《电力电子技术》word版.doc

电 力 电 子 技 术Power Electronics电 子 教 案自动化学院“电力电子技术”课程组编写绪 论一、教学目的与要求让学生了解电力电子技术的基本概念、发展史及其应用领域二、授课主要内容 1电力电子技术概念 2电力电子技术发展史 3应用领域、举例三、重点、难点及对学生的要求 1重点：电力电子的基本概念机器应用 2难点：电力电子技术的概念 3要求：掌握电力电子技术的基本概念 了解电力电子技术的发展史 熟悉电力电子技术的应用领域四、辅助教学情况多媒体课件、板书相结合五、复习思考题 1什么是电力电子技术？ 2电力变换的种类六、教材：电力电子技术，王兆安、黄俊主编机械工业出版社，2005年1月第4版七、参考教材1. 电力电子技术 ，张友汉主编 ，北京：高等教育出版社，2002 2. 电力电子技术 ，王云亮主编 ，北京：电子工业出版社，2004.8 3. 电力电子技术基础 ，应建平等编著，北京：机械工业出版社，20034. 电力电子技术手册 ，(美)Muhammad H.Rashid主编；陈建业等译 ，北京：机械工业出版社，2004 5.电力电子技术释疑与习题解析 ，葛延津主编 ，沈阳：东北大学出版社，2003 6. Power electronics: converters, applications, and design N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins，高等教育出版社八、主要外语词汇：power electronics; information electronics; rectifier; chopper; inverter; Uninterruptible Power Supply; High-voltage dc transmission; Flexible ac transmission(FACTS)1. 什么是电力电子技术（What is power electronics）1.1电力电子与信息电子技术(power electronics and information electronics)信息电子技术信息处理电力电子技术电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。电力电子技术使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.2 两大分支电力电子器件制造技术：电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。变流技术（电力电子器件应用技术）：用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术；是电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。13 变流技术的种类电力交流和直流两种：从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流电力变换四大类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1 电力变化的种类1.4 与相关学科的关系电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现；1974年，美国的W. Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受；1） 与电子学（信息电子学）的关系都分为器件和应用两大分支器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态电力电子电路的器件一般只工作在开关状态二者同根同源2） 与电力学（电气工程）的关系电力电子技术广泛用于电气工程中：高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支3） 与控制理论（自动化技术）的关系控制理论广泛用于电力电子系统中电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口控制理论是这种接口的有力纽带电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术1.5 地位和未来电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱计算机人脑 电力电子技术消化系统和循环系统 电力电子运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术 能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。 20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展2. 电力电子技术的应用一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源： 为信息电子装置提供动力家用电器： “节能灯”、变频空调其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。3发展史 电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的4. 教材的内容简介和使用说明4.1 教材的内容简介教材的内容可分为三大部分u 第一部分：电力电子器件（第1章-全书的基础)第二部分：各种电力电子电路 （第25章和第8章-全书的主体)第三部分：PWM技术和软开关技术 （第6、7两章）4.2 教材的使用说明每章的最后有小结，对全章的要点和重点进行总结。教材正文后附有“教学实验”部分，精选了5个最基本的，也有较高实用价值的实验 。书末附有“术语索引”。课时分配：课内教学学时为4856学时（包含实验，每个实验2学时）。和其他课程的关系：电路/电子技术基础电力电子技术运动控制系统第一章 电力电子器件一、 教学目的与要求通过本章的学习使学生掌握各种电力电子器件的特性和使用方法。二、授课内容1、 电力电子器件的概念、特点和特性。2、 各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数及选择和使用中应注意的一些问题。三、重点、难点及学生的要求1、重点1） 晶闸管，GTO, GTR, P-MOSFET等 电力电子器件的工作原理，基本特性 及主要参数。2） 电力电子器件的驱动及保护2、难点各类电力电子器件的基本特性。3、 要求1) 掌握电力电子器件的型号命名法医及其参数和特性曲线的使用方法。 2) 掌握各类电力电子器件驱动电路的特点。 3) 熟悉各类保护电路的作用及原理。 4) 了解电力电子器件的串并联使用方法 四、主要外语词汇Power Electronic Device ThyristorInsulated-Gate Bipolar Transistor IGBTPower MOSFETGate-Turn-off Thyristor-GTOPower DiodeSemiconductor Rectifier-SRRectifier DiodeGiant Transistor -GTR 五、辅助教学情况： 板书与多媒体课件相结合 六 复习思考题： 1-1，1-2，1-3，1-9 1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子电路的基础 电力电子器件概念:电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路广义上分为两类: 电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件) 半导体器件(采用的主要材料仍然是硅)1.1.1 应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2 控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。1.1.2 电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：1)半控型器件: 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。2)全控型器件: 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。3)不可控器件:不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。12 不可控器件电力二极管。Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 。势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。1.2.2 电力二极管的基本特性1. 静态特性主要指其伏安特性 电力二极管的基本特性开通过程：电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示1.2.3 电力二极管的主要参数1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。 2. 正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降，有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。3.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3，使用时往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。 4. 最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。5. 反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。6. 浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 1.2.4 电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。1. 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中，其反向恢复时间较长，一般在5ms以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2. 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）3. 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点：反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。 13 半控器件晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下a 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a 迅速增大。 阻断状态：IG=0，a1+a2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。阳极电压上升率du/dt过高。结温较高。光直接照射硅片，即光触发。光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。 1.3.2 晶闸管的基本特性 1. 静态特性 总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1) 正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。2) 反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。2. 