电力电子器件(3).ppt

1,典型全控型器件,1.1.1门极可关断晶闸管1.1.2电力晶体管1.1.3电力场效应晶体管1.1.4绝缘栅双极晶体管,1.1,2,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,典型全控型器件,1.1,3,门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用,1.1.1,4,1.GTO的结构和工作原理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一起。,图1-13GTO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,门极可关断晶闸管,1.1.1,幻灯片12,5,工作原理与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。,图1-7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。当121时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当12BUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。,电力晶体管,1.4.2,19,2集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。,电力晶体管,1.4.2,20,4.GTR的二次击穿现象与安全工作区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，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。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。,电力晶体管,1.4.2,21,安全工作区（SafeOperatingAreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。,图1-18GTR的安全工作区,电力晶体管,1.4.2,22,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistorFET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）,电力场效应晶体管,特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。,1.4.3,23,1.电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型,电力场效应晶体管,1.4.3,24,电力MOSFET的结构,电力场效应晶体管,1.4.3,导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列,图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号,25,小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论,电力场效应晶体管,1.4.3,26,电力MOSFET的工作原理截止漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。,图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力场效应晶体管,1.4.3,绝缘栅双极晶体管,27,1静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。,图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a转移特性b输出特性,2.电力MOSFET的基本特性,电力场效应晶体管,1.4.3,28,MOSFET的漏极伏安特性截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,电力MOSFET的转移特性和输出特性a转移特性b输出特性,电力场效应晶体管,1.4.3,29,2动态特性开通过程开通延迟时间tdonup前沿时刻到uGSUT并开始出现iD的时刻间的时间段。上升时间truGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和。,图1-21电力MOSFET的开关过程a测试电路b开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流,电力场效应晶体管,1.4.3,30,关断过程关断延迟时间tdoffup下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。下降时间tfuGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿。,除跨导Gfs、开启电压UT以及tdon、tr、tdoff和tf之外还有,33,4极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS厂家提供漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容CrssCissCGSCGD（1-14）CrssCGD（1-15）CossCDSCGD（1-16）输入电容可近似用Ciss代替。这些电容都是非线性的。漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。实际使用中仍应注意留适当的裕量。,电力场效应晶体管,1.4.3,34,绝缘栅双极晶体管,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。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，具有好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,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。,1.4.4,35,1.IGBT的结构和工作原理三端器件栅极G、集电极C和发射极E,图1-22IGBT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,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,36,IGBT的结构图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P注入区，形成了一个大面积的PN结J1。使IGBT导通时由P注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。,图1-22IGBT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,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,37,IGBT的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通uGE大于开启电压UGEth时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通压降电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。关断栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,电力电子器件比较.ppt,电力电子器件器件的驱动,38,2.IGBT的基本特性1IGBT的静态特性,图1-23IGBT的转移特性和输出特性a转移特性b输出特性,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,39,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压UGEthIGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGEth随温度升高而略有下降，在25C时，UGEth的值一般为26V。输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。分为三个区域正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。,图1-23IGBT的转移特性和输出特性a转移特性b输出特性,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,40,2IGBT的动态特性,图1-24IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,41,IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。开通延迟时间tdon从uGE上升至其幅值10的时刻，到iC上升至10ICM。电流上升时间triC从10ICM上升至90ICM所需时间。开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和。uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,图1-24IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,42,IGBT的关断过程关断延迟时间tdoff从uGE后沿下降到其幅值90的时刻起，到iC下降至90ICM。电流下降时间iC从90ICM下降至10ICM。关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,图1-24IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,43,IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,通过对IGBT的基本特性的分析，可以看出,44,3.IGBT的主要参数,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,正常工作温度下允许的最大功耗。,3最大集电极功耗PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。,2最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,1最大集射极间电压UCES,45,IGBT的特性和参数特点可以总结如下,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,1开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。2相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。3通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。4输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。5与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。,46,4.IGBT的擎住效应和安全工作区,寄生晶闸管由一个N-PN晶体管和作为主开关器件的PN-P晶体管组成。,图1-22IGBT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,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,47,擎住效应或自锁效应,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。,反向偏置安全工作区（RBSOA）,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。,正偏安全工作区（FBSOA）,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。,NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。,48,其他新型电力电子器件,1.5.1MOS控制晶闸管MCT1.5.2静电感应晶体管SIT1.5.3静电感应晶闸管SITH1.5.4集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5功率模块与功率集成电路,1.5,49,MOS控制晶闸管MCT,MCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。晶闸管的高电压大电流、低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。,1.5.1,50,静电感应晶体管SIT,SIT（StaticInductionTransistor）1970年，结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,1.5.2,51,静电感应晶闸管SITH,SITH（StaticInductionThyristor）1972年，又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT）。比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。,1.5.3,52,集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）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。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。,1.5.4,53,功率模块与功率集成电路,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（PowerIntegratedCircuitPIC）。