电力电子半导体器件GTR介绍--课件

第四章 电力晶体管1ppt课件4.1 GTR4.1 GTR结构结构双极型大功率、高反压晶体管双极型大功率、高反压晶体管GTR（巨型晶体管）（巨型晶体管）Giant TransistorGiant Transistor三层半导体材料，两个三层半导体材料，两个PNPN结结(NPN(NPN型、型、PNPPNP型型)。一、工艺特点一、工艺特点 三重扩散；叉指型基极和发射极；三重扩散；叉指型基极和发射极；特点：发射区高浓度掺杂特点：发射区高浓度掺杂 基区很薄（几基区很薄（几umum几十几十umum）N-掺杂浓度低，提高耐压能力掺杂浓度低，提高耐压能力N+集电区收集电子集电区收集电子使用时要求：发射结正偏，集电结反偏。使用时要求：发射结正偏，集电结反偏。2ppt课件二、二、GTRGTR与普通晶体管区别与普通晶体管区别1.1.普通晶体管：信号晶体管，用于放大信号；普通晶体管：信号晶体管，用于放大信号；要求增益适当，要求增益适当，f fT T高，噪声系数低，线性度好，温度漂移高，噪声系数低，线性度好，温度漂移 和时间漂移小。工作于放大区，以载流子运动为出发点，和时间漂移小。工作于放大区，以载流子运动为出发点，分析载流子扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性分析载流子扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性 关系。关系。2.GTR2.GTR：用于功率开关；：用于功率开关；要求容量足够大，高电压，大电流，适当增益，较高工作要求容量足够大，高电压，大电流，适当增益，较高工作 速度，较低功率损耗。速度，较低功率损耗。3.3.大电流工作下，普通晶体管出现的新特点：大电流工作下，普通晶体管出现的新特点：基区大注入效应：引起电流增益下降。基区大注入效应：引起电流增益下降。基区扩展效应：使基区注入效率降低，增益基区扩展效应：使基区注入效率降低，增益下降，下降，f fT T减小。减小。发射极电流集边效应：引起电流局部集中，产生局部过热。发射极电流集边效应：引起电流局部集中，产生局部过热。因此，因此，GTRGTR在结构上应采取适当措施，减小上述效应。在结构上应采取适当措施，减小上述效应。3ppt课件三、单管三、单管GTR 采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。增加增加N N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力，漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力，但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。一般：一般：约约101020 20 工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）饱和压降低饱和压降低漏电流小漏电流小时间短时间短4ppt课件四、达林顿四、达林顿GTRGTR为提高电流增益，由两个或两个以上晶体管复合组成。为提高电流增益，由两个或两个以上晶体管复合组成。NPN型型PNP型型驱动管驱动管输出管输出管5ppt课件特点：特点：电流增益电流增益增大：增大：1 1 2 2 ，达几十倍几千倍；，达几十倍几千倍；饱和压降饱和压降V VCESCES增大：增大：V VCESCES V VCES1CES1+V+VBES2BES2 V V2 2管无法饱和导通，管无法饱和导通，V VCE2CE2=V=VCES1 CES1，反偏状态；导通损耗增大。，反偏状态；导通损耗增大。开关速度慢：开通时，开关速度慢：开通时，V V1 1驱动驱动V V2 2；关断时，关断时，V V1 1先关断，先关断，V V2 2才能关断，且才能关断，且V V2 2关断关断 无泻流通路。