電力電子器件與應(yīng)用

（一）     電力二極管

結(jié)構(gòu)

基本特性

靜態(tài)特性  伏安特性

動態(tài)特性  零偏置、正向偏置、反向偏置三種形態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，伏安特性隨時(shí)間變化。

主要參數(shù)與選型參考依據(jù)

正向平均電流 IF，其有效值為1.57IF。選擇二極管時(shí)，應(yīng)按照有效值選取。

正向電壓降  UF，一般選取壓降小的二極管，以降低損耗。

反向重復(fù)峰值電壓 URRM 按2×URRM選擇電力二極管，URRM通常是不重復(fù)反向峰值電壓HRSM的2∕3。

反向平均­­­­­漏電流IRR，也稱反向重復(fù)平均電流，是URRM下的平均漏電流。

反向恢復(fù)時(shí)間trr。

主要類型

普通二極管、整流二極管

快速恢復(fù)二極管trr<5us   快速外延二極管trr<50ns

肖特基二極管trr<10～40ns  用于200V以下的電路中

晶閘管及派生器件

晶閘管（SCR）又稱可控硅，在高電壓、大電流的應(yīng)用場合，SCR是無可替代的器件。在大容量、低頻的電力電子裝置中仍占主導(dǎo)地位。性能優(yōu)良的晶閘管派生器件，如快速、雙向、逆導(dǎo)、門極可關(guān)斷及光控等晶閘管。

晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理

只有晶閘管陽極和門極同時(shí)承受正向電壓時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，兩者缺一不可。

晶閘管一旦導(dǎo)通后，門極將失去控制作用，門極電壓對管子以后的導(dǎo)通與關(guān)斷均不起作用，故門極控制電壓只要是有一定寬度的正向脈沖電壓即可，這個脈沖稱為觸發(fā)脈沖。

要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降低到某一個數(shù)值以下。這可通過增加負(fù)載電阻降低陽極電流，使其接近于0。另外，也可以施加反向陽極電壓來實(shí)現(xiàn)。

2 晶閘管的基本特性

（1）靜態(tài)特性  伏安特性

①晶閘管的陽極伏安特性

②門極伏安特性  門極伏安特性區(qū)的上限，分別用門極正向峰值電壓UFGM、門極正向峰值電流IFGM、門極峰值功率PGM來表征。門極觸發(fā)也有一個靈敏度問題，正向門極電壓必須大于門極觸發(fā)電壓UGT，正向門極電流必須大于門極觸發(fā)電流IGT。

晶閘管的動態(tài)特性

晶閘管的開通特性  門極開通，即在正向陽極電壓的條件下，門極施加正向觸發(fā)信號使晶閘管導(dǎo)通，這種開通為正常開通。

3.晶閘管的主要參數(shù)

晶閘管的電壓參數(shù)

斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM  規(guī)定UDRM為UDSM的90%。

反向不重復(fù)峰值電壓URSM

反向重復(fù)峰值電壓URRM  規(guī)定URRM為URSM的90%。

額定電壓 UR是指斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM兩者中，較小的一個電壓值。選用晶閘管時(shí)，應(yīng)該使其額定電壓為正常工作電壓峰值UM的2～3倍，以作為安全裕量。  UR=（2～3）UM

通態(tài)峰值電壓UTM 是指額定電流時(shí)管子導(dǎo)通的管壓降峰值，一般為1.5～2.5V，且隨陽極電流增加而略微增加。額定電流時(shí)的通態(tài)平均電壓降一般為1V左右。

晶閘管的電流參數(shù)

通態(tài)平均電流 IT（AV） 晶閘管的通態(tài)平均電流，定義為晶閘管的額定電流。 對于同一個有效值，不同的電流波形，它們的平均值也不同，因此選用一個晶閘管時(shí)，要根據(jù)所使用的具體電流波形來計(jì)算出允許使用的電流平均值。有效值與平均值的比，稱為波形系數(shù)，即   I=KfId≈1.57IT(AV)

維持電流IH 是指晶閘管維持導(dǎo)通所必須的最小電流。

擎住電流IL  擎住電路比維持電流大2～4倍。

浪涌電流ITSM 是指在規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內(nèi)允許的最大過載峰值電流。

(3)其他參數(shù)

斷態(tài)電壓臨界上升率du∕dt  為了限制du∕dt上升率，一般在晶閘管陽極與陰極之間并聯(lián)一個RC阻容緩沖電路，利用電容兩端電壓不能突跳的特點(diǎn)，來限制電壓的上升率。

