1、（第5版）電力電子技術(shù)課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在熟悉和掌握典型電力電子系統(tǒng)模型的工作原理基礎(chǔ)上，構(gòu)建科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，并能夠?qū)﹄姎夤こ填I(lǐng)域復(fù)雜工程問題的系統(tǒng)模型和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行推理和驗(yàn)證。培養(yǎng)學(xué)生熟悉和掌握典型電力電子電路的電路模型原理，并進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算、主要器件選型。并能夠結(jié)合具體或特定需求進(jìn)行合理的分析和初步設(shè)計(jì)電力變換裝置。培養(yǎng)學(xué)生在熟悉和掌握典型電力電子電路工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)要求制定基本合理的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行必要的計(jì)算或可行性分析。考核及成績評定方法項(xiàng)目形式比例平時(shí)作業(yè)作業(yè)（12次）30%實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告10%小測試小測試（2次）20%期末考試選擇題、填空題、簡答題、綜

2、合題、思考題60%總成績100%緒 論 電力電子技術(shù)的內(nèi)容 電力電子技術(shù)的發(fā)展 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 本課程的學(xué)習(xí)要求1. 電力電子技術(shù)的內(nèi)容電力電子技術(shù)屬電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)(Power Electronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。 電力電子技術(shù)是電能的變換技術(shù)，是將一種能量形式變換成另一種能量形式。（1）變換器電能有直流電(DC)和交流電(AC)兩大類。直流電有電壓幅值和極性的不同，交流電有電壓幅值、頻率、相位的差別。實(shí)際應(yīng)用中，常常需要在兩種電能之間，或?qū)νN電能的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)(如電壓，電流，頻

3、率和功率因數(shù)等)進(jìn)行變換。變換器共有四種類型：交流-直流變換器(AC-DC Converter, Rectifier)直流-交流變換器(DC-AC Converter, Inverter)：有源逆變；無源逆變。交流-交流變換器(AC-AC Converter)： 交流調(diào)壓(AC Voltage Controller)；交-交變頻(Cycloconverter)。 直流-直流變換器(DC-DC Converter, Chopper)（2） 電力電子器件 功率二極管、晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、雙極型功率晶體管、功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、集成門極換流晶閘管 根據(jù)其控制特性分：不可控型器件：如

4、功率二極管。半控型器件：晶閘管及其大部分晶閘管派生器件屬于這一類器件。全控型器件：也稱為自關(guān)斷器件。可關(guān)斷晶閘管、雙極型功率晶體管、功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、集成門極換流晶閘管等。 按照內(nèi)部載流子的工作性質(zhì)分： 單極型器件：導(dǎo)通時(shí)只有空穴或電子一種載流子導(dǎo)電的器件。器件的特點(diǎn)主要是工作頻率高、導(dǎo)通壓降較大，單個(gè)器件容量較小，驅(qū)動(dòng)電路簡單。雙極型器件：導(dǎo)通時(shí)的載流子既有空穴也有電子的器件。功率二極管、晶閘管及派生器件、可關(guān)斷晶閘管、雙極型功率晶體管、集成門極換流晶閘管等。器件的特點(diǎn)主要是功率較高、而工作頻率較低。復(fù)合型器件：復(fù)合型既含有單極型器件的結(jié)構(gòu)，又有雙極型器件的結(jié)構(gòu)，通常其控

5、制部分采用單極性結(jié)構(gòu)，主功率部分采用雙極型結(jié)構(gòu)。絕緣柵雙極型晶體管。驅(qū)動(dòng)電路簡單，功率較高。是電力電子器件的發(fā)展方向。 按照器件驅(qū)動(dòng)的參量分：電流型控制器件：控制極由電流驅(qū)動(dòng)器件的通斷，該類器件對驅(qū)動(dòng)波形要求高，驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜。屬于電流型控制器件的有晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、雙極型功率晶體管。電壓型控制器件：控制極由電壓驅(qū)動(dòng)器件的通斷，該類器件對驅(qū)動(dòng)波形要求低，驅(qū)動(dòng)電路比較簡單。屬于電壓型控制器件的有功率場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管。GTO已經(jīng)被IGCT所替代，BJT已經(jīng)被IGBT所替代。電力電子器件的電壓、電流、開關(guān)頻率是影響它們使用的關(guān)鍵參數(shù)電壓容量：功率場效應(yīng)晶體管最低；晶閘管和集成門

6、極換流晶閘管最高。電流容量：功率場效應(yīng)晶體管最低；晶閘管和集成門極換流晶閘管最高。開關(guān)頻率：晶閘管最低；功率場效應(yīng)晶體管最高?？刂齐娐窓z測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路VT1VT2保護(hù)電路（3） 變換器的輔助電路 變換器必須在一些輔助電路的支持下才能正常工作，這些輔助電路包括： 控制電路：控制電路的功能具有檢測、控制和隔離功能。采集變換器工作狀態(tài)，根據(jù)輸入和輸出的要求產(chǎn)生主電路開關(guān)管的通斷控制信號，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電、弱電的隔離。電氣隔離 驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路的功能是根據(jù)控制電路給出的通斷控制信號，提供電力電子器件導(dǎo)通或關(guān)斷要求的電流波形和電壓波形，提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率，以確保電力電子器件的迅速可靠導(dǎo)通和關(guān)斷。控制

7、電路檢測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路VT1VT2保護(hù)電路 緩沖電路：緩沖電路的功能是在電力電子器件導(dǎo)通和關(guān)斷的過程中減緩其電流或電壓的大小及其上升率，以降低電力電子器件的開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力。每個(gè)電力電子器件都要有緩沖電路控制電路檢測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路VT1VT2保護(hù)電路 保護(hù)電路：保護(hù)電路的功能是在電源或負(fù)載出現(xiàn)異常時(shí)，保護(hù)電力電子器件和設(shè)備免于損壞。在主電路和控制電路中附加一些電路，對故障實(shí)施保護(hù)控制電路檢測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路VT1VT2保護(hù)電路2. 電力電子技術(shù)的發(fā)展電力電子器件的發(fā)展全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t

8、(年)電子管問世晶體管誕生晶閘管問世水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代晶閘管時(shí)代IGBT、IGCT和功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代GTOBJT功率MOSFET出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展集成電路及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展：分立元件集成電路專用集成電路，使變換器的控制電路大為簡化。微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，運(yùn)算精度提高、位數(shù)增加、運(yùn)算速度增快、功能不斷完善，使控制技術(shù)發(fā)生了根本的變化，使控制不僅依賴硬件電路，而且可利用軟件編程，既方便又靈活?？刂评碚摰陌l(fā)展：各種新穎、復(fù)雜的控制策略和方案得到實(shí)現(xiàn)，具有自診斷功能、有智能化的功能。將新的控制理論和方法應(yīng)用在變換器中。 綜上所述可以看出，電力電子器件、微電子技術(shù)、控制