无泻流通路。改进改进：R1、R2稳定电阻，提高温度稳定稳定电阻，提高温度稳定性和电流通路。性和电流通路。VD1引入，加速引入，加速V2、V1的同时关断，的同时关断，引出引出B2极可另外控制。极可另外控制。6ppt课件五、五、GTRGTR模块模块 将将GTRGTR管芯、稳定电阻管芯、稳定电阻R R1 1R R2 2、加速二极管、加速二极管V VD1D1、续流二极管、续流二极管V VD2D2组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内模块。模块。利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上，器件集成度高，利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上，器件集成度高，小型轻量化，性能小型轻量化，性能/价格比高。价格比高。单臂桥式电路模块单臂桥式电路模块B1B2C1E2E1C2单相桥式电路模块；三相桥式电路模块；单相桥式电路模块；三相桥式电路模块；7ppt课件4.2 GTR4.2 GTR特性与参数特性与参数一、静态特性与参数一、静态特性与参数1共射输出特性：共射输出特性：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏VCES很小很小临界饱和临界饱和断态，漏电流很小断态，漏电流很小放大区放大区严禁工作严禁工作8ppt课件2饱和压降：饱和压降：如图：如图：GTR深饱和时，等效电路；深饱和时，等效电路；VBES：基极正向压降：基极正向压降 通态下，通态下，B-E极电压；极电压；VCES：饱和压降：饱和压降 通态下，通态下，C-E极电压；极电压；一般，由于发射区高浓度掺杂，一般，由于发射区高浓度掺杂，rES可忽略；可忽略；VCES的大小，的大小，关系器件导通功率损耗。达林顿管，关系器件导通功率损耗。达林顿管，VCES、VBES较大。较大。9ppt课件TC35-400型型GTR：电流：电流50A，=5=5；V VCESCES随随I IC C电流增大而增大；电流增大而增大；I IC C不变时，随温度增加而增加。不变时，随温度增加而增加。V VBESBES随随I IC C电流增大而增大；小电流下，随温度增大而减小，电流增大而增大；小电流下，随温度增大而减小，PNPN结负温度系数。大电流下，随温度增大而增大。结负温度系数。大电流下，随温度增大而增大。饱和压降特性曲线饱和压降特性曲线基极正向压降特性曲线基极正向压降特性曲线10ppt课件TC=250CVCE=400VTC=250CVCE=2VTC=1250C，VCE=2VTC=250C，VCE=2V3共射电流增益共射电流增益：反映反映GTRGTR的电流放大能力，的电流放大能力，I IC C与与I IB B比值。比值。GTRGTR正向偏置时，正向偏置时，F F随随I IC C减小减小而减小，基区复合电流占的比而减小，基区复合电流占的比例增大。例增大。随随I IC C增大，增大，增大，增大，I IC C增大到增大到一定程度一定程度=max=max，I IC C再增大，再增大，由于基区大注入效应、基区扩由于基区大注入效应、基区扩展效应，展效应，开始下降。开始下降。管子温度相同时，管子温度相同时，V VCECE越大，越大，越大。越大。随温度增加而增加，大电流下，随温度增加而增加，大电流下，随温度增加而减小。随温度增加而减小。GTRGTR反接时，反接时，很小。很小。11ppt课件4最大额定值最大额定值极限参数极限参数 由由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。材料、结构、设计水平、制造工艺决定。