电力电子技术1

1、2021-8-61 电力电子技术电力电子技术 POWER ELETRONICSPOWER ELETRONICS 山东交通学院 信息工程系 制作者：王旭光 庞希愚 TelEmail: 2021-8-6 2 0.1电力电子学科的性质 0.2电力电子技术简史 0.3电力电子技术的主要内容 绪 论 绪 论 3 2021-8-6 电力电子技术研究电力电子技术研究 用电子技术对能量的用电子技术对能量的 形式进行变换。形式进行变换。 电力电子技术是一电力电子技术是一 门边缘学科。横跨电门边缘学科。横跨电 力工程、电子技术和力工程、电子技术和 自动控制三大领域。自动控制三大领域。

2、 0.1电力电子技术学科的性质 4 2021-8-6 8080年代则有了另一个功率器件：绝缘栅双极晶闸管年代则有了另一个功率器件：绝缘栅双极晶闸管 （IGBTIGBT）。接着开发的是场控晶闸管（）。接着开发的是场控晶闸管（MCTMCT）。）。 0.2电力电子技术的发展简史 电力电子技术早在电力电子技术早在1900年初就已出现，但当时很杂乱，年初就已出现，但当时很杂乱， 不能称为真正的学科。不能称为真正的学科。 1956年，美国贝尔电话公司的年，美国贝尔电话公司的John.mell制造出世界制造出世界 上第一个晶闸管，上第一个晶闸管，1957年，得到了商业化应用。、一年，得到了商业化应用。、一

3、般把般把1957年作为电力电子技术诞生的时间。年作为电力电子技术诞生的时间。 70年代初期出现了大功率晶体管年代初期出现了大功率晶体管(GTR)，70年代年代 末又有功率场效应晶体管（末又有功率场效应晶体管（Power MOSFET）。）。 5 2021-8-6 0.3电力电子技术的主要内容 1.AC-CD1.AC-CD，把交流电变为直流电，称为，把交流电变为直流电，称为整流整流。 2.CD-AC2.CD-AC，把直流电变为交流电，这是整流的逆过程，称为，把直流电变为交流电，这是整流的逆过程，称为逆变逆变。 3.AC1-AC23.AC1-AC2，把一种形式的交流电变为另一种形式的交流电。若变换

4、前，把一种形式的交流电变为另一种形式的交流电。若变换前 后频率不变，称为后频率不变，称为交流调压交流调压，若变换前后频率变化，称为，若变换前后频率变化，称为变频变频。 4.DC1-DC2,4.DC1-DC2,对直流电压的大小进行变换，称为对直流电压的大小进行变换，称为斩波斩波。 5.5.无触点电子开关。无触点电子开关。 6 2021-8-6 0.4 电力电子技术的应用 矿业开发 工业控制 电力机车 直流输电 军事 家用电器 农业生产 文化娱乐 办公自动化 机器人 2021-8-6 7 第1章 电力电子器件 电力 电子 器件 11.1 单向导电器件 21.2 晶闸管 31.3 全控器件 4 1.

5、4 新型电力电子器件 51.5 电力电子器件的驱动 61.6 电力电子器件的保护 71.7 电力电子器件的缓冲电路 8 2021-8-6 电力电子器件的种类 9 2021-8-6 各类电力电子器件的应用范围 10 2021-8-6 1.1 单向导电器件 早期的器件，如真空的电子二极管、充有某种气体 的离子管以及水银整流器。也出现过一些固体的单向 导电器件，如用氧化铜、硒等制成的整流器件。 工业生产还曾大量采用交直机组。 早期的单向导电器件 上述器件都有很严重的缺陷。氧化铜和硒片制成的 整流器件耐压很低，它们的反向漏电流也较大。电子 管内有灯丝，寿命短，体积大，玻璃封装，易碎。水 银整流器内含有

6、毒的汞蒸汽。交直机组工作时伴随 着机械运动，从而出现了噪声、振动、摩擦等问题， 使得效率降低，维修量大。 11 2021-8-6 功率二极管的工作频率有很大的差别，使用时要根据 工作频率合理选择。 1.1 单向导电器件 功率二极管的注意事项 V3112220 正确理解额定电压的含义。额定电压指二极管承受最大 电压的瞬时值。如一个二极管两端加220V的正弦电压， 其有效值为220V，但其最大瞬时值为 正确理解额定电流的含义。二极管的额定电流为其 能够承受的正弦半波电流的最大平均值. 2021-8-6 12 1.2 晶闸管晶闸管 1.2.1 晶闸管的结构和工作原理1 1.2.2 晶闸管的特性2 1

