《电气工程概论》辅导资料九.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电气工程概论辅导资料九.精品文档.电气工程概论辅导资料九主 题： 第二章 电力电子技术(第1节)学习时间： 2012年11月26日12月2日内 容：我们这周主要学习电力电子技术第1节中的晶闸管的驱动、功率场效应管、绝缘栅型双极性晶体管、功率半导体器件的保护，通过学习我们要了解掌握晶闸管的驱动，掌握功率场效应管的结构、工作原理、特性、主要参数、安全工作区，掌握绝缘栅型双极性晶体管的结构、工作原理、特性、擎住效应和安全工作区，掌握功率半导体器件的过压、过流保护。第一节 功率半导体器件2.1.6 晶闸管的驱动1.晶闸管触发电路的基本要求：1）触发脉

2、冲信号应有一定的功率和宽度。2）为使并联晶闸管元件能同时导通,触发电路应能产生强触发脉冲。3）触发脉冲的同步及移相范围。4）隔离输出方式及抗干扰能力。2常见的触发电路图3-12为常见的触发电路。它由2个晶体管构成放大环节、脉冲变压器以及附属电路构成脉冲输出环节组成。当2个晶体管导通时，脉冲变压器副边向晶闸管的门极和阴极之间输出脉冲。脉冲变压器实现了触发电路和主电路之间的电气隔离。脉冲变压器原边并接的电阻和二极管是为了脉冲变压器释放能量而设的。2.1.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管是一种单极型电压控制半导体元件，其特点是控制极静态内阻极高、驱动功率小、开关速度快、无二次击穿、安全工作区宽，

3、开关频率可高达500kHZ，特别适合高频化的电力电子装置。但由于电流容量小、耐压低，一般只适用小功率的电力电子装置。1.结构与工作原理（1）结构功率场效应晶体管按导电沟道可分为P沟道和N沟道；根据栅源极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和增强型。功率场效应晶体管一般为N沟道增强型。从结构上看，功率场效应晶体管与小功率的MOS管有比较大的差别。图3-13给出了具有垂直导电双扩散MOS结构的VD-MOSFET单元的结构图及电路符号。（2）工作原理如图3-13 所示，功率场效应晶体管的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，P基区与N区之间的PN 结

4、反偏，漏源极之间无电流通过。如在栅源极间加一正电压，则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推开，电子被吸引到栅极下的P基区的表面，当大于开启电压UT 时，栅极下P基区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，成为反型层。由反型层构成的N沟道使PN结消失，漏极和源极间开始导电。越大，功率场效应晶体管导电能力越强，也就越大。2.工作特性（1）静态特性1）漏极伏安特性。漏极伏安特性也称输出特性，如图3-14(a)所示，可以分为三个区，分别是可调电阻区I（随着的增大，呈线性增长），饱和区II（随着的增大，基本不变，但大则大），击穿区III（随着的增大，迅速增大，元件击穿）。2）

5、转移特性。漏极电流与栅源电压反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如图3-14(b)所示。只有，才会有。当较大时，特性呈线性。（2）开关特性图3-15为元件极间电容的等效电路。器件输入电容在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。功率场效应晶体管的开关过程如图3-16所示，其中UP 为驱动电源信号，为栅极电压，iD 为漏极电流。3.主要参数与安全工作区（1）主要参数1）漏源电压：是指功率场效应晶体管的额定电压。2）电流定额，：其中是指

6、漏极直流电流，是指漏极脉冲电流幅值。3）栅源电压：指栅源之间的电压不能大于，否则元件将被击穿。（2）安全工作区功率场效应晶体管的正向偏置安全工作区由四条边界包围而成，如图3-17所示。其中I为漏源通态电阻限制线；II为最大漏极电流IDM限制线；III为最大功耗限制线；IV为最大漏源电压限制线。4.驱动电路图3-18是一种功率场效应晶体管驱动电路，是具有过载及短路保护功能的窄脉冲驱动电路，当输入信号ui由低变高时，VTI导通，脉冲变压器的原边绕组上的电压为电源电压UC1在R2、R3 上的分压值，脉冲变压器很快饱和后，耦合到副边绕组的电压是一个正向尖脉冲，该脉冲使VT2、VT3导通，而VT2、VT

7、3组成了反馈互锁电路，故VT2、VT3保持导通，VT4导通，从而使功率场效应晶体管导通。当ui由高电平变低时，在副边绕组感应出一个负向尖脉冲，使VT2截止，VT3、VT4截止， VT5瞬间导通，从而关断功率场效应晶体管。2.1.8 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管属于电压控制元件，输入阻抗大、开关速度高等，目前是电力电子装置中的主导器件。1.结构与工作原理（1）结构基本结构如图319(a)所示，相当于一个用MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。（2）工作原理当栅极加正向电压时，MOSFET内部形成沟道，PNP型晶体管提供基极电流，使IGBT由高阻状态转入低阻导通状态。当栅极加反