最高电压额定值：最高电压额定值：BVBVCEOCEO，BVBVCBOCBO，BVBVCESCES，BVBVCERCER，BVBVCEXCEX O O：另一极开路；：另一极开路；S S：短路；：短路；R R：外接电阻；：外接电阻；X X：反向偏置；：反向偏置；12ppt课件Va:：IB=0时，时，IC电流急剧电流急剧 增加时电压；增加时电压；Vb:：IE=0时，时，IC电流急剧电流急剧 增加时电压；增加时电压；一般：一般：另：另：BVEBO集电极开路时，发射结最高反向偏置电压。集电极开路时，发射结最高反向偏置电压。几伏，典型值几伏，典型值8V。13ppt课件最大电流额定值：最大电流额定值：大电流下，三种物理效应会使大电流下，三种物理效应会使GTR电气性能变差，甚至损坏器件。电气性能变差，甚至损坏器件。集电极电流最大额定值集电极电流最大额定值ICM：ICM定义：定义：a.以以值下降到额定值值下降到额定值1/21/2到到1/31/3时，对应时，对应I IC C值。值。b.以结温和耗散功率为尺度确定以结温和耗散功率为尺度确定ICM。最大脉冲电流额定值：最大脉冲电流额定值：直流直流ICM的的1.5倍定额；引起内部引线熔断的集电极电流；倍定额；引起内部引线熔断的集电极电流；引起集电结损坏的集电极电流。引起集电结损坏的集电极电流。基极电流最大额定值基极电流最大额定值IBM：内部引线允许流过的最大基极电流，约为（内部引线允许流过的最大基极电流，约为（1/21/6）ICM14ppt课件最高结温最高结温TJM 塑封，硅管：塑封，硅管：1251250 01501500 0C C；金属封装，硅管：金属封装，硅管：1501500 01751750 0C C；高可靠平面管：高可靠平面管：1751750 02002000 0C C；最大功耗最大功耗P PCMCM P PCMCM=V=VCECE I IC C 受结温限制，使用时注意散热条件。受结温限制，使用时注意散热条件。例：例：3DF203DF20型型GTRGTR各最大额定值参数：各最大额定值参数：15ppt课件二、动态特性与参数二、动态特性与参数 动态特性是动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受结电容（势垒电容、扩散电容）充、放电和两种载流子运动影结电容（势垒电容、扩散电容）充、放电和两种载流子运动影响。响。如图：如图：TC40U400型型GTR动态特性实验电路和电流波形动态特性实验电路和电流波形电路参数：电路参数：VCC=200V；RC=10；RB1=4.7；RB2=1.2；16ppt课件1开通时间开通时间ton：ton=td+tr （ns级，很小）级，很小）td：延迟时间，基极电流向发射结电容充电。大小取决于结：延迟时间，基极电流向发射结电容充电。大小取决于结 电容大小、驱动电流大小和上升率，及反偏时电压大小。电容大小、驱动电流大小和上升率，及反偏时电压大小。tr：上升时间，取决于稳定电流和驱动电流大小。：上升时间，取决于稳定电流和驱动电流大小。2关断时间关断时间toff：toff=ts+tf ts：存储时间，过剩载流子从体内抽走时间，由反向驱动电：存储时间，过剩载流子从体内抽走时间，由反向驱动电 流大小决定。流大小决定。(3us)tf：下降时间，取决于结电容、正向集电极电流大小。：下降时间，取决于结电容、正向集电极电流大小。(1us)说明：为加速开通，采用过驱动方法，但基区过剩大量载流子，说明：为加速开通，采用过驱动方法，但基区过剩大量载流子，关断时，载流子耗散严重影响关断时间；关断时，载流子耗散严重影响关断时间；减小关断时间，可选用电流增益小的器件，防止深饱和，减小关断时间，可选用电流增益小的器件，防止深饱和，增加反向驱动电流。增加反向驱动电流。