9、理論是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力。3. 電力電子技術(shù)的典型應(yīng)用（1）在電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 無軌電車、城市地鐵、電動(dòng)汽車、機(jī)車牽引等交通運(yùn)輸系統(tǒng)；電動(dòng)汽車機(jī)車牽引3. 電力電子技術(shù)的典型應(yīng)用（1）在電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 熱軋機(jī)、冷軋機(jī)、飛剪機(jī)等電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；軋鋼機(jī)冶金工業(yè)3. 電力電子技術(shù)的典型應(yīng)用（1）在電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 各類起重機(jī)械、礦井提升機(jī)、堆料機(jī)、輸送機(jī)、機(jī)床及各種自動(dòng)化生產(chǎn)線； 供水系統(tǒng)、造紙、印染、紡織等工業(yè)系統(tǒng)。 調(diào)速電梯、風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載采用變頻調(diào)速后，節(jié)能效果也很顯著。 采用軟啟動(dòng)控制可以減少交流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊而被廣泛應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床電機(jī)調(diào)速（2）在電力系統(tǒng)中

10、的應(yīng)用靜止無功補(bǔ)償器、有源電力濾波器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等，有效地減少了傳統(tǒng)變流裝置形成的電網(wǎng)公害，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，抑制了電網(wǎng)諧波，防止了電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落、閃變，有效地改善了電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量。高壓直流輸電系統(tǒng)；柔性交流輸電技術(shù)可以大幅提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高壓直流裝置HVDC靜止無功補(bǔ)償器柔性交流輸電（2）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 據(jù)估計(jì)，在發(fā)達(dá)國家，用戶使用的電能中有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子裝置的處理。在電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的直流勵(lì)磁與交流勵(lì)磁系統(tǒng)，可以達(dá)到節(jié)能和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電發(fā)出的電能 質(zhì)量較差。 利用電力電子技術(shù)進(jìn) 行能量儲存和 緩沖，可以 有效

11、 地改善電能質(zhì)量。太陽能、風(fēng)能新型能源（3）在交直流電源中的應(yīng)用大功率直流電源在電解和電鍍設(shè)備中被廣泛使用。開關(guān)電源在辦公自動(dòng)化設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、電子產(chǎn)品、通信電源、工業(yè)測控、電子儀器和儀表中被廣泛采用。電解鋁電子裝置程控交換機(jī)（3）在交直流電源中的應(yīng)用不間斷電源（UPS）被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)機(jī)房、醫(yī)院、賓館等重要的用電場所。工業(yè)感應(yīng)加熱電源主要應(yīng)用于鋼水精煉及電磁攪拌改進(jìn)結(jié)晶狀態(tài)和金屬表面的淬火熱處理等場合。節(jié)能燈具在照明用電領(lǐng)域的應(yīng)用：白熾燈發(fā)光效率低、熱損耗大，日光燈必須有鎮(zhèn)流器啟輝，無功功率大。采用AC-DC-AC變換技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器體積小，可減少無功和有功損耗。采用交流調(diào)壓實(shí)現(xiàn)照明的

12、電子調(diào)光，也可節(jié)約能源。在節(jié)能照明燈具中，目前推廣使用的LED燈、無極燈等。UPS家用電器 在21世紀(jì)，電力電子不但將在全球工業(yè)化中產(chǎn)生重大影響，也將在能量交換、可再生能源、大容量儲能、電動(dòng)汽車等中發(fā)揮重要作用，也將對解決或減輕環(huán)境惡化問題產(chǎn)生積極影響。造成氣候變化和全球變暖的原因一部分來自傳統(tǒng)的化石燃料燃燒，通過電力電子技術(shù)，可以提升能源系統(tǒng)的效率，通過節(jié)約能源可以減少能源消耗，也意味著發(fā)電量的減少，可以減輕環(huán)境污染和全球變暖。 智能電網(wǎng)的合理建設(shè)關(guān)系到我國電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，電力電子在智能電網(wǎng)中起著非常重要的作用，如最大化的利用可再生能源和大容量儲能裝置對系統(tǒng)頻率和母線電壓的控制、對電能

13、質(zhì)量的改善、為用戶提供更加經(jīng)濟(jì)的電力、系統(tǒng)更高的利用效率、系統(tǒng)更高的可靠性、操作的容錯(cuò)功能等。另外，電力電子技術(shù)的智能化發(fā)展還為功率處理以及信息處理帶來了新的結(jié)合方式，對我國今后經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。4. 電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)要求（知識、能力）熟悉和掌握常用電力電子器件的特性和參數(shù)，能正確選擇和使用它們。熟悉和掌握各種基本變換器的工作原理，特別是各種基本電路中的電磁過程，掌握其分析方法、工作波形分析和變換器電路的初步設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路和保護(hù)電路。掌握各種變換器的特點(diǎn)、性能指標(biāo)和使用場合。掌握基本實(shí)驗(yàn)方法與訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)技能。教學(xué)日歷4. 電力電子技術(shù)課程的

14、學(xué)習(xí)要求（素養(yǎng)） 通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該了解電力電子學(xué)科最新進(jìn)展，具有分析和解決電力電子學(xué)科的復(fù)雜工程問題的能力，具有一定的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。知曉電力電子學(xué)科應(yīng)該具有的職業(yè)道德和工程倫理，具備相關(guān)電氣節(jié)能技術(shù)、電氣安全意識和治理電力電子公害的技術(shù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，了解電力電子技術(shù)在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用，具有為我國電氣工程的發(fā)展而刻苦鉆研和奮斗的偉大理想。第1章 電力電子器件主要內(nèi)容：常用電力電子器件分類；常用電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、主要參數(shù)和安全工作區(qū)；常用電力電子器件的基本驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路和保護(hù)方法； 1.1 引 言電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。新器

15、件的誕生或器件特性的新進(jìn)展，都帶動(dòng)了電力電子應(yīng)用技術(shù)的新突破，或?qū)е鲁霈F(xiàn)新的電路拓?fù)?。電力電子?yīng)用技術(shù)的發(fā)展又對電力電子器件提出了更新、更高的要求，進(jìn)一步推動(dòng)了高性能、新器件的研制。電力電子器件都工作在開關(guān)狀態(tài)，也稱為開關(guān)管，在通態(tài)時(shí)應(yīng)能流過很大電流而壓降很低；在斷態(tài)時(shí)應(yīng)能承受很高電壓而漏電流很??；電力電子器件在使用時(shí)都要加散熱器。1.2 電力電子器件的結(jié)構(gòu)、特性和主要常數(shù)開關(guān)管的外形常用的有塑封型分立器件、塑封型模塊、平板型分立器件，開關(guān)管外形與容量的關(guān)系如下圖所示。1.2.1 功率二極管1. 功率二極管的結(jié)構(gòu)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，二極管是一個(gè)正方向單向?qū)щ姟⒎捶较蜃钄嗟碾娏﹄娮悠骷?。功率?/p>

