1、变频技术原理与应用变频技术原理与应用(第二版)吕汀吕汀 石红梅编著石红梅编著机械工业出版社2目 录 第1章 概 述第2章 电力电子器件第3章 交-直-交变频技术第4章 脉宽调制技术第5章 交-交变频技术第6章 变频器的选择和容量计算第7章 变频器的安装接线、调试与维修第8章 变频技术综合应用3第一章 概 述n变频技术的概念 n 变频技术的主要类型n 变频技术的发展 本章要点返回目录41.1 变频技术 变频技术是一门能够将电信号的频率,按照具体电路的要求，而进行变换的应用型技术。其主要类型有以下几种：（1）交直变频技术（即整流技术）（2）直直变频技术（即斩波技术）（3）直交变频技术（4）交交变频
2、技术（即移相技术）变频技术的类型表 输入 输出 交流 直流 直流 整流 斩波 交流 移相 逆变61.2变频技术的发展 随着电力电子技术的发展，变频技术的发展方向是：交流变频向直流变频方向转化控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制)方向发展功率器件向高集成智能功率模块发展总之，变频技术的发展趋势，是朝着高度集成化、高频化、模块化的方向发展 7第2章 电力电子器件n晶闸管的特性参数及保护n门极关断晶闸管的特性参数n功率晶体管的特性参数及驱动电路nMOS器件的特性参数及保护n绝缘栅双极型晶体管IGBT的特性参数、驱动电路及其保护n集成门极换流晶闸管和功率集成电路简介本章要点返回目录8电力电子
3、器件是电力电子技术的物质基础和技术关键，也是变频技术技术电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键，也是变频技术技术发展的发展的“龙头龙头”。可以说，电力电子技术起步于晶闸管，普及于GTR，提高于IGBT。新型电力电子器件的涌现与发展，促进了电力电子电路的结构、控制方式、装置性能的提高。本章从应用的角度出发，对电力电子器件的种类、性能及应用等加以介绍。92.1 半控型电力电子器件2.1.1晶闸管（SCR）的特性及参数1.1.晶闸管的特性晶闸管的特性（1 1）晶闸管的阳极伏安特性）晶闸管的阳极伏安特性晶闸管有三个引线端子：阳极（anode）A、阴极(cathode)K和门极(gate)G，有
4、三个PN结。晶闸管的结构见图2-1 晶闸管阳极与阴极间的电压和它的阳极电流之间的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图2-2所示。位于第象限的是正向特性，第象限的是反向特性。晶闸管的门极和阴极之间是一个PN结J3，它的伏安特性称为门极伏安特性。实际产品的门极伏安特性分散性很大，为了应用方便，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表，称之为门极伏安特性区域。（2 2）晶闸管的门极伏安特性）晶闸管的门极伏安特性 电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止的时间间隔，称为晶闸管的电路换向关断时间tq，它由两部分组成：门极在原点处受到理想阶跃电流的触发，由
5、于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，阳极电流的增长不可能瞬时完成。从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延迟时间td。阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间称为上升时间tr，开通时间tgt为二者之和，即1）开通时间）开通时间 tgt=td+tr 2）关断时间）关断时间 tq=trr+tgr 晶闸管在电路中是起开关作用的。trr为反向阻断恢复时间，是电流反向的持续期；tgr为正向阻断恢复时间。（3 3）晶闸管的动态特性）晶闸管的动态特性162 2晶闸管的参数晶闸管的参数 晶闸管不能自关断，属半控型，在电路中起开关用。由于其开通与关断的时间很短，为正常使用，必须
6、认真研究其动态特性，定量地掌握其主要参数。（1 1）晶闸管的电压定额）晶闸管的电压定额1）断态（正向）重复峰值电压UDRM：是门极断路，而晶闸管的结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压，重复频率为每秒50次，每次持续时间不大于10ms。2）反向重复峰值电压URRM：是门极断路，而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压。重复频率为每秒50次，每次持续时间不大于10ms。3）通态（峰值）电压UTM：是晶闸管通以倍或规定倍数额定通态平均电流值时的瞬态峰值电压。（2）晶闸管的电流定额）晶闸管的电流定额（3）晶闸管的门极定额晶闸管的门极定额IT（AV）=（1.52）57.1TmII
