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1、電氣工程概論輔導(dǎo)資料九 主 題： 第二章 電力電子技術(shù)（第1節(jié)） 學(xué)習(xí)時(shí)間：2012年11月26 日- 12月2日 內(nèi) 容： 我們這周主要學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)第1節(jié)中的晶閘管的驅(qū)動(dòng)、功率場效應(yīng)管、 絕緣柵型雙極性晶體管、功率半導(dǎo)體器件的保護(hù)，通過學(xué)習(xí)我們要了解掌握晶閘 管的驅(qū)動(dòng)，掌握功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、主要參數(shù)、安全工作區(qū), 掌握絕緣柵型雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)， 掌握功率半導(dǎo)體器件的過壓、過流保護(hù)。 第一節(jié)功率半導(dǎo)體器件 晶閘管的驅(qū)動(dòng) 1. 晶閘管觸發(fā)電路的基本要求： 1） 觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有一定的功率和寬度。 2） 為使并聯(lián)晶閘管

2、元件能同時(shí)導(dǎo)通，觸發(fā)電路應(yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)脈沖。 3 ）觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。 4）隔離輸出方式及抗干擾能力。 2?常見的觸發(fā)電路 圖3-12為常見的觸發(fā)電路。它由2個(gè)晶體管構(gòu)成放大環(huán)節(jié)、脈沖變壓器以 及附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)組成。當(dāng)2個(gè)晶體管導(dǎo)通時(shí)，脈沖變壓器副邊向晶 閘管的門極和陰極之間輸出脈沖。脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)電路和主電路之間的電 氣隔離。脈沖變壓器原邊并接的電阻和二極管是為了脈沖變壓器釋放能量而設(shè) 的。 功率場效應(yīng)晶體管 功率場效應(yīng)晶體管是一種單極型電壓控制半導(dǎo)體元件， 其特點(diǎn)是控制極靜態(tài) 內(nèi)阻極高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬，開關(guān)頻

3、率可 高達(dá)500kHZ，特別適合高頻化的電力電子裝置。但由于電流容量小、耐壓低， 一般只適用小功率的電力電子裝置。 1.結(jié)構(gòu)與工作原理 (1)結(jié)構(gòu) 功率場效應(yīng)晶體管按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和N溝道；根據(jù)柵源極電壓與 導(dǎo)電溝道出現(xiàn)的關(guān)系可分為耗盡型和增強(qiáng)型。功率場效應(yīng)晶體管一般為 N溝道 增強(qiáng)型。從結(jié)構(gòu)上看，功率場效應(yīng)晶體管與小功率的 MOS管有比較大的差別。 圖3-13給出了具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS結(jié)構(gòu)的VD-MOSFET單元的結(jié)構(gòu)圖及 電路符號。 (2 )工作原理 如圖3-13所示，功率場效應(yīng)晶體管的三個(gè)極分別為柵極 G、漏極D和源極 S。當(dāng)漏極接正電源，源極接負(fù)電源，柵

4、源極間的電壓為零時(shí)， P基區(qū)與N區(qū)之 間的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電流通過。如在柵源極間加一正電壓 Ugs，則柵 極上的正電壓將其下面的P基區(qū)中的空穴推開，電子被吸引到柵極下的 P基區(qū) 的表面，當(dāng)Ugs大于開啟電壓UT時(shí)，柵極下P基區(qū)表面的電子濃度將超過空穴 濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，成為反型層。由反型層構(gòu)成的 N 溝道使PN結(jié)消失，漏極和源極間開始導(dǎo)電。Ugs越大，功率場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電 能力越強(qiáng)，ID也就越大。 S 9 90 N4 D 圖 m P-MOSFET慣元的結(jié)構(gòu)圖及電路符 U'結(jié)構(gòu)圖；N溝道腎號；（c） P溝道哥V 2. 工作特性 （1 ）靜態(tài)特性