16、極管的電氣符號2. 功率二極管的特性(1) 伏安特性 二極管具有單向?qū)щ娔芰ΓO管正向?qū)щ姇r(shí)必須克服一定的門坎電壓Uth(又稱死區(qū)電壓)。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管的反向電流IS是很小的，但是當(dāng)外加反向電壓超過二極管反向擊穿電壓URO后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加，二極管被電擊穿后將造成PN結(jié)的永久損壞。 功率二極管的伏安特性門坎電壓Uth反向擊穿電壓URO(2) 開關(guān)特性因結(jié)電容的存在，功率二極管在通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，有一個(gè)過渡過程，這個(gè)過程中的特性為功率二極管的動(dòng)態(tài)特性。1）導(dǎo)通特性功率二極管由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)時(shí)，功率二極管的正向壓降也會出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，然后逐漸趨于穩(wěn)態(tài)壓降值。這一動(dòng)

17、態(tài)過程的時(shí)間，稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。正向恢復(fù)時(shí)間tfr功率二極管的開關(guān)過程的波形 2）關(guān)斷特性 當(dāng)導(dǎo)通的功率二極管的突加反向電壓，其電流逐漸下降到零，然后有較大的反向電流和反向過沖電壓，經(jīng)過一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間trr 才能截止。其中，td為延遲時(shí)間，tf為電流下降時(shí)間，反向恢復(fù)時(shí)間trr為 trrtd tf 。 普通二極管的trr=210s，快速恢復(fù)二極管的trr為幾十至幾百ns, 超快恢復(fù)二極管的trr僅幾個(gè)ns。 反向恢復(fù)時(shí)間trr功率二極管的開關(guān)過程的波形4. 功率二極管的主要參數(shù)(1) 額定電壓URR反向不重復(fù)峰值電壓URSM是指即將出現(xiàn)反向擊穿的臨界電壓；二極管的額定電壓URR（反向重

18、復(fù)峰值電壓URRM）取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80；電壓安全裕量是23倍！(2) 額定電流IFR 功率二極管的額定電流IFR被定義為在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40和散熱條件下工作，其管芯PN結(jié)溫升不超過允許值時(shí)，所允許流過的正弦半波電流平均值 。若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為 (3) 最大允許的電流有效值 IFrms 二極管流過半波正弦電流的平均值為IFR時(shí)，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流IFrms 由上述兩式可得 (4) 最大允許非重復(fù)浪涌電流IFSM 這是二極管所允許的半周期峰值浪涌電流。該值比二極管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了二極管抗短路沖擊電流的能力。 功率二極管是功率

19、最大的電力電子器件。datasheet11.2.2 晶閘管及派生器件晶閘管(Thyristor)也稱為可控硅SCR, 普通晶閘管是一種具有開關(guān)作用的大功率電力電子器件。1. 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。晶閘管的電氣符號2. 晶閘管的工作原理 iGiB2iC2(iB1)iC1晶閘管結(jié)構(gòu)和雙晶體管模型雙晶體管 模型晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件： 應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓。 應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。晶閘管關(guān)斷條件：為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下

20、，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實(shí)現(xiàn)。4. 晶閘管的特性(1) 伏安特性 晶閘管的伏安特性是晶閘管陽極與陰極間電壓UAK和陽極電流IA之間的關(guān)系特性。是穩(wěn)態(tài)特性。晶閘管的伏安特性門坎電壓晶閘管的伏安特性(2) 門極伏安特性 由于實(shí)際產(chǎn)品的門極伏安特性分散性很大，常以一條典型的極限高阻門極伏安特性QG和一條極限低阻門極伏安特性QD之間的區(qū)域來代表所有器件的伏安特性，由門極正向峰值電流IFGM允許的瞬時(shí)最大功率PGM和正向峰值電壓UFGM劃定的區(qū)域稱為。PG為門極允許的最大平均功率。其中, QABCQ為不可靠觸發(fā)區(qū), ABCGFEDA為可靠觸發(fā)區(qū)。晶閘管的門極伏安特性最大平均功率最大功率

21、不可靠觸發(fā)區(qū)晶閘管的開關(guān)過程的波形(3) 開關(guān)特性1）導(dǎo)通特性 導(dǎo)通時(shí)間ton包括延遲時(shí)間td與上升時(shí)間tr，即 ton= td+ tr 延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間上升時(shí)間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間普通晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間約為幾微妙。導(dǎo)通時(shí)間ton2）關(guān)斷特性 關(guān)斷時(shí)間toff：包括 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr與正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr，即 toff = trr+ tgr 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間；正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間；普通晶閘管的關(guān)

22、斷時(shí)間約為幾十至幾百微妙。關(guān)斷時(shí)間toff晶閘管的開關(guān)過程的波形5. 晶閘管的主要參數(shù)（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。斷態(tài)重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓（3）額定電壓實(shí)測晶閘管UDRM和URRM中較小的那個(gè)數(shù)值作為器件型號上的額定電壓。而根據(jù)實(shí)際承受最大電壓選用晶閘管時(shí)，電壓選擇應(yīng)取(23)倍的安全裕量。(4) 額定電流IT(AV)在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定冷卻條件下，在電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中,晶閘管全導(dǎo)通(導(dǎo)通角 170)，在穩(wěn)定的額

23、定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。正弦半波電流波形如圖所示 晶閘管流過正弦半波電流波形陰影面積它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為： 正弦半波電流的有效值為： 式中 Kf為波形系數(shù) 流過晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取(1.52)倍的安全裕量。 規(guī)定波形下的波形系數(shù)(5)浪涌電流晶閘管所允許的半周期內(nèi)使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)正向電流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。它體現(xiàn)了晶閘管抗短路沖擊電流的能力。可用來設(shè)計(jì)保護(hù)電路。(6)通態(tài)電壓UTM晶閘管通以規(guī)定數(shù)倍額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰

24、值電壓。從減少功耗和發(fā)熱的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該選擇通態(tài)電壓較小的晶閘管。(7)維持電流 IH 在室溫和門極斷路時(shí)，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽極電流。(8)擎住電流 IL 晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)移去觸發(fā)信號之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽極電流。對于同一個(gè)晶閘管來說，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(24)倍。datasheet2(9) 門極觸發(fā)電流IGT在室溫且陽極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全導(dǎo)通所必需的最小門極直流電流。(10) 門極觸發(fā)電壓UGT 對應(yīng)于門極觸發(fā)電流時(shí)的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和I

25、GT上限，但不應(yīng)超過其峰值IGFM 和 UGFM。(11) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/ dt 在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導(dǎo)通。(12) 通態(tài)電流臨界上升率di / dt 在規(guī)定條件下，晶閘管導(dǎo)通時(shí)能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管導(dǎo)通時(shí)，如果電流上升過快，造成局部過熱而使晶閘管損壞。例1-1 兩個(gè)不同的電流波形(陰影斜線部分)如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A，試計(jì)算各波形下晶閘管的電流平均值Id1、Id2，電流有效值I1、I2 ， 并計(jì)算波形系數(shù)Kf1、Kf2。流過晶閘管的電流波

