完整电力电子技术教案

完整电力电子技术教案内容摘要：

快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。 两类器件取长补短结合而成的复合器件 — BiMOS器件 绝缘栅双极晶体管（ Insulatedgate Bipolar Transistor— — IGBT或 IGT） GTR和 MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。 1986年投入市场后，取代了 GTR和一部分MOSFET的市场 ,中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。 1. IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极 G、 集电极 C和发射极 E IGBT的结构 图 217N沟道 VDMOSFET与 GTR组合 —— N沟道 IGBT（ NIGBT） IGBT比 VDMOSFET多一层 P+注入区，形成了一个大面积的 P+N结 J1。 —— 使 IGBT导通时由 P+注入区向 N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得 IGBT具有很强的通流能力。 简化等效电路表明， IGBT是 GTR与 MOSFET组成的达林顿结构，一个由 MOSFET驱动的厚基区 PNP 18 晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。 IGBT的原理 驱动原理与电力 MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压 uGE决定。 导通 ： uGE大于 开启电压 UGE(th)时， MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流， IGBT导通。 导通压降 ：电导调制效应使电阻 RN减小，使通态压降小。 关断 ：栅射极间施加反压或不加信号时， MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 2. IGBT的基本特性 1) IGBT的静态特性 转移特性 —— IC与 UGE间的关系，与 MOSFET转移特性类似。 开启电压 UGE(th)—— IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。 UGE(th)随温度升高而略有下降 ， 在 +25C时 ， UGE(th)的值一般为 2~6V。 输出特性 （伏安特性） —— 以 UGE为参考变量时， IC与 UCE间的关系。 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 分别与 GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。 uCE0时， IGBT为反向阻断工作状态。 2) IGBT的动态特性 IGBT的开通过程 与 MOSFET的相似，因为开通过程中 IGBT在大部分时间作为 MOSFET运行。 开通延迟时间 td(on) —— 从 uGE上升至其幅值 10%的时刻，到 iC上升至 10% ICM178。 电流上升时间 tr —— iC从 10%ICM上升至 90%ICM所需时间。 开通时间 ton—— 开通延迟时间与电流上升时间之和。 uCE的下降过程分为 tfv1和 tfv2两段。 tfv1—— IGBT中 MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2——MOSFET和 PNP晶体管同时 工作的电压下降过程。 IGBT的关断过程 关断延迟时间 td(off) —— 从 uGE后沿下降到其幅值 90%的时刻起，到 iC下降至 90%ICM。 电流下降时间 —— iC从 90%ICM下降至 10%ICM。 关断时间 toff—— 关断延迟时间与电流下降之和。 电流下降时间又可分为 tfi1和 tfi2两段。 tfi1—— IGBT内部的 MOSFET的关断过程， iC下降较快；tfi2—— IGBT内部的 PNP晶体管的关断过程， iC下降较慢。 IGBT中双极型 PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现 19 象，因而 IGBT的开关速度低于电力 MOSFET。 IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。 高压器件的 N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。 小结： 2. IGBT的特性和基本参数 3. IGBT和其他晶闸管的比较 作业布置： 审批： 后记： 20 周次： 时间： 课题：第三章 第一节 典型全控型电力电子器件的驱动 课时： 2课时 教学目标： 1 掌握电流驱动器件及驱动电路 2 掌握电压驱动器件及驱动电路 3 掌 握电压驱动和电流驱动在什么条件下使用 重点、难点： GTO的驱动原理 教具：传感器模块 教学方法：教材 时间分配：新授 20分钟 实操 80分钟 教学过程：回顾 10分钟 新授 70分钟 小结 15分钟 作业布置 5分钟 第一节 典型全控型电力电子器件的驱动 相关知识 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。 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。 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。 21 光耦合器的类型及基本接法 一． 电流驱动型器件的驱动电路 GTR是电流 驱动型器件。 GTO 的开通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流 .使 GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和 陡度的要求更高，幅值需达阳极电流的 1 /3 左右，陡度需达 50A/s，强负脉冲宽度约 30s，负脉冲总宽约 100s,关断后还应在门阴极施加约 5V 的负偏压，以提高抗干。 推荐的 GTO门极电压电流波形 GTO 一般用于大容量电路的场合，其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，可分为脉冲变压器藕合式和直接藕合式两种类型。 直接藕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。 