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第2章常用电力电子开关器件,2.1可关断晶闸管的特性和参数2.2功率晶体管的性能和应用2.3功率场效应管的性能和应用2.4绝缘栅双极晶体管的性能和应用2.5智能功率模块的性能和应用,电动机调速系统可分成三大部分控制、驱动和反馈。其中驱动部分中起主要作用的是电力电子开关器件。电动机调速的发展依赖于电力电子开关器件的发展。如功率晶体管（GTR）的出现使交流电动机变频调速进入实用化。目前，常用的电力电子器件有可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）。这些器件都有各自的应用范围。GTO在大功率和超大功率领域占统治地位，GTR和IGBT在大、中功率方面占统治地位，MOSFET在中、小功率领域具有较强的优势。,,,,,2.1可关断晶闸管的特性和参数,2.1.1GTO原理和性能1.GTO的工作原理GTO的开通过程是一个电流增大的强烈的正反馈过程。GTO的关断过程是电流减小的强烈的正反馈过程。,,,,,图2-1GTO的结构及其等效电路,2.1.1GTO原理和性能2.GTO的特性（1）伏安特性（2）开关特性,,,,,开通时间ton与门极电流的大小及上升速率有关。,2.1.1GTO原理和性能2.GTO的特性（2）开关特性在GTO的开通和关断过程中，门极的电流、电压和持续时间对GTO的特性影响很大，理想的门极电流、电压波形如图2-4。,,,,,2.1.1GTO原理和性能3.GTO的主要参数反向重复峰值电压VRRM。可关断峰值电流ITGQM。ITGQM是在规定的条件下门极能控制关断的最大阳极电流。维持电流IH。IH是维持GTO导通所需的最小电流。擎住电流IL。门极反向关断电流IGR。IGR是GTO由导通过渡到断开状态所需的瞬时最大反向门极电流。一般情况下，IGR约为可关断峰值电流ITGQM的1/31/4。浪涌电流ITSM。ITSM是GTO能承受的时间很短、幅值较高的电流尖峰。临界通态电流上升率di/dt。平均功率损耗。,,,,,2.1.1GTO原理和性能3.GTO的主要参数,,,,2.1.2GTO门极驱动电路门极驱动电路包括三部分门极开通电路、门极关断电路、反向偏置电路。,,,,,驱动电路的基本形式有单电源方式、双电源方式、变压器隔离方式。参数的影响串联电阻和电容的影响串联电感的影响门极反偏电压,2.2功率晶体管的性能和应用,2.2.1GTR的特性和参数GTR可分为单管、达林顿管和模块三大系列。应用最多的是GTR模块。它将GTR管芯、稳定电阻、加速二极管和续流二极管组装在一个单元，然后根据不同的用途，将几个这样的单元组合成一个模块封装。图2-6为一个由三级达林顿管组成的单桥臂式模块。,,,,,2.2功率晶体管的性能和应用,,,,,图2-7GTR的输出特性,1.GTR的输出特性GTR多采用共射极接法，其输出特性分五个区截止区、线性放大区、浅饱和区、深度饱和区、击穿区。一次击穿二次击穿2.GTR的基本参数电流放大倍数β额定电压VCBO,B、VCEO,B、VEBO,BVCES、VBES其他参数ICM、PCM,2.2功率晶体管的性能和应用,,,,,3.GTR的开关特性GTR的开通时间ton和关断时间toff与集电极电流和基极电流有关。图2-8表示了100A的达林顿管的开关时间与集电极电流的关系。4.温度与散热半导体元件的特性参数受温度影响较大，采取正确的散热措施，确保功率器件正常工作时不超过最大结温。热量来自GTR的功耗。在高开关频率下工作时，功耗有通态功耗和动态开关损耗。设法改变GTR的工作点在开关过程的轨迹可大大减少动态损耗。,2.2功率晶体管的性能和应用,2.2.2GTR的驱动GTR为电流驱动型器件，驱动电流波形要有利于缩短开关时间，减小开关损耗。理想的基极驱动电流波形如图2-10。,,,,,,2.2.2GTR的驱动UAA4002的输出电流为0.5A，和-3A，可以外接晶体管来扩大输出能力。它有两种输入方式SE1时为电平输入，SE0时为脉冲输入。UAA4002还具有保护功能。