26、形解：如圖所示的平均值和有效值可計(jì)算如下：思考題1：如果晶閘管的額定電流是100A，不考慮晶閘管的安全裕量，請問在以上的情況下, 允許流過的平均電流是多少?思考題2：如果考慮晶閘管的安全裕量，請問在以上的情況下，允許流過的平均電流是多少?6. 晶閘管的派生器件(1) 快速晶閘管 快速晶閘管的關(guān)斷時(shí)間50s，常在較高頻率(400Hz)的整流器、逆變器和變頻器中使用，它的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同。(2)雙向晶閘管 雙向晶閘管可以看成是一對反并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個(gè)方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。 雙向晶閘管在第和第象限有對稱的伏安特性。雙向晶閘管等效電路和電氣符號雙向晶閘

27、管的伏安特性(3)逆導(dǎo)晶閘管 逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管和整流二極管制作在同一管芯上的集成元件。 逆導(dǎo)晶閘管等效于反并聯(lián)的普通晶閘管和整流管，因此在使用時(shí)，使器件的數(shù)目減少、裝置體積縮小、重量減輕、價(jià)格降低和配線簡單，特別是消除了整流管的配線電感，使晶閘管承受的反向偏置時(shí)間增加。逆導(dǎo)晶閘管的等效電路和伏安特性(4)光控晶閘管光控晶閘管(Light Activated Thyristor)是利用一定波長的光照信號控制的開關(guān)器件。光控晶閘管的符號和等效電路光控晶閘管的伏安特性第1章作業(yè)一習(xí)題一1-11-21-31-41-51.2.3 可關(guān)斷晶閘管GTO 可關(guān)斷晶閘管GTO(Gate Turn-Off T

28、hyristor)，門極信號不僅能控制其導(dǎo)通，也能控制其關(guān)斷。1. 可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu) GTO的內(nèi)部包含著數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元，它們的門極和陰極分別并聯(lián)在一起，這是為了便于實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計(jì)?？申P(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號GTO的雙晶體管模型圖雙晶體管模型3.可關(guān)斷晶閘管的特性(1) 伏安特性和晶閘管的特性相似 GTO的雙晶體管模型和伏安特性 (2) 開關(guān)特性1）導(dǎo)通特性 導(dǎo)通時(shí)間ton由 延遲時(shí)間td 和 上升時(shí)間tr 組成。GTO的延遲時(shí)間一般為1-2s，上升時(shí)間隨著陽極電流的增大而增大。2） 關(guān)斷特性 關(guān)斷時(shí)間toff 由 存儲時(shí)間ts、下降時(shí)間tf、 尾部時(shí)間

29、tt 組成。GTO的存儲時(shí)間隨著陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般為2s。GTO的開關(guān)過程的波形 導(dǎo)通時(shí)間ton關(guān)斷時(shí)間toff4. 可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)GTO有許多參數(shù)與晶閘管相同，這里只介紹一些與晶閘管不同的參數(shù)。(1) 最大可關(guān)斷陽極電流IATO電流過大時(shí)1+2稍大于1的條件可能被破壞，使器件飽和程度加深，導(dǎo)致門極關(guān)斷失敗。(2) 關(guān)斷增益offGTO的關(guān)斷增益off為最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IgM之比off通常只有5左右。datasheet3重要的參數(shù)1.2.4 集成門極換流晶閘管1. 集成門極換流晶閘管的結(jié)構(gòu)集成門極換流晶閘管IGCT是通過對GTO的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大

30、改進(jìn)，引入緩沖層、可穿透發(fā)射區(qū)和集成續(xù)流快速恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)，形成了GCT。又將門極驅(qū)動(dòng)電路集成在GCT旁，形成IGCT。GCT是IGCT的核心器件，在相同阻斷電壓下和GTO結(jié)構(gòu)相比可選用更薄的硅片厚度，從而大大降低開關(guān)損耗。當(dāng)IGCT導(dǎo)通時(shí)，它具有晶閘管的工作機(jī)理，其特點(diǎn)為大電流和低導(dǎo)通電壓。當(dāng)門極電壓反偏時(shí)，通過器件的全部電流瞬間從門極抽走，即瞬間從通態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿鄳B(tài)，這樣使IGCT具有承受很大的du/dt沖擊的能力，在關(guān)斷過程中不需要緩沖電路。IGCT有陽極、陰極、門極驅(qū)動(dòng)電源、傳輸門極控制信號和反饋開關(guān)管狀態(tài)的光纖端口。2. 集成門極換流晶閘管的特點(diǎn)IGCT導(dǎo)通特性像晶閘管，其關(guān)斷特性像晶體

31、管，具有以下特點(diǎn)： 阻斷電壓高； 功率容量大； 通態(tài)壓降低； 開關(guān)速度快，特別是關(guān)斷時(shí)間?。ㄐ∮?s）； 開關(guān)損耗低；與標(biāo)準(zhǔn)GTO相比，IGCT的最顯著特點(diǎn)是存儲時(shí)間短。因此，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間的差異很小，可方便地將IGCT進(jìn)行串并聯(lián)，適合應(yīng)用于大功率的范圍。3. 集成門極換流晶閘管的主要參數(shù)IGCT既有晶閘管的電壓和電流參數(shù)，也有GTO的關(guān)斷參數(shù)。另外，IGCT的開關(guān)特性參數(shù)還有門極導(dǎo)通狀態(tài)反饋延遲時(shí)間、關(guān)斷狀態(tài)反饋延遲時(shí)間、通態(tài)最小時(shí)間（10s）、斷態(tài)最小時(shí)間（10s）以及光纖傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)等。由于IGCT的以上優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中，IGCT已經(jīng)替代了GTO。1.2.5 雙極型功率晶體管1. 雙極

32、型功率晶體管的結(jié)構(gòu) 單個(gè)雙極型功率晶體管的結(jié)構(gòu)與三極管的結(jié)構(gòu)相同。 單個(gè)BJT電流增益較低，驅(qū)動(dòng)時(shí)需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，為了提高電流增益，常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。達(dá)林頓晶體管2.雙極型功率晶體管的特性(1) 輸出特性（僅工作在飽和區(qū)、截止區(qū)）(2) 輸入特性 二極管特性工作在開關(guān)狀態(tài)BJT的輸出特性和輸入特性飽和區(qū)截止區(qū)輸入特性(3) 開關(guān)特性1） 導(dǎo)通特性導(dǎo)通時(shí)間ton ton=td+tr2） 關(guān)斷特性關(guān)斷時(shí)間toff toff=ts+tfBJT的導(dǎo)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff都是幾微秒。BJT開關(guān)過程的波形延遲時(shí)間td上升時(shí)間tr下降時(shí)間tf存儲時(shí)間ts導(dǎo)通時(shí)間ton關(guān)斷時(shí)間toff1.2.6