7、.2.3 晶闸管的主要参数 3 1.2.4 国产晶闸管的型号4 13 2021-8-6 晶闸管的外形和电路符号 螺栓式 模块 平板式TO-220 1.2.1 晶闸管的结构和工作原理 14 2021-8-6 晶闸管可以等效成2个三极管 1.2.1 晶闸管的结构和工作原理 15 2021-8-6 要使晶闸管从阻断态转为导通态， 必须同时满足以下条件： 1.阳极与阴极之间加正向电压， UAK0。 2.门极与阴极之间加正向电压， UGK0。 要使晶闸管从导通态转为阻断状态 ，需满足以下条件之一： 1.使阳极电流接近0，IA=0。 2.在阳极与阴极之间加反向电压， UAK0。 实验电路 晶闸管的外部特性

8、 1.2.2 晶闸管的特性 16 2021-8-6 晶闸管的阳极特性曲线 1.1.在无门极电流时，当在无门极电流时，当A-KA-K 之间加正向电压，阳极只之间加正向电压，阳极只 有很小的漏电流。有很小的漏电流。 2.2.当阳极电压增大到一定值当阳极电压增大到一定值 时，器件会从阻断态转为导时，器件会从阻断态转为导 通态，称为通态，称为“硬开通硬开通”。 3.A-K3.A-K之间加反向电压，会之间加反向电压，会 出现很小的反向漏电流，当出现很小的反向漏电流，当 电压达到一定值时，会出现电压达到一定值时，会出现 “击穿击穿”。 1.2.2 晶闸管的特性 17 2021-8-6 1.2.3晶闸管的主

9、要参数电压参数 断态不重复峰值电压UDSM和断态重复峰值电压UDRM 这一参数用来衡量晶闸管对正 向电压的耐受能力。当正向电压 高至UBO时，即使没有门极电流 晶闸管也会进入导通状态，在工 程应用中这是不允许的。实际上， 在电压接近UBO时，阳极电流就 开始增大，这一点就是不重复峰 值电压UDSM。 由于普通型晶闸管多用于50Hz 的交流电，重复峰值电压UDRM 是针对器件50Hz的正弦半波电压 的承受能力设置的，规定 UDRM=0.9UDSM。 1 18 2021-8-6 1.2.3 晶闸管的主要参数电压参数 反向不重复峰值电压URSM和反向重复峰值电压URRM 这一参数用来衡量晶闸管 的反

10、向电压的耐受能力。 当反向电压高至UBR时， 晶闸管会进入击穿状态， 在电压接近UBR时，阳极 电流就开始增大，这一点 就是不重复峰值电压URSM。 同样，反向重复峰值电压 URRM是针对器件50Hz的 正弦半波反向电压的承受 能力设置的，规定 URRM=0.9URSM。 2 19 2021-8-6 额定电压Ue定义如下：取UDRM和URRM中的较小者， 去掉百位以下的数即为额定电压Ue。例如某晶闸管 UDRM=832V；URRM=786V，则取较小者786V，然后 去掉百位以下的数86，该晶闸管的额定电压为700V。 1.2.3晶闸管的主要参数电压参数 晶闸管的额定电压Ue 当电流为额定通态

11、平均电流时，阳极和阴极之间的 电压平均值为通态平均电压，也称为管压降。 3 晶闸管的通态平均电压UT 4 20 2021-8-6 1.2.3晶闸管的主要参数电流参数 晶闸管允许通过的最大正弦半波电流平均值。不同波形的电流即 使平均值相等，产生的热量也不相同。然而，如果电流的有效值相 等，无论波形如何，产生的热量是相同的。因此为了在不同的波形 下利用ITa作为限制晶闸管发热的依据，应对电流作以下处理：设允 许通过晶闸管的最大正弦半波电流的幅值为Im，则 m mTa I ttdII 0 )(sin 1 有效值为 2 )()sin( 1 0 2m m I tdtII I=（/2）ITa1.57ITa

