电力电子器件及其应用第三章教学课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 电力电子器件及其应用,王俭朴,车辆工程系,城市轨道车辆教研室,1,第三章 电力电子器件及其应用,主要内容,可关断晶闸管,(GTO),绝缘栅双极晶体管,(IGBT),智能功率模块功率,(IPM),电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,2,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO,的特点,GTO,逆变器的体积比晶闸管逆变器的,体积减小,40%,以上，,重量也大为减轻,。,由于,GTO,逆变器,不需要强迫换流电路,，而使电路的损耗减少了,64,左右。这些优点对重量、体积和效率都有严格要求的车辆电力牵引系统是十分重要的。,GTO,与,SCR,的重要区别是：,SCR,等效电路中两只晶体管的放大系数比,1,大得较多，通过导通时两只等效晶体管的正反馈作用，使,SCR,导通时的饱和较深，因此无法用门极负信号去关断阳极电流；,GTO,则不同，总的放大系数仅稍大于,1,而近似等于,1,，因而,处于临界导通或浅饱和状态,。,3,第一节,可关断晶闸管,(GTO),把GTO接入电阻负载电路，在门极加上,正的触发脉冲,和,足够大的负脉冲,时，GTO就能,导通,和,关断,，,GTO的符号及电路如图3-2(a)所示,，,波形如图3-2(b)所示。,图3-2 GTO的符号、电路与波形,(a)符号与触发电路 (b)门极和阳极电流波形,5,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO,的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图,(a)GTO的关断电路,(b)关断时的波形,6,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO,的主要特性,阳极伏安特性,逆阻型,GTO,的阳极伏安特性。由图可知，它与,SCR,的伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，,GTO,即正向开通，这种现象与,SCR,及其家族基本相同，称为电压触发。此时不一定会使元件损坏，但是外加电压超过反向击穿电压之后，会发生雪崩击穿现象，由此损坏器件。非逆阻型,GTO,则不能承受反向电压。,GTO,的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影响较大。随着结温的升高，,GTO,的耐压会下降，如图所示。,7,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO,的主要特性,通态压降特性,GTO,的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如图所示。由图可见随着阳极通态电流的增加，其通态压降增加，即,GTO,的通态损耗也增加。,GTO,的开通特性,元件从断态到通态的过程中，电流、电压及功耗随时间变化的规律为元件的开通特性，一个动态过程。,GTO,的开通特性如图所示。,开通时间由延迟时间和上升时间组成。开通时间取决于元件的特性、门极电流上升率以及门极触发电流幅值的大小等因素。,8,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO,的主要特性,GTO,的关断特性,GTO,关断过程中的,阳极电压,、,阳极电流,和,功耗,与,时间,的关系是,GTO,的关断特性,;,关断过程中的存贮时间与下降时间两者之和称为关断时间；也有些文献与元件生产工厂定义关断时间为,存贮时间,、,下降时间,，还有时间上长达几十的,尾部时间,三者之和。,9,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO,的主要参数,可关断峰值电流,一般可关断峰值电流是有效值电流的,2,3,倍；,GTO,的阳极电流允许值受两方面因素的限制：一个是受热学上的限制；另一个是受电学上的限制。,关断时的阳极尖峰电压,尖峰电压是感性负载电路中阳极电流在 时间内的,电流变化率,与,GTO,缓冲保护电路的,电感,的乘积。