斷態(tài)電流臨界上升率di∕dt  為了限制電路電流上升率，可在陽極主電路中串入一個小電路，用于限制di∕dt過大。

門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT  為了保證變流裝置的觸發(fā)電路對同類晶閘管都能正常觸發(fā)，要求觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓值，適當(dāng)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IGT和UGT上限值，但不能超過門極所規(guī)定的各種參數(shù)的極限峰值。[!--empirenews.page--]

4 晶閘管的門極驅(qū)動電路

晶閘管是可控制的器件，其正向開通完全通過提供足夠大的門極控制信號來實(shí)現(xiàn)的。

對晶閘管門極觸發(fā)脈沖的要求 常用的觸發(fā)信號波形，門極脈沖驅(qū)動電路應(yīng)滿足以下要求：

觸發(fā)脈沖的形式  觸發(fā)脈沖的形式可以是交流、直流或脈沖形式，它只能在晶閘管陽極加正向電壓時(shí)起作用。

觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠大的功率

觸發(fā)脈沖的寬度  一般應(yīng)保證晶閘管陽極電流在觸發(fā)信號消失前能達(dá)到擎住電流，使晶閘管維持導(dǎo)通，這一脈寬是最小允許寬度，但不能持續(xù)到器件承受反電壓以后。脈沖寬度和變流裝置及主電路的形式有關(guān)。

觸發(fā)脈沖前沿幅值及其上升率  觸發(fā)脈沖前沿有足夠大幅值和上升率

觸發(fā)脈沖的移相范圍  與主電路的形式、負(fù)載性質(zhì)和變流裝置的用途有關(guān)。

觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓同步 觸發(fā)脈沖與主電路電源保持恒定關(guān)系稱為同步。

觸發(fā)脈沖輸出隔離和抗干擾  采用光電耦合器的光隔離或脈沖變壓器的電磁隔離方法，常用的抗干擾措施為脈沖變壓器采用靜電屏蔽，串聯(lián)二極管和并聯(lián)電容等。

門極驅(qū)動電路的分類  無論那種類型的晶閘管脈沖觸發(fā)電路，其大致結(jié)構(gòu)形式基本是相同的，都包括同步、脈沖移相、脈沖形式與放大環(huán)節(jié)。有強(qiáng)觸發(fā)和隔離等部分

門極驅(qū)動電路舉例

①單結(jié)晶體管觸發(fā)電路  單結(jié)晶體管觸發(fā)電路采用同步振蕩電路，解決與主電源的同步問題

                                    單晶體管觸發(fā)電路

數(shù)字觸發(fā)電路  數(shù)字觸發(fā)器通常是以單片機(jī)為核心構(gòu)成 數(shù)字觸發(fā)器由脈沖同步、脈沖移相和形成及輸出等部分組成。

晶閘管的保護(hù)

過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

過電壓的產(chǎn)生原因  外部過電壓包括操作過電壓和雷擊過電壓；內(nèi)部過電壓包括換相過電壓和關(guān)斷過電壓。

過電壓保護(hù)措施  過電壓保護(hù)措施一般采用器件限壓和RC阻容吸收等方法。 RC過電壓抑制電路可以接于變壓器兩側(cè)，或電力電子電路的直流側(cè)。

過電流保護(hù)  采用快速熔斷器、直流快速熔斷器和過流繼電器實(shí)現(xiàn)。 過流保護(hù)選擇整定的動作順序是：電子保護(hù)電路首先動作，直流快速斷路器整定在電子保護(hù)電路動作之后，過流繼電器整定在過載時(shí)動作，快速熔斷器作為最后的短路保護(hù)。 采用快速熔斷器過流保護(hù)是電力電子裝置中最有效、最廣泛的一種措施，而選用快熔時(shí)，應(yīng)結(jié)合晶閘管和快熔的特性來結(jié)合考慮。

晶閘管的派生器件

快速晶閘管（FST） 快速晶閘管指那些關(guān)斷時(shí)間短，開通響應(yīng)速度快的晶閘管。

逆導(dǎo)晶閘管（RCT） 逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)1個二極管集成在1個管芯上的集成器件。

 （a）符號

（3）雙向晶閘管（TRIAC）

（4）光控晶閘管（LTT） 光控晶閘管又稱為光觸發(fā)晶閘管，是采用一定波長的光信號觸發(fā)其導(dǎo)通的器件。

門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 門極可關(guān)斷晶閘管是一種具有自關(guān)斷能力和晶閘管特性的晶閘管

（三）              電力場效應(yīng)晶體管

結(jié)構(gòu)

電力場效應(yīng)晶體管種類和結(jié)構(gòu)有許多種，按導(dǎo)電溝道分為P溝道和N溝道，同時(shí)又有耗盡型很增強(qiáng)型之分。 電力場效應(yīng)晶體管有3個端子：漏極D、源極S和柵極G。

