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电力电子器件与驱动保护电路
电力电子器件与驱动保护电路
第一节功率二极管
一、常用功率二极管的分类
1.普通二极管(GeneralPurposeDiode)
又称整流二极管(RectifierDiode),多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。
其反向恢复时间较长,一般在5μs以上,这在开关频率不高时并不重要。
正向电流定额和反向电压定额可以达到很高,分别可达数千安和数千伏以上。
2.快恢复二极管(FastRecoveryDiode——FRD)
恢复过程很短特别是反向恢复过程很短(5μs以下)的二极管,也简称快速二极管,工艺上多采用了掺金措施。
适用于中等电压和电流范围,多用作高频开关使用。
3.肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode——SBD)
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管,简称为肖特基二极管。
它具有低导通电压和极短的开关时间。
但反向漏电流大和阻断电压低是其缺点,主要用于高频、低压的场合。
二、功率二极管的特性
1、静态伏安特性
当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压UTO),正向电流才开始明显增加,处于稳定导通状态。
与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。
当电力二极管承受反向电压时,只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
2、快速二极管的动态特性(软恢复)
因结电容的存在,开与关状态之间的转换必然有一个过渡过程,此过程中的电压——电流特性是随时间变化的。
开关特性反映通态和断态之间的转换过程。
关断过程:
(图a)
须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力,进入截止状态。
在关断1
I
b)Ua)RP之前有较大的反向电流出现,并伴随有明显的反向电压过冲。
tF时刻加反向电压,正向电流开始下降,下降速率由反向电压大小和电路电感决定,管压降由于电导调制效应基本不变,直至正向电流降为零的时刻t0。
此时由于PN结两侧空间电荷区的电荷储存效应而不能恢复阻断,外加电压抽取电荷形成较大反向电流,在空间电荷区附近电荷即将抽尽时管压降变负,于是开始抽取离空间电荷区较远的电荷,因而在管压降极性改变后不久的t1时刻反向电流开始从最大值下降,空间电荷区展宽,二极管开始重新恢复反向阻断能力。
t1时刻由于反向电流快速下降,在外电路电感作用下形成反向过冲电压URP,在t2时刻下降至外加电压大小。
开通过程:
(图b)
电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP,经过一段时间才趋于接近稳态降的某个值(如2V)。
这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。
电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子,达到稳态导通前管压降较大。
正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。
电流上升率越大,UFP越高。
注意:
在动态过程中二极管的单向导电性能不典型,正向表现高阻(稳态时表现为低阻),
反向呈现低阻(稳态时表现为高阻)。
因此当动态时间与电路工作频率决定的周期相近时,二极管不能正常整流(该断不断,该通不通),同时损耗很大。
三、功率二极管的主要参数
1.正向通态平均电流IF(AV)额定电流:
在指定的管壳温度(简称壳温,用TC表示)和散热条件下,其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
正向平均电流:
是按照电流的发热效应来定义的,因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额,并应留有一定的裕量。
当用在频率较高的场合时,开关损耗造成的发
2
热往往不能忽略。
当采用反向漏电流较大的电力二极管时,其断态损耗造成的发热效应也不小。
2.正向压降UF
指电力二极管在指定温度下,流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。
有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。
3.反向重复峰值电压URRM
指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。
通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。
使用时,往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。
4.最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度,用TJ表示
最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。
TJM通常在125~175°C范围之内。
5.反向恢复时间trr
trr=td+tf,关断过程中,电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。
6.浪涌电流IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。
功率二极管器件特性的知识要点:
(1)二极管开通、关断都需要时间,二极管在开关过程中不具有典型的单向导
电性,此过程中对正向电流表现出较高的导通电阻,对反向电流也不具备阻断能力;实际使用时应注意器件的开关时间远小于电路工作周期。
(2)二极管的使用需要注意器件的相关参数:
最高电压、最大电流、最高工作
频率、最大功耗(结温决定)。
例:
半波整流电路,输入正弦电压值100V,频率10kHz,电流有效值10A,如何选择二极管?
要点:
耐压选择:
击穿电压大于141V,通常选取耐压大于280V的二极管;
正向恢复时间、反向恢复时间:
远小于100uS,一般可以选取恢复时间不大
于100nS的二极管;
通态平均电流:
按有效值相等原则,选择电流容量并留有一定余量。
3
第二节晶闸管
一、晶闸管简介
晶闸管SCR(SiliconControlledRectifier)又称晶体闸流管(Thyristor),可控硅整流器。
?
1956年美国贝尔实验室(BellLab)发明了晶闸管;
?
1957年美国通用电气公司(GE)开发出第一只晶闸管产品?
1958年商业化;
?
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代;?
20世纪80年代以来,开始被性能更好的全控型器件取代;
?
