全控型电力电子器件课件

第4章 全控型电力电子器件 第4章 全控型电力电子器件 4.1 4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO)4.2 4.2 大功率晶体管（大功率晶体管（GTRGTR）4.3 4.3 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 4.4 4.4 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 4.5 4.5 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件习题及思考题习题及思考题 第4章 全控型电力电子器件 4.1 门极可关断晶闸管(G1第4章 全控型电力电子器件 门极可关断晶闸管(GateTurnOffthyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部特性，如耐压高（工作电压可高达6000V）、电流大（电流可达6000A)以及造价便宜等；同时它又具有门极正脉冲信号触发导通、门极负脉冲信号触发关断的特性，而在它的内部有电子和空穴两种载流子参与导电，所以它属于全控型双极型器件。它的电气符号如图4-1所示，有阳极A、阴极K和门极G三个电极。4.1 4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO)门极可关断晶闸管(Gate Turn Off2第4章 全控型电力电子器件 图4-1 GTO的电气符号图4-1 GTO的电气符号3第4章 全控型电力电子器件 4.1.1 GTO4.1.1 GTO的基本工作原理的基本工作原理 GTOGTO的的工工作作原原理理与与普普通通晶晶闸闸管管相相似似，其其结结构构也也可可以以等等效效看看成成是是由由PNPPNP与与NPNNPN两两个个晶晶体体管管组组成成的的反反馈馈电电路路。两两个个等等效效晶晶体体管管的的电电流流放放大大倍倍数数分分别别为为11和和22。GTOGTO触触发发导导通通的的条条件件是是：当当它它的的阳阳极极与与阴阴极极之之间间承承受受正正向向电电压压，门门极极加加正正脉脉冲冲信信号号（门门极极为为正正，阴阴极极为为负负）时时，可可使使1+21+2，从从而而在在其其内内部部形形成成电电流流正正反反馈馈，使使两两个个等等效效晶晶体体管管接接近近临临界界饱饱和和导通状态。导通状态。4.1.1 GTO的基本工作原理4第4章 全控型电力电子器件 导通后的管压降比较大，一般为23V。只要在GTO的门极加负脉冲信号，即可将其关断。当GTO的门极加负脉冲信号（门极为负，阴极为正）时，门极出现反向电流，此反向电流将GTO的门极电流抽出，使其电流减小，1和2也同时下降，以致无法维持正反馈，从而使GTO关断。因此，GTO采取了特殊工艺，使管子导通后处于接近临界饱和状态。由于普通晶闸管导通时处于深度饱和状态，用门极抽出电流无法使其关断，而GTO处于临界饱和状态，因此可用门极负脉冲信号破坏临界状态使其关断。导通后的管压降比较大，一般为23 V。只要在5第4章 全控型电力电子器件 由于GTO门极可关断，关断时，可在阳极电流下降的同时再施加逐步上升的电压，不像普通晶闸管关断时是在阳极电流等于零后才能施加电压的。因此，GTO关断期间功耗较大。另外，因为导通压降较大，门极触发电流较大，所以GTO的导通功耗与门极功耗均较普通晶闸管大。由于GTO门极可关断，关断时，可在阳极电流下降的6第4章 全控型电力电子器件 1 1 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATOIATO GTOGTO的的最最大大阳阳极极电电流流除除了了受受发发热热温温升升限限制制外外，还还会会由由于于管管子子阳阳极极电电流流IAIA过过大大使使1+2 1+2 稍稍大大于于1 1的的临临界界导导通通条条件件被被破破坏坏，管管子子饱饱和和加加深深，导导致致门门极极关关断断失失败败，因因此此，GTOGTO必必须须规规定定一一个个最最大大可可关关断断阳阳极极电电流流IATOIATO，也也就就是是管管子子的的铭铭牌牌电电流流。IATOIATO与与管管子子电电压压上上升升率率、工工作作频频率率、反反向向门门极极电电流峰值和缓冲电路参数有关，流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应予以注意。在使用中应予以注意。4.1.2 GTO4.1.2 GTO的特定参数的特定参数1 最大可关断阳极电流IATO4.1.2 GTO的特定参7第4章 全控型电力电子器件 2关断增益q这个参数是用来描述GTO关断能力的。关断增益q为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，即目前大功率GTO的关断增益为35。采用适当的门极电路，很容易获得上升率较快、幅值足够大的门极负电流，因此在实际应用中不必追求过高的关断增益。2 关断增益q 目前大功率8第4章 全控型电力电子器件 3掣住电流IL与普通晶闸管定义一样，IL是指门极加触发信号后，阳极大面积饱和导通时的临界电流。GTO由于工艺结构特殊，其IL要比普通晶闸管大得多，因而在电感性负载时必须有足够的触发脉冲宽度。GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。3 掣住电流IL9第4章 全控型电力电子器件 表表4-1 4-1 国产国产50 A GTO50 A GTO参数参数 表4-1 国产50 A GTO参数 10第4章 全控型电力电子器件 GTO设置缓冲电路的目的是：设置缓冲电路的目的是：(1)减轻减轻GTO在开关过程中的功耗。在开关过程中的功耗。(2)抑抑制制静静态态电电压压上上升升率率，过过高高的的电电压压上上升升率率会会使使GTO因位移电流产生误导通。因位移电流产生误导通。4.1.3 GTO的缓冲电路的缓冲电路4.1.3 GTO的缓冲电路11第4章 全控型电力电子器件 用门极正脉冲可使GTO开通，门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点，但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的1/5左右。