1、其他新型电力电子器件,1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5.3 静电感应晶闸管SITH1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5 功率模块与功率集成电路,1.5,MOS控制晶闸管MCT,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点：MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。晶闸管的高电压大电流、低导通压降。 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 MCT曾一度被认为是一
2、种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。,1.5.1,静电感应晶体管SIT,SIT（Static Induction Transistor）1970年，结型场效应晶体管 小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时
3、关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,1.5.2,静电感应晶闸管SITH,SITH（Static Induction Thyristor）1972年，又被称为场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）。比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结， SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小
4、，因而其应用范围还有待拓展。,1.5.3,集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也称GCT（Gate-Commutated Thyristor） 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。,1.5.4,功率模块与功率集成电路,20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 可缩小装置体积，降低成
5、本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率 集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。,1.5.5,类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。 高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）则专
6、指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。,功率模块与功率集成电路,1.5.5,功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。,功率模块与功率集成电路,1.5.5,电力电子器件器件的驱动,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述1.6.2 晶闸管的触发电路1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,1.6,电力电子器件驱动电路概
7、述,驱动电路主电路与控制电路之间的接口 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。,1.6.1,驱动电路的基本任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器,图
8、1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,电力电子器件驱动电路概述,1.6.1,按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,电力电子器件驱动电路概述,1.6.1,晶闸管的触发电路,作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。,1.6.2,
9、晶闸管触发电路应满足下列要求： 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）。 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,V1、V2构成脉冲放大环节 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。 VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设 。,图1-26 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（1s） t1t3强脉宽度 IM强脉冲幅值（3IGT5IGT） t1t4脉冲宽度
10、 I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,图1-27 常见的 晶闸管触发电路,晶闸管的触发电路,1.6.2,GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,1. 电流驱动型器件的驱动电路,1) GTO,GTO的驱动电路,GTO的门极驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分,图4.4 门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形,1.6.3,典型的直接
11、耦合式GTO驱动电路：,图1-29 典型的直接耦合式GTO驱动电路,二极管VD1和电容C1提供+5V电压VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压VD4和电容C4提供-15V电压V1开通时，输出正强脉冲V2开通时输出正脉冲平顶部分V2关断而V3开通时输出负脉冲V3关断后R3和R4提供门极负偏压,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,2) GTR 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形
12、,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分,二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入V，会使V过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc0。C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。,图1-31 GTR的一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,2. 电压驱动型器件的驱动电路 栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要
13、求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 -5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,1) 电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分,无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压 。专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其
14、输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。,图1-32 电力MOSFET的一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,2) IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器,常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为 -10V。,图1-33 M57962L型IGBT驱动器的原理和接
15、线图,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,电力电子器件器件的保护,1.7.1 过电压的产生及过电压保护1.7.2 过电流保护1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7,过电压的产生及过电压保护,电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因(1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2) 雷击过电压：由雷击引起 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程(1) 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在
16、器件两端感应出过电压。(2) 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。,1.7.1,过电压保护措施,图1-34 过电压抑制措施及配置位置 F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路 RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器 RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路 RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路,电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴,过电压的产生及过电压保护,1.7.1,外因过电压抑
17、制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图1-35。,图1-35 RC过电压抑制电路联结方式 a) 单相 b) 三相,RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。,过电压的产生及过电压保护,1.7.1,大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路,图1-36 反向阻断式过电压抑制用RC电路,保护电路参数计算可参考相关工程手册其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压,过电压的产生及过电压保护,1.7.1,过电流保护,过电流过载和短路两种情况常用措
18、施（图1-37）,快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。,图1-37 过电流保护措施及配置位置,1.7.2,采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。 选择快熔时应考虑： (1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。 (2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。 (3)快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值。 (4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考
19、虑其时间电流特性。,过电流保护,1.7.2,快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种 全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。 短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。 对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护。 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。,过电流保护,1.7.2,缓冲电路（Snubber Circuit）,缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。 关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换
20、相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓冲电路。 其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。,1.7.3,缓冲电路作用分析 无缓冲电路： V开通时电流迅速上升，di/dt很大。 关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。 有缓冲电路： V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢。 V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V
21、的负担，抑制了du/dt和过电压。,图1-38 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形,缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7.3,关断时的负载曲线,图1-39 关断时的负载线,无缓冲电路时：uCE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C。,有缓冲电路时：Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C。,负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低。,缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7.3,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,图1-3
22、8 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形,图1-40示出另两种，其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。,图1-40 另外两种常用的缓冲电路a) RC吸收电路 b) 放电阻止型RCD吸收电路,缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7.3,缓冲电路中的元件选取及其他注意事项 Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册。 VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10。 尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容。 中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路。对IGBT
23、甚至可以仅并联一个吸收电容。 晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可。,缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7.3,电力电子器件器件的串联和并联使用,1.8.1 晶闸管的串联1.8.2 晶闸管的并联1.8.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,1.8,晶闸管的串联,目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。 静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。 承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一
24、个器件承担全部电压也导通，失去控制作用。 反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。,1.8.1,静态均压措施： 选用参数和特性尽量一致的器件 采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。,图1-41 晶闸管的串联 a) 伏安特性差异 b) 串联均压措施,晶闸管的串联,1.8.1,动态不均压由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。 动态均压措施： 选择动态参数和特性尽量一致的器件。 用RC并联支路作动态均压。 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异。,晶闸管的串联,1.8.1,晶闸管的并联,目的：多个器件并联来承担较大的电流 问题：会分别因静态和动态特
25、性参数的差异而电流分配不均匀。均流措施： 挑选特性参数尽量一致的器件。 采用均流电抗器。 用门极强脉冲触发也有助于动态均流。 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。,1.8.2,电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,电力MOSFET并联运行的特点 Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。 电路走线和布局应尽量对称。 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数。 在以上的区段则具有正温度系数。 并联使用时也具
26、有电流的自动均衡能力，易于并联。,1.8.3,本章小结,主要内容全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。,电力电子器件类型归纳单极型：电力MOSFET和SIT双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型：IGBT和MCT,图1-42 电力电子器件分类“树”,电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。 电流驱动型：双极型器件中除SITH外特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。,本章小结,当前的格局:IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。 光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。 电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。,本章小结,