17ppt课件3集电极电压上升率集电极电压上升率dv/dt对对GTR的影响的影响 当当GTR用于桥式变换电路时，如图：用于桥式变换电路时，如图：B1B2C1E2E1C2 dv/dt产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全；当基极产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全；当基极开路时，开路时，dv/dt通过集电结寄生电容产生容性位移电流，注入通过集电结寄生电容产生容性位移电流，注入发射结形成基极电流，放大发射结形成基极电流，放大倍后，形成集电极电流，使倍后，形成集电极电流，使GTRGTR进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。在进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。在GTRGTR换流关断换流关断时，时，dv/dtdv/dt会引起正在关断的会引起正在关断的GTRGTR误导通，造成桥臂直通。误导通，造成桥臂直通。抑制抑制dv/dt，可在集射极间并联，可在集射极间并联RCD缓冲网络进行吸收。缓冲网络进行吸收。18ppt课件三、二次击穿与安全工作区三、二次击穿与安全工作区（一）二次击穿现象（一）二次击穿现象 一次击穿电压一次击穿电压BVCEO；发生一次击穿后，电流急剧增大，；发生一次击穿后，电流急剧增大，若外接有限流电阻，不会损坏若外接有限流电阻，不会损坏GTR。否则，集电极电流继续增。否则，集电极电流继续增大，在某电压、电流点产生向低阻抗区高速移动的负阻现象，大，在某电压、电流点产生向低阻抗区高速移动的负阻现象，称为称为二次击穿。用二次击穿。用S/B表示。表示。二次击穿时间很短，纳秒到微秒数量级，短时间内的大电二次击穿时间很短，纳秒到微秒数量级，短时间内的大电流会使器件内出现明显的电流集中和过热点（热斑），轻者使流会使器件内出现明显的电流集中和过热点（热斑），轻者使GTR耐压降低，性能变差；严重时，集电结、发射结熔通，永耐压降低，性能变差；严重时，集电结、发射结熔通，永久损坏。久损坏。二次击穿按偏置状态分为两种：正偏二次击穿和反偏二次二次击穿按偏置状态分为两种：正偏二次击穿和反偏二次击穿。击穿。19ppt课件1正偏二次击穿：正偏二次击穿：BE结正偏，结正偏，GTR工作于放大区。工作于放大区。PP+P+N+BBEN+N如图，如图，GTR正偏时，由于正偏时，由于基极与发射极在同一平面，基极与发射极在同一平面，基区电阻存在，使发射结各基区电阻存在，使发射结各点的偏置电压不同，边缘大点的偏置电压不同，边缘大而中心小。同时存在的集而中心小。同时存在的集射电场将电流集中到发射极射电场将电流集中到发射极边缘下很窄的区域内，造成边缘下很窄的区域内，造成电电流局部集中，电流密度大，温度升高，出现负阻现象，严重流局部集中，电流密度大，温度升高，出现负阻现象，严重时造成热点、热斑，使时造成热点、热斑，使PN结失效。结失效。热点严重程度与基区宽度成反比；与集电极外加电压成正比。热点严重程度与基区宽度成反比；与集电极外加电压成正比。20ppt课件2反偏二次击穿：反偏二次击穿：GTR导通导通 截止变化时，发射结反偏。截止变化时，发射结反偏。存储电荷存在，使存储电荷存在，使CE间仍流过电流，由于基区电阻存间仍流过电流，由于基区电阻存在，使发射极与基极相接的周边反偏电压大，中心反偏很弱，在，使发射极与基极相接的周边反偏电压大，中心反偏很弱，甚至仍为正偏。造成发射极下，基区的横向电场由中心指向甚至仍为正偏。造成发射极下，基区的横向电场由中心指向边缘，形成集电极电流被集中于发射结中心很小局部的不均边缘，形成集电极电流被集中于发射结中心很小局部的不均匀现象。在该局部电流密度很高，形成二次击穿热点。匀现象。在该局部电流密度很高，形成二次击穿热点。一般，比正向偏置时低很多的能量水平下，即可发生二一般，比正向偏置时低很多的能量水平下，即可发生二次击穿。次击穿。影响二次击穿的因素：集电极电压、电流；负载性质；影响二次击穿的因素：集电极电压、电流；负载性质；导通脉冲宽度；基极电路的配置、材料和工艺等。导通脉冲宽度；基极电路的配置、材料和工艺等。