电力电子电力电子器件概要.pptx

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1、 本章要点功率二极管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；晶闸管、双向晶闸管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构、工作原理、特性、参数；第1页/共110页1.1 功率二极管功率二极管的结构和工作原理1、元件结构 第2页/共110页 2、工作原理由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。第3页/共110页功率二极管的伏安特性第4页/共110页功率二极管的主要参数1、正向平均电流（额定电流）指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允

2、许长期通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。2、正向压降（管压降）是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。第5页/共110页 3、反向重复峰值电压（额定电压）反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压。一般在选用功率二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。4、反向恢复时间反向恢复时间是指功率二极管从正向电流降至零起到恢复反向阻断能力为止的时间。第6页/共110页功率二极管的型号和选择原则1、功率二极管的型号第7页/共110页 2.功率二极管的选择原则（1）选择额定正向平均电流IdD的原则在规定的室温和冷却条

3、件下，只要所选管子的额定电流IdD对应的有效值IDM大于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值ID即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为：第8页/共110页（2）选择额定电压的原则选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压 的23倍，即第9页/共110页1.2 晶闸管晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。其导通时刻可控，满足了调压要求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（F

4、ST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LATT）等。第10页/共110页晶闸管的结构 1、晶闸管的结构具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。第11页/共110页2、结构和图形符号 第12页/共110页晶闸管的工作原理 1、晶闸管的导通、关断实验由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。（a）(b)(c)第13页/共110页 第14页/共110页实验实验顺序顺序实验前实验前灯的情灯的情况况实验时晶闸管条件实验时晶闸管条件实验后实验后灯的情灯的情况况

5、结论结论阳极电压阳极电压U UA A门极电压门极电压U UG G导导通通实实验验1 1暗暗反向反向反向反向暗暗晶闸管在反向阳极电压作用晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何电压，它下，不论门极为何电压，它都处于关断状态。都处于关断状态。2 2暗暗反向反向零零暗暗3 3暗暗反向反向正向正向暗暗1 1暗暗正向正向反向反向暗暗晶闸管在正向阳极电压与正晶闸管在正向阳极电压与正向门极电压的共同作用下，向门极电压的共同作用下，才能导通。才能导通。2 2暗暗正向正向零零暗暗3 3暗暗正向正向正向正向亮亮关关断断实实验验1 1亮亮正向正向正向正向亮亮已导通的晶闸管在正向阳极已导通的晶闸管在正向阳极作用下，门

6、极失去控制作用。作用下，门极失去控制作用。2 2亮亮正向正向零零亮亮3 3亮亮正向正向反向反向亮亮4 4亮亮正向（逐渐正向（逐渐减小到接近减小到接近于零）于零）任意任意暗暗晶闸管在导通状态时，当阳晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，极电压减小到接近于零时，晶闸管关断。晶闸管关断。第15页/共110页2、实验说明3、实验结论 通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件:（1）晶闸管主电路加正向电压。（2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向

7、的方法来实现。第16页/共110页 4、晶闸管的导通关断原理 当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：IGIB2IC2(IB1)IC1IB2 第17页/共110页 晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管可采用的方法有:将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。第18页/共110页晶闸管的特性 1、晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶

8、闸管阳极电流IA之间的关系特性。第19页/共110页（1）正向特性在门极电流IG=0情况下，晶闸管处于断态，只有很小的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，达到正向转折电压UBO时，漏电流突然剧增，特性从正向阻断状态突变为正向导通状态。正常工作时，不允许把正向电压加到转折值UBO，而是从门极输入触发电流IG，使晶闸管导通。门极电流愈大阳极电压转折点愈低。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。当IA小到等于维持电流IH时，晶闸管由导通变为阻断。第20页/共110页 （2）反向特性是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安特性。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。当晶闸

9、管承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值时，反向漏电流增加较快。再继续增大反向阳极电压，会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管的损坏。第21页/共110页 2、晶闸管的开关特性(简介)晶闸管的开关特性如图所示。第22页/共110页 晶闸管开关特性的说明第一段延迟时间td。阳极电流上升到10所需时间，此时J2结仍为反偏，晶闸管的电流不大。第二段上升时间tr，阳极电流由0.1上升到0.9所需时间，这时靠近门极的局部区域已经导通，相应的J2结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td与上升时间tr之和。即 ton=td+tr第23页/共110页