12、。因此1.57ITa为晶闸管允许通过的最大有效值 电流。通常要求晶闸管的最大允许电流有效值（1.57ITa）与实际通 过的电流有效值IVT之间要留有1.5到2倍的裕量，即 57. 1 )25 . 1 ( VT Ta I I 1 通态平均电流ITa 21 2021-8-6 1.2.3晶闸管的主要参数电流参数 能够维持晶闸管处于导通状态的最小阳极电流，如 果IAIH。 2 维持电流 IH 3 掣住电流 IL 22 2021-8-6 1. 1.2.3晶闸管的主要参数动态参数 从在阳极和阴极之间加反向电压到晶闸管真正恢复阻断能力所需 要的时间称为关断时间tq。欲使晶闸管可靠地关断，阳极和阴极之 间的反

13、向电压的持续时间应大于tq。 开通时间tgt 晶闸管从门极得到正电压到真正进入导通状态需要一定的时 间，这一时间称为开通时间tgt，这一过程包括两个部分，延 迟时间td和上升时间tr。td阶段对应晶闸管内部的两个等效晶 体管正反馈建立的过程，此阶段IA上升缓慢；tr对应正反馈建 立后IA上升的过程。为可靠地开通晶闸管，门极控制电压作 用的时间不应小于tgt。 2. 关断时间tq 23 2021-8-6 1.2.3晶闸管的主要参数动态参数 在正向阻断状态，晶闸管的P-N结J2反偏，J2的结电容会由于两端 电压的变化而出现充放电电流，电流的大小为Cdu/dt。这一电流流 经J3，如果过大将会起到类

14、似于触发电流的作用，引起两个晶闸管 的正反馈，使晶闸管误导通。所以要对du/dt进行限制。 晶闸管从断态转为通态的过程中，阳 极首先从门极附近的一个小区域开始导 电，该区域逐渐扩大，最终扩展到整个 阳极。如果电流上升地过快，将使门极 附近的导电区域电流密度过大，此时虽 阳极电流并未超过规定值，但导电区域 会由于过热而烧坏。所以电流上升率 di/dt也不能太大。 3. 电压上升率du/dt 电流上升率di/dt 4. 24 2021-8-6 1.2.4 国产晶闸管的型号 D为D级 12为 1200V 100为 100A P为普通 型晶闸管 K为可控示例示例 额定电压额定电压通态电流类型可控意义意

15、义 字母数字数字汉语拼音汉语拼音符号符号 54321部分部分 例如KP100-12D型晶闸管，意义为：可控、普通型、通 态平均电流为100A、额的电压为1200V、通态电压为D级 由5部分组成，分别是字母或数字，第3、4部分之间有一 横线 2021-8-6 25 1.3 全控器件全控器件 1.3.1 可关断晶闸管GTO1 1.3.2 功率晶体管GTR2 1.3.3 功率场效应管MOSFET 3 1.3.4 绝缘栅双极型晶体管IGBT4 26 2021-8-6 1.3.1可关断晶闸管GTO外形与电路符号 GTO的外形 电路符号 27 2021-8-6 1.3.1可关断晶闸管GTO主要参数 可以通

16、过门极进行关断的最大阳极电流，当阳极电流 超过IAT0时，门极则无力通过IG将GTO关断。 GTO的主要参数 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM以及通态平 均电压UT的定义与普通型晶闸管相同，不过GTO承受反向电压的 能力较小，一般URRM明显小于UDRM。擎住电流IL和维持电流IH 的定义也与普通型晶闸管相同，但对于同样电流容量的器件，GTO 的IH要比普通型晶闸管大得多。GTO还有一些特殊参数如下。 1 可关断最大阳极电流IAT0 28 2021-8-6 1.3.1可关断晶闸管GTO主要参数 IAT0与IGRM的比值，OFF=IAT0/IGRM。这一比值 比较小，一般为5左