33、功率場效應(yīng)晶體管1. 功率場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) 功率MOSFET特性上的優(yōu)勢是沒有熱電反饋引起的二次擊穿、輸入阻抗高，具有正的溫度系數(shù)、跨導(dǎo)的線性度好和工作頻率高。功率場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和電氣符號 功率MOSFET的全稱是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。 主要是N溝道增強(qiáng)型。2.功率場效應(yīng)晶體管的特性(1) 轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性表示功率MOSFET的輸入柵源電壓UGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系，表示功率MOSFET的放大能力，由于功率 MOSFET是電壓控制器件，因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來表示。功率場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性柵極開啟電壓UG(th）(2) 輸出特性當(dāng)UGS一定時(shí)，ID與UDS間關(guān)系曲線稱

34、為MOSFET的輸出特性。當(dāng)UGS超過UG(th)時(shí)，MOSFET導(dǎo)通。UGS越大， ID越大，可見ID受UGS的控制。輸出特性分為三個(gè)區(qū)域。：可調(diào)電阻區(qū)，器件的電阻值是變化的。當(dāng)UGS一定時(shí)，器件內(nèi)的溝道已經(jīng)形成，若UDS很小時(shí)，對溝道的影響可忽略，溝道的寬度和電子的遷移率幾乎不變，所以ID與UDS幾乎呈線性關(guān)系。：飽和區(qū)，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID趨于不變。：雪崩區(qū)，當(dāng)UDS增大使漏源極PN結(jié)反偏電壓過高，發(fā)生雪崩擊穿，ID突然增加，此時(shí)進(jìn)入雪崩區(qū)，直至器件損壞。輸出特性可調(diào)電阻區(qū)飽和區(qū)雪崩區(qū)(3) 開關(guān)特性 1）導(dǎo)通特性 在tt0時(shí)，加uG= UG，iG呈指數(shù)曲線下降，uGS呈指數(shù)曲線上升，

35、uGSt1時(shí)，uGSUG(th)，器件開始導(dǎo)通，隨著uGS增加，iD按指數(shù)曲線上升。當(dāng)tt2時(shí)，iD上升到iDIo，此時(shí)，uGS達(dá)到恒定值uGSUG，iG下降。當(dāng)t t2時(shí)，iG全部流入CGD，iD使CDS放電，直到t=t3，uDS達(dá)到由其通態(tài)電阻決定的最小值UDS(ON) ，iG在此期間維持不變 。當(dāng)t t3時(shí)，uDS保持通態(tài)最小值UDS(ON) ，此時(shí)iG繼續(xù)對CGD充電，uGS按指數(shù)曲線上升，直到t4時(shí)刻，uGS達(dá)到uGG，iG0，器件進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。2）關(guān)斷特性 在tt5時(shí)，uG降到零，此時(shí)CGS和CGD通過RG放電，uGS呈指數(shù)曲線下降，iG突變到負(fù)最大值后呈指數(shù)曲線下降，在tt6

36、時(shí)，uGS達(dá)到恒定值并保持，此時(shí)iG全部從CGD中吸取，uDS線性變化，當(dāng)tt7時(shí)，uDSuDD，當(dāng)tt7時(shí)，iG、uGS和iD均呈指數(shù)曲線下降，當(dāng)tt8時(shí)， uGSUG(th)，iD為零，MOSFET關(guān)斷。當(dāng)tt8時(shí)，uGS繼續(xù)按指數(shù)曲線下降到零，此時(shí)iG繼續(xù)下降。當(dāng)t=t9時(shí)， iG 0。功率MOSFET開關(guān)過程的波形 導(dǎo)通時(shí)間tont10t1-t0稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間td1; 從iD開始上升到iD達(dá)到穩(wěn)態(tài)值t21t2-t1稱為上升時(shí)間tr。 tontd1tr 關(guān)斷時(shí)間tofft75t7-t5稱為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間td2，t87t8-t7稱為下降時(shí)間tf。 tofftd2tf由于MOSFET多數(shù)載流

37、子導(dǎo)電，不存在存儲效應(yīng)，因此開關(guān)過程比較快，開關(guān)時(shí)間在10-100ns之間，是常用電力電子器件中開關(guān)頻率最高的。導(dǎo)通時(shí)間ton關(guān)斷時(shí)間toff(4) 安全工作區(qū)功率MOSFET具有非常寬的安全工作區(qū)(SOA)，特別是在高電壓范圍內(nèi)，但是功率MOSFET的通態(tài)電阻比較大，所以受最大電流的限制，還要受到自身功耗的限制。 正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)由四條邊界極限所包圍的區(qū)域。漏源通態(tài)電阻線，最大漏極電流線，最大功耗限制線和最大漏源電壓線。 反向偏置安全工作區(qū) 反向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)是關(guān)斷時(shí)工作的極限范圍。由最大漏極電流和漏源擊穿電壓組成，是功率MOSFET可靠性的一

38、個(gè)重要參數(shù)。 3. 功率場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)（1）漏源擊穿電壓BUDS 它是功率MOSFET的最高工作電壓。（2）柵源擊穿電壓BUGS 它是功率MOSFET柵源極能承受的最高電壓。（3）漏極最大電流IDM 它是功率MOSFET的最大電流容量。（4）開啟電壓UG(th) 又稱閾值電壓，它是指功率MOSFET流過一定量的漏極電流時(shí)的最小柵源電壓。datasheet5 (5) 通態(tài)電阻Ron是指在確定的柵源電壓UGS下，功率MOSFET處于恒流區(qū)時(shí)的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。 (6) 極間電容是影響其開關(guān)速度的主要因素。其極間電容分為兩類；一類為CGS和CGD，它們由MOS結(jié)構(gòu)的絕緣

39、層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；另一類是CDS，它由PN結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。1.2.7 絕緣柵雙極型晶體管IGBT絕緣柵雙極型晶體管IGBT是80年代中期問世的一種新型復(fù)合電力電子器件，由于它兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗和BJT的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這幾年發(fā)展十分迅速。1. 絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)BJT。其控制級是一個(gè)MOSFET，而功率級是BJT。相當(dāng)于MOSFET控制的BJT，是電壓控制型器件，IGBT的低摻雜N漂移區(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。(1) IGB

40、T的轉(zhuǎn)移特性(2) IGBT的輸出特性伏安特性分3個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源放大區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)uGEUG(th)， MOS管溝道體區(qū)內(nèi)形成導(dǎo)電溝道， IGBT 進(jìn)人正向?qū)顟B(tài)。 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性2.絕緣柵雙極型晶體管的特性IGBT開關(guān)過程的波形 (3) 開關(guān)特性IGBT的導(dǎo)通時(shí)間ton等于導(dǎo)通延遲時(shí)間td1 +上升時(shí)間tr；IGBT的關(guān)斷時(shí)間toff等于關(guān)斷延遲時(shí)間td2+下降時(shí)間tf1+尾部時(shí)間tf2。導(dǎo)通時(shí)間ton關(guān)斷時(shí)間toff(4) 擎住效應(yīng) IGBT為四層結(jié)構(gòu)，存在一個(gè)寄生晶體管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在一個(gè)電阻， P型體區(qū)的電流流過此電阻會對NPN晶體管的基