靜態(tài)特性

輸出特性 是指漏極的伏安特性。

轉(zhuǎn)移特性 表示漏極電流ID與柵源之間電壓Ugs的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系曲線，轉(zhuǎn)移特性可表示出器件的放大能力。 跨導(dǎo)定義為：gm=△ID∕△Ugs

主要參數(shù)

漏極擊穿電壓Bud

Bud是不使器件擊穿的極限參數(shù)，它大于漏極電壓額定值。Bud隨結(jié)溫的升高而升高，這點(diǎn)正好與GTR和GTO相反。

漏極額定電壓Ud 是器件的標(biāo)稱額定值。

漏極電流Id和Idm  Id是漏極直流電流的額定參數(shù)；Idm 是漏極脈沖電流幅值

柵極開啟電壓Ut 又稱閥值電壓，是開通Power MOSFET的柵-源電壓，它為轉(zhuǎn)移特性的特性曲線與橫軸的交點(diǎn)。施加的柵源電壓不能太大，否則將擊穿器件。

跨導(dǎo)gm 是表征PowerMOSFET柵極控制能力的參數(shù)。

通過降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs來加快開關(guān)速度

電力場效應(yīng)晶體管是壓控器件，在靜態(tài)時(shí)幾乎不輸入電流。但在開關(guān)過程中，需要對輸入電容進(jìn)行充放電，故仍需要一定的驅(qū)動功率。[!--empirenews.page--]

電力場效應(yīng)管的驅(qū)動和保護(hù)

為提高其開關(guān)速度，要求驅(qū)動電路必須有足夠高的輸出電壓、較高的電壓上升率、較小的輸出電阻。還需要一定的柵極驅(qū)動電流。

開通時(shí)，柵極電流可由下式計(jì)算：

      （1）

關(guān)斷時(shí)，柵極電流由下式計(jì)算：

                        （2）

式（1）是選取開通驅(qū)動元件主要依據(jù)，式（2）是選取關(guān)斷驅(qū)動元件的主要依據(jù)。

                               電力場效應(yīng)管的一種驅(qū)動電路

IR2130可以驅(qū)動電壓不高于600V電路中的MOSFET，內(nèi)含過電流、過電壓和欠電壓等保護(hù)，輸出可以直接驅(qū)動6個MOSFET或IGBT。

TLP250內(nèi)含一個光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，具有輸入、輸出隔離，開關(guān)時(shí)間短，輸入電流小、輸出電流大等特點(diǎn)。適用于驅(qū)動MOSFET或IGBT。

（四）     絕緣柵雙極型晶體管

IGBT的結(jié)構(gòu)和基本原理

IGBT也是一種三端器件，它們分別是柵極G、集電極C和發(fā)射極E。

擎住效應(yīng)

擎住效應(yīng)  由于IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管存在，當(dāng)IGBT集電極電流Ic大到一定程度，可使寄生晶閘管導(dǎo)通，從而其柵極對器件失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。

IGBT的驅(qū)動電路

驅(qū)動的基本要求

要有較陡的脈沖上升沿和下降沿

要有足夠大的驅(qū)動功率

要有合適的正向驅(qū)動電壓UGE

要有合適的反偏壓  反偏壓一般取為-2～-10V

驅(qū)動電路與控制電路之間最好進(jìn)行電氣隔離

驅(qū)動電路

適用于高頻小功率場合的驅(qū)動電路

                        IGBT驅(qū)動電路實(shí)例一

適合于中大功率場合的驅(qū)動電路

                            IGBT驅(qū)動電路實(shí)例二

IGBT專用集成模塊驅(qū)動電路

比較典型的有日本三菱公司的M57918L

電力電子器件的緩沖電路和串并聯(lián)

緩沖電路

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緩沖電路的主要作用可歸納如下：

抑制過渡過程中器件的電壓和電流，將開關(guān)動作軌跡限定在安全區(qū)之內(nèi)。

防止因過大的di∕dt和du∕dt造成器件的誤觸發(fā)，甚至導(dǎo)致器件的損壞。

抑制開關(guān)過渡過程中電壓和電流的重疊現(xiàn)象，以減少器件的開關(guān)損耗。

在多個器件串聯(lián)的高壓電路中起一定的均壓作用。

電力電子器件的串并聯(lián)

器件的串聯(lián)與均壓

解決靜態(tài)不均壓問題，首先應(yīng)選擇特性和參數(shù)比較一致的器件，此外可采用每個器件并聯(lián)電阻來均壓。

如下圖

                    串聯(lián)均壓電路

器件的并聯(lián)與均流

解決靜態(tài)不均流問題，首先應(yīng)選擇特性和參數(shù)比較一致的器件，此外可采用每個器件支路串聯(lián)電阻或電感來均流。

              串電感均流