【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件 — BiMOS器件 絕緣柵雙極晶體管（ Insulatedgate Bipolar Transistor— — IGBT或 IGT） GTR和 MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。 1986年投入市場(chǎng)后，取代了 GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng) ,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 1. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 三端器件：柵極 G、 集電極 C和發(fā)射極 E IGBT的結(jié)構(gòu) 圖 217N溝道 VDMOSFET與 GTR組合 —— N溝道 IGBT（ NIGBT） IGBT比 VDMOSFET多一層 P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的 P+N結(jié) J1。 —— 使 IGBT導(dǎo)通時(shí)由 P+注入?yún)^(qū)向 N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得 IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)化等效電路表明， IGBT是 GTR與 MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) PNP 18 晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 IGBT的原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力 MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓 uGE決定。 導(dǎo)通 ： uGE大于 開(kāi)啟電壓 UGE(th)時(shí)， MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流， IGBT導(dǎo)通。 導(dǎo)通壓降 ：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 RN減小，使通態(tài)壓降小。 關(guān)斷 ：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)， MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 2. IGBT的基本特性 1) IGBT的靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 —— IC與 UGE間的關(guān)系，與 MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。 開(kāi)啟電壓 UGE(th)—— IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。 UGE(th)隨溫度升高而略有下降 ， 在 +25?C時(shí) ， UGE(th)的值一般為 2~6V。 輸出特性 （伏安特性） —— 以 UGE為參考變量時(shí)， IC與 UCE間的關(guān)系。 分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與 GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。 uCE0時(shí)， IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性 IGBT的開(kāi)通過(guò)程 與 MOSFET的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中 IGBT在大部分時(shí)間作為 MOSFET運(yùn)行。 開(kāi)通延遲時(shí)間 td(on) —— 從 uGE上升至其幅值 10%的時(shí)刻，到 iC上升至 10% ICM178。 。 電流上升時(shí)間 tr —— iC從 10%ICM上升至 90%ICM所需時(shí)間。 開(kāi)通時(shí)間 ton—— 開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。 uCE的下降過(guò)程分為 tfv1和 tfv2兩段。 tfv1—— IGBT中 MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程； tfv2——MOSFET和 PNP晶體管同時(shí) 工作的電壓下降過(guò)程。 IGBT的關(guān)斷過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) —— 從 uGE后沿下降到其幅值 90%的時(shí)刻起，到 iC下降至 90%ICM 。 電流下降時(shí)間 —— iC從 90%ICM下降至 10%ICM 。 關(guān)斷時(shí)間 toff—— 關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和。 電流下降時(shí)間又可分為 tfi1和 tfi2兩段。 tfi1—— IGBT內(nèi)部的 MOSFET的關(guān)斷過(guò)程， iC下降較快；tfi2—— IGBT內(nèi)部的 PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程， iC下降較慢。 IGBT中雙極型 PNP晶體管的存在，雖然帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn) 19 象，因而 IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于電力 MOSFET。 IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)。 高壓器件的 N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會(huì)引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng)。 小結(jié)： 2. IGBT的特性和基本參數(shù) 3. IGBT和其他晶閘管的比較 作業(yè)布置： 審批： 后記： 20 周次： 時(shí)間： 課題：第三章 第一節(jié) 典型全控型電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 課時(shí)： 2課時(shí) 教學(xué)目標(biāo)： 1 掌握電流驅(qū)動(dòng)器件及驅(qū)動(dòng)電路 2 掌握電壓驅(qū)動(dòng)器件及驅(qū)動(dòng)電路 3 掌 握電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)在什么條件下使用 重點(diǎn)、難點(diǎn)： GTO的驅(qū)動(dòng)原理 教具：傳感器模塊 教學(xué)方法：教材 時(shí)間分配：新授 20分鐘 實(shí)操 80分鐘 教學(xué)過(guò)程：回顧 10分鐘 新授 70分鐘 小結(jié) 15分鐘 作業(yè)布置 5分鐘 第一節(jié) 典型全控型電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 相關(guān)知識(shí) 驅(qū)動(dòng)電路 —— 主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路 實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的 電氣隔離 環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器。磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。 按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)分可分為 電流驅(qū)動(dòng)型和 電壓驅(qū)動(dòng)型。 驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為 分立元件的 ，但目前的趨勢(shì)是采用 專用集成驅(qū)動(dòng)電路。 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。 為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。 21 光耦合器的類型及基本接法 一． 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路 GTR是電流 驅(qū)動(dòng)型器件。 GTO 的開(kāi)通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)觸發(fā)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流 .使 GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)其幅值和 陡度的要求更高，幅值需達(dá)陽(yáng)極電流的 1 /3 左右，陡度需達(dá) 50A/s，強(qiáng)負(fù)脈沖寬度約 30s，負(fù)脈沖總寬約 100s,關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約 5V 的負(fù)偏壓，以提高抗干。 推薦的 GTO門極電壓電流波形 GTO 一般用于大容量電路的場(chǎng)合，其驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和 門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器藕合式和直接藕合式兩種類型。直接藕合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大， 效率較低。 使 GTR 開(kāi)通的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)人放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷 GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值 (6V左右 )的負(fù)偏壓。GTR驅(qū)動(dòng)電流的前沿上升時(shí)間應(yīng)小于 1s，以保證它能快速開(kāi)通和關(guān)斷。