电力电子技术第六节

1、绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBToIGBT：一个由MOSFET驱动的厚基区晶体管内部结构断面示意图 电气图形符号(N沟道) 简化等效电路 GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1b)c)GCEIGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，成为往往与反并联的快速二极管封装在一起，成为逆导逆导器件器件 。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBToIGBT的静态特性的静态特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE

2、(th)UGE增加a) 转移特性b) 输出特性绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的主要参数的主要参数:最大集射极间电压最大集射极间电压UCES 由内部晶体管的击穿电压确定。最大集电极电流最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗 。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的擎住效应或自锁效应：内部寄生晶闸管导致栅的擎住效应或自锁效应：内部寄生晶闸管导致栅极失效。成因：极失效。成因：n集电极电流过大（静态擎住效应）；nduCE/dt过高（动态擎住效应）正偏安全工作区正偏安全工作区 由最大集电极

3、电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗最大集电极功耗确定。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区 由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率最大允许电压上升率duCE/dt确定。EGCN+N-PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的应用特点：输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。通态压降比MOSFET低。相对于GTO，开关速度高，损耗小。 工艺较成熟，自锁效应得到较好解决，与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提，以期再取代GTO的地位。其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件oMCT（MOS Controlled

4、 Thyristor）oSIT（Static Induction Transistor）pSITH（Static Induction Thyristor）oIGCT/GCT（Gate-Commutated Thyristor）o功率集成电路与集成电力电子模块MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMOSFETMOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。与晶闸管组合而成的复合型器件。 o由数以万计的由数以万计的MCTMCT元组成，每个元的组成为：一个元组成，每个元的组成为：一个PNPNPNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFETMOSFET，和一个控制，和一个控制该晶闸

5、管关断的该晶闸管关断的MOSFETMOSFET。 o其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未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。达到预期的数值，未能投入实际应用。 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT结型场效应晶体管：结型场效应晶体管：n多子导电，工作频率与电力多子导电，工作频率与电力MOSFETMOSFET相当，甚至超过电相当，甚至超过电力力MOSFETMOSFET，而功率容量也比电力，而功率容量也比电力MOSFETMOSFET大，适用于高大，适用于高频大功率场合。频大功率场合。n正常导通型器件，使用不太方便，此外正常导通型器件，使用不太方

6、便，此外SITSIT通态电阻通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而较大，使得通态损耗也大，因而SITSIT还未在大多数电还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。力电子设备中得到广泛应用。 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSIT与与GTO复合而成。又被称为场控晶闸管复合而成。又被称为场控晶闸管n本质上是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制本质上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。效应，通态压降低、通流能力强。 n其很多特性与其很多特性与GTO类似，但开关速度比类似，但开关速度比GTO高得多，高得多，是大容量的快速器件。是大容量的快速器件。 n一般也是正常

7、导通型，但也有正常关断型一般也是正常导通型，但也有正常关断型 ，电流，电流关断关断增益较小增益较小，因而其应用范围还有待拓展。，因而其应用范围还有待拓展。 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT多个并联的电力多个并联的电力MOSFET和其它辅助元件组成的和其它辅助元件组成的GTO门极驱动电路，与平板型的门极驱动电路，与平板型的GTO集成。集成。 n 容量与普通容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的相当，但开关速度比普通的GTO快快10倍，而且可以简化普通倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的应用时庞大而复杂的缓冲电路，不过其所需的驱动功率仍然很大。缓冲电路，不过其所需的驱动功率仍

8、然很大。 n 目前正在与目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。等新型器件激烈竞争。其他新型电力电子器件oMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合，关键问题未攻克，限制了容量发展oSIT（Static Induction Transistor）结结型场效应晶体管，多子导电，工作频率高，正常导通型器件，主要应用在大功率高频环境pSITH（Static Induction Thyristor）场控晶闸管，速度快，容量大。工艺复杂，一般为正常导通型器件oIGCT/GCT（Gate-Commutated Thyristor）门极换流晶闸管，GTO的派生器件，容

9、量比IGBT大，受到IGBT挑战其他新型电力电子器件功率模块：功率模块：将多个电力电子器件封装在一个模块中，称为功率模块。利于缩小装置体积，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。达林顿三极管功率模块达林顿三极管功率模块 其他新型电力电子器件功率集成电路功率集成电路（PIC） ：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。单片三相逆变器单片三相逆变器其他新型电力电子器件智能功率模块智能功率模块（IPM）专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成。将驱动、保护和控制电路的多个芯片封入同一模块中，形成具