尽管采用高幅值的窄脉冲可以减少关断所需的能量，但还是要采用专门的触发驱动电路。4.1.4 GTO4.1.4 GTO的门极驱动电路的门极驱动电路用门极正脉冲可使GTO开通，门极负脉冲可以使其关断，这是G12第4章 全控型电力电子器件 图4-3门极驱动电路(a)小容量GTO门极驱动电路；(b)桥式驱动电路；(c)大容量GTO门极驱动电路图 4-3 门极驱动电路(a)小容量GTO门极驱动电路；13第4章 全控型电力电子器件 GTO主主要要用用于于高高电电压压、大大功功率率的的直直流流变变换换电电路路(即即斩斩波波电电路路)、逆逆变变器器电电路路中中，例例如如恒恒压压恒恒频频电电源源(CVCF)、常常用用的的不不停停电电电电源源（UPS）等等。另另一一类类GTO的的典典型型应应用用是是调调频频调调压压电电源源，即即VVVF，此此电电源源较较多多用用于于风风机机，水水泵泵、轧轧机机、牵牵引等交流变频调速系统中。引等交流变频调速系统中。此此外外，由由于于GTO的的耐耐压压高高、电电流流大大、开开关关速速度度快快、控控制制电电路路简简单单方方便便，因因此此还还特特别别适适用用于于汽汽油油机机点点火火系系统统。图图4-4所示为一种用电感、电容关断所示为一种用电感、电容关断GTO的点火电路。的点火电路。4.1.5 GTO的典型应用的典型应用4.1.5 GTO的典型应用14第4章 全控型电力电子器件 图4-4 用电感、电容关断GTO的点火电路 图4-4 用电感、电容关断GTO的点火电路 15第4章 全控型电力电子器件 图中GTO为主开关，控制GTO导通与关断即可使脉冲变压器TR次级产生瞬时高压，该电压使汽油机火花塞电极间隙产生火花。在晶体管V的基极输入脉冲电压，低电平时，V截止，电源对电容C充电，同时触发GTO。由于L和C组成LC谐振电路，C两端可产生高于电源的电压。脉冲电压为高电平时，晶体管V导通，C放电并将其电压加于GTO门极，使GTO迅速、可靠地关断。图中R为限电流电阻，C1（0.5F）与GTO并联，可限制GTO的电压上升率。图中GTO为主开关，控制GTO导通与关断即可16第4章 全控型电力电子器件 大功率晶体管又可称为电力晶体管（GiantTRansistor）,简称GTR，通常指耗散功率（或输出功率）1W以上的晶体管。GTR的电气符号与普通晶体管相同。图4-5所示为某晶体管厂生产的1300系列GTR的外观，它是一种双极型大功率高反压晶体管，具有自关断能力，控制方便，开关时间短，高频特性好，价格低廉。目前GTR的容量已达400A/1200V、1000A/400V，工作频率可达5kHz，模块容量可达1000A/1800V，频率为30kHz，因此也可被用于不停电电源、中频电源和交流电机调速等电力变流装置中。4.2 大功率晶体管（大功率晶体管（GTR）大功率晶体管又可称为电力晶体管（Giant 17第4章 全控型电力电子器件 图4-5 GTR的外观图4-5 GTR的外观18第4章 全控型电力电子器件 4.2.1 GTR4.2.1 GTR的极限参数的极限参数 1 1集电极最大电流集电极最大电流ICM(ICM(最大电流额定值最大电流额定值)一一般般将将电电流流放放大大倍倍数数下下降降到到额额定定值值的的1/21/21/3 1/3 时时集集电电极极电电流流ICIC的的值值定定为为ICMICM。因因此此，通通常常ICIC的的值值只只能能到到ICMICM值值的的一一半半左左右右，使使用用时时绝绝不不能能让让ICIC值值达达到到ICMICM，否否则则GTRGTR的的性性能能将变坏。将变坏。4.2.1 GTR的极限参数19第4章 全控型电力电子器件 2集电极最大耗散功率PCMPCM即GTR在最高集电结温度时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热。如果散热条件不好，会促使GTR的平均寿命下降。实践表明，工作温度每增加20，平均寿命差不多下降一个数量级，有时会因温度过高而使GTO迅速损坏。2 集电极最大耗散功率PCM20第4章 全控型电力电子器件 3GTR的反向击穿电压(1)集电极与基极之间的反向击穿电压UCBO：当发射极开路时，集基极间能承受的最高电压。(2)集电极与发射极之间的反向击穿电压UCEO：当基极开路时，集射极间能承受的最高电压。当GTR的电压超过某一定值时，管子性能会发生缓慢、不可恢复的变化，这些微小变化逐渐积累，最后导致管子性能显著变坏。因此，实际管子的最大工作电压应比反向击穿电压低得多。3 GTR的反向击穿电压21第4章 全控型电力电子器件 4最高结温TjMGTR的最高结温与半导体材料的性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管的TjM为125150，金封硅管的TjM为150170，高可靠平面管的TjM为175200。4 最高结温TjM22第4章 全控型电力电子器件 1 二次击穿 处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增大到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，但此时集电结的电压基本保持不变，这叫一次击穿，如图4-6所示。发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流IC的增大，一般不会引起GTR的特性变坏。如果继续增大UCE，又不限制IC的增长，则当IC上升到A点（临界值）时，UCE突然下降，而IC继续增大（负阻效应），这时进入低压大电流段，直到管子被烧坏，这个现象称为二次击穿。4.2.2 4.2.2 二次击穿和安全工作区二次击穿和安全工作区4.2.2 二次击穿和安全工作区23第4章 全控型电力电子器件 图4-6 二次击穿示意图 图4-6 二次击穿示意图 24第4章 全控型电力电子器件 A点对应的电压USB和电流ISB称为二次击穿的临界电压和电流，其乘积为PSB=USBISB 称为二次击穿的临界功率。当GTR的基极正偏时，二次击穿的临界功率PSB往往还小于PCM，但仍然能使GTR损坏。