二次击穿由于器件芯片局部过热引起，热点形成需要能二次击穿由于器件芯片局部过热引起，热点形成需要能量积累，需要一定的电压、电流数值和一定的时间。量积累，需要一定的电压、电流数值和一定的时间。21ppt课件二次击穿特性曲线：二次击穿特性曲线：IS/B：二次击穿触发电流：二次击穿触发电流PS/B：二次击穿触发功率：二次击穿触发功率 PS/B=IS/B*VCE集射极保持电压集射极保持电压外加电压越高，电流更易集中而产生热点，外加电压越高，电流更易集中而产生热点，IS/B下降。下降。22ppt课件（二）安全工作区：（二）安全工作区：SOA GTR运行中受电压、电流、功率损耗和二次击穿定额限运行中受电压、电流、功率损耗和二次击穿定额限制的安全工作范围。制的安全工作范围。正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区FBSOA反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区RBSOA反向关断电流反向关断电流脉冲宽度脉冲宽度直流安全工作区直流安全工作区23ppt课件四、温度特性与散热四、温度特性与散热 半导体器件特性参数随温度升高而变差，如：耐压降低，半导体器件特性参数随温度升高而变差，如：耐压降低，VCES升高、升高、IC增大、输出功率下降，增大、输出功率下降，PCM和和PS/B下降，安全区下降，安全区面积缩小。面积缩小。为保证为保证GTR不超过规定的结温，应根据容量等级配以相不超过规定的结温，应根据容量等级配以相应的散热器和采用相应的冷却方式。否则，会因结温过高导应的散热器和采用相应的冷却方式。否则，会因结温过高导致热损坏。致热损坏。减小减小GTR的发热，应从根本上减小功耗。在开关状态的发热，应从根本上减小功耗。在开关状态下工作的下工作的GTR，功耗由静态导通功耗、动态开关损耗和基极，功耗由静态导通功耗、动态开关损耗和基极驱动功耗三部分。减小导通压降，采用缓冲电路、改变主电驱动功耗三部分。减小导通压降，采用缓冲电路、改变主电路形式（谐振型）均可减小功耗，减少发热。路形式（谐振型）均可减小功耗，减少发热。24ppt课件GTR静态参数：静态参数：25ppt课件GTR动态参数：动态参数：26ppt课件4.3 GTR4.3 GTR驱动和保护驱动和保护一、驱动电路设计原则一、驱动电路设计原则1GTR的特点的特点 全控型器件，功率大，热容量小，过载能力低。全控型器件，功率大，热容量小，过载能力低。与与SCR相比，具有自关断能力，使相比，具有自关断能力，使DCAC，DCDC，ACAC变换电路的变换方式灵活，控制方便，主电路结构简变换电路的变换方式灵活，控制方便，主电路结构简单。但单。但GTR驱动方式直接影响管子工作状态和管子特性。驱动方式直接影响管子工作状态和管子特性。如：过驱动（驱动电流大）可减小开通损耗，降低导通压如：过驱动（驱动电流大）可减小开通损耗，降低导通压降，但对关断不利，增加关断损耗，对管子降，但对关断不利，增加关断损耗，对管子di/dt影响很大。影响很大。GTR过载过载/短路时，短路时，us级时间内，结温会超过最大允许值，级时间内，结温会超过最大允许值，导致器件损坏，不能用快速熔断器、过流继电器（导致器件损坏，不能用快速熔断器、过流继电器（ms级）进级）进行主电路切断保护。在系统出现故障时，需快速检测，对控行主电路切断保护。在系统出现故障时，需快速检测，对控制信号加以关断（缓关断），因此驱动与保护密切联系。制信号加以关断（缓关断），因此驱动与保护密切联系。27ppt课件2驱动电路设计原则驱动电路设计原则最优化驱动特性：应提高开关速度，减小开关损耗。最优化驱动特性：应提高开关速度，减小开关损耗。开通时：基极电流上升沿快速且短开通时：基极电流上升沿快速且短时过冲，加速开通。时过冲，加速开通。导通后：导通后：VCES较低，导通损耗小。较低，导通损耗小。为减小关断时间，应工作在准饱和为减小关断时间，应工作在准饱和状态。状态。