7、Tm最大电流有效值 1）通态额定平均电流IT（AV）：2）维持电流IH：3）擎住电流IL 4）断态（正向）重复峰值电流IDRM和反向重复峰值电流IRRM 5）浪涌电流ITSM 1）门极触发电流IGT：是在室温下，通态电压直流6V时使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。2）门极触发电压UGT：是产生门极触发电流所必需的最小门极电压。（4）动态参数）动态参数（5）额定结温额定结温1）断态临界电压上升率du/dt：是在额定结温和门极开路的情况下，不使从断态到通态转换的最大电压上升率。如果du/dt过大，会使充电电流足够大，使晶闸管误导通，此时应采取措施，使其在临界值内。2）通态临界电流上升率d
8、i/dt：是在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果通态电流上升太快，则晶闸管刚一开通，就会有很大的电流集中在门极附近的很小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。因此要采取措施限制其值在临界值内。限制电流上升率的有效办法是串接空心电感。额定结温Tjm：器件在正常工作时所允许的最高结温。在此温度下，一切有关的额定值和特性都能得到保证。192.1.2晶闸管的串并联与保护1晶闸管的串联与并联（1 1）晶闸管的串联）晶闸管的串联当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以采用两个或两个以上同型号器件相串联。图2-5a）是两个晶闸管串联的伏安特性图（2 2）晶闸管的并联）晶闸管的并联
9、1）主回路对并联晶闸管电流分配的影响2）正向压降对并联晶闸管电流分配的影响常用的均流电路有：串联电阻均流电路串联电抗器均流电路 晶闸管的正向压降等于与正向电流无关的恒定压降与内阻压降之和。由于晶闸管内阻很小，并联晶闸管各回路的阻抗又不相同，因此，各支路电流分配也不均衡。当负载电流很大时，各并联支路的电阻和自感必须相等，互感也应尽量相等。采用直流电抗器的均流电路232晶闸管的保护 （1 1）晶闸管的过电流保护）晶闸管的过电流保护造成晶闸管过电流的重要原因是：电网电压波动太大、电动机轴上拖动的负载超过允许值、电路中管子误导通以及管子击穿短路等。由于晶闸管承受过电流能力比一般电器元件差得多，故必须在
10、极短时间内把电源断开或把电流值降下来。常见的保护有以下几种：1 1）快速熔断器保护）快速熔断器保护 接入桥臂与晶闸管串联 接在交流侧输入端 接在直流侧 熔断器是最简单有效的过电流保护元件快速熔断器的接法一般有三种：工作原理：工作原理：当主电路过电流时，电流反馈信号电压Ufi增大，稳压管VS被击穿，晶体管V导通，直流快速灵敏继电器KA得电并自锁，并断开了电源接触器KM 吸引线圈电压，使KM失电切断主电路交流电源，以达到过电流保护的目的。过电流故障排除后，想要恢复供电，先按下复位按钮SB，KA失电，其KA常闭触点闭合，按下主电路起动按钮SB2，KM 得电接通主电路交流电源，恢复正常供电。调节电位器
11、RP，可以很方便地调节过电流跳闸动作电流的大小。2 2）过电流继电器保护）过电流继电器保护3 3）限流与脉冲移相保护）限流与脉冲移相保护 工作原理：与电子过电流跳闸电路相似，当主电路出现过电流时，电流反馈信号电压Ufi增大，稳压管V1被击穿，V2晶体管注入基极电流，使晶体管V2输出电压U0降低，于是触发电路的触发脉冲迅速右移(即移相角增大)，使主电路输出整流电压迅速减小，负载电流也迅速减小，达到限流目的。4 4）利用反馈控制作过电流保护）利用反馈控制作过电流保护 这种保护的特点是控制系统本身的动作速度快，在一些容易发生短路的设备如逆变器中，常采用这种保护方法，但内部发生短路时还得靠快速熔断器来
12、保护。5 5）直流快速开关电流保护）直流快速开关电流保护 在大容量变流装置经常容易出现直流侧负载发生短路的场合，可以在直流侧装直流快速开关，用作直流侧过载与短路保护动作时间非常短。（2 2）电压与电流上升率的限制）电压与电流上升率的限制 限制电压变化率的措施有：1）装设有整流变压器的变流装置2）对于没有整流变压器而直接由电网供电的装置，可在交流电源输入端串接 空心小电感L0，如图2-14所示。3）每个桥臂串接空心小电感或在桥臂上套入磁环（电感量约为2030H）（3 3）晶闸管的过电压保护）晶闸管的过电压保护 晶闸管从导通到阻断和开关电路一样，因为有电感释放能量，所以会产生过电压。这可能会导致管
13、子的反向击穿，所以必须采取保护措施。对于尖峰状的瞬时过电压，常用的保护方法是在晶闸管两端并接RC吸收元件，如图2-16所示。（4 4）交流侧过电压及其保护）交流侧过电压及其保护 1 1）交流侧操作过电压）交流侧操作过电压 静电感应过电压：如图2-17a所示 断开相邻负载电流而引起的过电压：如图2-17b所示 断开变压器一次绕组空载电流I0（励磁电流）引起的过电压：如图2-17c所 由于一次、二次绕组之间存在分布电容C0，在Q合上的瞬间，一次高电压经C0偶合到二次绕组出现瞬时过电压。通常可以在变压器二次或在三相变压器二次星形中点与地之间，并联适当的电容（通常为0.5F），就可显著减小这种过电压，