10、电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和。toff=trr+tgr 第24页/共110页晶闸管的主要参数(简介)1、额定电压UTn(重点)（1）正向重复峰值电压UDRM在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM的80%。（2）反向重复峰值电压URRM在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。第25页/共110页晶闸管的额定电压则取UDRM和URRM的较小值且靠近标准电压等级所

11、对应的电压值。选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的23倍。第26页/共110页额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级；1000V到3000V，每200V为一级。第27页/共110页2、额定电流I T(AV)(重点)是指：在环境温度为+40度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。

12、第28页/共110页 它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：式中 Kf为波形系数 第29页/共110页流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。第30页/共110页第31页/共110页 3、维持电流IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。4、擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流

13、IH的(24)倍。第32页/共110页5、门极触发电流IGT在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。6、门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。第33页/共110页 7、断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。8、通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。

14、在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。第34页/共110页晶闸管的型号、选择原则1、普通晶闸管的型号第35页/共110页组别组别ABCDE通态平均电通态平均电压（压（V）UT0.40.4UT0.50.5UT0.60.6UT0.70.7UT0.8组别组别FGHI通态平均电通态平均电压（压（V）0.8UT0.90.9UT1.01.0UT1.11.1UT1.2晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组 第36页/共110页 晶闸管标准电压等级晶闸管标准电压等级第37页/共110页 2、普通晶闸管的选择原则（1）选择额定电流的原则在规定的室温和冷却条

15、件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值 即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为：然后取相应标准系列值。第38页/共110页（2）选择额定电压的原则选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值 电压的23倍，即 然后取相应标准系列值。第39页/共110页晶闸管的主要参数第40页/共110页晶闸管的其它派生元件(简介)双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。第41页/共110页塑封式第42页/共110页双向晶闸

16、管在第和第象限有对称的伏安特性。第43页/共110页双向晶闸管的型号第44页/共110页表1-6 双向晶闸管的主要参数第45页/共110页1.3 门极可关断晶闸管（GTO）GTO的结构和工作原理1、GTO的结构 GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路及电气符号。第46页/共110页第47页/共110页第48页/共110页 2、GTO的工作原理 （1）开通过程GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1

17、P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数值不同，其中1和2分别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益1+2常为1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。第49页/共110页 （2）关断过程当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使1+21时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持

18、导通条件，阳极电流下降到零而关断。由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。第50页/共110页的特性和主要参数(简介)1、阳极伏安特性 第51页/共110页 2、开通特性 开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成第52页/共110页 3、关断特性 GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时间ts、下降时间tf及尾部时间tt。存储时间ts：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。下降时间tf：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建

19、立的过程。尾部时间tt：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。第53页/共110页 GTO的关断特性(开关电压、电流及门极电流波形)第54页/共110页 4、主要参数(简介)与晶闸管不同的参数。（1）最大可关断阳极电流IATO（2）关断增益 off（3）阳极尖峰电压 （4）维持电流（5）擎住电流第55页/共110页1.4 电力晶体管（GTR）电力晶体管也称巨型晶体管（GTRGiant Transistor），是一种双极型、大功率、高反压晶体管(Bipolar Junction Transistor-BJT)。GTR和GTO一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件

20、。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。GTR已实现了大功率、模块化、廉价化。第56页/共110页的结构与工作原理1、GTR的结构结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为B(基极)、C(集电极)、E(发射极)。GTR属三端三层两结的双极型晶体管，有两种基本类型，NPN型和PNP型。GTR的基本结构及电气符号如下图所示。第57页/共110页2、GTR的工作原理以NPN型晶体管为例，若外电源使UBC0，则发射结的PN结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：（1）由于UBC0，发射结处于正偏状态，P区的多数载流子空穴

21、不断地向N区扩散形成空穴电流IPE，N区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流INE。第58页/共110页的特性与主要参数(简介)1、GTR的静态（输出）特性 晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。截止区：GTR的e结和c结均承受高反偏电压，相当于开关断开。放大区：e结正偏、c结反偏，此时GTR功耗很大。饱和区：特点是e结和c结均正偏。GTR饱和导通，相当于开关闭合。GTR作开关时，其断态工作点须在截止区，通态工作点须在饱和区。第59页/共110页共射极电路的输出特性曲线 第60页/共110页 2、GTR的动态（开关）特性 晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关