关断时：提供反向驱动电流，加速关断时：提供反向驱动电流，加速载流子耗散，缩短关断时间，减小载流子耗散，缩短关断时间，减小关断损耗。关断损耗。28ppt课件驱动方式：由驱动方式：由主电路主电路结构决定结构决定 直接驱动：简单驱动、推挽驱动、抗饱和驱动直接驱动：简单驱动、推挽驱动、抗饱和驱动 隔离驱动：光电隔离、电磁隔离隔离驱动：光电隔离、电磁隔离快速保护功能：快速保护功能：GTRGTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTRGTR。如如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、智能化自保护能力。智能化自保护能力。29ppt课件二、基极驱动电路基本形式二、基极驱动电路基本形式（一）恒流驱动电路：（一）恒流驱动电路：基极电流恒定，不随基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。电流变化而变化。IB ICmax/问题问题:空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。改进改进：1抗饱和电路（贝克嵌位电路）抗饱和电路（贝克嵌位电路）VD2存在，使存在，使GTR导通时导通时b-c结处于零偏或轻微结处于零偏或轻微正偏，基极多余电流由正偏，基极多余电流由VD2从集电极流出，管从集电极流出，管子处于准饱和状态。子处于准饱和状态。VCES=VBE+VD1VD2=VBEVD1、VD2抗饱和二极管；根据不同情况调整抗饱和二极管；根据不同情况调整VD1数量，控制数量，控制VCES大小。大小。VD2应选快速二极管，耐压与应选快速二极管，耐压与GTR一致，电流一致，电流 IBVD1、VD3为普通二极管，为普通二极管，VD1反向恢复有助于反向恢复有助于GTR关断。关断。缺点：导通损耗增大。缺点：导通损耗增大。30ppt课件截止反偏驱动电路截止反偏驱动电路 目的：关断时加反偏驱动，迅速抽出基区过剩载流子，减目的：关断时加反偏驱动，迅速抽出基区过剩载流子，减 小存储时间，加速小存储时间，加速GTR关断。关断。单极性脉冲变压器驱动电路单极性脉冲变压器驱动电路VAVB缺点：变压器单边工作，有直流磁化现象，铁心体积大。缺点：变压器单边工作，有直流磁化现象，铁心体积大。反偏电压大小随导通时间变化。反偏电压大小随导通时间变化。ttVA00VBW3回馈能量回馈能量31ppt课件电容储能式驱动电路电容储能式驱动电路工作原理：工作原理：Vi高电平，高电平，*端为正，端为正，W2经经GTR的的B-E结、结、C、VD2使使GTR导通，导通，V截止，电容截止，电容C充电。充电。Vi低电平，低电平，*端为负，端为负，VD2截止，截止，W2经还在导通的经还在导通的B-E结、结、R2、V发射结、发射结、C使使V迅速饱和导通，迅速饱和导通，电容电容C上电压反加于上电压反加于GTR的的B-E结，结，GTR迅速截止。迅速截止。下一次导通前，下一次导通前，C上电压经上电压经VD1、R1、R2、V发射结放电完毕。发射结放电完毕。32ppt课件固定反偏互补驱动电路固定反偏互补驱动电路33ppt课件（二）比例驱动电路（二）比例驱动电路 使使GTR基极电流正比于集电极电流变化，在不同负载时，基极电流正比于集电极电流变化，在不同负载时，管子饱和深度基本相同，而且轻载时，驱动功率大大减小。管子饱和深度基本相同，而且轻载时，驱动功率大大减小。1反激式比例驱动电路反激式比例驱动电路特点：靠正反馈加速特点：靠正反馈加速GTR开通，当工作频率较高时，分布参开通，当工作频率较高时，分布参数影响使开通速度变慢。数影响使开通速度变慢。34ppt课件2具有强制开通、强制关断的比例驱动电路具有强制开通、强制关断的比例驱动电路特点：电路复杂。特点：电路复杂。35ppt课件三、过电流检测与保护三、过电流检测与保护 GTR运行时，过流检测能保证管子正常工作。