17、右，这就是说，要想关断GTO，所 要求的门极负电流的幅度也是很大的。如OFF=5， GTO的阳极电流为1000A，那么要想关断它必须在门 极加200A的反向电流。可以看出，尽管GTO可以通过 门极反向电流进行可控关断，但其技术实现并不容易。 为关断GTO门极可以施加的最大反向电流 门极最大负脉冲电流IGRM 2 电流关断增益OFF 3 29 2021-8-6 1.3.2功率晶体管GTR外形与电路符号 电路符号 外形 功率晶体管的结构与一般小功率晶体管 相似，内有两个P-N结，引出三个电极： 发射极、基极、集电极。并且也分为PNP 和NPN两大类。 30 2021-8-6 1.3.2功率晶体管G

18、TR开关过程 关断过程关断过程 从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降 （下降到90%ICO）对应的时间叫做存储时间ts。接 着是下降时间tf，定义为集电极电流从90%ICO下降 到10%ICO对应的时间。关断时间toff=ts+tf。 开通过程开通过程 GTR工作在开关状态， 在饱和区和截止区之间 相互切换。在刚开始施 加基极电流的一段时间 内，集电极电流变化很 小，定义从基极电流的 出现到集电极电流上升 至稳定值ICO的10%这段 时间为延迟时间td，然 后集电极电流迅速上升， 集电极电流从10%ICO上 升到90%ICO对应的时间 叫做上升时间tr。开通 时间ton=td+tr。 3

19、1 2021-8-6 1.3.2功率晶体管GTR极限参数 ICM：最大允许集电极电流，表示集电极最大允许通过的电流瞬时值。 PCM：一定管壳温度下集电极最大允许功耗，产品说明书的技术参数中 PCM与管壳温度必须同时标出。 BUCB0，发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压； BUCE0，基极开路时集电极与发射极之间的击穿电压； BUCER，发射极与基极之间用电阻连接时集电极与发射极之间的击穿电 压； BUCES，发射极与基极之间短路时集电极与发射极之间的击穿电压； BUCEX，发射结反偏时集电极与发射极之间的击穿电压。 这些击穿电压之间的关系为： BUCB0 BUCEX BUCES BUCER

20、 BUCE0。 GTR的极限参数 32 2021-8-6 1.3.2功率晶体管GTRSB和SOA SB 二次击穿（二次击穿（SB) 如果出现一次击穿时IC超过一定的数值，使 器件发热严重，进而会导致二次击穿的出现。 二次击穿的特征是，电流急剧上升而电压却 随之下降，二次击穿会造成GTR永久的损坏。 安全工作区（安全工作区（SOA) 这样要使GTR安全的工作，要受到ICM、 PCM、BUCE0和二次击穿曲线SB四个条件 的限制，不超过上述限制的区域叫做安全工 作区SOA（Safe Operating Area）。 33 2021-8-6 1.3.3 功率场效应管MOSFET外型和电路符号 电路符

21、号电路符号 外型外型 34 2021-8-6 1.3.3功率场效应管MOSFET结构 源极所连接的N型区域被P型 材料包围，形成一个个孤立的 “小岛”，漏极在器件的下部 （所以叫垂直导电结构），漏 极连接的N型材料形成一个 “凸”型，向上一直延伸到栅 极的下面。漏极区域与源极区 域之间被P型材料隔离，P型材 料的上端是氧化物绝缘材料， 再向上为栅极。这种结构可以 大大缩短导电沟道的长度，载 流子通过导电沟道后做垂直方 向的运动，可以通过更大的电 流。 35 2021-8-6 栅极不加电压的情况下，介于源极N型区域和漏极N型 材料“凸”型部分上端的N型区域之间的P型材料的两 侧形成两个P-N结，

22、由于其阻挡作用无论源漏之间的电 压方向如何都会有一个P-N结反偏，不可能有电流通过， 器件处于阻断状态。 如果栅极加正电压，由于电场的作用，栅极下面P型 材料中的多数载流子空穴被排斥，向下运动，同时栅极 的正电压又把P型材料中的少数载流子电子吸引到P型材 料的上部，这样“小岛”和“凸”型上部之间的P型材 料中就形成一段反型层，并把两侧的N型区连接起来， 消除了P-N结的阻挡作用。通常漏极接电源正，源极接 电源负，电流可以从漏极的N区通过P区的反型层到达 源极的N区，器件导通。栅极施加的正电压越高，反型 层越深，漏源之间的电流就越大。 1.3.3功率场效应管MOSFET工作原理 36 2021-