5、 1）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖 3-14（a）所示，可以分 為三個(gè)區(qū)，分別是可調(diào)電阻區(qū) I （隨著Uds的增大，Id呈線性增長），飽和區(qū)II （隨著Uds的增大，I d基本不變，但Ugs大則I d大），擊穿區(qū)III （隨著Uds的增 大, Id迅速增大，元件擊穿）。 2 ）轉(zhuǎn)移特性。漏極電流I D與柵源電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān) 系，稱為轉(zhuǎn)移特性，如圖3-14（b）所示。只有Ugs>Ugs（th），才會(huì)有Id。當(dāng)Id較 大時(shí)，特性呈線性。 (a) (b) 國3 14陽底伏安持杵:儀轉(zhuǎn)穢特性 (a)漏槪伏安特性；6)轉(zhuǎn)移持性 (2 )開關(guān)特性

6、 圖3-15為元件極間電容的等效電路。器件輸入電容在開關(guān)過程中需要進(jìn)行 充、放電，影響了開關(guān)速度。同時(shí)也可看出，靜態(tài)時(shí)雖柵極電流很小，驅(qū)動(dòng)功率 小，但動(dòng)態(tài)時(shí)由于電容充放電電流有一定強(qiáng)度， 故動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)仍需一定的柵極功率。 開關(guān)頻率越高，柵極驅(qū)動(dòng)功率也越大。 功率場效應(yīng)晶體管的開關(guān)過程如圖 3-16所示，其中UP為驅(qū)動(dòng)電源信號, Ugs為柵極電壓，iD為漏極電流。 H3-15輸人電界等奴電豁 3. 主要參數(shù)與安全工作區(qū) (1 )主要參數(shù) 1 )漏源電壓Uds :是指功率場效應(yīng)晶體管的額定電壓 2 )電流定額Id , I DM :其中I D是指漏極直流電流，I DM是指漏極脈沖

7、電流 幅值。 3) 柵源電壓Ugs :指柵源之間的電壓不能大于Ugs，否則元件將被擊穿。 (2)安全工作區(qū) 功率場效應(yīng)晶體管的正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界包圍而成，如圖 3-17 所示。其中I為漏源通態(tài)電阻限制線；II為最大漏極電流IDM限制線；山為最大 功耗限制線；IV為最大漏源電壓限制線 IH 3 17 P MOSFET 正向偏 V? 安全工作區(qū) 4. 驅(qū)動(dòng)電路 P- MOSFET 圖3 18 F MOSFETflJ極駟動(dòng)電路 圖3-18是一種功率場效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)電路，是具有過載及短路保護(hù)功能的 窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)輸入信號ui由低變高時(shí)

8、，VTI導(dǎo)通，脈沖變壓器的原邊繞組 上的電壓為電源電壓UC1在R2、R3上的分壓值，脈沖變壓器很快飽和后，耦 合到副邊繞組的電壓是一個(gè)正向尖脈沖，該脈沖使 VT2、VT3導(dǎo)通，而VT2、 VT3組成了反饋互鎖電路，故 VT2、VT3保持導(dǎo)通，VT4導(dǎo)通，從而使功率場 效應(yīng)晶體管導(dǎo)通。當(dāng)ui由高電平變低時(shí)，在副邊繞組感應(yīng)出一個(gè)負(fù)向尖脈沖， 使VT2截止，VT3、VT4截止，VT5瞬間導(dǎo)通，從而關(guān)斷功率場效應(yīng)晶體管。 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 絕緣柵雙極型晶體管屬于電壓控制元件， 輸入阻抗大、開關(guān)速度高等，目前 是電力電子裝置中的主導(dǎo)器件。 1. 結(jié)構(gòu)與工作原理 (1)結(jié)構(gòu) 基