8、向电压时，MOSFET导电沟道消失，PNP型晶体管的基极电流切断，IGBT关断。2.工作特性（1）静态特性IGBT的静态特性主要有输出特性及转移特性，如图3-20所示。输出特性表达了集电极电流IC与集电极一发射极间电压UCE之间的关系。IGBT的转移特性表示了栅极电压UG对集电极电流IC的控制关系。（2）动态特性IGBT的动态特性即开关特性，如图321所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决定。3.擎住效应和安全工作区（1）擎住效应如前所述，在IGBT管内存在一个由两个晶体管构成的寄生晶闸管，同时P基区内存在一个体区电阻Rbr，跨接在NPN晶体管的基极与发射极之间，P基区的横向空穴电流会在其

9、上产生压降，在J3结上形成一个正向偏置电压。若IGBT的集电极电流IC 大到一定程度，这个Rbr上的电压足以使N+PN晶体管开通，经过连锁反应，可使寄生晶闸管导通，从而IGBT栅极对器件失去控制，这就是所谓的擎住效应。（2）安全工作区IGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区，如图322(a)所示。IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区，如图322(b)所示。4.驱动电路图323为一电流源栅极驱动电路，由VT2产生稳定的集电极电流IC2，通过调节电位器RC可以稳定IC2数值。IGBT驱动与保护电路的原理图如图图324所示。该电路以富士公司开发的专用集

10、成芯片EXB841为核心组成，工作时须使用20V 独立的直流电源。IGBT驱动与保护电路由15V控制电源供电。图3-24中的RS、VDS、CS构成了吸收缓冲电路。5.功率模块与功率集成电路功率模块最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥以及它们的子电路，而同类开关器件的串、并联目的是要提高整体额定电压、额定电流。如将功率半导体器件与电力电子装置控制系统中的检测环节、驱动电路、故障保护、缓冲环节、自诊断等电路制作在同一芯片上,则构成功率集成电路。三菱电机公司在1991年推出智能功率模块（IPM）是较为先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成，其基本结

11、构如图325所示。IPM的特点为：采用低饱和压降、高开关速度、内设低损耗电流传感器的IGBT功率器件。采用单电源、逻辑电平输入、优化的栅极驱动。2.1.9 功率半导体器件的保护1.过电压保护过电压根据产生的原因可分为两大类：1）操作过电压：由变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁过程引起的过电压。2）浪涌过电压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变流装置的过电压，其幅度可能比操作过电压还高。对过电压进行保护的原则是：使操作过电压限制在晶闸管额定电压UR 以下，使浪涌过电压限制在晶闸管的断态和反向不重复峰值电压UDSM和URSM以下。一个晶闸管变流装置或系统应采取过电压保护措施的部位如图3-

12、26所示。2.过电流保护由于晶闸管等功率半导体器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此必须对变流装置进行适当的过电流保护。晶闸管变流装置可能采用的几种过电流保护措施如图3-27所示。3.电压及电流上升率的限制1）电压上升率du/dt的限制。2）电流上升率di/dt的限制。4.缓冲电路在自关断器件的开关过程中，器件的工作点要通过线性放大区，集射极电压UCE和集电极电流IC 将会同时增大，造成瞬时功耗过大，会使自关断器件脱离安全工作区而发生二次击穿而损坏，此时需采用缓冲（吸收）电路进行保护。图3-28是复合缓冲（吸收）电路，是将开通与关断吸收电路组合在一起构成复合吸收电路。本周要求掌握的内容如

13、下：通过学习本周我们要了解掌握晶闸管的驱动，掌握功率场效应管的结构、工作原理、特性、主要参数、安全工作区，掌握绝缘栅型双极性晶体管的结构、工作原理、特性、擎住效应和安全工作区，掌握功率半导体器件的过压、过流保护。习题（一）选择题1.下列选项对功率场效应管特点说法正确的是（）。A单极型电流控制半导体元件B驱动功率小C开关速度快D安全工作区宽答案：BCD 2IGBT输出特性表达了集电极电流与集电极-发射极间电压之间的关系，可分为（）。A可变电阻区B饱和区C放大区D击穿区答案：BCD（二）判断题1P-MOSTET是多数载流子工作的器件，其元件的通态电阻具有正的温度系数，还存在电流集中和二次击穿的限制。 （错误）2目前IGBT是电力电子装置的主导器件。 （正确）（三）简答题1晶闸管触发电路的基本要求。答：1）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。2）为使并联晶闸管元件能同时导通,触发电路应能产生强触发脉冲。3）触发脉冲的同步及移相范围。4）隔离输出方式及抗干扰能力。