二次击穿的时间在微秒甚至纳秒数量级内，在这样短的时间内如果不采取有效保护措施，就会使GTR内出现明显的电流集中和过热点，轻者使器件耐压降低，特性变差；重者使集电结和发射结熔通，造成GTR永久性损坏。由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。A点对应的电压USB和电流ISB称为二次击穿25第4章 全控型电力电子器件 GTR发生二次击穿损坏是它在使用中最大的弱点。但要发生二次击穿，必须同时具备三个条件：高电压、大电流和持续时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、驱动脉冲宽度与驱动电路配置等因素都对二次击穿造成一定的影响。一般说来，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。GTR发生二次击穿损坏是它在使用中最大的弱点。26第4章 全控型电力电子器件 2安全工作区安全工作区SOA（SafeOperationArea）是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流电压的极限范围，如图4-7所示。二次击穿电压USB与二次击穿电流ISB组成的二次击穿功率PSB如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。以3DD8E晶体管测试数据为例，其PCM100W，UCEO200V，但由于受到二次击穿的限制，当UCE100V时，PSB为60W;当UCE200V时，PSB仅为28W，因此，为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常要比管子的极限电压低得多。图4-7中阴影部分即为SOA。2 安全工作区27第4章 全控型电力电子器件 图4-7GTR安全工作区图4-7 GTR安全工作区 28第4章 全控型电力电子器件 1 1 基极驱动电路基极驱动电路GTRGTR基基极极驱驱动动电电路路的的作作用用是是将将控控制制电电路路输输出出的的控控制制信信号号放放大大到到足足以以保保证证GTRGTR可可靠靠导导通通和和关关断断的的程程度度。基基极极驱驱动动电电流流的的各各项项参参数数直直接接影影响响GTRGTR的的开开关关性性能能，因因此此根根据据主主电电路路的的需需要要正正确确选选择择和和设设计计GTRGTR的的驱驱动动电电路路是是非非常常重重要要的的。一一般般来来说说，我们希望基极驱动电路有如下功能：我们希望基极驱动电路有如下功能：(1)(1)提提供供全全程程的的正正、反反向向基基极极电电流流，以以保保证证GTRGTR可可靠导通与关断（理想的基极驱动电流波形如图靠导通与关断（理想的基极驱动电流波形如图4-84-8所示）。所示）。4.2.3 GTR4.2.3 GTR的基极驱动电路及其保护电路的基极驱动电路及其保护电路4.2.3 GTR的基极驱动电路及其保护电路29第4章 全控型电力电子器件 图4-8 理想的基极驱动电流波形 图4-8 理想的基极驱动电流波形 30第4章 全控型电力电子器件(2)实现主电路与控制电路的隔离。(3)具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。(4)电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。(2)实现主电路与控制电路的隔离。31第4章 全控型电力电子器件 1）简单的双电源驱动电路电路如图4-9所示，驱动电路与GTR（V6）直接耦合，控制电路用光耦合实现电隔离，正、负电源（+UC2和-UC3）供电。当输入端S为低电位时，V1V3导通，V4、V5截止，B点电压为负，给GTR基极提供反向基极电流，此时GTR（V6）关断。当S端为高电位时，V1V3截止，V4、V5导通，V6流过正向基极电流，此时GTR开通。1）简单的双电源驱动电路32第4章 全控型电力电子器件 图 4-9 双电源驱动电路 图 4-9 双电源驱动电路 33第4章 全控型电力电子器件 2）集成基极驱动电路THOMSON公司生产的UAA4002大规模集成基极驱动电路可对GTR实现较理想的基极电流优化驱动和自身保护。它采用标准的双列DIP16封装，对GTR基极正向驱动能力为0.5A，反向驱动能力为-3A,也可以通过外接晶体管扩大驱动能力，不需要隔离环节。UAA4002可对被驱动的GTR实现过流保护、退饱和保护、最小导通的时间限制（ton（min）112s），最大导通的时间限制、正反向驱动电源电压监控以及自身过热保护。2）集成基极驱动电路34第4章 全控型电力电子器件 图 4-10 UAA4002内部功能框图各管脚的功能如下：反向基极电流输出端IB2。负电源端(-5 V)。输出脉冲封锁端，为“1”封锁输出信号，为“0”解除封锁。输入选择端，为“1”选择电平输入，为“0”选择脉冲输入。驱动信号输入端。由R-接负电源，该脚通过一个电阻与负电源相接。当负电源的电压欠压时可起保护作用。负电源欠压保护的门槛电|U-|min由式R-RV/2（1+|U-|min/5）（k）决定，若接地，则无此保护功能。图 4-10 UAA4002内部功能框图各管脚的功能如下：35第4章 全控型电力电子器件 通过电阻RV值决定最小导通时间ton（min）0.06RVs，实际中ton（min）可在112s之间调节。通过电容CV接地，最大导通时间ton(max)2RVCVs（式中RV的单位为k、CV的单位为F），若脚接地，则不限制导通时间。接地端。由 RVD接 地，输 出 相 对 输 入 电 压 前 沿 延 迟 量TVD=0.05RVDs（式中RVD的单位为k），调节范围为112s。通过电阻RV值决定最小导通时间ton（mi36第4章 全控型电力电子器件 由RSVD接地，完成退饱和保护。所谓退饱和保护，是指GTR一般工作在开关状态，当其基极驱动电流或负载电流降低时，GTR会退出饱和而进入放大区，管压降会明显增加。此脚的功能就是，当GTR出现退饱和时，切除GTR的驱动信号，关断GTR。