23、8-6 1.3.3功率场效应管MOSFET静态特性 图中Uth称为开启电压或门槛电压，如果UGSUth后开始出现漏极电流，并且UGS越大， 漏极电流就越大。 转移特性转移特性 因为MOSFET没有栅极电流， 不可能有像晶体管那样的反 映输出电压和输入电流的输 入特性曲线，但通过改变栅 极电压的大小可以控制 VDMOSFET的漏极电流（输出 电流）。可以通过转移特性 曲线描述栅极电压对漏极电 流的控制能力。 37 2021-8-6 1.3.3功率场效应管MOSFET静态特性 输出特性输出特性 输出特性曲线如图，反映漏 极电流ID与漏源之间的电压 UDS的关系。由图可见，它类 似于晶体管的输出特性

24、曲线族， 不同的是每条曲线的参数是 UGS，而双极型晶体管以IB作 为参数。 三个区域：三个区域： （1）当UGSUth时为截止区截止区，漏极电流极小。 （2）在UGSUth但UDS很小的一个范围，ID随UDS的增大而增大， 该区域称为非饱和区或可变电阻区可变电阻区，相当于双极型晶体管的“饱和 区”。（3）UDS增大到一定的程度，ID基本不随UDS变化，在栅极 电压一定的情况下，器件呈恒流特性，该区域称为饱和区饱和区。 38 2021-8-6 1.3.3功率场效应管MOSFET动态特性 在开通过程中，当G-S之间的 电压uGS上升到MOSFET的开启 电压Uth时，开始出现漏极电 流iD，此后

25、iD随uGS的增大而增 大，直至达到稳定值。从驱动 信号源出现电压到漏极出现电 流这段时间叫做开通延迟时间 td，从漏极出现电流到iD达到稳 定值对应的时间为上升时间tr， 两者之和为开通时间ton。 在关断过程中，首先驱动信号源的电压下降到0（或负值），G-S 之间的电容通过信号源内阻放电，开始的一段时间漏极电流并没有 变化，这段时间叫做关断延迟时间ts。之后，iD开始下降，当 uGSUT时，iD下降到0，此过程对应的时间为下降时间tf。关断时间 toff定义为 39 2021-8-6 1.3.3功率场效应管MOSFETSOA 在UDS较小的范围内，UDS越小D-S之间的导通电阻Ron越大，

26、同样 电流下发热越严重，所以在漏极电流较小的情况下，允许通过的电 流随UDS的减小而减小（如图中左端的斜线）。当UDS大到一定程度， Ron变得很小，允许通过的电流只受最大漏极电流IDM的约束。但在 UDS比较大时，安全工作区受到最大漏极功耗的限制，如图中右侧 的斜线。 MOSFETMOSFET的安全工作区的安全工作区 MOSFET在运行时受到D-S之 间最大电压、最大漏极电流 和最大漏极功耗等因素的限 制（MOSFET没有二次击穿）， 其正向偏置安全工作区如图 所示。该图的横轴为对数坐 标，所以功率曲线为直线。 40 2021-8-6 1.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT外形与电路符号 电路

27、符号电路符号 集电极集电极C C 发射极发射极E E 栅极栅极G G IGBT模块的外形模块的外形 41 2021-8-6 1.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT结构 器件的栅极G与发射极E之间的结构与MOSFET是相同的，所以IGBT也 是电压控制型器件。它的漏极不是直接引出，而是又经过一个PN结 在IGBT导通时这个PN结为正偏，P区向N区扩散空穴，提高电导率。 42 2021-8-6 1.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT静态特性 转移特性转移特性 IGBT也是一种电压控制型器件。 通过改变栅极G和发射极E之间的电 压来控制集电极电流IC的大小，栅极 也没有电流，不可能有类似普通双极 型晶体

28、管的输入特性曲线，反映控制 特性的曲线为转移特性曲线。 栅极-发射极之间的电压uGE较小时没有集电极电流。当uGE达到开启电压Uth 时，开始出现集电极电流，随栅极-发射极之间的电压uGE的增大，集电极电 流IC也增大，因此，IGBT也是一个电压控制型器件，这一点与MOSFET类 似。 43 2021-8-6 1.3.4 绝缘栅双极型晶体管IGBT静态特性 在uCE很小时，IC随uCE的增大而迅速上升，这个区域称为线性导电 区；uCE增大到一定值，IC不再随uCE变化而基本保持恒定，该区域为 恒流饱和区；如果继续uCE的值，使电压超出了器件的承受能力，则 曲线进入击穿区。电流增大，图中曲线发生