9、本結(jié)構(gòu)如圖3 — 19(a)所示，相當(dāng)于一個(gè)用 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP 晶體管。 (2 )工作原理 IH3-19 [GBT 血總圖 U)沽關(guān)t邀和⑹期S電flh(O符兮 當(dāng)柵極加正向電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)部形成溝道，PNP型晶體管提供基極電 流，使IGBT由高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)入低阻導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)柵極加反向電壓時(shí)， MOSFET 導(dǎo)電溝道消失，PNP型晶體管的基極電流切斷，IGBT關(guān)斷。 2. 工作特性 （1 ）靜態(tài)特性 IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移特性， 如圖3-20所示。輸出特性表 達(dá)了集電極電流IC與集電極一發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系。 IGBT的轉(zhuǎn)移

10、特性表示了柵極電壓 UG對集電極電流IC的控制關(guān)系。 圖3 20 1GBT的1 :已待性和轉(zhuǎn)移持性

11、電極電流IC大到一定程度，這個(gè)Rbr上的電壓足以使N+PN晶體管 開通，經(jīng)過連鎖反應(yīng)，可使寄生晶閘管導(dǎo)通，從而 IGBT柵極對器件失去控制， 這就是所謂的擎住效應(yīng)。 (2)安全工作區(qū) IGBT開通與關(guān)斷時(shí)，均具有較寬的安全工作區(qū)。 IGBT開通時(shí)對應(yīng)正向偏置安全工作區(qū)，如圖 3 — 22(a)所示。 IGBT關(guān)斷時(shí)所對應(yīng)的為反向偏置安全工作區(qū)，如圖 3 — 22(b)所示。 (=lOps 扎1 ‘CM .一 V ￥ 、 1000V/^s ：ii 0 2000V 伽 |^ 3 - 22 I(?T的安全I(xiàn)；柞區(qū) 1 丹)FBSOA [ c b) R BS

12、OA 4. 驅(qū)動(dòng)電路 圖3-23為一電流源柵極驅(qū)動(dòng)電路，由 VT2產(chǎn)生穩(wěn)定的集電極電流IC2 , 通過調(diào)節(jié)電位器RC可以穩(wěn)定IC2數(shù)值。 IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的原理圖如圖圖 3 — 24所示。該電路以富士公司開發(fā) 的專用集成芯片EXB841為核心組成，工作時(shí)須使用 20V獨(dú)立的直流電源。 IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路由15V控制電源供電。圖3-24中的RS、VDS、CS構(gòu)成 了吸收緩沖電路 圖3 23分遼元件駟動(dòng)電路 I創(chuàng)3 - 24 1GBT胴動(dòng)怩護(hù)電路原理圖 5. 功率模塊與功率集成電路 功率模塊最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)、單相橋、三相橋以及它們的子電 路，而同類

13、開關(guān)器件的串、并聯(lián)目的是要提高整體額定電壓、額定電流。 如將功率半導(dǎo)體器件與電力電子裝置控制系統(tǒng)中的檢測環(huán)節(jié)、 驅(qū)動(dòng)電路、故 障保護(hù)、緩沖環(huán)節(jié)、自診斷等電路制作在同一芯片上 ，則構(gòu)成功率集成電路。 三菱電機(jī)公司在1991年推出智能功率模塊（IPM ）是較為先進(jìn)的混合集成 功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，其 基本結(jié)構(gòu)如圖3 — 25所示。 IPM的特點(diǎn)為：①采用低飽和壓降、高開關(guān)速度、內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的 IGBT功率器件。②采用單電源、邏輯電平輸入、優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)。 控制輸人I —r 控制輸入 聊動(dòng)部分探護(hù)部分 咒川一壓 控制輸入