RSVD上的电压URSVD=10RSVD/RV(V)，当从13脚引入的管压降UCEURSVD时，退饱和保护动作；若11脚接负电源，则无退饱和保护。过电流保护端，接GTR射极的电流互感器。若电流值大于设定值，则过流保护动作，关断GTR；若12脚接地，则无过流保护功能。由RSVD接地，完成退饱和保护。所谓退饱和37第4章 全控型电力电子器件 13通过抗饱和二极管接到GTR的集电极。14正电源端（1015V)。15输出级电源输入端，由R接正电源。调节R大小可改变正向基极驱动电流IB1。16正向基极电流输出端IB1。13通过抗饱和二极管接到GTR的集电极。38第4章 全控型电力电子器件 图 4-10 UAA4002内部功能框图图 4-10 UAA4002内部功能框图39第4章 全控型电力电子器件 图4-11是用UAA4002作驱动的开关电路实例，其容量为8A/400V，采用电平控制方式，最小导通时间为2.8s。由于UAA4002的驱动容易扩展，因而可通过外接晶体管驱动各种型号和容量的GTR，也可以驱动功率MOSFET管。图4-11是用UAA4002作驱动的开关电40第4章 全控型电力电子器件 图 4-11 由UAA4002驱动的开关电路 图 4-11 由UAA4002驱动的开关电路 41第4章 全控型电力电子器件 2GTR的保护电路1)GTR的过电压保护及di/dt、du/dt的限制在电感性负载的开关装置中，GTR在开通和关断过程中的某一时刻，可能会出现集电极电压和电流同时达到最大值的情况，这时GTR的瞬时开关损耗最大。若其工作点超出器件的安全工作区SOA，则极易产生二次击穿而使GTR损坏。缓冲电路可以使GTR在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了GTR同时承受高电压、大电流。另一方面，缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率du/dt和集电极电流变化率di/dt得到有效的抑制，防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR。2 GTR的保护电路 42第4章 全控型电力电子器件 图4-12 缓冲电路 图4-12 缓冲电路 43第4章 全控型电力电子器件 图4-12是一种缓冲电路。在GTR关断过程中，流过负载RL的电流通过电感LS、二极管VDS给电容CS充电。因为CS上的电压不能突变，这就使GTR在关断过程中电压缓慢上升，避免关断过程初期GTR中电流下降不多时电压就升到最大值的情况，同时也使电压上升率du/dt被限制。在GTR开通过程中，一方面CS经RS、LS和GTR回路放电，减小了GTR所承受的较大的电流上升率di/dt；另一方面，负载电流经电感LS后受到缓冲，也就避免了开通过程中GTR同时承受大电流和高电压的情形。值得注意的是，缓冲电路之所以能减小GTR的开关损耗，是因为它把GTR开关损耗转移到缓冲电路内，消耗在电阻RS上，但这会使装置的效率降低。图4-12是一种缓冲电路。在GTR关断过程中44第4章 全控型电力电子器件 2)GTR的过电流保护(1）GTR的UCE识别法。负载过电流或基极驱动电流不足都会导致GTR退出饱和区而进入放大区，管压降明显增加。图4-13所示的识别保护电路检测GTR管压降并与基准值Ur比较，当管压降UCEUr时就使驱动管V截止，切除GTR的驱动信号，关断过流的GTR。Ur的大小取决于需要保护电路动作时的负载电流大小。Ur的值通常由它所对应的额定负载电流值确定。由于GTR在脱离饱和区时UCE变化较大，因此过载保护效果很好，它可使GTR在几个微秒之内封锁驱动电流，关断GTR。2)GTR的过电流保护 45第4章 全控型电力电子器件 图4-13 识别保护电路 图4-13 识别保护电路 46第4章 全控型电力电子器件(2）GTR桥臂互锁保护法。若一个桥臂上的两个GTR控制信号重叠或开关器件本身延时过长，则会造成桥臂短路。为了避免桥臂短路，可采用互锁保护法，即一个GTR关断后，另一个才导通。采用桥臂的互锁保护，不但能提高可靠性，而且可以改进系统的动态性能，提高系统的工作频率。图4-14所示为互锁保护的示意图，这种互锁控制是通过与门来实现的，当A为高电平时，驱动GTRA导通，其发射极输出低电平将另一接口的与门封锁，则GTRB关断。如何判别GTR是否关断是互锁保护的关键问题。分析表明，只要GTR的B-E间已建立足够大的反向电压UBE，GTR一定被关断（如ESM6045D管子的UBE-4V时可靠关断）。图4-15为UBE的识别电路。当GTR关断时，UBE-4V，恒流源电路中发光二极管因流过稳定电流而发光，以此作为GTR的关断信号。(2）GTR桥臂互锁保护法。47第4章 全控型电力电子器件 图 4-14 GTR桥臂互锁保护示意图 图 4-14 GTR桥臂互锁保护示意图 48第4章 全控型电力电子器件 图4-15 UBE识别电路 图4-15 UBE识别电路 49第4章 全控型电力电子器件 GTR的应用已发展到晶闸管领域，与一般晶闸管比较，GTR有以下应用特点：(1)具有自关断能力。GTR因为有自关断能力，所以在逆变回路中不需要复杂的换流设备，与使用晶闸管相比，不但使主回路简化、重量减轻、尺寸缩小，更重要的是不会出现换流失败的现象，提高了工作的可靠性。(2)能在较高频率下工作。GTR的工作频率比晶闸管高12个数量级，不但可获得晶闸管系统无法获得的优越性能，而且因频率提高还可降低各磁性元件和电容器件的规格参数及体积重量。4.2.4 GTR的应用的应用GTR的应用已发展到晶闸管领域，与一般晶闸管比较，GTR有50第4章 全控型电力电子器件 下面介绍几个简单的例子来说明GTR的应用。1)直流传动GTR在直流传动系统中的功能是直流电压变换，即斩波调压，如图4-16所示。所谓斩波调压，是利用电力电子开关器件将直流电变成另一固定或大小可调的直流电，有时又称此为直流变换或开关型DC/DC变换电路。图中VD1V6构成一个三相桥式整流电路，获得一个稳定的直流电压。VD为续流二极管，作用是在GTR关断时为直流电机提供电流，保证直流电机的电枢电流连续。通过改变GTR的基极输入脉冲的占空比来控制GTR的导通与关断时间，在直流电机上就可获得电压可调的直流电。下面介绍几个简单的例子来说明GTR的应用。