能承受的电压和电流容量最高,工作可靠,在大容量的场合具有重要地位。
二、晶闸管的外形和封装
1、晶闸管的常见封装外形有螺栓型和平板型两种封装:
引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个联接端;对于螺栓型封装,通常螺栓是其阳极,能与散热器紧密联接且安装方便;平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
A
K
P1
G
A
AG
a)
N1P2N2b)
c)K
GKJ1J2J
3
G
A
2、晶闸管的其它封装形式:
还有塑封和模块式两种封装
三、晶闸管的工作机理
在分析SCR的工作原理时,常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。
此时,其工作过程如下:
UGK>0→产生IG→V2通→产生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出现强烈的正反馈,G极失去控制作用,V1和V2完全饱和,SCR饱和导通。
四、晶闸管的基本特性
?
承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通;?
承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通;
4
?
晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用;
?
要使晶闸管关断,只能利用外电路使晶闸管电流降到接近于零的某一数值以下。
从这个角度可以看出,SCR是一种电流控制型的电力电子器件。
A
P
1
N1
G
P2N2K
N12
b)
A
五、晶闸管的静态伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性
门极G与阴极K之间相当于一个二极管。
a)
?
IG=0时,器件两端施加正向电压,正向阻断状态,只有很小的正向漏电流流过,正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通(非正常开通,实际电路应该避免);
?
随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低;?
导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿;?
晶闸管本身的压降很小,在1V左右;
?
导通期间,如果门极电流为零,并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下,则晶闸管又回到正向阻断状态。
IH称为维持电流。
5
六、晶闸管的动态特性
1)开通过程
?
延迟时间td:
门极电流阶跃时刻开始,到阳极电流上升到稳态值的10%的时间?
上升时间tr:
阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间
?
开通时间tgt以上两者之和:
tgt=td+tr
普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5μs,上升时间为0.5~3μs,这是设计触发脉冲的依据。
2)关断过程
?
反向阻断恢复时间trr:
正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。
?
正向阻断恢复时间tgr:
晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。
在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压,晶闸管会重新正向导通。
实际应用中,应对晶闸管施加足够长时间的反向电压,使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力,电路才能可靠工作。
?
关断时间tq:
trr与tgr之和,即tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。
这是设计反向电压设计时间的依据。
u
晶闸管的开通和关断过程波形
七、晶闸管的主要参数
1.额定电压
1)断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的正向峰值电压。
2)反向重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。
6
3)通态(峰值)电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压(一般为2V)。
通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。
选用时,额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。
2.额定电流
1)通态平均电流IT(AV)
额定电流-----晶闸管在环境温度为40°C和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。
?
使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。
?
实际使用时应留一定的裕量,一般以实际电流最大值的1.5~2倍选取晶闸管。
?
电流平均值:
指一个周期内的电流算术平均值;
?
电流有效值:
指一个周期内的电流的方均根值。
?
波形系数:
Kf=I/IT(AV)(非正弦波时考虑矫正系数)
2)维持电流IH:
与结温有关,使晶闸管维持导通所必需的最小电流,一般为几十到几百毫安,
结温越高,则IH越小。
3)擎住电流IL:
晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最小电流。
对同一晶闸管来说,通常IL约为IH的2~4倍。
4)浪涌电流ITSM:
指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复
性最大正向过载电流。
3.动态参数
除开通时间tgt和关断时间tq外,还有:
(1)断态电压临界上升率du/dt
指在额定结温和门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。
(2)通态电流临界上升率di/dt
指在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。
如果电流上升太快,则晶闸管刚一开通,便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内,从而造成局部过热而使晶闸管损坏。
4.SCR的门极定额
(1)门极触发电流IGT
7
指在室温下,UAK为一定值时使SCR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
指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。
由于SCR器件的分散性较大,应使触发电路提供给门极的电流和电压适当大于SCR的参数值,SCR为电流触发器件,门极电流必须达到一定值才能可靠开通器件。
晶闸管的基本使用知识要点:
1、导通条件:
UAK>0且UGK>0(或IGK>0),实际应用时UGK或IGK均应大于一定的值(对于不同型号的器件有不同的值);一旦导通,门极失去控制作用,只要器件流过电流,器件就始终维持导通。
2、关断条件
晶闸管不能通过门极关断,关断器件的方法是使流过器件的电流小于接近于零的某个值(IH),或使器件承受反压(UAK<0)。
3、器件开通、关断都需要时间;门极触发脉冲宽度(开通器件)应保证器件可靠导通,器件再次导通触发之前需要给器件一定关断时间,确保器件可靠关断,否则有可能使器件恒导通。
4、要注意器件的额定参数。
思考:
半波可控整流电路,输入正弦电压,分析几种情况:
(1)无门极脉冲,晶闸管能否导通?
不能导通
(2)正向波形段时,出现门极脉冲,晶闸管能否导通?
何时关断?
UAK>0UGK>0时刻导通,一旦导通,UGK即失去作用,只要UAK>0且电流大于一定值,晶闸管始终维持导通,只有UAK<0或电流小于一定值时才能关短。
(3)反向波形段时,出现门极脉冲,晶闸管能否导通?
UAK<0,不能触发导通。
(4)输入正弦半波,过零点不到时变为低电压直流,此时负载电阻增大是否可
以关断器件?