22、工作方式。GTR主要应用于开关工作方式。在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流IB2迫使GTR关断，由于GTR 不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。第61页/共110页GTR的开关响应特性延迟时间td：加入IB1后一段时间里，iC仍保持为截止状态时的很小电流，直到iC上升到0.1I CS。上升时间tr：iC不断上升，直 到 iC=ICS，GTR进 入 饱和状态。tr指iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需要的时间。GTR的开通时间ton：延迟时间td和上升时间tr之和。即 ton=td+tr第62页/共110页当基极电流突然

23、从正向IB1变为反向IB2时，GTR的集电极电流iC并不立即减小，仍保持ICS，要经过一段时间才下降。存储时间ts：把基极电流从正向IB1变为反向IB2时到iC下降到0.9ICS所需的时间。下降时间tf：iC从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。此后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时BJT完全恢复到截止状态。BJT的关断时间toff：存储时间ts和下降时间tf之和，即 toff=ts+tf 第63页/共110页 3、GTR的主要参数(简介)(1)电压参数 电压参数体现了GTR的耐压能力(2)集电极电流额定值(3)最大耗散功率 (4)直流电流增益 (5)开关频率(6)最高结温

24、额定值第64页/共110页1.5 功率场效应晶体管 功率场效应晶体管，简称P-MOSFET。特点是：属电压全控型器件、控制极静态内阻极高、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽和跨导线性度高等。但P-MOSFET的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。根据导电沟道的类型可分为N沟道和P沟道两大类；根据零栅压时器件的导电状态分为耗尽型和增强型两类；目前功率MOSFET的容量水平为50A500 V，频率为100kHz。第65页/共110页的结构和工作原理1、P-MOSFET的结构P-MOSFET和小功率MOS管导电机理相同，但在结构上有较大的区别

25、。小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其 栅 极 G、源 极 S和 漏 极 D在 芯 片 的 同 一 侧。而 P-MOSFET主要采用立式结构，其三个外引电极与小功率MOS管相同，为栅极G、源极S和漏极D，但不在芯片的同一侧。功率场效应管的导电沟道分为N沟道和P沟道，栅偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（N沟道）才存在导电沟道的称为增强型。下图是P-MOSFET的结构示意图和电气图形符号。第66页/共110页P-MOSFETP-MOSFET的结构示意图的结构示意图P-MOSFETP-MOSFET的电气符号的电气符号第67页/共110页第68页/共110页第69页/共1

26、10页第70页/共110页下图是P-MOSFET的电气图形符号，图a表示N沟道功率场效应管，电子流出源极；图b表示P沟道功率场效应管，空穴流入源极。从结构上看，P-MOSFET还含有一个寄生二极管，该寄生二极管的阳极和阴极就是功率MOSFET的S极和D极，它是与MOSFET不可分割的整体，使P-MOSFET无反向阻断能力。图中所示虚线为寄生二极管。第71页/共110页2、P-MOSFET的工作原理(1)栅源极电压UGS0时，栅极下的P型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使在漏源之间施加电压，MOS管也不会导通。如图a所示。(2)当栅源极电压UGS0且不够充分时，栅

27、极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时MOS管仍保持关断状态。如图b所示。(3)当栅源极电压UGS达到或超过一定值时，栅极下面的硅表面从P型反型成N型，形成N型沟道把源区和漏区联系起来，从而把漏源沟通，使MOS管进入导通状态。如图c所示。第72页/共110页的特性和参数(简介)1、转移特性 转移特性是指在输出特性的饱和区内，UDS维持不变时，UGS与ID之间的关系曲线，如右图所示。转移特性表征器件输入电压对输出电流的控制作用和放大能力。图中UT是P-MOSFET的开启电压(又称阀值电压)。第73页/共110页2、P-MOSFET的输出特性第74页/共110页P-MOSFET输出

28、特性反映的是：当UGS一定时，ID与UDS间的关系曲线族.它分为三个区域，即线性导电区I，饱和恒流区II和雪崩击穿区III。在线性导电区内，ID与UDS几乎呈线性关系。在饱和恒流区中，当UGS不变时，ID趋于不变。当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区，直至器件损坏。当P-MOSFET用作电子开关时，导通时它必须工作在线性导电区I。P-MOSFET无反向阻断能力，在D-S极间加反向电压时器件导通，可看作是逆导器件。第75页/共110页3、P-MOSFET的开关特性 第76页/共110页 4、P-MOSFET的(简介)（1）漏源击穿电压BUDS。（2）

29、栅源击穿电压BUGS。（3）漏极最大电流ID。（4）开启电压UT。（5）通态电阻Ron。（6）极间电容。第77页/共110页1.6 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。是由P-MOSFET与双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断器件。它将P-MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。IGBT的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量