,1.5.5,54,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（HighVoltageICHVIC）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（SmartPowerICSPIC）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（IntelligentPowerModuleIPM）则专指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（IntelligentIGBT）。,功率模块与功率集成电路,1.5.5,55,功率集成电路的主要技术难点高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。,功率模块与功率集成电路,1.5.5,56,电力电子器件器件的驱动,1.6.1电力电子器件驱动电路概述1.6.2晶闸管的触发电路1.6.3典型全控型器件的驱动电路,1.6,57,电力电子器件驱动电路概述,驱动电路主电路与控制电路之间的接口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。对器件或整个装置的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。,1.6.1,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。,58,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,图1-25光耦合器的类型及接法a普通型b高速型c高传输比型,电力电子器件驱动电路概述,1.6.1,59,按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分，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。,电力电子器件驱动电路概述,1.6.1,60,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。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。,1.6.2,晶闸管触发电路应满足下列要求触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,61,V1、V2构成脉冲放大环节脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设。,图1-26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）,图1-27常见的晶闸管触发电路,晶闸管的触发电路,1.6.2,62,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，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流。使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。,图1-28推荐的GTO门极电压电流波形,1.6.3,1.电流驱动型器件的驱动电路,63,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。直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,64,典型的直接耦合式GTO驱动电路,图1-29典型的直接耦合式GTO驱动电路,二极管VD1和电容C1提供5V电压VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供15V电压VD4和电容C4提供-15V电压V1开通时，输出正强脉冲V2开通时输出正脉冲平顶部分V2关断而V3开通时输出负脉冲V3关断后R3和R4提供门极负偏压,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,65,2GTR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。,图1-30理想的GTR基极驱动电流波形,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,66,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分,二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入V，会使V过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc≈0。C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。,图1-31GTR的一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,67,2.电压驱动型器件的驱动电路栅源间、栅射间有数千皮法的电容，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（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,68,1电力MOSFET的一种驱动电路电气隔离和晶体管放大电路两部分,无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为2A和-3A，输出驱动电压15V和-10V。,图1-32电力MOSFET的一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,69,2IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器,常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为15V左右，负驱动电压为-10V。,图1-33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,70,电力电子器件器件的保护,1.7.1过电压的产生及过电压保护1.7.2过电流保护1.7.3缓冲电路（SnubberCircuit）,1.7,71,过电压的产生及过电压保护,电力电子装置可能的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等外因1操作过电压由分闸、合闸等开关操作引起2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1换相过电压晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。2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。,1.7.1,72,图1-34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,过电压的产生及过电压保护,1.7.1,73,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1-35。,图1-35RC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,1.7.1,74,大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路,图1-36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,1.7.1,75,过电流保护,过电流过载和短路两种情况常用措施（图1-37）,快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。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。,图1-37过电流保护措施及配置位置,1.7.2,76,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,1.7.2,77,快熔对器件的保护方式全保护和短路保护两种全保护过载、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。短路保护方式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（很难用快熔保护），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。,过电流保护,1.7.2,78,缓冲电路（SnubberCircuit）,缓冲电路（吸收电路）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。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。将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓冲电路。其他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。,1.7.3,79,缓冲电路作用分析无缓冲电路V开通时电流迅速上升，di/dt很大。关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。有缓冲电路V开通时Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢。V关断时负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。,图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a电路b波形,缓冲电路（SnubberCircuit）,1.7.3,80,关断时的负载曲线,图1-39关断时的负载线,负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低。,,缓冲电路（SnubberCircuit）,1.7.3,有缓冲电路时Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C。,无缓冲电路时uCE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C。,81,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a电路b波形,图1-40示出另两种，其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。,图1-40另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路放电阻止型RCD吸收电路,缓冲电路（SnubberCircuit）,1.7.3,82,缓冲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。,缓冲电路（SnubberCircuit）,1.7.3,83,电力电子器件器件的串联和并联使用,1.8.1晶闸管的串联1.8.2晶闸管的并联1.8.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,1.8,84,晶闸管的串联,目的当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。问题理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用。反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。,1.8.1,85,静态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。,图1-41晶闸管的串联a伏安特性差异b串联均压措施,晶闸管的串联,1.8.1,86,动态不均压由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。动态均压措施选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异。,晶闸管的串联,1.8.1,87,晶闸管的并联,目的多个器件并联来承担较大的电流问题会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。均流措施挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。,1.8.2,88,电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,电力MOSFET并联运行的特点Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数。在以上的区段则具有正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。,1.8.3,89,本章小结,主要内容全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。,电力电子器件类型归纳单极型电力MOSFET和SIT双极型电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型IGBT和MCT,图1-42电力电子器件分类“树”,90,电压驱动型单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH特点输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型双极型器件中除SITH外特点具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。,本章小结,91,当前的格局IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。光控晶闸管功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。电力MOSFET长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。,本章小结,..\第一章思考题.ppt,