電力電子器件概述研究生ppt課件

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第1章 電力電子器件,1.1 電力電子器件概述 1.2 不可控器件——二極管 1.3 半控型器件——晶閘管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型電力電子器件 1.6 電力電子器件的驅(qū)動,1-1,電子技術(shù)的基礎(chǔ) ——— 電子器件：晶體管和集成電路 電力電子電路的基礎(chǔ) ——— 電力電子器件 本章主要內(nèi)容： 概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題。 介紹常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。,第1章 電力電子器件·引言,1-2,1.1.1 電力電子器件的概念和特征 1.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 1.1.3 電力電子器件的分類,1.1 電力電子器件概述,1-3,1）概念: 電力電子器件（Power Electronic Device） ——可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路（Main Power Circuit） ——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件,1-4,能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。 電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,2）同處理信息的電子器件相比的一般特征：,1-5,3）決定電力電子器件實際效能的主要因素,所有電力電子器件在其裝置中的實際效能取決于兩方面： (1)電力電子器件的設(shè)計和制作（參數(shù)設(shè)計、結(jié)構(gòu)安排、材料性能、工藝水平和散熱能力等）； (2)器件所在電路的運行條件（電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載性質(zhì)、控制信號、開關(guān)頻率、環(huán)境溫度和冷卻條件等）。 前一個因素屬于器件的設(shè)計制作，后一個因素則與器件的選擇和使用有關(guān)。,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,1-6,通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。 器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。,主要損耗,,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開關(guān)損耗,,關(guān)斷損耗,開通損耗,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的損耗,1-7,電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成。,電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行.,,1.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成,電氣隔離,控制電路,1-8,1.1.3 電力電子器件的分類,1-9,半控型器件（Thyristor） ——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。 全控型器件（IGBT,MOSFET) ——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。 不可控器件(Power Diode) ——不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。,1.1.3 電力電子器件的分類,按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：,1-10,電流驅(qū)動型 ——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動型 ——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。,1.1.3 電力電子器件的分類,按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：,1-11,1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 1.2.2 電力二極管的基本特性 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1.2.4 電力二極管的主要類型,1.2 不可控器件—電力二極管,1-12,1.2 不可控器件—電力二極管·引言,整流二極管及模塊,1-13,,電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號,1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,1-14,二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。,1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,PN結(jié)的狀態(tài),1-15,1.2.2 電力二極管的基本特性,1) 靜態(tài)特性,,電力二極管的伏安特性,1.2.2 電力二極管的基本特性,1-16,開通過程,1.2.2 電力二極管的基本特性,關(guān)斷過程,,延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf 恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。,1-17,額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),1) 正向平均電流IF(AV),2）正向壓降UF,在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。,1-18,對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),3） 反向重復(fù)峰值電壓URRM,4）反向恢復(fù)時間trr,trr= td+ tf,5）最高工作結(jié)溫TJM,TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175?C范圍之內(nèi)。,6) 浪涌電流IFSM,指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流,1-19,1) 普通二極管（高于5μs ）,按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。,1.2.4 電力二極管的主要類型,2) 快恢復(fù)二極管 （可低于50ns ）,3) 肖特基二極管 (10~40ns) 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode ——SBD）。,1-20,1.3 半控器件—晶閘管,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 1.3.2 晶閘管的基本特性 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 1.3.4 晶閘管的派生器件,1-21,1.3 半控器件—晶閘管·引言,晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號,1-22,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,常用晶閘管的結(jié)構(gòu),螺栓型晶閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu),1-23,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,1-24,1.3.2 晶閘管的基本特性,（1）正向特性,,1） 靜態(tài)特性,晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG,（2）反向特性,1-25,1.3.2 晶閘管的基本特性,（1）開通過程,（2) 關(guān)斷過程,2） 動態(tài)特性,晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,1-26,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),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，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。,通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。 選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。,使用注意：,1）電壓定額,反向重復(fù)峰值電壓URRM ——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。,通態(tài)（峰值）電壓UT ——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。,1-27,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),通態(tài)平均電流 IT(AV） ——在環(huán)境溫度為40?C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。,2）電流定額,維持電流 IH ——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。,擎住電流 IL ——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。,浪涌電流ITSM ——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。,1-28,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),通態(tài)電流臨界上升率di/dt —指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 —如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。,3）動態(tài)參數(shù),除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：,斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt —指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 —電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。,1-29,1.3.4 晶閘管的派生器件,有快速晶閘管和高頻晶閘管。,1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor—— FST),開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。,普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10?s左右。,高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。,由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。