30、。第78页/共110页的结构和工作原理1、IGBT的基本结构 IGBT是在P-MOSFET基础上发展起来的集成新型器件，其结构是以GTR为主导元件，P-MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其结构、电路符号、等效电路如下图示。外部有三个电极(G门极、C集电极、E发射极)。第79页/共110页 2、IGBT的工作原理当IGBT门极加上正电压时，MOSFET内形成沟道，使IGBT导通；当IGBT门极加上负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT关断。当UCE0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。当UCE0时，分两种情况：（1）若门极电压UGEUT（开启电压），沟道不能形成，I

31、GBT呈正向阻断状态。（2）若门极电压UGEUT，门极下的沟道形成，从而使IGBT导通。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通态压降。第80页/共110页的特性与参数(简介)1、静态特性（1）IGBT的输出（伏安）特性和转移特性第81页/共110页 （2）IGBT动态特性第82页/共110页 3、IGBT的主要参数(简介)（1）集射极额定电压UCES （2）栅射极额定电压UGES （3）栅射极开启电压UT （4）集电极额定电流IC （5）通态压降UCE(on)。第83页/共110页1.8、电力电子器件的驱动 晶闸管、GTO、GTR、P-M

32、OSFET、IGBT等电力电子器件要正常工作，必须在其门极加驱动信号，各种器件对驱动信号的要求是不一样的，必须分别或分类讨论。晶闸管的门极驱动又称为触发，相应的门极驱动电路又称触发电路。第84页/共110页晶闸管的简易门极驱动（触发）晶闸管阳极加正向电压后，还须在门极与阴极间加上触发电压，才能从阻断变为导通。1、对触发电路的要求1）为减小门极损耗，应采用脉冲触发信号。2）触发脉冲应有足够的功率，并留有一定的裕量。3）脉冲应有一定的宽度，前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。对感性负载，触发脉冲应为宽脉冲或双窄脉冲；有些需强触发脉冲。4）触发脉冲必须与晶闸管

33、的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。第85页/共110页2、常用的触发脉冲信号第86页/共110页（a）为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合；（b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，也用于触发要求不高的场合；（c）矩形脉冲；（d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合；（e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性负载的装置；（f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。第87页/共110页3、脉冲触发电路与晶闸管的连接方式1.直接连接：操作不安全，主电路干扰触发电路。2.光耦合器连接：输入和输出间电隔离，绝缘

34、性能好，抗干 扰能力强。3.脉冲变压器耦合连接：有良好的电气绝缘。第88页/共110页电流型全控电力电子器件的门极驱动 GTO和GTR都是电流驱动型器件。1、GTO的门极驱动（1）GTO的门极驱动信号 GTO的门极电流、电压控制波形对GTO的特性有很大影响。GTO门极电流、电压控制波形分开通和关断两部分，推荐的波形形状如图1-36所示。图中实线为门极电流波形，虚线为门极电压波形。为正向直流触发电流，为最大反向门极电流。第89页/共110页 开通时，门极电流脉冲前沿陡度大，一般为510A/S，门极正脉冲电流的幅度比规定的额定直流触发电流应大310倍，正脉冲宽度一般为1060S，而后沿应尽量平缓些

35、。关断时，关断脉冲电流上升率一般为1050A/S。脉冲应具有一定的宽度，关断脉冲电流的幅度一般为(1/81/3)，其后沿也应尽量平缓些。第90页/共110页(2)GTO的门控驱动电路图1-37为一双电源供电的门极驱动电路。该电路由门极导通电路、门极关断电路和门极反偏电路组成。该电路可用于三相GTO逆变电路。第91页/共110页第92页/共110页2、GTR的基极驱动（1）GTR的基极驱动电流信号为减少开关损耗，提高开关速度，GTR要求的比较理想的基极电流波形如图所示。第93页/共110页 使GTR开通的基极驱动电流信号应使GTR工作在准饱和状态，避免其进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一

36、定的负基极驱动电流有利于减小开关时间和开关损耗，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。用于GTR开通和关断的正、负驱动电流的前沿上升时间应小于1微秒，以保证它能快速导通和关断。第94页/共110页 2）GTR的驱动电路 下图是一种GTR的驱动电路。它包括电气隔离和晶体管放大两个部分。第95页/共110页电压型全控电力电子器件的门极驱动 P-MOSFET和IGBT都是电压驱动型器件。1、P-MOSFET的栅极驱动（1）P-MOSFET的栅极驱动信号：对驱动信号的要求有：1）触发脉冲有足够快的上升和下降速度，即脉冲沿要陡。2）为使P-MOSFET可靠触发导通，触发电压应高于开启