51第4章 全控型电力电子器件 由于GTR的斩波频率可高达2kHz左右，在该频率下，直流电动机电枢电感足以使电流平滑，这样电动机旋转的振动减小，温升比用晶闸管调速低，从而能减小电动机的尺寸。因此，在200V以下、数十千瓦容量内，用GTR不但简便，而且效果好。由于GTR的斩波频率可高达2 kHz左右，在该52第4章 全控型电力电子器件 图 4-16 GTR直流斩波调速 图 4-16 GTR直流斩波调速 53第4章 全控型电力电子器件 2)电源装置目前大量使用的开关式稳压电源装置中，GRT的功能是斩波稳压。与以往的晶体管串联稳压或可控整流稳压相比，其优点是效率高，频率范围一般在音频之外，无噪声，反应快，滤波元件可大大缩小。2)电源装置54第4章 全控型电力电子器件 3)逆变系统与晶闸管逆变器相比，GTR关断控制方便、可靠，效率提高10%，有利于节能。图4-17给出了电压型晶体管逆变器变频调速系统框图。主电路由二极管VD1VD6构成一个三相桥式整流电路，C1为滤波电容，以获得稳定的直流电压。由GTR（V0）、L、C2和续流二极管组成斩波电路，V0的基极电路输入可调的电压信号，则可在C2两端得到电压可调的直流电压。V1V6是六个GTR构成的三相逆变电路，每个GTR的集发极之间所接的二极管为其缓冲电路。3)逆变系统55第4章 全控型电力电子器件 图 4-17 晶体管逆变调速系统框图 图 4-17 晶体管逆变调速系统框图 56第4章 全控型电力电子器件 控制电路的工作情况为：阶跃速度指令信号Ugd经给定积分器变为斜坡信号，可以限制电动机启动与制动时的电枢电流。此速度指令一方面通过电压调节器、基极电路控制V0基极的关断与导通时间，即控制斩波电路，使输出与逆变器频率成正比的电压，以保证在调速过程中实现恒磁通；另一方面，速度指令经电压频率变换器（振荡器）变成相应脉冲，再经环形分配器分频，使驱动信号每隔60轮流加在各开关器件GTR（V1V6）上，实现将直流电变成交流电的逆变过程。当主电路出现过压或过流时，其检测电路输出信号，封锁逆变电路的输出脉冲（环形分配器），另外还立即封锁开关器件GTR(V0）的基极电流，实现线路保护。控制电路的工作情况为：阶跃速度指令信号Ugd经57第4章 全控型电力电子器件 4.3 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 功率场效应晶体管（PowerMOSFieldEffectTransistor）简称PowerMOSFET，是20世纪70年代中后期开发的新型功率半导体器件，通常又叫绝缘栅功率场效应晶体管，本书简称为P-MOSFET，用字母PM表示。功率场效应晶体管已发展了多种结构型式，本节主要介绍目前使用最多的单极VDMOS、N沟道增强型PM，管子符号如图4-18（a）所示，三个引脚，S为源极，G为栅极，D为漏极。源极的金属电极将管子内的N+区和P区连接在一起，相当于在源极（S）与漏极（D）间形成了一个寄生二极管。管子截止时，漏源间的反向电流就在此二极管内流动。为了明确起见，常又将P-MOSFET的符号用图4-18（b）表示。如果是在变流电路中，P-MOSFET元件自身的寄生二极管流通反向大电流，可能会导致元件损坏。为避免电路中反向大电流流过P-MOSFET元件，在它的外面常并接一个快速二极管VD2，串接一个二极管VD1。因此，P-MOSFET元件在变流电路中的实际形式如图4-18（c）所示。4.3 功率场效应晶体管 功率场效应晶体管58第4章 全控型电力电子器件 图 4-18 PM图形符号 图 4-18 PM图形符号 59第4章 全控型电力电子器件 当栅源极间的电压UGS0或0UGSUV（UV为开启电压，又叫阈值电压，典型值为24V）时，即使加上漏源极电压UDS，也没有漏极电流ID出现，PM处于截止状态。当UGSUV且UDS0时，会产生漏极电流ID，PM处于导通状态，且UDS越大，ID越大。另外，在相同的UDS下，UGS越大，ID越大。综上所述，PM的漏极电流ID受控于栅源电压UGS和漏源电压UDS。当栅源极间的电压UGS0或0UGSUV60第4章 全控型电力电子器件 (1)输输入入阻阻抗抗高高，属属于于纯纯容容性性元元件件，不不需需要要直直流流电电流流驱驱动动，属属电电压压控控制制器器件件，可可直直接接与与数数字字逻逻辑辑集集成成电电路路连连接接，驱驱动动电电路简单。路简单。(2)开开关关速速度度快快，工工作作频频率率可可达达1 MHz，比比GTR器器件件快快10倍，倍，可实现高频斩波，使开关损耗小。可实现高频斩波，使开关损耗小。(3)为为负负电电流流温温度度系系数数，即即器器件件内内的的电电流流随随温温度度的的上上升升而而下下降降的的负负反反馈馈效效应应，因因此此热热稳稳定定性性好好，不不存存在在二二次次击击穿穿问问题题，安全工作区安全工作区SOA较大。较大。4.3.1 P-MOSFET的主要特性的主要特性4.3.1 P-MOSFET的主要特性61第4章 全控型电力电子器件 1 基本电路型式基本电路型式 图 4-19 PM电路的四种形式(a)共源极电路；(b)共漏极电路；(c)转换开关电路；(d)交流开关电路 4.3.2 P-MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路图 4-19 PM电路的四种形式4.3.2 P-MOS62第4章 全控型电力电子器件(1)共源极电路：相当于普通晶体管的共发射极电路，如图4-19(a)所示。(2)共漏极电路：相当于射极跟随器,如图4-19(b)所示。(3)转换开关电路：PM1与PM2轮流驱动导通可构成半桥式逆变器，如图4-19(c)所示。(4)交流开关电路：当PM1、VD2导通时，负载为交流正向；当PM2、VD1导通时，负载为交流负向，如图4-19(d)所示，它是交流调压电路的常用形式。(1)共源极电路：相当于普通晶体管的共发射63第4章 全控型电力电子器件 2对栅极驱动电路的要求(1)P-MOSFETR的栅极提供所需要的栅压，以保证P-MOSFET可靠导通。(2)减小驱动电路的输入电阻以提高栅极充放电速度，从而提高器件的开关速度。(3)实现主电路与控制电路间的电隔离。(4)因为P-MOSFET的工作频率和输入阻抗都较高，很容易被干扰，所以栅极驱动电路还应具有较强的抗干扰能力。