14、也可在一次与二次之间附加屏蔽层 由于相邻负载电流i2的突然断开，流过回路漏抗L的电流突然减小，感应电动势与电源电压u2极性恰好是顺极性相加而引起过电压。在变压器空载且电源电压过零（即励磁电流最大）时，断开一次Q开关，由于i0突变，故在二次绕组感应出很高的瞬时过电压，这种尖峰过电压很可能达到电源电压峰值的6倍以上，对管子极为不利。由于发生雷击或从电网侵入的高电压干扰而造成的晶闸管过电压，称为浪涌过电压。硒堆元件保护：2 2）交流侧浪涌过电压）交流侧浪涌过电压 压敏电阻的主要特性参数有：漏电流为1mA时的额定电压U1mA；放电电流达到规定值IY时的电压UY，其数值由残电压比UY/U1mA所决定；允
15、许的通流容量，即在规定波形下（冲击电流前沿8ms，波长20ms），允 许通过的浪涌峰值电流（kA）。（5 5）直流侧过电压及其保护）直流侧过电压及其保护对这种过电压抑制的有效方法是：在直流负载两端并接压敏电阻或硒堆等来保护。392.2 门极关断晶闸管 门极关断晶闸管GTO（gate turn off thyristor）。它与普通晶闸管相比，属“全控型器件”或“自关断器件”，既可控制器件的开通，又可控制器件的关断。因此，使用GTO的装置与使用普通型晶闸管的装置相比，具有主电路器件少，结构简单；装置小巧；无噪声；装置效率高；易实现脉宽调制，可改善输出波形等优点。其结构见图2-25所示，也属于PN
16、PN四层三端器件。412.2.1门极关断晶闸管的特性及参数1 1GTOGTO的特性的特性 下图为GTO的工作电路简图。A、K和G分别为GTO的阳极、阴极和门极，EA和RK分别为工作电压和负载电阻；EG1和RG1分别为正向触发电压和限流电阻；EG2和RG2分别为反向关断电压和限流电阻。当S置于“1”时，GTO导通，阴极电流IKIA十IG。当S置于“2”时，GTO关断。2 2GTOGTO的参数的参数（1）最大门极可关断阳极电流IATO 这是标称GTO额定电流容量的参数。（2）电流关断增益off off是GTO的一个重要参数，其值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。（3）擎住电流IL GTO
17、经门极触发刚从断态转入通态，撤除门极信号后GTO仍能维持导通所需要的最小阳极电流。（4）维持电流IH ton=td+tr toff=ts+tf（5）门极关断电流IGM（6）开通时间ton（7）关断时间toff（8）断态不重复峰值电压URSM（9）断态重复最大电压UDRM 它是GTO从通态转为断态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。开通时间是指延迟时间td 和上升时间tr 之和，即 关断时间一般指储存时间ts 和下降时间tf 之和，即 在关断时管子能承受而不被击穿的最大重复瞬时电压。442.2.2 用万用表对晶闸管的检测 如图2-27所示，这里介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和
18、关断能力、估测关断增益off的方法。图2-27 GTO的检测1 1判定判定GTOGTO的电极的电极2 2检查触发能力检查触发能力3 3检查关断能力检查关断能力 将万用表拨至R1档，测量任意两脚间的电阻，仅当黑表笔接G极，红表笔接K极时，电阻呈低阻值，对其它情况电阻值均为无穷大。由此可判定G、K极，剩下的就是A极。如图2-27(a)所示，首先将表的黑表笔接A极，红表笔接K极，电阻为无穷大；然后用黑表笔尖也同时接触G极，加上正向触发信号，表针向右偏转到低阻值即表明GTO已经导通；最后脱开G极，只要GTO维持通态，就说明被测管具有触发能力。现采用双表法检查GTO的关断能力，如图2-27(b)所示，表
19、的档位及接法保持不变。将表拨至R10档，红表笔接G极，黑表笔接K极，施以负向触发信号，如果表的指针向左摆到无穷大位置，证明GTO具有关断能力。4 4估测关断增益估测关断增益offoff5 5注意事项注意事项 进行到第3步时，先不接入表，记下在GTO导通时表的正向偏转格数n1；再接上表强迫GTO关断，记下表的正向偏转格数n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益：off=IATO/IGMK1n1/K2n2式中 K1表在R1档的电流比例系数 K2表在R10档的电流比例系数。估算：off10n1/n2 此式的优点是，不需要具体计算IATO、IGM之值，只要读出二者所对应的表针正向偏转格数，即可迅速估
