT驅動

10、與保護電路由15V控制電源供電。圖3-24中的RS、VDS、CS構成了吸收緩沖電路。5.功率模塊與功率集成電路功率模塊最常見的拓撲結構有串聯、并聯、單相橋、三相橋以及它們的子電路，而同類開關器件的串、并聯目的是要提高整體額定電壓、額定電流。如將功率半導體器件與電力電子裝置控制系統中的檢測環節、驅動電路、故障保護、緩沖環節、自診斷等電路制作在同一芯片上,則構成功率集成電路。三菱電機公司在1991年推出智能功率模塊（IPM）是較為先進的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優化的門極驅動及保護電路構成，其基本結構如圖325所示。IPM的特點為：采用低飽和壓降、高開關速度、內設低損耗電流傳

11、感器的IGBT功率器件。采用單電源、邏輯電平輸入、優化的柵極驅動。2.1.9 功率半導體器件的保護1.過電壓保護過電壓根據產生的原因可分為兩大類：1）操作過電壓：由變流裝置拉、合閘和器件關斷等經常性操作中電磁過程引起的過電壓。2）浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網進入變流裝置的過電壓，其幅度可能比操作過電壓還高。對過電壓進行保護的原則是：使操作過電壓限制在晶閘管額定電壓UR 以下，使浪涌過電壓限制在晶閘管的斷態和反向不重復峰值電壓UDSM和URSM以下。一個晶閘管變流裝置或系統應采取過電壓保護措施的部位如圖3-26所示。2.過電流保護由于晶閘管等功率半導體器件的電流過載能力比一般電氣設備

12、差得多，因此必須對變流裝置進行適當的過電流保護。晶閘管變流裝置可能采用的幾種過電流保護措施如圖3-27所示。3.電壓及電流上升率的限制1）電壓上升率du/dt的限制。2）電流上升率di/dt的限制。4.緩沖電路在自關斷器件的開關過程中，器件的工作點要通過線性放大區，集射極電壓UCE和集電極電流IC 將會同時增大，造成瞬時功耗過大，會使自關斷器件脫離安全工作區而發生二次擊穿而損壞，此時需采用緩沖（吸收）電路進行保護。圖3-28是復合緩沖（吸收）電路，是將開通與關斷吸收電路組合在一起構成復合吸收電路。本周要求掌握的內容如下：通過學習本周我們要了解掌握晶閘管的驅動，掌握功率場效應管的結構、工作原理、特性、主要參數、安全工作區，掌握絕緣柵型雙極性晶體管的結構、工作原理、特性、擎住效應和安全工作區，掌握功率半導體器件的過壓、過流保護。習題（一）選擇題1.下列選項對功率場效應管特點說法正確的是（）。A單極型電流控制半導體元件B驅動功率小C開關速度快D安全工作區寬答案：BCD 2IGBT輸出特性表達了集電極電流與集電極-發射極間電壓之間的關系，可分為（）。A可變電阻區B飽和區C放大區D擊穿