,,,,结构自身工作电源电压VCC和V-检测两个单元一个输入接口逻辑，一个逻辑处理器，一个输出脉冲最大导通时间tonmax和最小导通时间tonmin设置单元，两个用来进行过电流或欠饱和保护的比较器，一个正向脉冲放大及负向脉冲放大网络。,2.2.2GTR的驱动各引脚的名称及功能输出端IB2IB1控制端7、8、4、3、10输入端6、13、11、12、14、5,电源端14、2、15地端9,2.3功率场效应管的性能和应用,,,,,MOSFET为单极型电压控制型器件，故具有开关速度快、损耗低、驱动功率小、无二次击穿等优点，但电流容量小、耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。MOSFET三个引脚栅极G、漏极D和源极S。MOSFET有N沟道和P沟道两种类型。,2.3功率场效应管的性能和应用,,,,,2.3.1MOSFET的特性和参数,1.静态特性输出特性输出特性分四个区可调电阻区（非饱和区）、饱和区、截止区和雪崩区。,MOSFET的输出特性,转移特性跨导VGST称为开启电压。,2.开关特性tdon开通延迟时间tr电流上升时间tdoff关断延迟时间tf电流下降时间tontdontrtofftdofftf3.主要参数漏源极间击穿电压VDS,B和额定电压VDSS漏源极du/dt耐量额定电流ID和峰值电流IDM通态电阻Ron,,,,2.3.2MOSFET的驱动电路1.TTL集成电路的驱动MOSFET是电压控制型器件，因此小功率的TTL电路可以驱动一般的MOSFET。,OC门,2.3.2MOSFET的驱动电路2.COMS集成电路的驱动由于大多数MOSFET采用VMOS或TMOS工艺，所以可用CMOS集成电路直接驱动MOSFET。优点可采用1015V电源，这就使CMOS电路有10V以上的高电平输出，可MOSFET充分导通。故这里无需上拉电阻。但COM集成电路带载能力较低，会影响功率场效应管的开关速度。图2-22是将6个COMS并联来加大驱动电流驱动MOSFET。,2.3.2MOSFET的驱动电路3.专用集成电路驱动能用于MOSFET驱动的集成电路IR公司的IR21系列、Unitrode公司的UC37043715系列、Harris公司的HA4080系列、Maxim公司、飞思卡尔公司、原三菱公司M579系列等。,2.4绝缘栅双极晶体管的性能和应用,,,,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。,IGBT是由MOSFET和GTR结合而成的复合型器件，结合了二者的优点。N沟道的IGBT是由一个N沟道的MOSFET和PNP型GTR组成。IGBT实际以GTR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的复合管。,,,,2.4.1绝缘栅双极晶体管的特性和参数1.通态电压降MOSFET的通态压降在全电流范围为正温度系数，而IGBT的通态压降在小电流范围内为负温度系数，在大电流范围为正温度系数。2.关断损耗常温下，IGBT的关断损耗与MOSFET的大致相同。高温时MOSFET的关断损耗基本不变，而IGBT随温度增加而增加。因此，IGBT的关断损耗要大一些。,3.开通损耗电机驱动系统中开关器件要接续流二极管，而续流二极管的反向恢复特性将影响IGBT的开通损耗，使用快恢复二极管将降低IGBT的开通损耗。,,,,4.安全工作区（1）擎住效应IGBT内存在一寄生晶体管。在寄生晶体管的基极与发射极之间并联一个扩展电阻Rbr。原理当有IC流过Rbr时会产生正向偏置电压，在规定的IGBT集电极电流IC范围内，这个正向偏置电压不大，对寄生晶体管不起作用。但当IC达到一定程度时，该正向偏置电压足以使寄生晶体管导通，进而使T1和T2处于饱和状态，栅极失去控制作用，这就是擎住效应。擎住效应使IC增大，造成过大的损耗，导致器件损坏。规定集电极通态电流的最大值ICM以及相应的栅射电压的最大值VCEM，超过此界限将发生擎住效应。关断时，如果dVCE/dt过高，产生的位移电流流过Rbr时，也足以产生使寄生晶体管导通的正向偏置电压，形成擎住效应（动态擎住效应）。故用增加栅极电阻RG的方法来延长IGBT的关断时间，以减小dVCE/dt。,图2-28IGBT的等效电路,,,,4.