理想的 GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖所示 二． 電壓驅(qū)動(dòng)型器 件的驅(qū)動(dòng)電路 1. IGBT 和功率 MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求 IGBT和功率 MOSFET都是壓控器件，門極輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，較 GTO 和大功率晶體管的門極驅(qū)動(dòng)容易， IGBT 和功率 MOSFET器件對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電路的要求如下 : (1)通常 IGBT和功率 MOSFET的門極電壓最大定額為士 2Ov，若超過(guò)此值，門極就會(huì)被擊穿，導(dǎo)致器件損壞。為防止門極過(guò)壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。 (2)這兩種器件都存在 5V的門極閉值電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于此閉值電壓時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須大于其闡 值電壓。當(dāng)要求功率器件工作子開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須保證器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會(huì)造成器件損壞。正向門極驅(qū)動(dòng)電壓幅值的選取應(yīng)考慮在額定運(yùn)行與一定過(guò)載情況下器件不退出飽和為前提，正向門極電壓愈高、通態(tài) 22 壓降愈小，通態(tài)損耗愈小，對(duì)無(wú)短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電壓高一些有好處，可使器件在各種過(guò)流場(chǎng)合仍工作于飽和狀態(tài)。通常，正向門極電壓取 15V在有短路保護(hù)的場(chǎng)合，不希望器件工作干過(guò)飽和狀態(tài)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓小一些，可減小短路電流，對(duì)短路保護(hù)有好處。有短路保護(hù)的場(chǎng)合，門極電壓取 13V較合適。 另外，為了減小開(kāi)通損耗，門 極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿要陡。 IGBT 和功率 MOSFET 的門極等效為一電容負(fù)載，所以要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的內(nèi)阻要小。 (3)當(dāng)門極信號(hào)低于門極闡值電壓時(shí)，器件就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷時(shí)間 .關(guān)斷過(guò)程中應(yīng)盡快放掉門極輸入電容上的電荷器件關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供低阻抗的放電通或門極反抽電路。一般門極反向電壓取 (510)V .當(dāng)器件關(guān)斷后門極加上一定幅值的反壓可提高抗干擾能力。 ( 4 ) IGBT門極與發(fā)射極 (對(duì) MSS器件而言是門極與源極 )之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由干存在門極輸入電容，所以驅(qū)動(dòng)電 路需提供動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電流。器件的電流定額愈大，輸入電容愈大 。電壓定額愈大，輸入電容也愈大，當(dāng)大功率器件作高頻運(yùn)行時(shí)，門極驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)功率也是不小的 ,驅(qū)動(dòng)電路必須能提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流和功率。 （ 5） IGBT和功率 MOSFET是高速開(kāi)關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場(chǎng)合，關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短、否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的集電極尖峰電壓。門極電阻對(duì) IGBT和功率 MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間有直接的影響。門極電阻過(guò)小，關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高，對(duì)器件造成危險(xiǎn)，所以門極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。門極極電阻過(guò)大，器件 的開(kāi)關(guān)速度降低，開(kāi)關(guān)損耗增大，也會(huì)對(duì)器件的安全運(yùn)行造成危險(xiǎn)，所以門極電阻 Rg的上限受到開(kāi)關(guān)損耗的限制。 (6)驅(qū)動(dòng)電路與控制電路之間應(yīng)隔離。驅(qū)動(dòng)電路與門極之間的引線應(yīng)盡可能短，并用絞線，使門極電路的閉合電路面積最小，以防止感應(yīng)噪聲的影響。采用光藕器件隔離時(shí)，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。 小結(jié)： 作業(yè)布置： 審批： 后記： 23 周次： 時(shí)間： 課題：第二節(jié) 電力電子器件的保護(hù) 課時(shí)： 2課時(shí) 教學(xué)目標(biāo)： 1 掌握過(guò)電壓產(chǎn)生的原因和分類 2 掌握過(guò)電壓保護(hù)措施 3 掌握過(guò)電流產(chǎn)生的原因和分類 4 掌握過(guò)電流保護(hù)措施 重點(diǎn)、難點(diǎn)：過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)的措施 教具：教材 教學(xué)方法：講授法 時(shí)間分配：回顧 10分鐘 新授 70分鐘 小結(jié) 15分鐘 作業(yè)布置 5分鐘 教學(xué)過(guò)程： 電力電子器件的保護(hù) 相關(guān)知識(shí) 一、 過(guò)電壓保護(hù) 1過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及分類 電力電子裝置可能的過(guò)電壓 —— 外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外因。 (1) 操 作過(guò)電壓 ：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起。 (2) 雷擊過(guò)電壓 ：由雷擊引起 內(nèi)因過(guò)電壓 主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程。 (1) 換相過(guò)電壓 ：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。 (2) 關(guān)斷過(guò)電壓 ：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。 2過(guò)電壓的保護(hù)措施 24 過(guò)電壓抑制措施及配 置位置 二、過(guò)電流保護(hù) 電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。過(guò)電流分過(guò)載和短路兩種情況。圖中給出了各種過(guò)電流保護(hù)措施及其配置位置，其中采用快速熔斷器、直流快速斷路器和過(guò)電流繼電器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時(shí)應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。 采用快速熔斷器 (簡(jiǎn)稱快熔 )是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮 : 1）電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。 2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接人方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。快熔一般與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。 25 3)快熔的 It值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許 It，值。 4)為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式可分為全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。全保護(hù)是指不論過(guò)載還是短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用 于小功率裝置或器件使用裕度較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)方式是指快熔只在短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用，此方式需與其他過(guò)電流保護(hù)措施相配合?？烊垭娏魅萘康木唧w選擇方法可參考有關(guān)的工程手冊(cè)。 對(duì)一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高、很難用快速熔斷器保護(hù)的全控型器件，需要采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。除了對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的沖擊電流等變化較慢的過(guò)電流可以利用控制系統(tǒng)本身調(diào)節(jié)器對(duì)電流的限制作用之外，需設(shè)置專門的過(guò)電流保護(hù)電子電路，檢測(cè)到過(guò)流之后直接調(diào)節(jié)觸發(fā)或驅(qū)動(dòng)電路，或者關(guān)斷