晶闸管的工作原理与应用课件

路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索28 六月 2024晶闸管的工作原理与应晶闸管的工作原理与应用用路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.1.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理1.1.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 1.1.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 返回返回项目一项目一 认识晶闸管和单结晶体管认识晶闸管和单结晶体管路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.1、晶闸管晶闸管 晶晶闸闸管管(Thyristor)包包括括：普普通通晶晶闸闸管管(SCR)、快快速速晶晶闸闸管管(FST)、双双向向晶晶闸闸管管(TRIAC)、逆逆导导晶晶闸闸管管(RCT)、可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。和光控晶闸管等。普普通通晶晶闸闸管管：也也称称可可控控硅硅整整流流管管(Silicon Controlled Rectifier),简称简称SCR。由由于于它它电电流流容容量量大大,电电压压耐耐量量高高以以及及开开通通的的可可控控性性(目目前前生生产产水水平平：4500A/8000V)已已被被广广泛泛应应用用于于相相控控整整流流、逆逆变变、交交流流调调压压、直直流流变变换换等等领领域域,成成为为特特大大功功率率低低频频(200Hz以下以下)装置中的主要器件。装置中的主要器件。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.1.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l图图1.1.1 1.1.1 晶闸管的外型及符号晶闸管的外型及符号1、晶闸管的结构：晶闸管的结构：路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理图图1.1.3 1.1.3 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的内部结构和等效电路(1)(1)导通：导通：阳极施加正向电压阳极施加正向电压;门极门极G也加正向电压也加正向电压晶闸管晶闸管(单向导电性单向导电性),),导通条件为导通条件为阳极正偏阳极正偏和和门极加正向触发电流门极加正向触发电流。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索勇于开始，才能找到成功的路1.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数定义：定义：晶闸管阳极与阴极之晶闸管阳极与阴极之间的电压间的电压Ua与阳极电流与阳极电流Ia的关的关系曲线称为晶闸管的伏安特系曲线称为晶闸管的伏安特性。性。第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第、第三象限是三象限是反向特性反向特性。图图1.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性：路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉2.2.晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性l 1.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉3.晶闸管的主要特性参数晶闸管的主要特性参数 1 1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UDRM:2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM:3 3）晶晶闸闸管管铭铭牌牌标标注注的的额额定定电电压压通通常常取取U UDRMDRM与与U URRMRRM中中的的最最小小值值,选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电电压压为为正正常常工工作作时时晶晶闸闸管管所所承承受受峰峰值电压值电压2 23 3倍。倍。l（1）晶闸管的重复峰值电压）晶闸管的重复峰值电压额定电压额定电压Ute路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉（2）晶闸管的额定通态平均电流）晶闸管的额定通态平均电流额定电流额定电流IT(AV)在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以后至少还要乘以1.51.52 2的安全系数，使其有一定的电流的安全系数，使其有一定的电流裕量。裕量。1 1）定义：）定义：在环境温度为在环境温度为40和规定的冷却条件下和规定的冷却条件下,晶晶闸管在电阻性负载导通角不小于闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦的单相工频正弦半波电路中半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。最大通态平均电流。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉2）IT(AV)计算方法：计算方法：（1.3.31.3.3）（1.3.41.3.4）根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。频正弦波电流时的允许最大平均电流。额定电流有效值为：额定电流有效值为：额定电流额定电流(平均电流平均电流)为：为：正弦半波电流的峰值正弦半波电流的峰值路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉 （3）门极触发电流）门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT 在室温下，晶闸管加在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压发电压UGT。（4）通态平均电压通态平均电压UT(AV)在规定环境温度、标准散热条件下，在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压称通态平均电压(又称管压降又称管压降)路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉（5）维持电流）维持电流 和掣住电流和掣住电流L1 1）维持电流）维持电流：在在室室温温下下门门极极断断开开时时，元元件件从从较较大大的的通通态态电电流流降降至至刚刚好好能能保持导通的最小阳极电流为维持电流保持导通的最小阳极电流为维持电流H。