,阳极电压上升率,静态电压上升率,是指,GTO,还没有导通时所能承受的最大断态电压上升率。,动态电压上升率,是指,GTO,关断过程中的阳极电压上升率,。,阳极电流上升率,10,第一节,可关断晶闸管,(GTO),可关断晶闸管,(GTO),的门控电路,GTO,关断过程的机理及其波形,对大功率电力电子元件正向特性的要求是,通态电流大，通态电压低,，因此在通态下就必须使元件具有足够多的载流子存贮量，这就给元件的关断带来了特殊困难。,GTO,门控电路的基本要求就是从门极排出,P2,基区中,(,见图,3-3(a),过剩的载流子,(,空穴,),，这就是说必须在门极加上足够大的反向电压，使,P2,基区中过剩的空穴通过门极流出，与此同时电子通过,P2,基区与,N2,发射极间的,J3,结从阴极排出。随着电子和空穴的排出，在,P2,基区和,J3,结的地方形成逐渐向中心区扩大的耗尽层，,如图,3-10,所示,。,11,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO关断过程的机理,图,其结果是从N2发射极没有电子向P2区注入，在P2基区及N2基区中的过剩载流子一直复合到消失为止，如J3结能维持反偏状态，GTO就被关断。由此可见，关断GTO的前提是门控电路要有足够大的关断电流，以便从门极排出足够大的门极关断电荷，同时其关断功率又不能超过允许值。,图3-10（a),关断时空穴从门极抽出 (b)耗尽层的形成,12,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO,导通与关断过程波形图,图3-11（,a)阳极电压、电流波形 （b)门极电压、电流波形,13,第一节,可关断晶闸管,(GTO),设计门控电路时，保证GTO关断电路中的储能电容器具有电,容,量,的确定：,由图3-11可见，由门极反向电流,所包围的门极关断电荷量为,由于关断时间为,，且门极关断电流的峰值约为(1/,5,1/,3,)的可关断峰值电流,，故有,所以设计门控电路时，应保证GTO关断电路中的储能电容器具有电荷量：,已知电容电压,，即可求得关断GTO所需的电容量C,14,第一节,可关断晶闸管,(GTO),可关断晶闸管,(GTO),的门控电路,GTO,门控电路的基本参数,正向强触发电流,触发电流脉冲宽度,触发电流上升率,正向偏置电流,门极反向电流幅值,门极反向电流上升率,门极反向电压,关断脉冲宽度,15,第一节,可关断晶闸管,(GTO),GTO,的门控电路,GTR的GTO门控电路,输入正脉冲信号使T1导通，电源E1经T1、R1(C1)、R2使GTO导通，同时E1储能电容C2振荡充电。当T2的基极加以关断信号off时，T2导通，C2经L2、T2、GTO门极放电，使GTO关断。与门极并联的稳压管支路用来改善关断脉冲的波形，关断时导通的T3构成T3、D4支路，使GTO加上负偏置，增进关断可靠性。,图3-12 用GTR的GTO门控电路原理图,16,第一节,可关断晶闸管,(GTO),可关断晶闸管,(GTO),的门控电路,用,MOSFET,的,GTO,门控电路,17,第二节绝缘栅双极晶体管,(IGBT),复合型电力电子器件IGBT是绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)的简称，它,综合了GTR,的安全工作区宽、电流密度高、导通压降低和金属氧化层半导体场效晶体管,MOSFET,（Metal,O,xide,Semiconductor Field Effect Transistor）输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、热稳定性好的,优点,。,IGBT的工作原理,IGBT是以MOSFET为驱动元件、GTR为主导元件的达林顿电路结构器件。它相当于一个由场效应管MOSFET驱动的厚基区GTR。,一般的IGBT模块中，还封装了反并联的快速二极管，以适应逆变电路的需要，因此没有反向阻断能力。,IGBT的控制原理与MOSFET基本相同，IGBT的开通和关断受栅极控制，N沟道型IGBT的栅极上加正偏置并且数值上大于开启电压时，IGBT内的MOSFET的漏极与源极之间因此感应产生一条N型导电沟道，使MOSFET开通，从而使IGBT导通。反之，如在N沟道型IGBT上加反偏置，它内部的MOSFET漏源极间不能感生导电沟道，IGBT就截止。