第1章电力电子器件第五讲.

1.1、电力电子器件的基本模型1.2、电力二极管1.3、晶闸管1.4、可关断晶闸管1.5、电力晶体管1.6、电力场效应晶体管1.7、绝缘栅双极型晶体管1.8、其它新型电力电子器件1.9、电力电子器件的驱动与保护第1章、电力电子器件•1.8.1静电感应晶体管•1.8.2静电感应晶闸管•1.8.3MOS控制晶闸管•1.8.4集成门极换流晶闸管•1.8.5功率模块与功率集成电路1.8、其它新型电力电子器件第1章1.8.3MOS控制晶闸管（MCT）MCT自20世纪80年代末问世，已生产出300A/2000V、1000A/1000V的器件；结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET；与IGBT一起竞争发展，但经过10多年的努力，其关键技术没有打的突破，电压和电流容量远未达到预期数值，未投入实际应用。而其竞争对手IGBT却进展飞速，目前从事MCT研究的人不多。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；第1章1.8、其它新型电力电子器件•1.8.1静电感应晶体管•1.8.2静电感应晶闸管•1.8.3MOS控制晶闸管•1.8.4集成门极换流晶闸管•1.8.5功率模块与功率集成电路第1章1.8.1静电感应晶体管（SIT）它是一种节型场效应晶体管。单极型多子导电的器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的高频感应加热电源)。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、差转机微波以及空间技术等领域。缺点：1.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，使用不方便，未流行开。2.通态电阻大，通态损耗也较大。第1章•1.8.1静电感应晶体管•1.8.2静电感应晶闸管•1.8.3MOS控制晶闸管•1.8.4集成门极换流晶闸管•1.8.5功率模块与功率集成电路1.8、其它新型电力电子器件第1章1.8.2静电感应晶闸管（SITH）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；优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小、di/dt及du/dt耐量高等；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；缺点：正常导通型，也有正常关断型；电流关断增益小；制造工艺复杂，成本高；第1章•1.8.1静电感应晶体管•1.8.2静电感应晶闸管•1.8.3MOS控制晶闸管•1.8.4集成门极换流晶闸管•1.8.5功率模块与功率集成电路1.8其它新型电力电子器件第1章1.8.4MOS控制晶闸管（IGCT/GCT）IGCT：（IntegratedGate-CommutatedThyristor）也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）集成门极换流晶闸管。•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；•IGCT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。第1章•1.8.1静电感应晶体管•1.8.2静电感应晶闸管•1.8.3MOS控制晶闸管•1.8.4集成门极换流晶闸管•1.8.5功率模块与功率集成电路1.8、其它新型电力电子器件第1章1.8.5功率模块与功率集成电路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(引线短)，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，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。•三大障碍：电绝缘（高低压）、热绝缘（器件发热对控制电路有影响），防电磁干扰（开关速度快时）PIC（PowerIntegratedCircuit）：第1章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（HighVoltageIC，简称HVIC，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（SmartPowerIC，简称SPIC，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（IntelligentPowerModule，简称IPM，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）。1.8.5功率模块与功率集成电路第1章1.1、电力电子器件的基本模型1.2、电力二极管1.3、晶闸管1.4、可关断晶闸管1.5、电力晶体管1.6、电力场效应晶体管1.7、绝缘栅双极型晶体管1.8、其它新型电力电子器件1.9、电力电子器件的驱动与保护第1章、电力电子器件1.9、电力电子器件的驱动与保护1.9.1电力电子器件的换流方式1.9.2驱动电路1.9.3保护电路1.9.4缓冲电路1.9.5散热系统第1章1.9.1电力电子器件的换流方式•在图1.9.1中，T1、T2表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，当T1关断，T2导通时，电流流过T2；当T2关断，T1导通时，电流i从T2转移到T1。图1.9.1桥臂的换流电力半导体器件可以用切断或接通电流的开关表示。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）。第1章（1）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流称为器件换流。（2）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换流。（3）负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载换流。凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可以实现负载换流。1.9.1电力电子器件的换流方式一般来说，换流方式可分为以下四种：第1章•在晶闸管T处于导通状态时,预先给电容C按图中所示极性充电。如果合上开关S，就可以使晶闸管T被加反压而关断。图1.9.2脉冲电压换流原理图1.9.1电力电子器件的换流方式脉冲电压换流原理：（4）脉冲换流：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个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。第1章晶闸管T处于导通状态时，预先给电容C按图中所示的极性充电。图(b)中，接通开关S后，(1)C通过T放电，L充电，正向电流逐渐增大到最大；（2）L经T放电续流，C充电，下正上负，直到正向电流减小到0，L放电结束，C充电结束；（3）C经D放电，L充电，反向电流逐渐增大到最大，直到C放电结束，L充电结束；（4）L经D放电C充电，上正下负，反向电流逐渐减小到0，L放电结束，C充电结束。整个周期结束。图1.9.3脉冲电流换流原理图1.9.1电力电子器件的换流方式脉冲电流换流原理:第1章1.9.2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。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：第1章作用：产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。图1.9.4为基于脉冲变压器TR和三极管放大器的驱动电路。工作原理：当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器TR输出电压经D2输出脉冲电流触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，D1、DZ续流，TR的原边电压速降为零，防止变压器饱和。1.9.2驱动电路图1.9.4带隔离变压器的SCR驱动电路1．晶闸管SCR触发驱动电路第1章图1.9.5光耦隔离的SCR驱动电路。工作原理：当控制系统发出驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中R上的电压产生脉冲电流触发SCR导通。图1.9.5光耦隔离的SCR驱动电路1．晶闸管SCR触发驱动电路1.9.2驱动电路第1章开通：在门极加正驱动电流。2．GTO的驱动电路GTO的几种基本驱动电路：关断：在门极加很大的负电流第1章1）图1.9.6(a)晶体管Ｔ导通、关断过程：•电源Ｅ经Ｔ使GTO触发导通，电容Ｃ充电，电压极性如图示。当Ｔ关断时，电容Ｃ放电，反向电流使GTO关断。•Ｒ起开通限流作用，Ｌ在SCR阳极电流下降期间释放出储能，补偿GTO的门极关断电流，提高了关断能力。•该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电源，其关断能力有限且不易控制。另一方面，电容Ｃ上必须有一定的能量才能使GTO关断，故触发Ｔ的脉冲必须有一定的宽度。1.9.2驱动电路图1.9.6(a)2.GTO的几种基本驱动电路：（续）第1章导通和关断过程：图1.9.6(b)导通：Ｔ1、Ｔ2导通时GTO被触发；关断：Ｔ1、Ｔ2关断和SCR１、SCR２•导通时GTO门极与阴极间流过•负电流而被关断；1.9.2驱动电路图1.9.6(b)2.GTO的几种基本驱动电路：（续）由于GTO的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；第1章1.9.2驱动电路图1.9.6(c)中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。图1.9.6(d)，对于300A以上的GTO，用此驱动电路可以满足要求。2.GTO的几种基本驱动电路：（续）第1章1.9.2驱动电路•1)作用:•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。2)功能:①提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断(期望的基极驱动电流波形如图1.9.7所示)。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。图1.9.7理想的基极驱动电流波形3．GTR的驱动电路第1章3．GTR的参考驱动电路（续）图1.9.8双电源驱动电路第1章控制电路用光耦实现电隔离，正负电源供电。当输入端S为低电平时，T1、T3导通，T4、T5截止，B点电压为负，给GTR基极提供反向基流，此时GTR(T6)关断。当S端为高电平时，T1、T3截止，T4、T5导通，T6流过正向基极电流，此时GTR导通。•由于IGBT的输入特性几乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于VDMOS。1.9.2驱动电路图1.9.11采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路控制脉冲经晶体管T放大后送到脉冲变压器，由脉冲变压器耦合，并经、稳压限福后驱动IGBT。脉冲变压器的一次侧并联了续流二极管D1，以防止T中可能出现的过电压。R1限制栅极驱动电流的大小，R1两端并联了加速二极管来提高开通速度。4．MOSFET和IGBT的驱动电路第1章至此1.9.1电力电子器件的换流方式1.9.2驱动电路1.9.3保护电路1.9.4缓冲电路1.9.5散热系统1.9、电力电子器件的驱动与保护第1章1.9.3保护电路•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。•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，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事故。第1章•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。(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