2 2）掣住电流）掣住电流L：给给晶晶闸闸管管门门极极加加上上触触发发电电压压，当当元元件件刚刚从从阻阻断断状状态态转转为为导导通通状状态态就就撤撤除除触触发发电电压压，此此时时元元件件维维持持导导通通所所需需要要的的最最小阳极电流称掣住电流小阳极电流称掣住电流L。返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 可可允允许许开开关关频频率率在在400HZ以以上上工工作作的的晶晶闸闸管管称称为为快快速速晶晶闸闸管管(Fast Switching Thyristor，简简称称FST)，开开关关频频率率在在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。以上的称为高频晶闸管。快快速速晶晶闸闸管管为为了了提提高高开开关关速速度度，其其硅硅片片厚厚度度做做得得比比普普通通晶晶闸闸管管薄薄，因因此此承承受受正正反反向向阻阻断断重重复复峰峰值值电电压压较较低低，一一般般在在2000V以下。以下。1.快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFSTFST路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉 有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一，一个门极个门极G。正反两方向均可触发正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在导通，所以双向晶闸管在第和第第和第III象限有对称的伏象限有对称的伏安特性。安特性。图图1.3.6 1.3.6 双向晶闸管的电气图双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性2.双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索勇于开始，才能找到成功的路l3.逆导晶闸管逆导晶闸管(RCT)l 4.光控晶闸管光控晶闸管(LTT)(LTT)1)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。导通的晶闸管。v2）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。的功率集成器件。返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.4 1.4 可关断晶闸管可关断晶闸管 可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-Off(Gate-Turn-Off Thyristor)Thyristor)简称简称GTOGTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。电流触发下关断。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉 PNPN PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极图图1.4.1 GTO的内部结构和电气图形符号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并联单元结构断面示意图 (c)电气图形符号电气图形符号1、可关断晶闸管的结构、可关断晶闸管的结构路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉2 2、可关断晶闸管的工作原理、可关断晶闸管的工作原理 1 1）GTOGTO的导通机理与的导通机理与SCRSCR是相同的。是相同的。2 2）在关断机理上与）在关断机理上与SCRSCR是不同的。门极加负脉是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的即抽取饱和导通时储存的大量载流子大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。断。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉l 3 3、可关断晶闸管的应用、可关断晶闸管的应用 GTO GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。级的数量级。v 不少不少GTOGTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联受反压时应和电力二极管串联 。v 用门极正脉冲可使用门极正脉冲可使GTOGTO开通，开通，用门极负脉冲可以使用门极负脉冲可以使其关断，其关断，这是这是GTOGTO最大的优点。最大的优点。但要使但要使GTOGTO关断的门极反关断的门极反向电流比较大，向电流比较大，约为阳极电流的约为阳极电流的/左右。左右。v GTO GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使在使用时要特别注意。用时要特别注意。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索1.4.2 可关断晶闸管的特性l图图1.4.2 可关断晶闸管的开关特性可关断晶闸管的开关特性 返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.5、电力晶体管电力晶体管 电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTRGiant TransistorGTR，直，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（晶体管（Bipolar Junction TransistorBipolar Junction TransistorBJTBJT），英文有时候也称为），英文有时候也称为Power BJTPower BJT。在电力电子技术的范围内，在电力电子技术的范围内，GTRGTR与与BJTBJT这两个名这两个名称等效称等效.2020世纪世纪8080年代以来，在中、小功率范围内取代晶年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被闸管，但目前又大多被IGBTIGBT和电力和电力MOSFETMOSFET取代。取代。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索勇于开始，才能找到成功的路 深饱和区：类似于开关的通态。深饱和区：类似于开关的通态。图图1.5.3共发射极接法共发射极接法 时时GTR的输出特性的输出特性l1、GTR共射电路输出特性共射电路输出特性 输出特性：截止区输出特性：截止区(又叫阻断区又叫阻断区)、线性放大区、准饱和区和深饱和线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。区四个区域。