安全工作区（2）安全工作区安全工作区反映了一个开关器件同时承受一定电压和电流的能力。IGBT导通时的正向偏置安全工作区，是由ICM、VCEM和最大集电极功耗3条边界极限包围而成。最大ICM限制擎住现象的发生，最大VCEM限制IGBT被正向击穿，最大功耗则是由最高允许结温决定，导通时间越长，发热越严重，安全区就越小。关断时的反向偏置安全工作区是由ICM、VCEM和最大允许电压上升率dVCE/dt决定。它随关断时的dVCE/dt而改变。,图2-29IGBT的安全工作区,,,,2.4.2绝缘栅双极晶体管的驱动1.对栅极驱动电路的要求IGBT与MOSFET都有一个2.55V的开栅门槛电压，有一个电容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷聚集非常敏感，故要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线尽可能短。用内阻小的驱动电源对栅极电容充电、放电，以保证栅极控制电压VGE有足够的前、后沿。且IGBT开通后，驱动源应能提供足够的功率使IGBT不会中途退出饱和而损坏。驱动电路要能提供高频脉冲信号，来利用IGBT的高频性能。栅极驱动电压必须综合考虑。在开通时栅极电压取1215V；关断时，对小容量的IGBT可不加反向栅极电压，对中容量的加56V反向电压，对大容量的加10V左右的反向栅极电压。在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt形成的尖峰电压。由于IGBT多用于高压场合，故驱动电路与控制电路一定要严格隔离。栅极电路应尽可能简单可靠，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。栅极电阻RG可选用IGBT产品说明书上给定的值。,,,,2.4.2绝缘栅双极晶体管的驱动2.IGBT专用驱动集成电路原则上IGBT的驱动特性与MOSFET的几乎相同，但由于两者使用的范围不同，IGBT多用于大中功率，而MOSFET多用于中小功率，所以它们的驱动电路也有差异。IGBT一般使用专用集成驱动器，它们集驱动和保护为一体。（1）EXB840组成的驱动电路EXB840是一种高速驱动集成电路，最高使用频率为40kHz，能驱动150A/600V或者75A/1200V的IGBT，驱动电路信号延迟小于1.5μs，采用单电源20V电源供电。,组成EXB840主要由输入隔离电路、驱动放大电路、过电流检测和保护电路以及电源电路组成。引脚1连接反偏电源的滤波电容；2和9是电源和地；3驱动输出；4连接外部电容器，防止过电流保护误动作；5过流保护输出；6为集电极电压监视端；14和15为驱动信号输入端。,,,,2.IGBT专用驱动集成电路（1）EXB840组成的驱动电路原理当控制电路使引脚14和15有10mA的电流流过，光耦导通，通过驱动放大电路使末级放大电路上面管子导通，使IGBT有正向栅射电压而导通；关断时，控制电路使引脚14和15无电流流过，光耦不导通，通过驱动放大电路使末级放大电路下面管子导通，于是稳压管为IGBT提供-5V的反向栅射电压，并迅速放电，IGBT可靠关断。,保护动作如发生过载或短路，IGBT承受大电流而退饱和，VCE上升很多，接于集电极的二极管截止，6脚悬空，过电流检测及保护电路动作使IGBT慢速关断。,,,,（2M57962L组成的驱动电路M57962L与EXB840的原理非常相似。最高使用频率为20kHz，能驱动400A/600V或者200A/1400V的IGBT，驱动电路信号延迟小于1.5s，采用15V和-10V双电源供电。与EXB840不同的是它的保护电路。M57962L采取了快速保护措施。当它检测到栅极电压和集电极电压同时为高电平时，就认为负载短路，立即降低栅极驱动电压，并从8脚输出故障信号，这一过程用2.6s。经过12ms的延时后，如果保护电路输入信号恢复为低电平，则保护电路自动复位到正常状态。,2.5智能功率模块的性能和应用,,,,智能功率模块（IPM是将IGBT、IGBT的驱动电路和自保护电路集成在一个模块内。由于生产厂家已将参数匹配成最优，并有可靠的自保护电路，因此可大大减少用户在电机驱动电路和保护电路设计工作量，降低成本。