要求检测电路运行时，过流检测能保证管子正常工作。要求检测电路灵敏度高，响应快。灵敏度高，响应快。（一）状态识别法（一）状态识别法 GTR过载或短路时，集电极电流急剧变化，引起基极电压过载或短路时，集电极电流急剧变化，引起基极电压VBE，集电极电压，集电极电压VCE相应变化。相应变化。36ppt课件 管子开通时，电流上升越快，管子开通时，电流上升越快，VBE变化越大。如变化越大。如GTR短路短路时开通，监测时开通，监测VBE变化，确认故障快。但导通后，较轻过载时，变化，确认故障快。但导通后，较轻过载时，监测监测VBE灵敏度低。灵敏度低。但但VCE电压监测适合过载电流保护，但不适合短路电流保电压监测适合过载电流保护，但不适合短路电流保护，二者结合，效果较好。护，二者结合，效果较好。VBE识别电路识别电路VCE识别电路识别电路存在问题：保护电路存在盲区，等存在问题：保护电路存在盲区，等GTR开通后，保护电路开通后，保护电路 才能使用。才能使用。37ppt课件典型典型VCE识别电路：识别电路：GTRVCE38ppt课件（二）桥臂互锁保护法（二）桥臂互锁保护法检测电路检测电路检测电路检测电路当逆变器运行时，由于当逆变器运行时，由于GTR关断时间过长、驱动信号失误重关断时间过长、驱动信号失误重叠、或某一叠、或某一GTR损坏，导致桥臂直通，损坏器件。利用互锁损坏，导致桥臂直通，损坏器件。利用互锁可保证管子一个关断后，另一个才能开通。可保证管子一个关断后，另一个才能开通。39ppt课件1电流法检测电路：电流互感器，电流法检测电路：电流互感器，LEM霍尔元件霍尔元件 其中其中 LEM是磁场平衡式霍尔电流传感器，反映速度是磁场平衡式霍尔电流传感器，反映速度1us，一次、二次绝缘电压，一次、二次绝缘电压2KV，无惯性、线性度好、使用简单、，无惯性、线性度好、使用简单、方便。方便。利用电流法判断时，存在问题，如特定负载下，利用电流法判断时，存在问题，如特定负载下，GTR导导通，但无集电极电流，判断发生错误。通，但无集电极电流，判断发生错误。2电压法检测电路：由电压法检测电路：由VBE电压判断管子状态，更加可靠。电压判断管子状态，更加可靠。40ppt课件（三）实用驱动电路（三）实用驱动电路要求：信号隔离，过电流保护，过电压保护，抗饱和导通，要求：信号隔离，过电流保护，过电压保护，抗饱和导通，信号互锁等。信号互锁等。常用：由小规模集成电路构成的专用驱动电路常用：由小规模集成电路构成的专用驱动电路 混合微膜组件驱动电路（三菱混合微膜组件驱动电路（三菱M57917L）集成化驱动电路（法国集成化驱动电路（法国UAA4002）41ppt课件4.4 4.4 缓冲电路缓冲电路一、概述一、概述 缓冲电路也称吸收电路，在电力半导体器件应用中有着缓冲电路也称吸收电路，在电力半导体器件应用中有着极其重要的作用。极其重要的作用。开关元件开通时，流过大电流；关断时，承受高反压；开关元件开通时，流过大电流；关断时，承受高反压；开关转换瞬间，电路中各种储能元件能量释放，导致器件冲开关转换瞬间，电路中各种储能元件能量释放，导致器件冲击很大，造成器件超出安全工作区而损坏。吸收电路用来减击很大，造成器件超出安全工作区而损坏。吸收电路用来减小器件在电路中承受的各种应力（电、热），如：浪涌电压、小器件在电路中承受的各种应力（电、热），如：浪涌电压、dv/dt、di/dt等。应力越低，器件可靠性越高。等。应力越低，器件可靠性越高。吸收电路还能减少开关损耗，避免二次击穿，抑制电磁吸收电路还能减少开关损耗，避免二次击穿，抑制电磁干扰，提高可靠性。干扰，提高可靠性。42ppt课件1GTR开关波形及缓冲电路作用：开关波形及缓冲电路作用：无缓冲电路无缓冲电路 图图b为复合缓冲电路，为复合缓冲电路，LS开通保护，限制开通保护，限制di/dt；CS、VDS缓冲电路，缓冲电路，限制限制dv/dt；RD放电回路，消耗能量。放电回路，消耗能量。