20、测关断增益值。（1）在检查大功率GTO器件时，建议在R1档外边串联一节1.5V电池E，以提高测试电压和测试电流，使GTO可靠地导通。（2）要准确测量GTO的关断增益off，必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同，测量结果仅供参考，或作为相对比较的依据。472.3 2.3 大功率晶体管大功率晶体管大功率晶体管GTR（Giant Transistor）也称为电力晶体管PTR（Power Transistor），是一种具有发射极（e）、基极（b）、集电极(c)区的三层器件，有npn和pnp两种结构，故又称双结型晶体管BJT（Bi Junction Tansistor
21、）。它既有晶体管的固有特性，又扩大了功率容量。在大功率电力变换电路中,10kHz以下的应用较多。GTR的缺点是耐冲击能力差，易受二次击穿而损坏，所以使用时必须考虑以下参数：击穿电压、电流增益、耗散功率和开关速度，这四个参数是相互制约的。482.3.1 GTR的结构及特性参数1.GTR1.GTR的结构的结构 双极型硅晶体管有PNP和NPN两种结构。对于高压、大功率晶体管常用NPN结构。图2-28 所示为电力晶体管的结构及符号示意图。PNP型型GTRNPN型型GTR49晶体管通常连接成共发射极电路 2 2GTRGTR的特性的特性50l开通过程：开通过程：下图所示为共发射极电路基极加正脉冲信号，GT
22、R由截止状态转为饱和导通状态的波形。51l关断过程关断过程 下图所示为共发射极电路在饱和导通状态时加负信号，GTR由导通到关断的变化过程。GTR上所施加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和GTR本身特性有关，还和外部电路的接法有关。BUcbo发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压。BUceo基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。BUcer和BUces实际电路中，GTR的发射极和基极之间常接有电阻R，这时用 BUcer表示集电极和发射极之间的击穿电压。BUcex发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。3 3功率晶体管的参数功率晶体管的参数 （1）最高工作电压Ucema
23、x GTR流过的电流过大时，会使晶体管电参数劣化，性能不稳定。因此，必须规定集电极最大允许电流。可按如下方法之一定额：1.直流电流放大系数下降到规定值的1/21/3时；2.集电极电流与饱和压降Uces的乘积等于允许功耗时的集电极电流；3.引起内部引线熔断的集电极电流；4.引起集电结毁坏的集电极电流。（2 2）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICMICM（3 3）集电极最大耗散功率）集电极最大耗散功率P PCMCM（4 4）最高工作结温）最高工作结温T TJMJM 集电极最大耗散功率是GTR容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电结工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升
24、温，晶体管会因温度过高而烧坏。GTR结温过高时，会导致热击穿而烧坏。TJM是晶体管能正常工作的最高允许结温。552.3.2 GTR的驱动电路1.1.对基极驱动电路的要求对基极驱动电路的要求 1)GTR开通时要采用强驱动，基极电流前沿要陡，并应有一定的过饱和驱动电流(Ib1)，以缩短开通时间，减小开通损耗。过饱和系数一般为152。2)GTR导通后应相对减小驱动电流(Ib2)，维持器件处于准饱和状态，以降低驱动功率，减小存储时间。3)GTR关断时要提供较大的反向基极电流(Ib3)，以迅速抽取基区的剩余载流子，缩短关断时间。反向过驱动系数一般为12。4)GTR关断期间要维持一定的反向偏置电压，在GT
25、R开通前，反偏电压应降为零。5)为防止主电路与控制电路的干扰，驱动电路应采取隔离措施。6)为防止GTR因过电流而进入线性工作区，应设置自动保护。2 2基极驱动电路基极驱动电路(1)恒流驱动电路恒流驱动电路(2)光耦式比例驱动电路光耦式比例驱动电路 3 3集成模块化驱动电路集成模块化驱动电路(1)驱动模块驱动模块(2)驱动芯片驱动芯片62为了使GTO在厂家规定的安全工作区内可靠的工作，必须对其采取必要的保护措施。一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R-C-VD缓冲电路和R-C-VD缓冲电路三种形式，如图2-41所示。2.3.3 GTR的保护电路nRC缓冲电路较简单，它对关断时集电极-发