41、射極加了正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不會使NPN晶體管導(dǎo)通；當(dāng)IC大到一定程度時(shí)，使NPN晶體管導(dǎo)通，柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。(5) 安全工作區(qū)IGBT等效電路3. 絕緣柵雙極型晶體管的主要參數(shù)(1) 集射極額定電壓UCEO 它是IGBT集射極承受的最大耐壓值。(2) 柵射極額定電壓UGES 它是是柵極的電壓額定值。柵射電壓應(yīng)小于額定值，才能使IGBT導(dǎo)通而不損壞。(3) 柵射極開啟電壓UG(th) 使IGBT導(dǎo)通所需的最小柵射電壓，通常IGBT的開啟電壓UG(th)在3V5.5V之間。(4) 集電極額定電流IC 在額定的測試溫度(殼溫為25)條件下，I

42、GBT所允許的集電極最大直流電流。(5) 集射極飽和電壓UCES IGBT在飽和導(dǎo)通時(shí)，通過額定電流的集射極電壓。通常IGBT的集射極飽和電壓在1.5V3V之間。datasheet6由于IGBT的以上優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中，IGBT已經(jīng)替代了BJT。第1章作業(yè)二 習(xí)題一1-81-121-131-151.3 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路是電力電子器件與控制電路之間的環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該提供足夠的功率使電力電子器件快速的導(dǎo)通或關(guān)斷，并保持低開關(guān)損耗。驅(qū)動(dòng)電路分為是單電源驅(qū)動(dòng)和雙電源驅(qū)動(dòng)，是直接驅(qū)動(dòng)還是隔離驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路性能不好，輕則使開關(guān)管不能正常工作，重則導(dǎo)致開關(guān)管損壞。是決定電流上升率和動(dòng)態(tài)飽和壓降

43、大小的重要因素之一。增加驅(qū)動(dòng)電流使電流上升率增大，使開關(guān)管飽和壓降降低，減小導(dǎo)通損耗。過大的驅(qū)動(dòng)電流，使開關(guān)管飽和過深，退出飽和時(shí)間越長，對關(guān)斷過程和減小關(guān)斷損耗越不利。驅(qū)動(dòng)電路是否具有快速保護(hù)功能，是決定開關(guān)管不損壞的關(guān)鍵因素之一。1.晶閘管對門極驅(qū)動(dòng)電路的基本要求 驅(qū)動(dòng)信號可以是交流、直流或脈沖，為了減小門極的損耗，驅(qū)動(dòng)信號常采用脈沖形式。 驅(qū)動(dòng)脈沖應(yīng)有足夠的功率。驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)大于晶閘管的門極觸發(fā)電壓和門極觸發(fā)電流。 驅(qū)動(dòng)脈沖應(yīng)有足夠的寬度和陡度。脈沖的寬度一般應(yīng)保證晶閘管陽極電流在脈沖消失前能達(dá)到擎住電流，使晶閘管導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)脈沖前沿陡度大于10V/s或800mA/s。1.3.1

44、晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電路2. 門極驅(qū)動(dòng)電路的型式控制電路應(yīng)該和主電路隔離，可采用脈沖變壓器或光電耦合器?；诿}沖變壓器Tr的驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平信號加至V1后，變壓器輸出電壓經(jīng)VD2輸出脈沖電流IG給SCR門極。當(dāng)變壓器原邊電流為零后，VD1、R2續(xù)流，防止門極電壓過壓損壞。變壓器原邊上面接的是強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)帶脈沖變壓器的驅(qū)動(dòng)電路1.3.2 功率MOSFET、IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路1.對柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求為了使功率MOSFET可靠導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)高于開關(guān)管的開啟電壓，給開關(guān)管柵極提供足夠的電壓，以保證功率MOSFET可靠導(dǎo)通。在功率MOSFET截止時(shí)，為了防止誤導(dǎo)通，最好能提供負(fù)的

45、柵源電壓。減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻，提高柵極充、放電速度，提高開關(guān)管的開關(guān)速度。驅(qū)動(dòng)電壓要具有足夠快的上升和下降速度，一般驅(qū)動(dòng)電源并聯(lián)旁路電容，它不僅濾除噪聲，也用于給柵極提供瞬時(shí)電流，加快開關(guān)管的開關(guān)速度。2. 功率MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)電路功率MOSFET和IGBT是電壓型控制的開關(guān)管，驅(qū)動(dòng)電路簡單，柵極電阻被分為RGon和RGoff，這種方法可以分別優(yōu)化開通與關(guān)斷過程中的所有動(dòng)態(tài)參數(shù)。柵射極電阻RGE（10到100k）的作用是在驅(qū)動(dòng)器處于高阻輸出狀態(tài)時(shí)（關(guān)閉狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)器電源電壓故障時(shí)），防止柵極電容被意外充電。該電阻必須放置在控制終端處。在電源端并聯(lián)一個(gè)低電感的電容器C，它被用來保證驅(qū)

46、動(dòng)器盡可能小的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻，提供了快速開關(guān)所需的峰值電流。 柵極驅(qū)動(dòng)電路 日本三菱公司M57962AL是驅(qū)動(dòng)IGBT的集成電路，主要特點(diǎn)有：其內(nèi)有2500V隔離電壓光電耦合器，具有短路保護(hù)功能。高速輸入輸出隔離，輸入輸出電平與TTL電平兼容，可以驅(qū)動(dòng)600A/600V或400A/1200V的IGBT模塊。引腳13和引腳14為控制信號輸入端，引腳5為驅(qū)動(dòng)信號輸出端，引腳8為故障信號輸出。1.3.3 集成驅(qū)動(dòng)電路1.4 電力電子器件的緩沖電路 1.4.1 緩沖電路的作用 電力電子器件的PN結(jié)在工作時(shí)，都有多數(shù)載流子存儲。這些載流子的存儲電荷為QS，在PN結(jié)進(jìn)行換向時(shí)，具有電感的電路中可能產(chǎn)生很大的過電

47、壓US=Ldi/dt，當(dāng)此過電壓施加在器件的PN結(jié)上時(shí)，如果不加以吸收，這個(gè)過電壓就可能擊穿PN結(jié)而損壞器件。 附加各種緩沖電路，目的不僅是降低浪涌電壓、du/dt和di/dt,還希望能減少器件的開關(guān)損耗、避免器件損壞和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。 如右上圖所示的未加緩沖電路時(shí)開關(guān)管的開關(guān)波形，在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中的某一時(shí)刻，會出現(xiàn)開關(guān)管端電壓和開關(guān)管電流同時(shí)達(dá)到最大值的情況，瞬時(shí)開關(guān)損耗也最大。 如右圖所示的復(fù)合緩沖電路，其中LS提供導(dǎo)通緩沖電路的作用，減少開關(guān)管的di/dt及導(dǎo)通損耗；CS和VDS組成有極性的關(guān)斷緩沖電路，減少開關(guān)管的du/dt及關(guān)斷損耗，RS提供放電回路，避免了開關(guān)管端