37、电压，但不得超过最大触发额定电压。触发电压也不能过低，否则会使通态电阻增大，降低抗干扰能力。3）驱动电路的输出电阻应低，开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高P-MOSFET的开关速度。4）为防止误导通，在P-MOSFET截止时应提供负的栅源电压。第96页/共110页2、P-MOSFET的驱动电路（1）栅极直接驱动电路第97页/共110页 (2(2）隔离式栅极驱动电路 第98页/共110页2、IGBT的栅极驱动（1）IGBT的栅极驱动信号IGBT具有与P-MOSFET相似的输入特性和高输入阻抗，驱动电路相对比较简单，驱动功率也比较小。IGBT对驱动信号及电路有

38、以下基本要求：1）驱动脉冲的上升和下降沿要陡：开通电压前沿陡可使IGBT快速开通，减小开通损耗；关断电压后沿足够陡，并在G-E极间加适当的反偏压，有助于IGBT快速关断。用内阻小的驱动源对G极电容充放电，可保证有足够陡的前、后沿。2）驱动功率足够大：IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率及电压、电流幅值，使IGBT总处于饱和状态，不因退出饱和而损坏。第99页/共110页 3）合适的正向驱动电压。4）合适的负偏压：为缩短关断时间，需施加负偏压，并提高抗干扰能力。反偏压一般取-2-10V。5）合理的栅极电阻：在开关损耗不太大的情况下，应选用较大的栅极电阻。电阻范围为1400。6）IGBT多用

39、于高压场合，故驱动电路与控制电路应严格隔离。符合上述要求的IGBT典型驱动电压波形如下图所示。第100页/共110页（2）IGBT的驱动电路1）脉冲变压器直接驱动IGBT的驱动电路 第101页/共110页2）IGBT专用驱动模块 第102页/共110页1.9 电力电子器件的保护1、GTO的保护 GTO主要用于大容量变流器中，最严重的问题是短路过电流故障。（1）过电流的原因 过电流包括过载和短路两种情况，严重的是短路过电流情况。短路过电流的原因大致有下述3种：1）逆变器的桥臂短路：在GTO组成的逆变器中，若同一桥臂上的两个GTO同时导通，则会产生桥臂短路情况，亦称桥臂直通故障。第103页/共11

40、0页 2）输出端的线间短路 若输出端发生线间短路，则短路电流流经相应支路的GTO，其短路电流相当大。3）输出端线对地短路。（2）GTO的过电流保护 针对上述过电流情况，可采取多种措施对GTO进行过电流保护。其保护方法有以下3种：1）快速熔断器保护法；2）撬杠保护法；3）自关断保护法。第104页/共110页2、GTR的保护因GTR存在二次击穿问题，其过程很快，诸如快熔之类的过电流保护对GTR类器件基本无用。它依赖于特殊的保护电路。主要采用的方法有：1、电压状态识别保护2、桥臂互锁保护3、欠饱和及过饱和保护第105页/共110页3、P-MOSFET的保护P-MOSFET的薄弱之处是栅极绝缘层易被击

41、穿损坏。在使用时必须注意采取保护措施。主要有下列保护方法：（1）防止静电击穿保护（2）栅源间的过电压保护（3）漏源间的过电压保护（4）短路、过电流保护第106页/共110页4、IGBT的保护IGBT常用的保护措施有:1）通过检测出的过电流信号切断栅极控制信号，实现过流保护；2）利用缓冲电路抑制过电压并限制 ；3）利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护；4）静电保护：IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿问题，可采用MOSFET的防静电方法；5）短路保护。第107页/共110页1.10、电力电子器件的缓冲电路1、缓冲电路的作用与基本类型缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，是通过限压、限流、抑制 和 等方法，把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去，然后再消耗在缓冲电路的电阻上，或者由缓冲电路设法将其反馈到电源中去。此缓冲电路可分为两大类：前一类是能耗型缓冲电路，后一类是反馈型缓冲电路。能耗型缓冲电路简单，在电力电子器件的容量不大，工作频率也不太高的场合下，这种电路应用很广泛。第108页/共110页2、缓冲电路的基本结构 第109页/共110页感谢您的观看！第110页/共110页