26、射极间电压上升有抑制作用，只适用于小容量的GTR（电流10A以下）。nR-C-VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以用于大容量的GTR。但缓冲电路的电阻较大，不适合用于高频开关电路。n阻止放电型R-C-VD缓冲电路，常用于大容量GTR和高频开关电路缓冲器。最大的优点是缓冲产生的损耗小。652.4 MOS器件2.4.1 功率MOSFET场效应晶体管1.1.结构结构 MOSFET有N沟道和P沟道两种。N沟道中载流子是电子，P沟道中载流子是空穴，都是多数载流子。其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。所谓耗尽型就是当栅源间电压UGS0时存在导电沟道，漏极电流ID0；所谓增强型就是当UGS0时没有导电
27、沟道，ID0，只有当UGS0(n沟道)或UGS0(P沟道)时才开始有ID。671）漏极额定电流ID和峰值电流IDM ID是流过漏极的最大的连续电流，IDM是流过漏极的最大脉冲电流。2）通态电阻RDS（ON）是功率MOSFET非常重要的参数，它是功率MOSFET导通时漏源电压与漏 极电流的比率，直接决定漏电流。3）阀值电压UGS（th）是漏极流过一个特定的电流所需的最小栅源控制电压。4）漏源击穿电压U（BR）DSS 是在UGS=0时漏极和源极所能承受的最大电压。2功率MOSFET的的主要参数及特性及特性 （1 1）功率）功率MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数 同双极型晶体管相比，功率M
28、OSFET具有两个显著的特点：一个是驱动电路简单，驱动功率小；另一个是开关速度快、工作频率高。另外，其热稳定性也优于双极型晶体管。1）功率MOSFET的输出特性（2 2）功率）功率MOSFETMOSFET的特性的特性2）功率MOSFET的转移特性 转移特性是在漏源电压一定的情况下，漏极电流与栅源控制电压之间的关系。它反应了输出电流与控制电压之间的关系。当功率MOSFET充分导通时，栅源控制电压很高，电压的变化不会影响漏极电流 3）功率MOSFET的开关特性 图图2-48 功率功率MOSETF极间电容的等效电路极间电容的等效电路 71（1 1）栅源过压保护）栅源过压保护（2 2）漏源过压保护）漏
29、源过压保护 过高的栅源电压将击穿栅源氧化层，并产生永久性损坏。MOSFET的栅源电压一般不允许超过20V，在栅源两端反接一个稳压二极管（稳压值为15V），即可实现栅源过压保护。在漏极电路的供电电压远低于功率MOSFET额定电压的时候，功率MOSFET也可能遭受瞬态过电压而毁坏。这个瞬态过电压就是由于功率MOSFET关断时电路中电感的影响造成的 3功率MOSFET的保护技术（3 3）峰值电流保护）峰值电流保护 所有的功率MOSFET都有一个最大的峰值电流额定值。为保证能长期可靠地工作，功率MOSFET工作时不能超过这个额定值。在实际电路中，如光电、热和电机类负载，如不加以限制就会产生大的冲击电流
30、。当功率MOSFET突然同一个导通的续流二极管接通时，由于二极管的反向恢复作用，会产生很大的瞬态电流。解决这个问题的办法是选用快恢复型二极管，或降低功率MOSFET的开关速度，以限制续流二极管的峰值反向恢复电流。（4 4）有效值电流保护）有效值电流保护功率MOSFET在实际状况下工作的总有效值电流不得超过ID额定值。过电流保护电路：改进的过电流保护电路：（5 5）过热保护）过热保护（6 6）静电保护）静电保护 解决过热保护的办法之一是安装一个足够大的散热器，使它的散热能力足以在总功耗一定的情况下，使结温限制在150之内。办法二是检测结温，如果结温高于某个值(如100)，就应该采取关断措施。检测
31、结温一般是依据功率MOSFET的通态电阻RDS（ON）随结温上升而增大的性质。在漏极电流一定的情况下，通态电阻值是和管压降成正比的，所以检测管压降就能检测到结温的情况。由于功率MOSFE了是MOS器件，它有一定的输入电容，很容易吸收静电荷，这个静电荷积累过多，会使极间的电压超过所允许的电压而毁坏器件。因此要注意以下一些问题：1)功率MOSFET应放置在防静电袋子或导电泡沫塑料内，操作者要带可靠接地的手镯拿取。2)用手拿功率MOSFET时，不要用手触摸其管脚。3)工作台要采用接地的桌子和地板垫。4)电烙铁要良好地接地，在MOSFET电控系统中要设置过压、欠压、过流和过热保护单元，以保证安全可靠地
32、工作。772.4.2 MOS控制晶闸管1MCT的基本结构与工作原理MCT是采用集成电路工艺制成的，一个MCT器件由数以万计的MCT元构成。从工作原理上，MCT与SCR有两点明显的不同：MCT是电压控制器件，SCR是电流控制器件；MCT的开通和关断是通过双门极相对阳极施加负、正脉冲电压来实现；SCR的触 发信号是以阴极为基准。由于MCT集MOSFET和SCR的优点于一身，被认为是大有发展前途的一种新器件。1）击穿电压没有触发时MCT连续承受的最大电压。2）正向压降150时额定峰值电流下的正向压降。3）结温在标准的塑料外壳场合规定为150。MCT的开通延迟时间和开通电流上升时间非常快。对于许多带o