,18,第二节绝缘栅双极晶体管,(IGBT),IGBT,的工作原理,1GBT,的等效电路及图形符号,图,3-14 1GBT,的等效电路及图形符号,(a),简化等效电路,(b),二种图形符号,(c),实际等效电路,19,第二节绝缘栅双极晶体管,(IGBT),静态与动态特性,伏安特性,伏安特性即输出特性，,N-IGBT,的伏安特性如图,3-15(a),所示。,截止区,即正向阻断区,，栅极电压没有达到,IGBT,的开启电压,V,GS,(th),。,放大区,即线性区,，输出电流受栅源电压的控制，,V,GS,越高、,I,D,越大，两者有线性关系。,饱和区,，此时因,V,DS,太小，,V,GS,失去线性控制作用。,击穿区,，此时因,V,DS,太大，超过击穿电压,BV,DS,而不能工作。,图3-15 1GBT的伏安特性和转移特性,（a),伏安特性示意图 (b)实际的伏安特性 (c)转移特性,20,第二节绝缘栅双极晶体管,(IGBT),静态与动态特性,转移特性,如在图,3-15(b),横轴上作一条垂直线（即保持,V,CE,为恒值）与各条伏安特性相交，可获得转移特性。这是漏极电流与栅源电压,V,GE,之间的关系曲线，如图,3-15(c),所示。,动态特性,IGBT,在开通和关断过程中，漏源电压、栅源电压 和漏极电流 的变化情况。开通时间由开通延迟时间、电流上升时间和电压下降时间三者组成，关断时间由关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间三者组成。,21,第二节绝缘栅双极晶体管,(IGBT),擎住效应,概念,由于,IGBT,结构上难以避免的原因，它的等效电路图实际上如图,3-14(c),所示，内部存在一只,NPN,型寄生晶体管，当漏极电流大于规定的临界值时，该寄生晶体管因有过高的正偏置被触发导通，使,PNP,管也饱和导通，结果,IGBT,的栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应。,危害,IGBT,发生擎住效应后漏极电流增大，造成过高的功耗，最后导致器件损坏。,如何防止,不使漏极电流超过 ，防止静态擎住效应；,还可用加大栅极电阻的办法，延长,IGBT,的关断时间。防止动态擎住效应。,22,第二节绝缘栅双极晶体管,(IGBT),擎住效应,正向偏置安全工作区,IGBT开通时的正向偏置安全工作区FBSOA由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成,最大漏极电流,是按避免擎住效应而由制造时确定的；,最高漏源电压,是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压规定的；,最高功耗,由最高允许结温所规定。,反向偏置安全工作区,它随IGBT关断时的重加 而改变，数值越大，越容易引起IGBT的误导通，因此相应的反向偏置安全工作区越狭窄。,（a）正向安全工作区(b)反向安全工作区,23,第二节绝缘栅双极晶体管,(IGBT),IGBT的栅极驱动电路,IGBT栅控电路的要求,提供适当的正向和反向输出电压,，使IGBT能可靠地开通和关断；,提供足够大的瞬时功率或瞬时电流,，使IGBT能及时迅速建立栅控电场而导通；,输入、输出延迟时间尽可能小,，以提高工作频率；,输入、输出电气隔离性能高,，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；,具有灵敏的过电流保护能力,。,IGBT栅控电路的,一些注意事项,栅极负偏压对IGBT的关断特性影响不大，但在驱动电动机的逆变器电路中，为了使IGBT能稳定可靠地工作，还需要负偏压。,负偏压通常取-5V或者稍大一些。,IGBT栅控电路中的栅极电阻对它的工作性能影响颇大，取较大的，对抑制IGBT的电流上升率及降低元件上的电压上升率都有好处，但若过大，就会过分延长IGBT的开关时间，使它的开关损耗加大，这对高频的应用场合是很不利的，而过小的可使电流变化率太大而引起IGBT的不正常或损坏,。,为了使栅极驱动电路与信号电路隔离，应采用抗干扰能力强、信号传输时间短的光耦合器件。,IGBT门极与发射极的引线应尽量短，以减少栅极电感和干扰信号的进入。,24,第二节绝缘栅双极晶体管,(IGBT),用光耦器件隔离信号电路与,栅,控,电路,图3-19中，用光耦器件隔离信号电路与栅控电路。栅控电路由MOSFET及晶体管推挽电路构成，具有正、负偏置。当输入信号为高电平时，光耦,导通，,MOSFET截止