理想的栅极控制电压波形如图4-20所示，提高栅极电压上升率duG/dt可缩短开通时间，但过高会使管子在开通时承受过高的电流冲击。正、负栅极电压的幅值UG1、UG2要小于器件规定的允许值。2 对栅极驱动电路的要求 64第4章 全控型电力电子器件 图4-20 理想的栅极控制电压波形图4-20 理想的栅极控制电压波形65第4章 全控型电力电子器件 3驱动电路举例图4-21是一种数控逆变器，两个P-MOSFET的栅极不用任何接口电路直接与数字逻辑驱动电路连接。该驱动电路是由两个与非门与RC组成的振荡电路。当门输入高电平时，电路起振时，在PM1、PM2的栅极分别产生高、低电平，使它们轮流导通，将直流电压变为交流电压，实现逆变。振荡频率由电容与电阻值决定。3 驱动电路举例66第4章 全控型电力电子器件 图4-21 P-MOSFET逆变器 图4-21 P-MOSFET逆变器 67第4章 全控型电力电子器件 图4-22所示为直流斩波的驱动电路。斩波电源为UD，由不可控整流器件获得，当管子PM2导通时，负载得电，输出电流Io0。当PM2关断时，VD4续流，直到Io0，VD4断开，接着PM3导通。图4-22所示为直流斩波的驱动电路。斩波电68第4章 全控型电力电子器件 图 4-22 直流斩波的驱动电路 图 4-22 直流斩波的驱动电路 69第4章 全控型电力电子器件 由图4-22可见，由PM2、PM3组成的驱动电路实际上是推拉式和自举式电路的结合。当输入电压Ui0时，PM1、PM3截止，电容C1沿V2和CI3（P-MOSFET栅极输入电容）放电，驱动PM2导通；当Ui0时，PM1导通，UF0，V2截止，电容CI3上的电荷沿VD2、PM1放电，VD2的导通保证了V2可靠截止。PM2关断后，负载电流通过VD4续流，直到Io=0，PM3受正向电压而导通。由图4-22可见，由PM2、PM3组成的驱动70第4章 全控型电力电子器件 P-MOSFET在电力变流技术中主要有以下应用：(1)在开关稳压调压电源方面，可使用P-MOSFET器件作为主开关功率器件可大幅度提高工作频率，工作频率一般在200400 kHz。频率提高可使开关电源的体积减小，重量减轻，成本降低，效率提高。目前，P-MOSFET器件已在数十千瓦的开关电源中使用，正逐步取代GTR。4.3.3 P-MOSFET4.3.3 P-MOSFET的应用的应用4.3.3 P-MOSFET的应用71第4章 全控型电力电子器件(2)将P-MOSFET作为功率变换器件。由于P-MOSFET器件可直接用集成电路的逻辑信号驱动，而且开关速度快，工作频率高，大大改善了变换器的功能，因而在计算机接口电路中获得了广泛的应用。(3)将P-MOSFET作为高频的主功率振荡、放大器件，在高频加热、超声波等设备中使用，具有高效、高频、简单可靠等优点。(2)将P-MOSFET作为功率变换器件。由72第4章 全控型电力电子器件 4.4 4.4 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 4.4.1 IGBT4.4.1 IGBT的工作原理的工作原理 IGBTIGBT的的结结构构是是在在P-MOSFETP-MOSFET结结构构的的基基础础上上作作了了相相应应的的改改善善，相相当当于于一一个个由由P-MOSFTET P-MOSFTET 驱驱动动的的厚厚基基区区GTR GTR，其其简简化化等等效效电电路路如如图图4-23 4-23 所所示示，电电气气符符号号如如图图4-24 4-24 所所示示。IGBTIGBT有有三三个个电电极极，分分别别是是集集电电极极C C、发发射射极极E E和和栅栅极极G G。在在应应用用电电路路中中，IGBTIGBT的的C C接接电电源源正正极极，E E接接电电源源负负极极。它它的的导导通通和和关关断断由由栅栅极极电电压压来来控控制制。栅栅极极施施以以正正向向电电压压时时，P-MOSFETP-MOSFET内内形形成成沟沟道道，为为PNPPNP型型的的晶晶体体管管提提供供基基极极电电流流，从从而而使使IGBTIGBT导导通通。此此时时，从从P P区区注注入入到到N N区区的的空空穴穴（少少数数载载流流子子）对对N N区区进进行行电电导导调调制制，减减少少N N区区的的电电阻阻，使使高高耐耐压压的的IGBTIGBT也也具具有有低低的的通通态态压压降降。在在栅栅极极上上施施以以负负电电压压时时，P-MOSFETP-MOSFET内内的的沟沟道道消消失失，PNPPNP晶晶体体管管的的基基极极电电流流被被切切断断，IGBTIGBT关关断断。由由此此可可知知，IGBTIGBT的的导导通通原原理理与与P-P-MOSFETMOSFET相同。相同。4.4 绝缘栅双极型晶体管 4.4.1 IGBT的工作73第4章 全控型电力电子器件 图 4-23 IGBT的简化等效电路 图 4-23 IGBT的简化等效电路 74第4章 全控型电力电子器件 图4-24 IGBT的图形符号 图4-24 IGBT的图形符号 75第4章 全控型电力电子器件 4.4.2 IGBT4.4.2 IGBT的特性的特性 IGBTIGBT的的伏伏安安特特性性（又又称称静静态态输输出出特特性性）如如图图4-4-2525（a a）所所示示，它它反反映映了了在在一一定定的的栅栅射射极极电电压压UGEUGE下下器器件件的的输输出出端端电电压压UCEUCE与与电电流流ICIC的的关关系系。UGEUGE越越高高，ICIC越越大大。与与普普通通晶晶体体管管的的伏伏安安特特性性一一样样，IGBTIGBT的的伏伏安安特特性性分分为为截截止止区区、有有源源放放大大区区、饱饱和和区区和和击击穿穿区区。值值得得注注意意的的是是，IGBTIGBT的的反反向向电电压压承承受受能能力力很很差差，从从曲曲线线可可知知，其其反反向向阻阻断断电电压压UBMUBM只只有有几几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。4.4.2 IGBT的特性76第4章 全控型电力电子器件 图 4-25 IGBT的伏安特性和转移特性(a)伏安特性；(b)转移特性 图 4-25 IGBT的伏安特性和转移特性77第4章 全控型电力电子器件 1 1 栅极驱动电路栅极驱动电路 由由于于IGBTIGBT的的输输入入特特性性几几乎乎和和P-MOSFETP-MOSFET相相同同，因因此此P-P-MOSFETMOSFET的驱动电路同样适用于的驱动电路同样适用于IGBTIGBT。