29、弯曲。 输出特性输出特性 反映集电极电流与集电极-发射 极间电压之间关系的曲线为输 出特性曲线，为一曲线族。曲 线族中每一条曲线由一个固定 的uGE值确定。 44 2021-8-6 1.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT动态特性 IGBT在开通和关断过程 中集电极电流iC与栅极电压 之间也存在着一定的延时。 从栅极-发射极之间电压uCE 上升到稳态值的10%到集 电极电流iC上升到稳态值的 10%对应的时间称为开通 延迟时间td。从iC上升到稳 态值的10%到上升至稳态 值的90%所对应的时间为 上升时间tr；开通时间ton： ton=td+tr。 把从uCE下降到原来的90%到iC下降到稳态值

30、的90%所对应的时间称 为关断延迟时间ts，iC从稳态值的90%下降到稳态值的10%对应的时 间称为下降时间tf。关断时间toff=ts+tf。 45 2021-8-6 1.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT动态特性 在IGBT中，除有一个PNP型三极管外， 还存在着一个NPN型寄生三极管，它由J1 和J2之间的N型材料、两侧的P型材料和与 E极连接的N+材料构成。这样，IGBT可左 图电路来等效。在NPN型三极管（图中的 V2）的B-E之间有一个与之并联的扩展电 阻Rbr，IGBT工作时电流会流过这个电阻 产生压降，相当于给NPN型三极管V2提供 正向偏置，偏置电压的大小与集电极电流 iC有关

31、。在一般情况下，该电压不大，不 至于使NPN型三极管导通，但如果iC很大， Rbr就可能给V2的发射结提供足够的电压 使其导通。V2一旦导通，就会与PNP型三 极管形成正反馈，两个晶体管很快进入饱 和状态，此时V1、V2实际上构成了一个 晶闸管，门极失去了控制作用。这就是所 谓擎住效应擎住效应。 擎住效应擎住效应 46 2021-8-6 1.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBTSOA IGBT的安全工作 区(SOA)由最大集 电极电流ICM、集 电极-发射极最大电 压UCEM和集电极 最大功耗与坐标轴 围成，如图所示 （图的横轴为对数 坐标，所以功率曲 线为直线）。 IGBT的SOA 2021-8

32、-6 47 1.4 新型电力电子器件新型电力电子器件 1.4.1 静电感应晶体管SIT1 1.4.2 静电感应晶闸管SITh2 1.4.3 MOS控制晶闸管MCT 3 48 2021-8-6 1.4.1静电感应晶体管SIT 当UGS=0，上述PN结两侧的 这个耗尽区不大，尚没有连 接起来，此时如果在D-S间 加以电压，会有电流在D-S 极之间流动。如果使UGS0 （S接正G接负），分布在N- 区的耗尽区的厚度将加大， 两侧耗尽区之间的导电沟道 会变窄，同样漏-源极电压下 漏极电流会减小。因此可以 通过改变UGS来控制D-S之间 的电流ID。由此可以看出， SIT的工作原理与耗尽型结型 场效应管

33、类似，改变G-S之 间的反向电压可以调节漏极 电流。 SIT的结构如图（a），其电路符号 如图（b），有三个电极：漏极D、源 极S和栅极G。两侧的P+型材料与中部 的N-材料将形成PN结，在P+N-结合面 的两侧存在着一个耗尽区，里面没有 载流子，不能导电。 49 2021-8-6 1.4.2静电感应晶闸管SITh SITh的结构如图（a），电 路符号如图（b）。从图中可 以看出，SITh相当于在SIT的 基础上增加了最下面一层P型 材料，形成一个PN结J2，具 有了单向导电性。在UGK=0 时，J1两侧不导电的耗尽区 较薄，中间的N型材料留有 一个导电沟道，电流可以从 阳极流向阴极。当在栅极