使 GTR 开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进人放大区和深饱和区。 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。 GTR驱动电流的前沿上升时间应小于 1s，以保证它能快速开通和关断。 理想的 GTR基极驱动电流波形如图所示 二． 电压驱动型器 件的驱动电路 1. IGBT 和功率 MOSFET对驱动电路的要求 IGBT和功率 MOSFET都是压控器件，门极输入阻抗高，所需驱动功率小，较 GTO 和大功率晶体管的门极驱动容易， IGBT 和功率 MOSFET器件对门极驱动电路的要求如下 : (1)通常 IGBT和功率 MOSFET的门极电压最大定额为士 2Ov，若超过此值，门极就会被击穿，导致器件损坏。 为防止门极过压，可采用稳压管作保护。 (2)这两种器件都存在 5V的门极闭值电压，驱动信号低于此闭值电压时，器件是不导通的。 要使器件导通，驱动信号必须大于其阐 值电压。 当要求功率器件工作子开关状态时，驱动信号必须保证器件工作于饱和状态，否则也会造成器件损坏。 正向门极驱动电压幅值的选取应考虑在额定运行与一定过载情况下器件不退出饱和为前提，正向门极电压愈高、通态 22 压降愈小，通态损耗愈小，对无短路保护的驱动电路，驱动电压高一些有好处，可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。 通常，正向门极电压取 15V在有短路保护的场合，不希望器件工作干过饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流，对短路保护有好处。 有短路保护的场合，门极电压取 13V较合适。 另外，为了减小开通损耗，门 极驱动信号的前沿要陡。 IGBT 和功率 MOSFET 的门极等效为一电容负载，所以要求驱动信号源的内阻要小。 (3)当门极信号低于门极阐值电压时，器件就关断了。 为了缩短器件的关断时间 .关断过程中应尽快放掉门极输入电容上的电荷器件关断时，驱动电路应提供低阻抗的放电通或门极反抽电路。 一般门极反向电压取 (510)V .当器件关断后门极加上一定幅值的反压可提高抗干扰能力。 ( 4 ) IGBT门极与发射极 (对 MSS器件而言是门极与源极 )之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由干存在门极输入电容，所以驱动电 路需提供动态驱动电流。 器件的电流定额愈大，输入电容愈大。 电压定额愈大，输入电容也愈大，当大功率器件作高频运行时，门极驱动电流和驱动功率也是不小的 ,驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。 （ 5） IGBT和功率 MOSFET是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间不宜过短、否则会产生过高的集电极尖峰电压。 门极电阻对 IGBT和功率 MOSFET的开关时间有直接的影响。 门极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，对器件造成危险，所以门极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。 门极极电阻过大，器件 的开关速度降低，开关损耗增大，也会对器件的安全运行造成危险，所以门极电阻 Rg的上限受到开关损耗的限制。 (6)驱动电路与控制电路之间应隔离。 驱动电路与门极之间的引线应尽可能短，并用绞线，使门极电路的闭合电路面积最小，以防止感应噪声的影响。 采用光藕器件隔离时，应选用高的共模噪声抑制器件，能耐高电压变化率。 小结： 作业布置： 审批： 后记： 23 周次： 时间： 课题：第二节 电力电子器件的保护 课时： 2课时 教学目标： 1 掌握过电压产生的原因和分类 2 掌握过电压保护措施 3 掌握过电流产生的原因和分类 4 掌握过电流保护措施 重点、难点：过电压和过电流保护的措施 教具：教材 教学方法：讲授法 时间分配：回顾 10分钟 新授 70分钟 小结 15分钟 作业布置 5分钟 教学过程： 电力电子器件的保护 相关知识 一、 过电压保护 1过电压产生的原因及分类 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。 2过电压的保护措施 24 过电压抑制措施及配 置位置 二、过电流保护 电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。 过电流分过载和短路两种情况。 图中给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。 一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。 在选择各种保护措施时应注意相互协调。 通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器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。 采用快速熔断器 (简称快熔 )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。 在选择快熔时应考虑 : 1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 2）电流容量应按其在主电路中的接人方式和主电路联结形式确定。 快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。 25 3)快熔的 It值应小于被保护器件的允许 It，值。 4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。 快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。 全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用 于小功率装置或器件使用裕度较大的场合。 短路保护方式是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。 快熔电流容量的具体选择方法可参考有关的工程手册。 对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。 除了对电动机起动的冲击电流等变化较慢的过电流可以利用控制系统本身调节器对电流的限制作用之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过流之后直接调节触发或驱动电路，或者关断。