IPM自1990年诞生至今，几乎世界上所有的功率器件厂家都开发出各自的IPM产品，IPM已经广泛应用的电机驱动领域。,2.5.1智能功率模块的结构,,,,2.5.1智能功率模块的结构PM50RLA060模块有7个IGBT和7个相应的驱动芯片。IPM通常制作成1单元、2单元、6单元和7单元4种封装。,图2-35三菱公司IPMPM50RLA060模块内部结构,,,,2.5.1智能功率模块的结构,为防止共地产生干扰，目前流行两种方法为IPM内部驱动芯片提供电源使用多个隔离电源。对使用1单元和2单元的三相逆变电路需提供6个隔离电源；对6单元和7单元的三相逆变电路需要4个隔离电源。使用自举电路，例如原三菱公司的DIP-IPM系列和IR公司的IRAM系列。通过自举电路为上桥臂的驱动提供电源，可以使用单一的电源，可降低成本。,,,,,,,,,,2.5.2智能功率模块的自保护特性IPM内建立了一套复杂的自保护电路，它可以防止功率器件因系统功能失调或过载而损坏。自保护电路可以提供欠压保护、过热保护、过电流保护和短路保护。1.欠压保护IPM内部控制电路的直流15V电源很重要，必须对其进行监控。,,,,2.5.2智能功率模块的自保护特性2.过热保护IPM内部有一个温度传感器，安装在靠近IGBT的绝缘底板上。如果底板的温度超过温度极限（OT），过热保护电路将切断IPM的驱动，并向外发出故障信号。当温度降到过热恢复极限（OTr），IPM恢复正常工作。,,,,2.5.2智能功率模块的自保护特性3.过电流保护IPM使用内部的电流传感器来连续监视IPM的电流。如果电流超过过流极限（OC），并持续toffOC）时间，IPM的内部保护电路将切断门电路，并发出故障信号。toffOC）延时用于避免无害的窄过电流频繁地触发过电流保护。自动关断过程要尽可能低的di/dt，避免关断时产生过度的电压尖峰，这就是软关断过程。多数IPM采用两步关断。,门电压先被降到到一个中间值，它可以使通过器件的电流缓慢的降低，然后，大约5s后，门电压降到0完成关断。某些大容量的6单元或7单元IPM，在高电流下使用斜坡门电压获得较低的关断di/dt。,图2-39IPM的过电流与短路保护时序,,,,2.5.2智能功率模块的自保护特性4.短路保护如果发生负载短路或因系统控制器失效而引起上下桥臂直通，IPM内部的短路保护电路动作。当通过IGBT的电流超过短路极限（SC时，保护电路立即关断驱动，并输出故障信号。采用与过流保护相同的技术来减小过度电压尖峰。为了减少短路检测和短路关断的响应时间，采用了实时电流控制电路（RTC），这个电路使响应时间小于100ns。,5.故障信号的使用为使接口电路简单，IPM的设计可使得不管什么类型的故障发生，都通过一个故障引脚输出故障信号，可以通过检测故障信号持续时间的长短来识别是什么故障。,,,,2.5.3智能功率模块的应用原三菱公司7单元IPM用于电机驱动的接口电路如图2-41。该电路采用4个15V隔离电源，其中每个上桥臂驱动各用一个电源，3个下桥臂和制动开关管驱动公用一个电源。6个开关管的控制信号输入采用高速光耦隔离。每个上桥臂开关管都有一个故障输出，3个下桥臂也有一个故障输出，这些故障输出及制动控制输入也要接光耦隔离。IR公司6单元IPM用于电机接口的电路如图2-42。该电路只用一个15V驱动电源，取代其它隔离电源的是外接了3个自举电容。3个电阻分别作为3个相电流传感器，其上产生的3个电压降作为相电流反馈信号接到单片机。如果出现过流或短路故障，单片机发出低电平使外接的MOSFET关断，从而使IPM关闭输出。来自IPM的内部温度信号通过T/ITRIP引脚也接到单片机，当过热时，IPM自动关闭输出。,,,,,,,,本章小结,1.复习GTO、GTR、MOSFET、IGBT的工作原理、特性和参数。2.掌握对GTO、GTR、MOSFET、IGBT驱动电路的要求，熟悉这些器件的常用的驱动电路，特别是集成驱动电路的工作原理。3.了解IPM模块的结构特点，理解其欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护的保护动作原理。4.了解IPM模块常用的应用电路。,