10、有部分或完整功能的、相对独立的单元。如构成一相或三相逆变器的专用模块，用于电动机变频调速装置的需要。 小结当前的格局：当前的格局：光控晶闸管：容量最大：制造水平8kV / 3.5kA，装置最高达300MVA。GTO/IGCT：全控器件，兆瓦级以上应用，容量略低于晶闸管。IGBT：中大功率，千瓦兆瓦级应用，仍不断发展。电力MOSFET：中小功率（300V/180A）领域特别是低压领域地位牢固。功率模块和功率集成电路是电力电子发展的共同趋势。小结o当前器件应用的格局：当前器件应用的格局：电力电子器件的驱动（ch9）电力电子器件的驱动驱动电路驱动电路:主电路与控制电路之间的接口。产生满足需要的开通或

11、关断信号 ：强度、幅值、持续时间、关断反偏；提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，对器件提供必要的保护。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。某些驱动芯片将光耦隔离电路也集成在内。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。首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。o电气隔离：磁隔离：脉冲变压器，多用于对大功率器件的驱动，可以降低触发电路的信号要求，降低设计难度，但是脉冲变压器触发容易在电路内部产生的相互干扰和寄生振荡，且不能保证较陡的脉冲前沿。光隔离：光耦合器，开关速度快（开关频率100K1M），使用中须注意反向输出特性电力电子器件的驱动

12、晶闸管触发电路晶闸管触发电路电力电子器件的驱动GTOGTO驱动电路驱动电路电力电子器件的驱动VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2GTRGTR驱动电路驱动电路电力电子器件的驱动POWER MOSFETPOWER MOSFET驱动电路驱动电路电力电子器件的驱动IGBTIGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护o过电压保护过电压保护外因过电压：外因过电压：操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压

13、：内因过电压：换相过电压：在换相过程，续流二极管在恢复反向换相过电压：在换相过程，续流二极管在恢复反向阻断时，在器件两端感应出的过电压。阻断时，在器件两端感应出的过电压。关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降关断过电压：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。低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。电力电子器件器件的保护过电压保护：过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC

14、抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路电力电子器件器件的保护RC过电压抑制电路直流侧阀侧网侧Cdc Rdc RaRaCaCa+-Cdc Rdc RaRaCaCa+-R2R1C1C2电力电子装置反向阻断式过电压抑制电路图1-35RC过电压抑制电路联结方式 a) 单相 b)三相电力电子器件器件的保护缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路，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。du/dt抑制电路（关断缓冲电路）抑制电路（关断缓冲电路）吸收器件的关断吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关

15、断损耗。，减小关断损耗。di/dt抑制电路（开通缓冲电路）抑制电路（开通缓冲电路）抑制器件开通时的抑制器件开通时的电流过冲和电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。，减小器件的开通损耗。电力电子器件器件的保护di/dt抑制电路和充放电型抑制电路和充放电型RCD缓冲电路缓冲电路b)tuCEiCOdidt抑制电路抑制电路无无时时didt抑制电路抑制电路有有时时有缓冲电路时有缓冲电路时无缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC电力电子器件器件的保护RC吸收电路和放电阻止型吸收电路和放电阻止型RCD缓冲电路缓冲电路RC吸收电路主要用于小容量器件吸收电路主要用于小容量器件放电阻止型放电阻止型RCD缓冲电路用于

16、中或大容量器件缓冲电路用于中或大容量器件电力电子器件器件的保护o过电流保护过电流继电器整定在过载时动作。电子电路作为第一保护措施；直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护；快熔仅作为短路时的部分区段的保护。负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器电流互感器变压器电力电子器件的串并联使用电力电子器件的串并联使用o晶闸管串并联使用：晶闸管串并联使用：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。当需要承当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。当需要承担较大的电流，可以采用多个器件并联担较大的电流，可以采用多个器件并联问题：因特性差异，使器件电压、电流分配不均匀问题：因特性差异，使器件电压、电流分配不均匀电力电子器件的串并联使用o均压措施均压措施选用参数和特性尽量一致的器件。静态均压措施：静态均压措施：采用电阻均压Rp（Rp阻值应显著小于器件阻断