,1-30,1.3.4 晶閘管的派生器件,2）雙向晶閘管（Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode thyristor）,雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,1-31,1.3.4 晶閘管的派生器件,逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）,逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,1-32,1.3.4 晶閘管的派生器件,光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT）,b),光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,1-33,1.4 典型全控型器件,1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,1.4.2 電力晶體管,1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,1-34,1.4 典型全控型器件·引言,常用的典型全控型器件,電力MOSFET,IGBT單管及模塊,1-35,1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管(GTO),結(jié)構(gòu)：,GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖,1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理,與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。,和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。,1-36,工作原理：,晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理,?1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。,1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理,1-37,1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形,GTO的動態(tài)特性,1-38,1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的主要參數(shù),—— 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2?s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。,—— 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2?s。,（2） 關(guān)斷時間toff,（1）開通時間ton,不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。,許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。,1-39,1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO,（4） 電流關(guān)斷增益?off,——GTO額定電流。,——最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。,,GTO的主要參數(shù),1-40,1.4.2 電力晶體管(GTR),1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理,GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動,1-41,1.4.2 電力晶體管(GTR),1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理,1-42,1.4.2 電力晶體管,(1) 靜態(tài)特性,截止區(qū),放大區(qū),飽和區(qū),共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性,2）GTR的基本特性,1-43,1.4.2 電力晶體管,,,0,t,t,GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形,(2) 動態(tài)特性,2）GTR的基本特性,1-44,1.4.2 電力晶體管,前已述及：電流放大倍數(shù)?、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff (此外還有)：,3）GTR的主要參數(shù),(1) 最高工作電壓 擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。 BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo,1-45,1.4.2 電力晶體管,通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic 。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。,(2) 集電極最大允許電流IcM,(3) 集電極最大耗散功率PcM,最高工作溫度下允許的耗散功率。 產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。,1-46,1.4.2 電力晶體管,一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。 只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。,安全工作區(qū)（Safe Operating Area——SOA） 最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。,GTR的安全工作區(qū),(4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū),二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。,1-47,1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,(1)電力MOSFET的結(jié)構(gòu),電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號,1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,1-48,1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。,電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號,(2)電力MOSFET的工作原理,導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。,1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,1-49,1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,(1) 靜態(tài)特性,,電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性,2）電力MOSFET的基本特性,漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。,通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。,1-50,1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,關(guān)斷過程,,電力MOSFET的開關(guān)過程 a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形,(2) 動態(tài)特性,開通過程,2）電力MOSFET的基本特性,1-51,1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,3) 電力MOSFET的主要參數(shù),——電力MOSFET電壓定額,(1) 漏極電壓UDS,(2) 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM,——電力MOSFET電流定額,(3) 柵源電壓UGS,—— ?UGS?20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。,除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：,(4) 極間電容,——極間電容CGS、CGD和CDS,1-52,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理,IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號,1-53,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。 導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。 通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。,IGBT的原理,1-54,a,),b,),,,,,,,,,,,,,,,O,有源區(qū),,,飽,和,區(qū),反向阻斷區(qū),I,C,U,GE(th),U,GE,O,I,C,U,RM,U,FM,U,CE,U,GE(th),U,GE,增加,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性,IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性,轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th)),輸出特性 分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。,1-55,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,IGBT的開關(guān)過程,(2) IGBT的動態(tài)特性,2) IGBT的基本特性,1-56,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,3) IGBT的主要參數(shù),——正常工作溫度下允許的最大功耗 。,(3) 最大集電極功耗PCM,——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。,(2) 最大集電極電流,——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。,(1) 最大集射極間電壓UCES,1-57,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：,開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點 。,1-58,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：,動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。,——NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。,1-59,1.5 其他新型電力電子器件,1.5.1 MOS控制晶閘管MCT 1.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT 1.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH 1.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT 1.5.5 功率模塊與功率集成電路,1-60,1.5.1 MOS控制晶閘管(MCT),MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點： 承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。 高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。 一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成。 每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。