截止区：类似于开关的断态；截止区：类似于开关的断态；线性放大区：线性放大区：准饱和区：准饱和区：返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.6 电力场效应晶体管电力场效应晶体管N N沟道沟道P P沟道沟道电力电力MOSFETMOSFET耗尽型：耗尽型：增强型增强型:耗尽型耗尽型增强型增强型v当栅极电压为零时当栅极电压为零时漏源极之间就存在导漏源极之间就存在导电沟道；电沟道；v对于对于N N（P P）沟道器）沟道器件件,栅极电压大于栅极电压大于（小于）零时才存在（小于）零时才存在导电沟道导电沟道路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1、电力场效应管的结构、电力场效应管的结构图图1.6.1 N1.6.1 N沟道沟道VDMOSVDMOS管元胞结构与电气符号管元胞结构与电气符号返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉 1.7、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 IGBTIGBT：绝缘栅双极型晶体管：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar(Insulated Gate Bipolar Transistor)Transistor)。兼具功率兼具功率MOSFETMOSFET高速开关特性和高速开关特性和GTRGTR的低导通压降特性的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。两者优点的一种复合器件。IGBTIGBT于于19821982年开始研制，年开始研制，19861986年投产，是发展最快而年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。且很有前途的一种混合型器件。目前目前IGBTIGBT产品已系列化，最大电流容量达产品已系列化，最大电流容量达1800A1800A，最高，最高电压等级达电压等级达4500V4500V，工作频率达，工作频率达50kHZ50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，低损耗的中小功率领域，IGBTIGBT取代了取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市场。的市场。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉（1）IGBT的伏安特性（如图的伏安特性（如图a)a)反映在一定的栅极一发射极电压反映在一定的栅极一发射极电压U UGEGE下器件的输下器件的输出端电压出端电压U UCECE与电流与电流I Ic c的关系。的关系。IGBT IGBT的伏安特性分为的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。和区和击穿区。图图1.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性1、IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.8、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件1.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 1.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 1.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 1.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 1.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT）它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；射能力强等优点；广泛用于高频感应加热设备广泛用于高频感应加热设备(例如例如200kHz200kHz、200kW200kW的高频感应加热电源的高频感应加热电源)。并适用于高音质音频放。并适用于高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。微波以及空间技术等领域。返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.8.2 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH）它自它自1972年开始研制并生产年开始研制并生产；优点：与优点：与GTO相比，相比，SITH的的通态电阻小、通态压通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小及耐量高等；降低、开关速度快、损耗小及耐量高等；应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开关应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域；电源等领域；缺点：缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；制造工艺复杂，成本高；返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）MCTMCT自自2020世纪世纪8080年代末问世，已生产出年代末问世，已生产出300A/2000V300A/2000V、1000A/1000V1000A/1000V的器件；的器件；结构：是晶闸管结构：是晶闸管SCR和场效应管和场效应管MOSFET复复合而成的新型器件，其主导元件是合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制元，控制元件是件是MOSFET；特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.8.4 MOS控制晶闸管控制晶闸管（IGCT/GCT）20 20世纪世纪9090年代后期出现。结合了年代后期出现。结合了IGBTIGBT与与GTOGTO的优点，的优点，容量与容量与GTOGTO相当，开关速度快相当，开关速度快1010倍，且可省去倍，且可省去GTOGTO庞大而庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；IGCT IGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优选功率器件之一。选功率器件之一。返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 2020世纪世纪8080年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。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。