1 1）采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路 图图4-264-26是是采采用用脉脉冲冲变变压压器器隔隔离离的的栅栅极极驱驱动动电电路路。其其工工作作原原理理是是：控控制制脉脉冲冲uiui经经晶晶体体管管V V放放大大后后送送到到脉脉冲冲变变压压器器，由由脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合，并并经经VDW1VDW1、VDW2VDW2稳稳压压限限幅幅后后驱驱动动IGBTIGBT。脉脉冲冲变变压压器器的的初初级级并并接接了了续续流流二二极极管管VD1VD1，以以防防止止V V中中可可能能出出现现的的过过电电压压。R1R1限限制制栅栅极极驱驱动动电电流流的的大大小小，R1R1两两端端并并接接了加速二极管，以提高开通速度。了加速二极管，以提高开通速度。4.4.3 IGBT4.4.3 IGBT的栅极驱动电路及其保护的栅极驱动电路及其保护4.4.3 IGBT的栅极驱动电路及其保护78第4章 全控型电力电子器件 图4-26 采用变压器隔离的栅极驱动电路图4-26 采用变压器隔离的栅极驱动电路79第4章 全控型电力电子器件 2）推挽输出栅极驱动电路图4-27是一种采用光耦合隔离的由V1、V2组成的推挽输出栅极驱动电路。当控制脉冲使光耦合关断时，光耦合输出低电平，使V1截止，V2导通，IGBT在VDW1的反偏作用下关断。当控制脉冲使光耦合导通时，光耦合输出高电平，V1导通，V2截止，经UCC、V1、RG产生的正向电压使IGBT开通。2）推挽输出栅极驱动电路80第4章 全控型电力电子器件 图 4-27 推挽输出栅极驱动电路 图 4-27 推挽输出栅极驱动电路 81第4章 全控型电力电子器件 3）专用集成驱动电路EXB系列IGBT专用集成驱动模块是日本富士公司出品的，它们性能好，可靠性高，体积小，得到了广泛的应用。EXB850、EXB851是标准型，EXB840、EXB841是高速型，它们的内部框图如图4-28所示，各管脚功能列于表4-2，表4-3是其额定参数。3）专用集成驱动电路82第4章 全控型电力电子器件 图 4-28 EXB8驱动模块框图 图 4-28 EXB8驱动模块框图 83第4章 全控型电力电子器件 表表4-2 EXB4-2 EXB系列驱动器管脚功能系列驱动器管脚功能 表4-2 EXB系列驱动器管脚功能 84第4章 全控型电力电子器件 表表4-3 4-3 额额 定定 参参 数数 表4-3 额 定 参 数 85第4章 全控型电力电子器件 图 4-29 集成驱动器的应用电路 图 4-29 集成驱动器的应用电路 86第4章 全控型电力电子器件 表表4-4 4-4 推荐的栅极电阻和电流损耗（推荐的栅极电阻和电流损耗（EXB850EXB850）表4-4 推荐的栅极电阻和电流损耗（EXB850）87第4章 全控型电力电子器件 表表4-5 4-5 推荐的栅极电阻和电流损耗（推荐的栅极电阻和电流损耗（EXB840EXB840）表4-5 推荐的栅极电阻和电流损耗（EXB840）88第4章 全控型电力电子器件 2IGBT的保护1)过电流保护IGBT应用于电力电子系统中，对于正常过载（如电机启动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等），系统能自动调节和控制，不至损坏IGBT。对于不正常的短路故障，要实行过流保护，通常的做法是：(1)切断栅极驱动信号。只要检测出过流信号，就在2s内迅速撤除栅极信号。(2)当检测到过流故障信号时，立即将栅极电压降到某一电平，同时启动定时器，在定时器到达设置值之前，若故障消失，则栅极电压恢复正常工作值；若定时器到达设定值时故障仍未消除，则使栅极电压降低到零。这种保护方案要求保护电路在12s内响应。2 IGBT的保护89第4章 全控型电力电子器件 2)过电压保护利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并限制过量的电压变化率du/dt。但由于IGBT的安全工作区宽，因而改变栅极串联电阻的大小可减弱IGBT对缓冲电路的要求。然而，由于IGBT控制峰值电流的能力比P-MOSFET强，因而在有些应用中可不用缓冲电路。3)过热保护利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时，主电路跳闸以实现过热保护。2)过电压保护90第4章 全控型电力电子器件 图4-30单管模块的内部电路和输出特性(a)单管模块；(b)输出特性4.4.4 IGBT4.4.4 IGBT的功率模块的功率模块图 4-30 单管模块的内部电路和输出特性4.4.4 I91第4章 全控型电力电子器件 图 4-31 双管模块的内部结构和输出特性(a)内部结构；(b)输出特性 图 4-31 双管模块的内部结构和输出特性92第4章 全控型电力电子器件 图 4-32 六管模块的内部电路 图 4-32 六管模块的内部电路 93第4章 全控型电力电子器件 表表4-6 4-6 东芝东芝MG25N2S1MG25N2S1的最大额定值（的最大额定值（TCTC2525）表4-6 东芝MG25N2S1的最大额定值（TC25）94第4章 全控型电力电子器件 表表4-7 4-7 东芝东芝MG25N2S1MG25N2S1的电气特性（的电气特性（TCTC2525）表4-7 东芝MG25N2S1的电气特性（TC25）95第4章 全控型电力电子器件 图 4-33 智能模块内部框图 图 4-33 智能模块内部框图 96第4章 全控型电力电子器件 4.5.14.5.1静电感应晶体管（静电感应晶体管（SITSIT）静静电电感感应应晶晶体体管管（Static Static Induction Induction TransistorTransistor）简简称称SITSIT，从从2020世世纪纪7070年年代代开开始始研研制制，发发展展到到现现在在已已成成为为系系列列化化的的电电力力电电子子器器件件。