34、和 阴极之间施以负电压 （UGK0），PN结J1受到较 大的反压，两侧的耗尽区连 接起来，阻断了电流，器件 关断。 50 2021-8-6 1.4.3 MOS控制晶闸管MCT MCT的内部有一个PNP型晶体管V1和一个NPN型晶体管V2，两个晶体管相 互连接与普通晶闸管的等效电路相同，其中任何一个出现导通电流则在两管 之间形成正反馈使两个晶体管均迅速进入饱和状态。在MCT中还有一个P沟 道场效应管ON-FET和一个N沟道场效应管OFF-FET。它们的作用是控制等效 晶闸管的通断。 MOS控制晶闸（MOSFET Controlled Thyristor）的等效 电路如图（a）所示，其电路 符号如

35、图（b）所示。MCT三 个电极分别为阳极A、阴极K、 栅极G。 2021-8-6 51 1.5 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 1.5.1 晶闸管驱动电路1 1.5.2 GTO驱动电路2 1.5.3 GTR驱动电路 3 1.5.4 场控器件的驱动电路4 52 2021-8-6 1.5.1 晶闸管的驱动电路门极特性 晶闸管的门极和阴极之间 为一PN结，控制信号相当于 给这个PN结施加正向电压， 电压UGK和电流IG之间应表 现出PN结正向特性的关系， 但由于晶闸管的特殊要求导 致设计和工艺上的差异，上 述PN结和一般作为二极管使 用的PN结的特性有很大的不 同，晶闸管曲线线的斜率有 时很大

36、，有时又会很小，存 在着很大的离散性。把门极 伏安特性曲线中斜率最大的 和最小的两条曲线标在UGK- IG平面，作为其门极伏安特 性。 驱动信号的幅度受到最大门极电压UGM、 最大门极电流IGM和最大门极功耗PGM的 限制，为保证晶闸管可靠“触发”导通， 门极电压和门极电流要具有一定的强度， 手册中通常表示为门极可靠触发电压 UGT和门极可靠触发电流IGT。 53 2021-8-6 1.5.1 晶闸管的驱动电路强触发 希望触发电流IG有以下特点：脉冲前沿陡峭，并且脉冲刚开始的 一段时间有较大的幅度，这样有利于晶闸管的快速开通；随后IG下 降到一个较小的数值并维持到脉冲结束，这样有利于减少门极及

37、驱 动电路的功耗。另外，由于晶闸管的阴极与强电回路连接，电压很 高，而驱动电路为电压很低的电子线路，一般要将两者进行电气隔 离，通常采用脉冲变压器或光电耦合器。 54 2021-8-6 1.5.2 GTO的驱动电路要求 对触发电流的波形的要求： 开通时门极电流的上升率尽可能陡，一般取门极电流上升率为5 10A/s。 开通门极电流要具有一定的幅度，刚开始的强触发阶段要求门极电 流IG为门极直流额定触发电流IGM的310倍，这也是为了缩短开通 时间。 脉冲要有一定的宽度，对于开通正脉冲，其持续时间要为GTO开通时 间的数倍以上，如果负载为电感性，开通正脉冲的持续时间要大于 阳极电流建立的时间。 关

38、断门极电流的上升沿要陡，一般要求关断门极电流的上升率为10 50A/s。 关断门极电流脉冲要有一定的幅度，该幅度与欲关断的阳极电流的大 小和关断增益OFF有关。 关断脉冲要有一定的宽度，从而保证可靠关断 55 2021-8-6 1.5.2 GTO的驱动电路驱动电路 GTO的驱动波形的驱动波形 单单 电电 源源 驱驱 动动 电电 路路 双双 电电 源源 驱驱 动动 电电 路路 56 2021-8-6 1.5.3 GTR的驱动电路要求 对GTR取得的要求： 在使GTR从阻断转为导通过程中，IB的幅度要足够大，以使得GTR 尽快导通并进入饱和状态，这样可以减少GTR的开通损耗。 GTR已经导通，必须

39、有一定的基极电流来维持，这个电流必须GTR 工作在饱和状态，但又不能过大使GTR进入深度饱和，以免增加关 断GTR的难度，同时基极电流过大也会使GTR的基极功耗增加，这 同样是应该避免的。 关断GTR的过程中应提供反向基极电流，抽取器件内部的载流子， 使GTR快速关断。 当GTR处于阻断状态时最好在其基极-发射极之间加一定的反向电压， 增加GTR的阻断能力和防止误导通。 57 2021-8-6 1.5.3 GTR的驱动电路驱动电路 驱动电路举例驱动电路举例 58 2021-8-6 如果二极管参数相等，其 导通压降均为UD，则 UCE=UBE+UD，说明集电 极电位高于基极电位，集 电结反偏但数