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。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，称为功率集成断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（电路（Power Integrated CircuitPICPower Integrated CircuitPIC）。）。返回返回路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉 1.9、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护（1）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断状态。件的通、断状态。（2）过流、过压保护：包括器件保护和系统保护两个方）过流、过压保护：包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。事故。（3）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压和过）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压和过 流，减小开关损耗。流，减小开关损耗。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉l（4）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载的电力质量。以及输出至负载的电力质量。（5）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。（6）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机、停机信号和保护信号。关断信号，开机、停机信号和保护信号。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.9.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式 在图在图1.9.11.9.1中，中，T T1 1、T T2 2表示由两个电力表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，当半导体器件组成的导电臂，当T T1 1关断，关断，T T2 2导通导通时，电流流过时，电流流过T T2 2；当；当T T2 2关断，关断，T T1 1导通时，电流导通时，电流i i从从T T2 2转移到转移到T T1 1。图图1.9.1 桥臂的换流桥臂的换流 电力半导体器件可以用切断或接通电流电力半导体器件可以用切断或接通电流的开关表示。的开关表示。l 定义：电流从一个臂向另一个臂转移的定义：电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。过程称为换流（或换相）。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉（1 1）器器件件换换流流：利利用用电电力力电电子子器器件件自自身身所所有有的的关关断断能能力进行换流称为器件换流。力进行换流称为器件换流。（2 2）电电网网换换流流：由由电电网网提提供供换换流流电电压压使使电电力力电电子子器器件件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换流。关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换流。（3 3）负负载载换换流流：由由负负载载提提供供换换流流电电压压，使使电电力力电电子子器器件件关关断断，实实现现电电流流从从一一个个臂臂向向另另一一个个臂臂转转移移称称为为负负载载换换流流。凡凡是是负负载载电电流流的的相相位位超超前前电电压压的的场场合合，都都可可以以实实现现负负载载换换流。流。一般来说，换流方式可分为以下四种：一般来说，换流方式可分为以下四种：路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉（4 4）脉冲换流：）脉冲换流：设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。流。l 脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉 1.9.2 驱动电路驱动电路 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换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。关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。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。关断控制信号。在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉作作用用：产产生生符符合合要要求求的的门门极极触触发发脉脉冲冲，决决定定每每个个晶晶闸闸管管的的触触发发导通时刻。导通时刻。图图1.9.41.9.4为为基基于于脉脉冲冲变变压压器器PTPT和三极管放大器的驱动电路。和三极管放大器的驱动电路。工工作作原原理理：当当控控制制系系统统发发出出的的高高电电平平驱驱动动信信号号加加至至三三极极管管放放大大器器后后，变变压压器器PTPT输输出出电电压压经经D D2 2输输出出脉脉冲冲电电流流触触发发SCRSCR导导通通。当当控控制制系系统统发发出出的的驱驱动动信信号号为为零零后后，D D1 1、D DZ Z续续流流，PTPT的的原原边边电电压压速速降降为零，防止变压器饱和。为零，防止变压器饱和。图图1.9.4 带隔离变压器的带隔离变压器的SCR驱动电路驱动电路1 1晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管SCRSCR触发驱动电路触发驱动电路触发驱动电路触发驱动电路路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉图图1.9.51.9.5光光耦耦隔隔离离的的SCRSCR驱驱动动电路。电路。工工作作原原理理：当当控控制制系系统统发发出出驱驱动动信信号号致致光光耦耦输输入入端端时时，光光耦耦输输出出电电路路中中R R上上的的电电压压产产生脉冲电流触发生脉冲电流触发SCRSCR导通。导通。图图1.9.5 光耦隔离的光耦隔离的SCR驱动电路驱动电路1 1晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管SCRSCR触发驱动电路触发驱动电路触发驱动电路触发驱动电路路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉2GTO的驱动电路的驱动电路路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1)作用作用:将控制电路输出的控制信号放大到足以保证将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。