1、電力電子技術(shù) 電子教案,第1章 電力電子器件2,1.5 其他新型 電力電子器件,1.5.1 MOS控制晶閘管MCT 1.5.2 靜電感應晶體管SIT 1.5.3 靜電感應晶閘管SITH 1.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT 1.5.5 功率模塊與功率集成電路 注：以上內(nèi)容自學，簡單介紹1.5.5節(jié),1.5.1 MOS控制晶閘管MCT,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復合 MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點： MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程 晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降 一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個P

2、NPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET MCT曾一度被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀80年代以來一度成為研究的熱點。但經(jīng)過十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用,1.5.2 靜電感應晶體管SIT,SIT（Static Induction Transistor）1970年，結(jié)型場效應晶體管 小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件 多子導電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合 在雷達通信

3、設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領(lǐng)域獲得應用 缺點： 柵極不加信號時導通，加負偏壓時關(guān)斷，稱為正常導通型器件，使用不太方便 通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應用,1.5.3 靜電感應晶閘管SITH,SITH（Static Induction Thyristor）1972年，在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導電類型不同的發(fā)射極層而得到，因其工作原理與SIT類似，門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流，因此SITH又被稱為場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT） 比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結(jié)， SIT

4、H是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調(diào)制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件 SITH一般也是正常導通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展,1.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也稱GCT（Gate-Commutated Thyristor），20世紀90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復雜的緩沖電路，只不過所需的

5、驅(qū)動功率仍很大 目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置,1.5.5 功率模塊與功率集成電路,20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性 對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求 將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）,1.5.5 功率模塊與功率集成電路,類似功率集成電路的還有許多名稱，但實際上各有側(cè)重 高壓集成電路（High Voltage I

6、CHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成 智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成 智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）,1.5.5 功率模塊與功率集成電路,功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應用場合 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展 功率集成電路實現(xiàn)了電能

7、和信息的集成，成為機電一體化的理想接口,1.6 電力電子器件器件的驅(qū)動,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述 1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路 1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,驅(qū)動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關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義 對器件或整個裝置的一些保護措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn) 驅(qū)動電路的基本任務： 將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號 對半控型器件只需提供開通控制信

8、號 對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,驅(qū)動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 圖1-25 光耦合器的類型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型 具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路 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 為達到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,作用：產(chǎn)生符合

9、要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通 廣義上講，還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路 晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求： 觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通（結(jié)合擎住電流的概念） 觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度 不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi) 應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié) 脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié) V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖 VD1和R3是為了V1、V2由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè),圖1-26理想的晶

10、閘管觸發(fā)脈沖電流波形 t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度 IM強脈沖幅值（3IGT5IGT） t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）,圖1-27 常見的 晶閘管觸發(fā)電路,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,2. 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小 使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15 20V 關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓（一般取 -5 -15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗 在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅(qū)動器件電流

11、額定值的增大而減小,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,電力MOSFET的一種驅(qū)動電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 無輸入信號時高速放大器A輸出負電平,V3導通輸出負驅(qū)動電壓 當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅(qū)動電壓 三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。,圖1-32 電力MOSFET的 一種驅(qū)動電路,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,IGBT的驅(qū)動：多采用專用的混合集成驅(qū)動器 圖1-33M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,常用的有三菱公司的M

12、579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851） 內(nèi)部具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號 M57962L輸出的正驅(qū)動電壓均為+15V左右，負驅(qū)動電壓為 -10V。,1.7 電力電子器件器件的保護,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 1.7.2 過電流保護 1.7.3 緩沖電路（Snubber Circuit）,1.7 電力電子器件器件的保護,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓 外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)

13、中的操作過程等外因： (1) 操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起 (2) 雷擊過電壓：由雷擊引起 內(nèi)因過電壓主要來自裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程： (1) 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓 (2) 關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護,過電壓保護措施 圖1-34過電壓抑制措施及配置位置 F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容 RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路

14、RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路 RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路 RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路 電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種 其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電 路范疇,返回,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護,外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結(jié)方式見圖1-35 RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè) 圖1-35RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式 a)單相b)三相,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護,

15、大容量電力電子裝置可采用反向阻斷式RC電路 圖1-36反向阻斷式過電壓抑制用RC電路 保護電路參數(shù)計算可參考相關(guān)工程手冊 其他措施：用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件限制或吸收過電壓,1.7.2 過電流保護,過電流過載和短路兩種情況，常用措施（圖1-37） 快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器 同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性 電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作 圖1-37過電流保護措施及配置位置,1.7.3 緩沖電路（Snubber C

16、ircuit）,緩沖電路（Snubber Circuit）又稱吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流、di/dt，減少器件的開關(guān)損耗。 緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。 * 關(guān)斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt、減少關(guān)斷損耗。 * 開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于吸收器件的開通時的電流過沖和抑制di/dt、減少開通損耗。,1.7.3 緩沖電路（Snubber Circuit）,緩沖電路作用分析 無緩沖電路： di/dt、du/dt很大 有緩沖電路： V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上

17、一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢 V關(guān)斷時：負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓,圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形 a) 電路 b) 波形,1.7.3 緩沖電路（Snubber Circuit）,關(guān)斷時的負載曲線 無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應電壓使VD通，負載線從A移到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移到C 有緩沖電路時：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負載線經(jīng)過D到達C 負載線ADC安全，且經(jīng)過的都是小電流或小電壓區(qū)域，關(guān)斷損耗大大降低 圖1-39關(guān)斷時的負載線,1.7.3 緩沖電路（Snubber

18、 Circuit）,充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合 圖1-40示出另兩種，其中RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件 圖1-40另外兩種常用的緩沖電路 a)RC吸收電路b)放電阻止型RCD吸收電路,1.7.3 緩沖電路（Snubber Circuit）,緩沖電路中的元件選取及其他注意事項： Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊 VDs必須選用快恢復二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10 盡量減小線路電感，且選用內(nèi)部電感小的吸收電容 中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個du/dt抑制電路 對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容

19、 晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可,1.8 電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用,1.8.1 晶閘管的串聯(lián) 1.8.2 晶閘管的并聯(lián) 1.8.3 電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點,1.8.1 晶閘管的串聯(lián) 目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián) 問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻 靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等 承受電壓高的器件首先達到轉(zhuǎn)折電壓而導通，使另一個器件承擔全部電壓也導通，失去控制作用 反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿

20、，另一個隨之擊穿,1.8 電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用,1.8.1 晶閘管的串聯(lián),靜態(tài)均壓措施： 選用參數(shù)和特性盡量一致的器件 采用電阻均壓，Rp的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多 圖1-41晶閘管的串聯(lián) a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施,1.8.1 晶閘管的串聯(lián),動態(tài)均壓措施 動態(tài)不均壓由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓 動態(tài)均壓措施： 選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件 用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓 采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異,1.8.2 晶閘管的并聯(lián),目的：多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流 問題：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻 均流措施 挑選特性參數(shù)盡量一致的器件 采用均流電抗器 用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流 當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接,1.8.3 電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點,電力MOSFET并聯(lián)運行的特點： Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡的能力，容易并聯(lián) 注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián) 電路走線和布局應盡量對稱 可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用 IGBT并聯(lián)運行的特點： 在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負的溫度系數(shù)，在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)； 并