2种类种类耗能式缓冲电路：用电阻消耗缓冲电路吸收的开关损耗，耗能式缓冲电路：用电阻消耗缓冲电路吸收的开关损耗，简单，效率低。简单，效率低。馈能式缓冲电路：将开关损耗以一定方式送至负载或回馈给电源，馈能式缓冲电路：将开关损耗以一定方式送至负载或回馈给电源，复杂，效率高。复杂，效率高。43ppt课件二、二、耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路（一）关断缓冲电路（一）关断缓冲电路电容为电容为0电容较小电容较小电容较大电容较大缓冲电容越大，关断损耗越小，关断时间长缓冲电容越大，关断损耗越小，关断时间长同时，同时，CS上储存的能量，必须在上储存的能量，必须在GTR开通时，经开通时，经RS放掉，放掉，消耗在电阻上；消耗在电阻上；CS越大，越大，RS功率越大。功率越大。44ppt课件（二）开通缓冲电路（二）开通缓冲电路 LS缓冲电感，限制缓冲电感，限制di/dt；VDS续流二极管，续流二极管，GTR关断时，关断时，LS中能量由中能量由VDS和电感内阻消耗掉。和电感内阻消耗掉。VDS上串联电阻、稳压管可加上串联电阻、稳压管可加速耗散过程。速耗散过程。LS采用饱和电抗器，效果更好。大电流时，饱和，储能小。采用饱和电抗器，效果更好。大电流时，饱和，储能小。45ppt课件（三）复合缓冲电路（三）复合缓冲电路46ppt课件三、馈能式缓冲电路三、馈能式缓冲电路 无源馈能；有源馈能无源馈能；有源馈能（一）馈能式关断缓冲电路（一）馈能式关断缓冲电路实现能量回馈实现能量回馈开关电源开关电源供电电源供电电源47ppt课件（二）馈能式开通缓冲电路（二）馈能式开通缓冲电路匝比匝比 1：ND1D2N越大，集电极电压越低，越大，集电极电压越低，GTR耐压低，但二次侧电压更耐压低，但二次侧电压更高，高，D2耐压要求高。耐压要求高。48ppt课件（三）馈能式复合缓冲电路（三）馈能式复合缓冲电路49ppt课件4.5 GTR4.5 GTR应用应用一、脉宽调制（一、脉宽调制（PWM）技术）技术 GTR全控型器件的出现，使逆变电路结构简化，控制策全控型器件的出现，使逆变电路结构简化，控制策略变为脉宽调制技术。略变为脉宽调制技术。PWM技术可以有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方技术可以有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面优势明显。使逆变电路技术性能和可靠性大大提高。在同面优势明显。使逆变电路技术性能和可靠性大大提高。在同一电路既可实现调压，又可实现调频。一电路既可实现调压，又可实现调频。PWM技术，就是在周期不变的条件下，利用改变脉冲宽技术，就是在周期不变的条件下，利用改变脉冲宽度，甚至将脉冲波形斩切为若干段，以达到抑制谐波，实现度，甚至将脉冲波形斩切为若干段，以达到抑制谐波，实现电压、频率变换的一种方法。电压、频率变换的一种方法。50ppt课件PWM技术抑制谐波的效果技术抑制谐波的效果和和PWM脉冲的形式有很大脉冲的形式有很大关系。关系。谐波抑制谐波抑制PWM法：谐波最法：谐波最小，由计算求得斩切角来实小，由计算求得斩切角来实现现PWM。（实现困难）。（实现困难）51ppt课件正弦正弦PWM法：法：SPWM52ppt课件SPWM专用集成电路：专用集成电路：HEF4752：三相：三相SPWM波形生成电路波形生成电路SLE4520：德国西门子：德国西门子MA818：英国：英国MarconiSPWM脉冲产生方法脉冲产生方法：模拟电路：三角波法模拟电路：三角波法模拟、数字混合电路：模拟、数字混合电路：EPROM“”叠加法叠加法软件生成方法软件生成方法 53ppt课件二、二、PWM DCAC逆变器逆变器1单相逆变器单相逆变器54ppt课件2三相逆变器三相逆变器准谐振型开关变流器准谐振型开关变流器 ZCS：零电流开关：零电流开关 ZVS：零电压开关：零电压开关55ppt课件