48、電壓和電流同時(shí)出現(xiàn)最大值的情況。電力電子器件的開關(guān)波形 開關(guān)過程的負(fù)載線軌跡 緩沖電路關(guān)斷緩沖電路導(dǎo)通緩沖電路 緩沖電路所以能夠減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，是因?yàn)榘验_關(guān)損耗由器件本身轉(zhuǎn)移至緩沖電路內(nèi)。 根據(jù)這些被轉(zhuǎn)移的能量如何處理、怎樣消耗掉，引出了兩類緩沖電路：一類是耗能式緩沖電路，即轉(zhuǎn)移至緩沖器的開關(guān)損耗能量消耗在電阻上，這種電路簡單，但效率低；另一類是饋能式緩沖電路，即將轉(zhuǎn)移至緩沖器的開關(guān)損耗能量以適當(dāng)?shù)姆绞皆偬峁┙o負(fù)載或回饋給供電電源，這種電路效率高但電路復(fù)雜。耗能式緩沖電路饋能式緩沖電路1.4.2 緩沖電路的類型1. 耗能式緩沖電路(1) RC關(guān)斷緩沖電路 在晶閘管的陽極和陰極并聯(lián)RC緩沖

49、電路，用來防止晶閘管兩端過大的du/dt，其中RS能減小晶閘管導(dǎo)通時(shí)CS的放電電流。 (2) RCD關(guān)斷緩沖電路 CS吸收電路中產(chǎn)生的過電壓。開關(guān)管導(dǎo)通，CS有很大的放電電流流過開關(guān)管，在CS上串聯(lián)一個(gè)RS限制放電電流。在RS的兩端又并聯(lián)了VDS，這樣在吸收過電壓時(shí)不經(jīng)過RS，以加快對過電壓的吸收，而CS只能通過RS放電，這樣就可以衰減放電電流以保護(hù)開關(guān)管。 RC緩沖電路 RCD關(guān)斷緩沖電路(3) 母線吸收式關(guān)斷緩沖電路 RCD組成的關(guān)斷緩沖電路雖具有較明顯的抑制du/dt的作用，但電阻R的功耗很大，既造成散熱困難，又影響了系統(tǒng)的效率。數(shù)個(gè)開關(guān)管共用一個(gè)母線吸收式緩沖電路的方案既具有抑制du/

50、dt的作用，又可大大降低電阻R的功耗。母線吸收式緩沖電路兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)通斷(4) 導(dǎo)通緩沖電路 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)穩(wěn)態(tài)電流值越大，導(dǎo)通時(shí)間越短，則di/dt越大。 為了限制di/dt的大小，常采用串聯(lián)電感的方法，導(dǎo)通緩沖電路由電感LS和二極管VDS組成，與開關(guān)管串聯(lián)，在開關(guān)管導(dǎo)通過程中，電感LS限制電流的上升率di/dt；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲存在電感LS中的能量通過二極管VDS的續(xù)流作用而消耗在VDS和電感本身的電阻上。導(dǎo)通緩沖電路復(fù)合緩沖電路(5) 復(fù)合緩沖電路 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，LS限制電流上升率di/dt，而緩沖電容中的能量經(jīng)CS、RS和LS回路放電，也減少了開關(guān)管承受的電流上升率di/dt。當(dāng)開

51、關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于CS、VDS限制了開關(guān)管兩端的電壓上升率du/dt。2. 饋能式緩沖電路將儲能元件中的儲能通過適當(dāng)?shù)姆绞交仞伣o負(fù)載或電源，可以提高裝置的效率。在饋能過程中，由于采用的元件不同，又可分為無源和有源兩種方式。無源饋能式能量的回饋主要由C0和VDC來實(shí)現(xiàn)，C0稱為轉(zhuǎn)移電容，VDC稱為回饋二極管。在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，CS充電至電源電壓VCC，在開關(guān)管下一次導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流從VDf轉(zhuǎn)移至開關(guān)管；同時(shí)CS上的電能轉(zhuǎn)移至C0上。當(dāng)開關(guān)管再次關(guān)斷時(shí)，CS再次充電，而C0向負(fù)載放電，能量得到回饋。 饋能式復(fù)合緩沖電路 1.4.3 緩沖電路元件的選擇增加CS，可以有效的抑制過電壓，但采用過大的CS，會

52、增加整體損耗。緩沖電路元器件的參數(shù)選擇不當(dāng)，或連線過長造成分布電感過大，也可能產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓。因此盡量減小連接線的分布電感，這就意味著要盡可能縮短VDS、CS和開關(guān)管的連線長度。要求VDS能快速導(dǎo)通、反向恢復(fù)時(shí)間trr短、反向恢復(fù)電荷Qr盡量小，緩沖電路中的CS和RS應(yīng)當(dāng)是無感元件，以盡可能減小吸收電路的雜散分布電感。例如RS不應(yīng)選用線繞式的，而應(yīng)是涂膜工藝制作的無感電阻，CS應(yīng)選用低串聯(lián)電阻、電感小且頻率特性好的電容。1.5 全控型器件的過電壓及過電流保護(hù) 1. 過電壓保護(hù)(1) 柵源極或柵射極的過電壓保護(hù) 對于功率MOSFET和IGBT來說，如果柵源極或柵射極的阻抗過高，則漏源電壓或集源

53、電壓的突變會引起極間電容耦合到柵級而產(chǎn)生相當(dāng)高的UGS電壓過沖，這一電壓會引起柵極氧化層永久性損壞。如果是正方向的UGS瞬態(tài)電壓還會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。采取的措施有：為適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，在柵源間并接阻尼電阻。有些型號的功率MOSFET和IGBT內(nèi)部輸入端接有齊納保護(hù)二極管。(2) 集射極或漏源極的過電壓保護(hù) 電路中有感性負(fù)載，或回路中有等效電感時(shí)，則當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電流的突變會產(chǎn)生比電源電壓還高得多的集射極或漏源極的電壓過沖，導(dǎo)致器件的損壞。對MOSFET、IGBT應(yīng)采取前面介紹的穩(wěn)壓管鉗位，二極管鉗位或RCD緩沖電路等保護(hù)措施。 2. 過電流保護(hù)全控型電力電子器件的熱容量極小，過電流能

54、力很低，其過流損壞在微秒級的時(shí)間內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于快速熔斷器的熔斷時(shí)間，所以諸如快速熔斷器之類的過電流保護(hù)方法對自關(guān)斷型電力電子器件來說是無用的。為了使全控型器件組成的電力電子裝置安全運(yùn)行，保護(hù)的主要做法是：利用參數(shù)狀態(tài)識別對單個(gè)器件進(jìn)行保護(hù)；利用互鎖的辦法對橋臂中兩個(gè)器件進(jìn)行保護(hù)；利用電流檢測等辦法進(jìn)行保護(hù)。(1) 橋臂互鎖保護(hù) 由于開關(guān)管有關(guān)斷時(shí)間，同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，只有確認(rèn)一個(gè)開關(guān)管關(guān)斷后，另一個(gè)開關(guān)管才能導(dǎo)通。為防止同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)該設(shè)置橋臂互鎖時(shí)間。橋臂互鎖時(shí)間的長短與開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間相關(guān)。(2) 過飽和保護(hù) 基極驅(qū)動(dòng)引起的過飽和使BJT的存儲時(shí)間不必要地加