14、 -馳動(dòng) 愎護(hù)瓠叫 驢動(dòng) 1鬼路 I兀電壓 -［過軼 過電尬ip 短路」 IPM 應(yīng)匝摘人 負(fù)載 7^? 交漉輸出 圖3-25 1PM的總理樞圏 功率半導(dǎo)體器件的保護(hù) 1. 過電壓保護(hù) 過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為兩大類： 1）操作過電壓：由變流裝置拉、合閘和器件關(guān)斷等經(jīng)常性操作中電磁過程 引起的過 電壓。 2 ）浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變流裝置的過電壓， 其幅度可能比操作過電壓還高。 對過電壓進(jìn)行保護(hù)的原則是：使操作過電壓限制在晶閘管額定電壓 UR以 3-26所示。 下，使浪涌過電壓限制在晶閘管的斷態(tài)和反向

15、不重復(fù)峰值電壓 UDSM和URSM 以下。一個(gè)晶閘管變流裝置或系統(tǒng)應(yīng)采取過電壓保護(hù)措施的部位如圖 ZT避雷器 電容接地 植流式阻容 硒堆 元件齟容?收 壓敏電肌 圖3?26晶兩啊■可采用的過電爪保護(hù)捲曲 2. 過電流保護(hù) 由于晶閘管等功率半導(dǎo)體器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多， 因此 必須對變流裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。 晶閘管變流裝置可能采用的幾種過電流保護(hù)措施如圖 3-27所示。 圖3- 27品閘管裝說叮能采用流保護(hù)描施 A—交浦鞍電抗器】B—電流檢測和過潢堆電器 U D、E-快速熔?fS> —itSWS電器；G—直流快速開關(guān) 3. 電壓及電流上升率

16、的限制 1） 電壓上升率du/dt的限制 2） 電流上升率di/dt的限制。 4. 緩沖電路 在自關(guān)斷器件的開關(guān)過程中，器件的工作點(diǎn)要通過線性放大區(qū)，集射極電壓 UCE和集電極電流IC將會(huì)同時(shí)增大，造成瞬時(shí)功耗過大，會(huì)使自關(guān)斷器件脫 離安全工作區(qū)而發(fā)生二次擊穿而損壞，此時(shí)需采用緩沖（吸收）電路進(jìn)行保護(hù)。 圖3-28是復(fù)合緩沖（吸收）電路，是將開通與關(guān)斷吸收電路組合在一起構(gòu) 成復(fù)合吸收電路。 1^ 3 - 28復(fù)合 緩沖電路 本周要求掌握的內(nèi)容如下： 通過學(xué)習(xí)本周我們要了解掌握晶閘管的驅(qū)動(dòng)， 掌握功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工 作原理、特性、主要參數(shù)、安全工作區(qū)，掌握絕緣

17、柵型雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)、工 作原理、特性、擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)，掌握功率半導(dǎo)體器件的過壓、過流保護(hù)。 習(xí)題 （一）選擇題 1. 下列選項(xiàng)對功率場效應(yīng)管特點(diǎn)說法正確的是（） A. 單極型電流控制半導(dǎo)體元件 B ?驅(qū)動(dòng)功率小 c ?開關(guān)速度快 D.安全工作區(qū)寬 答案：BCD 2. IGBT輸出特性表達(dá)了集電極電流與集電極-發(fā)射極間電壓之間的關(guān)系, 可分為（）。 A. 可變電阻區(qū) B. 飽和區(qū) C. 放大區(qū) D. 擊穿區(qū) 答案：BCD （二） 判斷題 1 . P-MOSTET是多數(shù)載流子工作的器件，其元件的通態(tài)電阻具有正的溫度 系數(shù)，還存在電流集中和二次擊穿的限制。 （錯(cuò)誤） 2 .目前IGBT是電力電子裝置的主導(dǎo)器件。 （正確） （三） 簡答題 1.晶閘管觸發(fā)電路的基本要求 答： 1） 觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有一定的功率和寬度。 2） 為使并聯(lián)晶閘管元件能同時(shí)導(dǎo)通，觸發(fā)電路應(yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)脈沖 3 ）觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。 4）隔離輸出方式及抗干擾能力。