,MCT——MOSFET與晶閘管的復(fù)合,1-61,1.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT,多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。 在雷達通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。 缺點： 柵極不加信號時導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。 通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,SIT——結(jié)型場效應(yīng)晶體管,1-62,1.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH,SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強。 其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。,SITH——場控晶閘管（Field Controlled Thyristor—FCT）,1-63,1.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT,20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍。 可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。 目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） ——GCT（Gate-Commutated Thyristor）,1-64,1.5.5 功率模塊與功率集成電路,20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated Circuit——PIC）。,基本概念,1-65,1.5.5 功率模塊與功率集成電路,高壓集成電路（High Voltage IC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。 智能功率集成電路（Smart Power IC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。 智能功率模塊（Intelligent Power Module——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。,實際應(yīng)用電路,1-66,1.5.5 功率模塊與功率集成電路,功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。 功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。,發(fā)展現(xiàn)狀,1-67,全控電力電子器件參數(shù)比較,,1-68,全控電力電子器件參數(shù)比較,,1-69,1.6 電力電子器件器件的驅(qū)動,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,1-70,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,光耦合器的類型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型,,1-71,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 t1~t2?脈沖前沿上升時間（1?s） t1~t3?強脈寬度 IM?強脈沖幅值（3IGT~5IGT） t1~t4?脈沖寬度 I?脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）,晶閘管的觸發(fā)電路,t,,常見的晶閘管觸發(fā)電路,1-72,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,推薦的GTO門極電壓電流波形,1) 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路,正的門極電流,5V的負(fù)偏壓,(1)GTO,1-73,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路,1) 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路,1-74,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,理想的GTR基極驅(qū)動電流波形,(2) GTR,GTR的一種驅(qū)動電路,1) 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路,1-75,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,(1) 電力MOSFET的一種驅(qū)動電路,電力MOSFET的一種驅(qū)動電路,2) 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路,1-76,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,(2) IGBT的驅(qū)動,M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖,多采用專用的混合集成驅(qū)動器。,2) IGBT的基本特性,1-77,1.7 電力電子器件器件的保護,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 1.7.2 過電流保護 1.7.3 緩沖電路,1-78,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護,過電壓保護措施,過電壓抑制措施及配置位置 F?避雷器 D?變壓器靜電屏蔽層 C?靜電感應(yīng)過電壓抑制電容 RC1?閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路 RC2?閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路 RV?壓敏電阻過電壓抑制器 RC3?閥器件換相過電壓抑制用RC電路 RC4?直流側(cè)RC抑制電路 RCD?閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路,1-79,1.7.2 過電流保護,過電流——過載和短路兩種情況 保護措施,過電流保護措施及配置位置,1-80,1.7.3 緩沖電路,關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。 開通緩沖電路（di/dt抑制電路）——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。 復(fù)合緩沖電路——關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(jié)合。 按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）。 通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。,緩沖電路(Snubber Circuit) ： 又稱吸收電路，抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。,1-81,1.7.3 緩沖電路,緩沖電路作用分析 無緩沖電路： 有緩沖電路：,,di/dt抑制電路和 充放電型RCD緩沖電路及波形 a) 電路 b) 波形,,,,,A,D,C,B,無緩沖電路,有緩沖電路,u,CE,i,C,O,關(guān)斷時的負(fù)載線,1-82,1.7.3 緩沖電路,充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合。,,di/dt抑制電路和 充放電型RCD緩沖電路及波形,其中RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件。,另外兩種常用的緩沖電路 RC吸收電路 放電阻止型RCD吸收電路,1-83,1.8 電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用,1.8.1 晶閘管的串聯(lián) 1.8.2 晶閘管的并聯(lián) 1.8.3 電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點,1-84,1.8.1 晶閘管的串聯(lián),問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻。 靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等。 動態(tài)不均壓：由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。,目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。,1-85,1.8.1 晶閘管的串聯(lián),靜態(tài)均壓措施： 選用參數(shù)和特性盡量一致的器件。 采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。,晶閘管的串聯(lián) a) 伏安特性差異 b) 串聯(lián)均壓措施,動態(tài)均壓措施： 選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。 用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓。 采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間的差異。,1-86,1.8.2 晶閘管的并聯(lián),問題：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。 均流措施： 挑選特性參數(shù)盡量一致的器件。 采用均流電抗器。 用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。 當(dāng)需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。,目的：多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流,1-87,1.8.3 電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點,Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡的能力，容易并聯(lián)。 注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)。 電路走線和布局應(yīng)盡量對稱。 可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用。 IGBT并聯(lián)運行的特點 在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負(fù)溫度系數(shù)。 在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)。 并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián)。,電力MOSFET并聯(lián)運行的特點,1-88,電力電子器件分類“樹”,本章小結(jié),主要內(nèi)容 全面介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等。,電力電子器件類型歸納 單極型：電力MOSFET和SIT 雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH 復(fù)合型：IGBT和MCT,1-89,特點：輸入阻抗高，所需驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單，工作頻率高。 電流驅(qū)動型：雙極型器件中除SITH外 特點：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動功率大,驅(qū)動電路較復(fù)雜。,電壓驅(qū)動型：單極型器件和復(fù)合型器件，雙極型器件中的SITH,本章小結(jié),1-90,