55、長，直接影響著BJT的開關(guān)頻率。通常過飽和保護(hù)可根據(jù)被驅(qū)動(dòng)BJT的基射極電壓降的高低來自動(dòng)調(diào)節(jié)基極驅(qū)動(dòng)電流的大小，構(gòu)成準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動(dòng)電路來完成。GTO、IGBT在過飽和時(shí)也會使關(guān)斷時(shí)間增大，造成關(guān)斷損耗增大的問題，也可以采用準(zhǔn)飽和驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)過飽和保護(hù) 。也稱為貝克鉗位電路。(3) 直接檢測電流法 當(dāng)主回路電流大于開關(guān)管的集電極最大電流或漏極最大電流時(shí)，會使得開關(guān)管損壞；當(dāng)IGBT的集電極電流過大時(shí)，會使得IGBT產(chǎn)生擎住現(xiàn)象。可以采用電流傳感器和控制電路配合使開關(guān)管在電流超過額定值之前關(guān)斷。(4) GTO的過流保護(hù) 由于GTO的最大可關(guān)斷陽極電流的特性，當(dāng)陽極電流超過IATO時(shí)，試圖關(guān)斷GT

56、O會使GTO損壞，因此，當(dāng)檢測到陽極電流超過IATO時(shí)，應(yīng)該封鎖關(guān)斷脈沖，然后采取其他措施使陽極電流下降到IATO以下，然后再關(guān)斷GTO。3. 靜電保護(hù) 功率MOSFET和IGBT的柵極絕緣的氧化層很薄，在靜電較強(qiáng)的場合，容易引起靜電擊穿，造成柵源短路。此外，靜電擊穿電流易將柵源的金屬化薄膜鋁熔化，造成柵極或源極開路。故應(yīng)采取如下措施：應(yīng)存放在防靜電包裝袋、導(dǎo)電材料包裝袋或金屬容器中，不能放在塑料袋或紙袋中。取用器件時(shí)，應(yīng)拿器件管殼，而不要拿引線。將開關(guān)管接入電路時(shí)，工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時(shí)電烙鐵功率應(yīng)不超過25W，最好是用內(nèi)熱式烙鐵，先焊柵極，后焊漏極與源極或集電極和發(fā)射極，最好使

57、用12V24V的低電壓烙鐵，且前端作為接地點(diǎn)。在測試開關(guān)管時(shí)，測量儀器和工作臺都必須良好接地，并盡量減少相同儀器的使用次數(shù)和使用時(shí)間，開關(guān)管的三個(gè)電極未全部接入測試儀器或電路前，不要施加電壓。 第1章作業(yè)三習(xí)題一1-91-161-181.6 電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù) 盡管電力電子器件的電流容量和電壓等級在不斷提高，但仍然不能滿足大容量整機(jī)應(yīng)用的要求，需要串聯(lián)使用以提高它們的電壓等級或并聯(lián)使用以提高它們的電流容量。 晶閘管串聯(lián)后的反向電壓1. 晶閘管的串聯(lián)連接（1）靜態(tài)均壓 由于串聯(lián)各器件的正向(或反向)阻斷特性不同，但在電路中卻流過相等的漏電流，因而各器件所承受的電壓是不同的。 選用特性比較一

58、致的器件進(jìn)行串聯(lián)，給每個(gè)晶閘管并聯(lián)均壓電阻Rj。如果均壓電阻Rj大大小于晶閘管的漏電阻，則電壓分配主要決定于Rj，但如Rj過小，則會造成Rj上損耗增大，因此要綜合考慮。1.6.1 晶閘管的串并聯(lián)（2） 動(dòng)態(tài)均壓 晶閘管在導(dǎo)通和關(guān)斷的過程中，由于各器件的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)不一致，而造成的動(dòng)態(tài)不均壓問題。 晶閘管在開關(guān)過程中瞬時(shí)電壓的分配決定于各晶閘管的結(jié)電容導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間等差別，為了使開關(guān)過程中的電壓分配均勻，減小C對晶閘管放電造成過大的di/dt，還應(yīng)在C支路中串聯(lián)R。晶閘管串聯(lián)均壓電路晶閘管串聯(lián)連接時(shí)應(yīng)盡可能選擇參數(shù)比較接近的晶閘管串聯(lián)，串聯(lián)的各晶閘管導(dǎo)通時(shí)間之差要小；要求門極觸發(fā)

59、脈沖的前沿要陡，觸發(fā)脈沖的電流要大，使晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間短，趨于一致。 由于晶閘管制造工藝的改進(jìn)，器件的電壓等級不斷提高，因此要求晶閘管串聯(lián)連接的情況會逐步減少。 器件串聯(lián)后，必須降低電壓的額定值使用，串聯(lián)后選擇晶閘管的額定電壓為 式中，Um作用于串聯(lián)器件上的峰值電壓 ns串聯(lián)器件個(gè)數(shù)2. 晶閘管的并聯(lián)連接（1）串聯(lián)電阻法由于串聯(lián)電阻增大損耗，對電力電子器件而言無實(shí)用價(jià)值。（2）串聯(lián)電抗法用一個(gè)均流電抗器(鐵心上帶有兩個(gè)相同的線圈)接在兩個(gè)并聯(lián)的晶閘管電路中。但因鐵心笨重，線圈繞制不便，在并聯(lián)支路數(shù)很多時(shí)，線路的配置就較復(fù)雜了。 晶閘管并聯(lián)時(shí)的電流分配 晶閘管并聯(lián)均流電路采用兩個(gè)耦合較好的空心電

60、感，也可起到一定的均流效果。它的優(yōu)點(diǎn)是接線簡單，還有限制di/dt和du/dt的作用。由于空心電抗器的線圈都有電阻，因此實(shí)際上它是電阻串電感均流。器件并聯(lián)后，必須提高電流安全裕量，并聯(lián)后選擇晶閘管的額定電流為 晶閘管串并聯(lián)連接時(shí)，應(yīng)盡可能選擇參數(shù)比較接近的晶閘管進(jìn)行并聯(lián)觸發(fā)脈沖前沿要陡，電流要大，使各晶閘管導(dǎo)通時(shí)間之差要小適當(dāng)增大電感，可以減少各并聯(lián)支路中動(dòng)態(tài)電流的偏差安裝時(shí)使各支路銅線長短相同，使各支路分布電感和導(dǎo)線電阻相近需要同時(shí)采取串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法1.6.2 功率MOSFET的串并聯(lián)1. 功率MOSFET的串聯(lián)連接一般來說，因功率MOSFET經(jīng)常工作在高頻開關(guān)電