动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形1) 开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+ tr （1-6）普通晶闸管延迟时为0.51.5ms，上升时间为0.53ms。晶闸管的开通和关断过程波形2) 关断过程反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr , 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。1.3.3 晶闸管的主要参数1. 电压定额1)通态平均电流 IT(AV) 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。2) 维持电流 IH : 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。3) 擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。4) 浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。 2. 电流定额1)通态平均电流 IT(AV) 2) 维持电流 IH 3) 擎住电流 IL 4) 浪涌电流ITSM3. 动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： (1) 断态电压临界上升率du/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。(2) 通态电流临界上升率di/dt 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 。1.3.4 晶闸管的派生器件1. 快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10ms左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。2.双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）4. 光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）1.4 典型全控型器件门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。1.4.1 门极可关断晶闸管1. GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：由上述分析我们可以得到以下结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使a1+a2 BUcex BUces BUcer Buceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。 2)集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic，实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。4. GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）1. 电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型电力MOSFET的结构小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。MOSFET的漏极伏安特性：截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2) 动态特性开通过程开通延迟时间td(on) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和。关断过程关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和。MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。 14.2 绝缘栅双极晶体管GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。1. IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EIGBT的结构图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2. IGBT的基本特性 1)IGBT的静态特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V。输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。2)IGBT的动态特性 IGBT的开通过程 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。开通延迟时间td(on) 从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM。 电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和。uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。IGBT的关断过程关断延迟时间td(off) 从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM 。电流下降时间iC从90%ICM下降至10%ICM 。 关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。1.5 其他新型电力电子器件 1.5.1 MOS控制晶闸管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点： MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。 晶闸管的高电压大电流、低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。1.5.2 静电感应晶体管SITSIT（Static Induction Transistor）1970年，结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。1.5.3 静电感应晶闸管SITHSITH（Static Induction Thyristor）1972年，又被称为场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）。 比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结， SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。20世纪80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。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、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率成电路（Power Integrated CircuitPIC）。类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。1.6 电力电子器件驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器。磁隔离的元件通常是脉冲变压器。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。1.6.1 晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。V1、V2构成脉冲放大环节脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设。1.6.2 典型全控型器件的驱动电路1) GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流。使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路2) GTR开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。2. 电压驱动型器件的驱动电路栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 -5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。1.7 电力电子器件器件的保护 过电压的产生及过电压保护电力电子装置可能的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等外因。 (1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。 (2) 雷击过电压：由雷击引起内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。 (1) 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 (2) 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过电压的产生及过电压保护外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图1-35。 大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路。过电流保护过电流过载和短路两种情况常用措施采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。选择快熔时应考虑：(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。(3)快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值。(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。缓冲电路（Snubber Circuit）缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓冲电路。其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路作用分析无缓冲电路：V开通时电流迅速上升，di/dt很大。关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。有缓冲电路：V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢。V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。缓冲电路中的元件选取及其他注意事项Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册。VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10。尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容。中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路。对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可。 1.8 电力电子器件器件的串联和并联使用 晶闸管的串联目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压：串联的器件流过的