33、n-FET的MCT元，如果不受门极驱动上升时间的限制，开通时间约为一个基区渡越时间（数十纳秒），MCT达到最终的通态电压，基本上不存在di/dt的限制。2MCT的主要参数3MCT的开关速度802.5 绝缘栅双极晶体管(IGBT)2.5.1 结构特点结构特点 IGBT（Isoloted Gate Bipolar Transistor）是在VDMOS的基础上增加了一个P+层漏极，形成PN结jl，并由此引出漏极(D)，栅极(G)和源极(S)。IGBT栅极输入高阻抗，是场控器件，这一点是MOSFET的特性；另外，IGBT的输出特性饱和压降低，这一点是GTR的特性。目前，IGBT的容量已经达到GTR的水
34、平，而且它的驱动简单、保护容易、不用缓冲电路、开关频率高。821.1.主要参数主要参数1）集电极发射极额定电压UCES 这个电压值是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规定的，是栅极发射极短路时IGBT能承受的耐压值，即UCES值小于等于雪崩击穿电压。2）栅极发射极额定电压UGES IGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，而UGES就是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT的UGES值大部分为十20V，使用中不能超过该值。3）额定集电极电流IC 该参数给出了IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。如富士公司提供给市场的IGBT模块的电流范围是8400A。4）集电极发射
35、极饱和电压UEC（sat）此参数给出IGBT在正常饱和导通时集电极发射极之间的电压降。该值越小，管子的功率损耗越小。富士公司IGBT模块的UEC（sat）值约为2535V。5）开关频率 在IGBT的使用手册中，开关频率是以导通时间ton、下降时间tf和关断时间toff给出的，据此可估计出IGBT的开关频率。一般，IGBT的实际工作频率都在100kHz以下，即使这样，它的开关频率、动作速度也比GTR快得多，可达3040kHz。开关频率高是IGBT的一个重要优点。2.5.2 IGBT的主要参数与基本特性2.2.基本特性基本特性 IGBT的输出特性也有截止区、饱和区、放大区和击穿区，转移特性则与VD
36、MOS相近，在导通后的大部分漏极电流范围内，IC与UGE成线性关系。没有二次击穿现象。842.5.3 IGBT的驱动与保护技术1.驱动电路（1 1）对驱动电路的要求）对驱动电路的要求对驱动电路的要求体现在以下几方面：由于IGBT以MOSFET为输入级，所以MOSFET的驱动电路同样适用于IGBT。1）IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.55V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一个低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开
37、关损耗尽量小。IGBT开通后，栅极驱动源能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。3）驱动电路要能传递几kHz的脉冲信号。4）驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。在有短路过程的设备中，由于负载短路时的IC增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此UGE应取得小一些，一般为1215V。5）在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，应施加一负偏压UGE，但其受IGBT的G、E间的最大反向耐压限制，一般取-1-10V。6）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。7）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与
38、控制电路在电位上应严格隔离。8）IGBT的栅极驱动电路应简单实用，其自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干扰能力。86（2 2）集成化驱动电路）集成化驱动电路 大电流高电压IGBT已模块化，图2-60为IGBT绝缘栅双极晶体管模块外形图。图2-61为IGBT模块内部结构图。图2-60 IGBT模块外形图2-61 IGBT模块内部结构图 IGBT关断时，由于主回路电流的急剧变化，由主回路杂散电感引起高压，产生开关浪涌电压。2IGBT的保护技术 （1 1）过压保护）过压保护IGBT关断时的波形 1）产生过电压的原因：2）缓冲器回路下图示出了IGBT的RBSOA（反向偏置电压安全工作区）。由于前