它它是是一一种种多多子子导导电电的的单单极极型型器器件件，具具有有输输出出功功率率大大，输输入入阻阻抗抗高高，开开关关特特性性好好，热热稳稳定定性性好好以以及及抗抗幅幅射射能能力力强强等等优优点点。现现已已商商品品化化的的SITSIT可可工工作作在在几几百百kHzkHz，电电流流达达300A300A，电电压压达达2000 2000 V V，已已广广泛泛用用于于高高频频感感应应加加热热设设备备（如如200 200 kHzkHz、200 200 kWkW的的高高频频感感应应加加热热电电源源）中中。SITSIT还还适适用用于于高高音音质质音音频频放放大大器器、大大功率中频广播发射机、电视发射机以及空间技术等领域。功率中频广播发射机、电视发射机以及空间技术等领域。4.5 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件4.5.1静电感应晶体管（SIT）4.5 其它新型电力电子97第4章 全控型电力电子器件 1 1SITSIT的工作原理的工作原理 图 4-34 SIT的结构及其符号(a)结构；(b)符号 1SIT的工作原理 图 4-34 SIT的结构及其符号98第4章 全控型电力电子器件 SIT为常开器件，以N-SIT为例，当栅源电压UGS大于或等于零，漏源电压UDS为正向电压时，两栅极之间的导电沟道使漏源之间导通。当加上负栅源电压UGS时，栅源间PN结产生耗尽层。随着负偏压UGS的增加，其耗尽层加宽，漏源间导电沟道变窄。当UGS=UP（夹断电压）时，导电沟道被耗尽层夹断，SIT关断。SIT为常开器件，以N-SIT为例，当栅源电压99第4章 全控型电力电子器件 2SIT的待性图4-35所示为N沟道SIT的静态伏安特性曲线。当漏源电压UDS一定时，对应于漏极电流ID为零的栅源电压称为夹断电压UP。在不同UDS下有不同的UP，漏源极电压UDS越大，UP的绝对值越大。SIT的漏极电流ID不但受栅极电压UGS控制，同时还受漏极电压UDS控制，当栅源电压UGS一定时，随着漏源电压UDS的增加，漏极电流ID也线性增加，其大小由SIT的通态电阻决定。因此，SIT不但是一个开关元件，而且是一个性能良好的放大元件。2 SIT的待性100第4章 全控型电力电子器件 图4-35 N-SIT静态伏安特性 图4-35 N-SIT静态伏安特性 101第4章 全控型电力电子器件 SIT的导电沟道短而宽，适应于高电压、大电流的场合；它的漏极电流具有负温度系数，可避免因温度升高而引起的恶性循环。SIT的漏极电流通路上不存在PN结，一般不会发生热不稳定和二次击穿现象，其安全工作区范围较宽。它的开关速度相当快，适用于高频场合。例如2SK183U（60A/1500V）的开 通 和 关 断 时 间 分 别 为 ton 250ns，toff 300 ns；TS300U（180A/1500V）为ton359ns，toff350ns。SIT的栅极驱动电路比较简单。一般来说，关断SIT需要加数十伏的负栅压(-UGS)，使SIT导通可以加56V的正栅极偏压(UGS)，以降低器件的通态压降。SIT的导电沟道短而宽，适应于高电压、大电流102第4章 全控型电力电子器件 静电感应晶闸管（Static Induction THyristor）简称SITH。它属于双极型开关器件，自1972年开始研制并生产，发展至今已初步趋于成熟，有些已经商品化。与GTO相比，SITH有许多优点，比如通态电阻小，通态压降低，开关速度快，损耗小，di/dt及du/dt耐量高等，现有产品容量已达1000A/2500V、2200A/450V、400A/4500V，工作频率可达100kHz以上。它在直流调速系统、高频加热电源和开关电源等领域已发挥着重要作用，但制造工艺复杂、成本高是阻碍其发展的重要因素。4.5.2 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH）4.5.2 静电感应晶闸管（SITH）103第4章 全控型电力电子器件 1 1SITHSITH的工作原理的工作原理 图 4-36 SITH的结构和常用符号(a)结构；(b)符号 1SITH的工作原理 图 4-36 SITH的结构和常用符104第4章 全控型电力电子器件 和SIT一样，SITH也为常开型器件。栅极开路，在阳极和阴极间加正向电压，有电流流过SITH，其特性与二极管正向特性相似。在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K之间电流被夹断，SITH关断。这一过程与GTO的关断非常相似。栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。和SIT一样，SITH也为常开型器件。栅极开105第4章 全控型电力电子器件 2 SITH的特性的特性 图图4-37所所示示为为SITH的的静静态态伏伏安安特特性性曲曲线线。由由该该图图可可知知，特特性性曲曲线线的的正正向向偏偏置置部部分分与与SIT相相似似。栅栅极极负负压压-UGK可可控控制制阳阳极极电电流流关关断断。已已关关断断的的SITH，A-K之之间间只只有有很很小小的的漏漏电电流流存存在在。SITH为为场场控控少少子子器器件件，其其动动态态特特性性比比GTO优优越越。SITH的的电电导导调调制制作作用用使使它它比比SIT的的通通态态电电阻阻、通通态态压压降降低低，通通态态电电流流大大；但但因因器器件件内内有有大大量量的的存存储储电电荷荷，所所以以它它的的关关断断时间比时间比SIT要慢，工作频率要低。要慢，工作频率要低。2 SITH的特性106第4章 全控型电力电子器件 图4-37 SITH的静态伏安特性曲线 图4-37 SITH的静态伏安特性曲线 107第4章 全控型电力电子器件 1.什么叫GTR的一次击穿和二次击穿？2.怎样确定GTR的安全工作区SOA？3.GTR对基极驱动电路的要求是什么？4.在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路？5.与GTR相比，功率MOS管有何优、缺点？6.试简述功率场效应管IGBT在应用中的注意事项。7.与GTR相比，IG