可靠导通和关断的程度。2)功能功能:提提供供合合适适的的正正反反向向基基流流以以保保证证GTR可可靠靠导导通通与与关关断断(期望的基极驱动电流波形如图期望的基极驱动电流波形如图1.9.7 所示所示)。实现主电路与控制电路的隔离。实现主电路与控制电路的隔离。具具有有自自动动保保护护功功能能，以以便便在在故故障障发发生生时时快快速速自自动动切除驱动信号，避免损坏切除驱动信号，避免损坏GTR。电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。3GTR的驱动电路的驱动电路 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉图图1.9.8 双电源驱动电路双电源驱动电路 图图1.9.10 UAA4002组成组成 的的GTR驱动电路驱动电路 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉 由由于于IGBT的的输输入入特特性性几几乎乎和和VDMOS相相同同(阻阻抗抗高高，呈呈容容性性)所所以以，要要求求的的驱驱动动功功率率小小，电电路路简简单单，用用于于IGBT的驱动电路同样可以用于的驱动电路同样可以用于VDMOS。图图1.9.11 采用脉冲变压器采用脉冲变压器 隔离的栅极驱动电路隔离的栅极驱动电路 图图1.9.12 推挽输出的推挽输出的 栅极驱动电路栅极驱动电路 l4MOSFET和和IGBT的驱动电路的驱动电路路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉图图1.9.13 EXB8XX驱动模块框图驱动模块框图 图图1.9.14 集成驱动器的应用电路集成驱动器的应用电路 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.9.3 保护电路保护电路 电力电子系统在发生故障时可能会发生过电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉措施：措施：通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。护措施，提高保护的可靠性和合理性。快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路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。定在过载时动作。l图图1.9.16 电力电子系统中常用的过流保护方案电力电子系统中常用的过流保护方案 1.过电流保护（过流包括过载和短路）过电流保护（过流包括过载和短路）路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉过电压过电压外因过电压和内因过电压。外因过电压和内因过电压。v 外外因因过过电电压压：主主要要来来自自雷雷击击和和系系统统中中的的操操作作过过程程（由由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。分闸、合闸等开关操作引起）等外因。v 内内因因过过电电压压：主主要要来来自自电电力力电电子子装装置置内内部部器器件件的的开开关关过程。过程。(1)换换相相过过电电压压：晶晶闸闸管管或或与与全全控控型型器器件件反反并并联联的的二二极极管管在在换换相相结结束束后后不不能能立立刻刻恢恢复复阻阻断断，因因而而有有较较大大的的反反向向电电流流流流过过，当当恢恢复复了了阻阻断断能能力力时时，该该反反向向电电流流急急剧剧减减小小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。会由线路电感在器件两端感应出过电压。(2)关关断断过过电电压压：全全控控型型器器件件关关断断时时，正正向向电电流流迅迅速速降降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。l2过电压保护过电压保护 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉2过电压保护过电压保护 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（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。电力电子系统中常用的过电压保护方案：路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉作用：防止器件串联使用时电压、并联作用：防止器件串联使用时电压、并联使用时电流分配不均匀，使其电压、电流使用时电流分配不均匀，使其电压、电流超过器件的极限损坏器件。超过器件的极限损坏器件。l3开关器件串联、并联使用时的开关器件串联、并联使用时的 均压、均压、均流均流路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉1.9.4 缓冲电路缓冲电路 1）原因：）原因：电电力力电电子子器器件件工工作作状状态态有有开开通通、通通态态、关关断断、断断态态四四种种工工作作状状态态，其其中中断断态态时时承承受受高高电电压压，通通态态时时承承载载大大电电流流，而而开开通通和和关关断断过过程程中中开开关关器器件件可可能能同同时时承承受受过过压压、过流、过大的过流、过大的 、以及过大的瞬时功率。以及过大的瞬时功率。2）缓缓冲冲电电路路作作用用：防防止止高高电电压压和和大大电电流流可可能能使使器器件件工作点超出安全工作区而损坏器件。工作点超出安全工作区而损坏器件。3）原原理理：关关断断缓缓冲冲电电路路吸吸收收器器件件的的关关断断过过电电压压和和换换相相过过电电压压，抑抑制制 ,减减小小关关断断损损耗耗；开开通通缓缓冲冲电电路路抑抑制制器件开通时的电流过冲和器件开通时的电流过冲和 ,减小器件的开通损耗减小器件的开通损耗。路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,吾将上下而求索吾将上下而求索业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉业精于勤，荒于嬉 GTR开通过程：开通过程：一方面一方面S经经S、S和和GTR回回路放电减小了路放电减小了GTR承受较大的电流上升率承受较大的电流上升率 ，另一，另一方面负载电流经电感方面负载电流经电感S后受到了缓冲，也就避免了后受到了缓冲，也就避免了开通过程中开通过程中GTR同时承受大电流和高电压的情形。同时承受大电流和高电压的情形。GTR关关断断过过程程：流流过过负负载载L的的电电流流经经电电感感LS、二二极极管管S给给电电容容S充充电电，因因为为S上上电电压压不不能能突突变变，这这就就使使GTR在在关关断断过过程程电电压压缓缓慢慢上上升升，避避免免了了关关断断过过程程初初期期器器件件中中电电流流还还下下降降不不多多时时，电电压压就就升到最大值升到最大值,同时也使电压上升率同时也使电压上升率 被限制。被限制。