39、述的开关浪涌电压，关断时的电压轨迹超过RBSOA区域就会使元件损坏。可抑制开关浪涌电压，使电压轨迹不超过RBSOA区域。3）缓冲器的种类4）缓冲器回路的基本设计方法IGBT的缓冲器回路中，最普遍的是放电阻止型缓冲器。缓冲器回路的基本设计方法包括：缓冲器电容的计算 缓冲器阻抗的计算 RBSOA的设计94（2）过电流保护 1 1）产生过电流的原因）产生过电流的原因 若IGBT用于VVVF逆变器，当电动机启动时将产生突变电流，如果控制回路、驱动回路的配线欠合理，将会引起误动作，导致桥臂短路、输出短路等事故，使IGBT流过过电流。其中，发生短路事故时，电流变化非常迅速，而且元件要承受极大的电压和电流，
40、所以必须快速检测出过电流，在元件未被损坏之前，使其自动断开。短路现象可分为四类。2 2）IGBTIGBT承受短路的时间承受短路的时间直通短路直通短路l桥臂短路桥臂短路l输出短路输出短路 输出短路时，由于输出线的长度和短路位置的不同，短路电流通路的配线电感也不同，所以短路电流上升率（di/dt）不定。若用双结晶体管，配线电感低时，双结晶体管集电极电流初始值大，承受短路时间短。在使用IGBT时，由于没有这种对配线电感的依赖性，承受短路的时间不变。至使元件损坏的时间相当于模拟直通短路的四倍。l对地短路对地短路100 如果电源电压相同，直通短路与对地短路承受短路的时间大致相同。3 3）保护回路实例）保
41、护回路实例104小结过压保护：设计缓冲器最佳方案，把动态轨迹限制在RBSOA之内。过流保护：短路时的过流保护按模拟直通短路的条件进行参数设定，从而在元件尚未损坏之前的短路时间将其关断，以实现对元件的保护。因为这时要把动态轨迹限制在RBSOA区域之内，所以使用软关断是比较合理的。2.6 集成门极换流晶闸管IGCT2.6.1 IGCT的结构特点 IGCT内部由成千个GCT（门极换流晶闸管）组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO的重要差别是GCT阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。其导通机理与GTO一样，但关断机理与GTO完全不同。在GCT的关断过程中，IGCT能
42、瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP晶体管以后再关断，所以，它无外加dudt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，即“GTO区”，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率dudt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益PNP晶体管与门极电源的串联。IGCT可像IGBT无缓冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。GTO 结构剖面 GTC结构剖面 图2-82 GTO、GTC结构剖面2.6.2 IGCT的关键技术（1 1）缓冲层）缓冲层 （2 2）透明阳极）透明阳极 （3 3）逆导技术）逆导技术 在传统GTO、二极管及IGBT等器件中，采
43、用缓冲层形成穿通型（PT）结构，与非穿通型（NPT）结构相比，它在相同的阻断电压下可使器件的厚度降低约30%。同理，在IGCT中采用缓冲层，即用较薄的硅片可达到相同的阻断电压，因而提高了器件的效率，降低了通态压降和开关损耗。同时，采用缓冲层还使单片GCT与二极管的组合成为可能。为了实现低的关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制，因而要求阳极的厚度要薄，浓度要低。透明阳极是一个很薄的PN结，其发射效率与电流有关。因为电子穿透该阳极时就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。传统的GTO采用阳极短路结构来达到相同目的。采用透明阳极来代替阳极短路，可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低一个数量