40、值较小，此 时GTR处于准饱和状态。 1.5.3 GTR的驱动电路贝克钳位 电路中A、E之间的电压为 CEDBEDDAE UUUUUU 132 由此可得出 121DBEDDCE UUUUU 贝克钳位电路贝克钳位电路 59 2021-8-6 1.5.4 场控器件的驱动电路 场控型（电压控制型）电力电子器件的驱动电路。由于栅 极和源极之间是绝缘的，所以在器件导通和关断的稳定状态 都不可能出现栅极电流，需要的仅是一个栅极电压。但是器 件的各电极之间都存在着电容，从驱动的输入端看相当于一 个电容网络，因此驱动电压的变化将产生电容充放电电流， 充放电时间常数影响栅极电压变化的速率，进而影响器件的 开关速

41、度。时间常数越大，充放电时间就越长。为了减小时 间常数，要求驱动回路的电阻尽可能小。初学者容易忽视的 一个问题是，欲使场控器件关断必须为栅-源之间提供放电 通路或在栅-源之间加反向电压，不能简单地撤掉栅源之间 的正向驱动电压而使栅-源之间开路。 对驱动电路的要求 60 2021-8-6 1.5.4 场控器件的驱动电路 图为单管驱动电路，图中uS为驱动信号源，uS 为正时晶体管VT导通，其发射极电流为被驱动 的MOSFET的输入电容充电，使栅极电位迅速上 升，MOSFET开通。uS为0时VT截止，MOSFET 栅-源之间储存的电荷经VD、信号源放电，使 MOSFET关断。 图为推挽式驱动电路，当

42、uS为正时晶体管VT1 导通VT2截止，VT1发射极电流为被驱动的 MOSFET的输入电容充电，MOSFET开通。uS为 零时晶体管VT2导通VT1截止，MOSFET的输入 电容储存的电荷通过VT2迅速释放，使器件关断。 61 2021-8-6 1.5.4 场控器件的驱动电路 图为一种简单的磁耦合驱动电路。晶体 管VT导通时脉冲变压器的初级线圈中电 流上升，使得次级感应出上正下负的电压， 该电压通过二极管VD1为MOSFET的输入 电容充电，使MOSFET导通。VT关断时 脉冲变压器初级的电流下降，次级线圈中 感应出上负下正的电压，使MOSFET的输 入电容反向充电，栅-源之间的电压由正 变负

43、，MOSFET关断。 VD2为续流二极管，为晶体管关断后线圈中的电流提供通路，该二极 管的导通压降很小，会使线圈电流经较长的时间才能衰减到零，为加快电 流的衰减速度，可在续流回路中串联一个大小适当的电阻或一定数值的稳 压管。 2021-8-6 62 1.6.1 过电压的保护1 1.6.2 过电流的保护2 1.6.3 MOSFET的栅极保护 3 1.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 63 2021-8-6 1.6.1 过电压的保护 变压器一般为降压型，电源开关断开时，初、次级绕组均无 电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容 两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级

44、，使 得变压器次级电压超出正常值。 电源拉闸断电时也会造成过电压，在通电的状态将电源开 关断开将使激磁电流从一定的数值迅速下降到0，因为电压为 Ldi/dt，在电感一定的情况下，电流的变化率越大，产生的过 电压也越大。这个电压的大小与拉闸瞬间电流的数值有关， 在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压 也就越大。 过电压的产生过电压的产生1. 64 2021-8-6 1.6.1 过电压的保护 变压器的负载侧也会出现过电压。电力电子设备的负载 电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负载，电 路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。另外电 力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。 上述过电压大都发生在电路正常工作的状态，一般叫做 操作过电压操作过电压。除此之外，雷电和其它电磁感应源也会在电力 电子设备中感应出过电压，这类过电压发生的时间和幅度的 大小都是没有规律的，是难以预测的。 65 2021-8-6 1.6.1 过电压的保护 阻容保护 过电压的幅度一般都很大，但是其作用时间一般都很短暂