44、级。GCT的结构与IGBT相比，因不含MOS结构而从根本上得以简化。GCT大多制成逆导型，它可与优化续流二极管FWD单片集成在同一芯片上。由于二极管和GCT享有同一个阻断结，GCT的P基区与二极管的阳极相连，这样在GCT门极和二极管阳极间形成电阻性通道。逆导GCT与二极管隔离区中因为有PNP结构，其中总有一个PN结反偏，从而阻断了GCT与二极管阳极间的电流流通。（4 4）极驱动技术）极驱动技术 IGCT触发功率小，可以把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号，输出工作状态信号。GCT与门极驱动器相距很近，该门极驱动器可以容易地装人不同的装置中，因此可认为该结构是
45、一种通用形式。为了使IGCT的结构更加紧凑和坚固，用门极驱动电路包围GCT，并与GCT和冷却装置形成一个自然整体，称为环绕型IGCT，其中包括GCT门极驱动电路所需的全部元件。有两种类型的IGCT。这两种形式都可使门极电路的电感进一步减小，并降低了门极驱动电路的元件数、热耗散、电应力和内部热应力，从而明显降低了门极驱动电路的成本和失效率。所以说，IGCT在实现最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT开关过程一致性好，可以方便地实现串、并联，进一步扩大功率范围。图图2-83-83两种类型的两种类型的IGCT图图1092.6.3 IGCT在变频器中的应用 低压IGBT和高压IGBT在高电
46、压变频器中都采用。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导电损耗大，而且需要许多IGBT复杂地串联在一起。对低压IGBT来讲，高压IGBT串联的数量相对要少一些，但导电损耗却更高。元件总体数量增加使变频器可靠性降低、柜体尺寸增大、成本提高。因此高压、大电流变频调速器在IGBT和GTO成熟技术的基础上，有了简洁的方案即IGCT。这个优化的技术包含了对GTO的重新设计，使其具有重要的设计突破。新的IGCT引进了快速、均衡换流和内在的低损耗，主要的设计性能含有可靠的阳极设计来达到快速泄流、低损耗薄型硅晶片使切换快速以及使用大功率半导体的集成型门驱动器。由于IGCT具有象IGBT一样快速开关功能
47、，象GTO一样的导电损耗低，在高压、大电流等各种应用领域中可靠性更高。IGCT装置中所有元件装在紧凑的单元中,降低了成本。IGCT采用电压源型逆变器，与其他类型变频器的拓扑结构相比，结构更简单，效率更高。相同电压等级的变频器采用IGCT的数量只需低压IGBT的五分之一。2.7 2.7 功率集成电路功率集成电路 功率集成电路PIC（Power Integrated Circuits）是将输出的功率器件及其驱动电路、保护电路和接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，也称为智能功率集成电路。2.7.1 PIC技术功率集成电路的典型构成 1 1PICPIC技术的分类与应用技术的分类与应用2 2SPI
48、CSPIC的基本功能的基本功能3 3SPICSPIC的应用及开发的应用及开发从电压、电流来看，PIC可分为三个领域：低压大电流PIC，主要用于汽车点火、开关电源和同步发电机等。高压小电流PIC，主要用于平板显示、交换机等。高压大电流PIC，主要用于交流电机控制、家用电器等。SPIC的三个基本功能是功率控制、传感/保护和接口。1122.7.2 智能功率模块1 1IPMIPM的结构的结构 IPM有两大类型：一种是小功率IPM，采用多层环氧树脂隔离；另一种是大功率IPM，采用陶瓷绝缘和铜骨架连接。分别见图2-87a）和b）。IPM有四种电路形式，即单管封装（H）、双管封装（D）、六合一封装（C）和七
49、合一封装（R）。如图2-88所示。图2-87 IPM功率电路结构图2-88 IPM的电路形式2 2IPMIPM的优点的优点 3 3IPMIPM的内藏功能的内藏功能可归纳为以下几个方面：不易损坏；内藏相关的外围电路，缩短了产品设计和评价时间；不需要对功率开关元器件采取防静电措施；大大减少了元件数目，缩小了体积。图2-89所示为采用IPM制成的逆变器系统框图。功放部分使用内有电流检测的IGBT模块，可以检测电流异常，以进行保护，不需要另加检测器CT，大大降低了成本。图2-89 采用IPM制成的逆变器系统框图 4 4高速高速IPMIPM 高速IPM是以斩波频率为15kHz的无噪声功率开关为目标，采用
50、在此频率下效率最高的高速型IGBT作为功放元件，在输出时转换效率可达96%的新型智能功率模块。这种IGBT属于第二代产品，与第一代IGBT模块相比，饱和电压和开关特性都有很大改善，开关损耗减少了30%。图2-90 开关损耗的比较图5 5IPMIPM的控制功能的控制功能IPM的时序图 有无短路保护时的电流、电压波形图：120为了选用合适的IPM用于变频器，要根据IPM的过流动作数值来确定峰值电流IC及适当的热设计，以保证结温峰值永远小于最大结温额定值(150)，使基板的温度保持低于过热动作数值，再参考该型号元件、过流保护（0C）动作数值来选用。峰值电流应按照电机的额定功率值确定，其峰值电流可根据