当电流小于一定值时,晶闸管可以关断。
8
例题:
晶闸管触发电路介绍
1、正弦波同步触发电路
同步信号uR由同步变压器副边提供。
晶体管VT1左边部分为同步移相环节,在VT1的基极综合了同步信号电压的uT、偏移电压Ub及控制电压Uct,RP1可调节Uct,RP2可调节Ub。
调节Uct改变触发电路的控制角α。
脉冲形成环节是一集基耦合单稳态脉冲电路,VT2的集电极耦合到VT3的基极,VT3的集电极通过C7、RP3耦合到VT2的基极。
当同步移相环节送出负脉冲时,使单稳电路翻转,从而输出脉宽可调的触发脉冲。
正弦波同步移相触发电路的各点电压波形如图3-33所示。
9
2、锯齿波同步触发电路
由VTl、VD1、VD2、C5等元件组成同步检测环节,其作用是利用同步电压uT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。
由VT1等元件组成的恒流源电路及VT2、VT3、C6等组成锯齿波形成环节。
控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压uT在VT4基极综合叠加,从而构成移相控制环节。
VT5、VT6构成脉冲形成放大环节,脉冲变压器输出触发脉冲,电路的各点电压波形如图3-35所示。
10
第三节功率晶体管
一、功率晶体管简介
功率晶体管GTR(GiantTransistor,直译为巨型晶体管)
耐高电压、大电流的双极结型晶体管(BipolarJunctionTransistor——BJT),英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内,GTR与BJT这两个名称等效。
应用
20世纪80年代以来,在中、小功率范围内取代晶闸管,但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
二、功率晶体管的结构和工作原理
?
与普通的双极型晶体管基本原理是一样的;
(be结正偏pn结空间电荷区变窄,空穴、电子进入基区复合,由于cb结反偏,空间电荷区变宽;少量进入基区的电子、空穴复合产生基极电流Ib,大量的电子被cb结的空间电荷区扫入集电极,形成Ic,由于Ic>>Ib,形成放大作用)
?
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好;
?
通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构;?
采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成;
?
一般应用采用共发射极接法,集电极电流ic与基极电流ib之比为?
——GTR的电流放大系数,反映了基极电流对集电极电流的控制能力?
当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时,ic和ib的关系为?
ic=?
ib+Iceo
?
产品说明书中通常给出直流电流增益hFE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。
一般可认为?
≈hFE
?
单管GTR的?
值比小功率的晶体管小得多,通常为10左右,采用达林顿接法可有效增大电流增益。
目前更多地使用GTR模块。
b)
c)
a)
a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动
11
三、功率晶体管的基本特性
(1)静态特性
?
共发射极接法时的典型输出特性:
截止区、放大区和饱和区;
?
在电力电子电路中GTR工作在开关状态,即工作在截止区或饱和区?
在开关过程中,即在截止区和饱和区之间过渡时,要经过放大区
I<ib3
ce
共射极接法时图1-16GTR的输出特性
(2)动态特性1、开通过程
?
延迟时间td和上升时间tr,二者之和为开通时间ton
?
td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。
增大ib的幅值并增大dib/dt,可缩短延迟时间,同时可缩短上升时间,从而加快开通过程2、关断过程
?
储存时间ts和下降时间tf,二者之和为关断时间toff;
?
ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的,是关断时间的主要部分;?
减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子,或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压,可缩短储存时间,从而加快关断速度;
?
负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加,从而增大通态损耗;
?
GTR的开关时间在几微秒以内,比晶闸管短很多。
ib
90%Ib10%Ibi90%I
10%I12
012345
图1-17
四、GTR的主要参数
前已述及:
电流放大倍数?
、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff,其余还有:
1)最高工作电压
?
GTR上电压超过规定值时会发生击穿;
?
击穿电压不仅和晶体管本身特性有关,还与外电路接法有关;
?
实际使用时,为确保安全,最高工作电压要比BUceo低得多。
BUceo为基极开路时,b和e之间的击穿电压。
2)集电极最大允许电流ICM
?
通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic;
?
实际使用时要留有裕量,只能用到ICM的一半或稍多一点。
3)集电极最大耗散功率PCM
?
最高工作温度下允许的耗散功率;
?
产品说明书中给PCM时同时给出壳温TC,间接表示了最高工作温度。
五、GTR的二次击穿现象与安全工作区
?
一次击穿
?
集电极电压升高至击穿电压时,Ic迅速增大,出现雪崩击穿;
?
只要Ic不超过最大功耗限度,GTR一般不会损坏,工作特性也不变。
?
二次击穿
?
一次击穿发生时,如果不有效限制电流,则Ic继续增大,当达到某个临界点时,Ic会急剧上升,同时伴随Uce突然降低,这种现象称为二次击穿。
?
二次击穿的持续时间很短,一般在纳秒至微秒范围,常常立即导致器件的永久损坏,必需避免。
?
安全工作区(SafeOperatingArea——SOA)
IIceMce13
最高电压UCEM、集电极最大电流ICM、最大耗散功率PCM、二次击穿临界线PSB限定
晶体管使用知识要点:
1、基极流入电流(足够大),晶体管饱和导通;基极电流为零,晶体管处于截止状态。
2、晶体管开通、关断均需要一定时间,此时间决定了晶体管的最高开关工作频率。
3、晶体管使用需要注意器件的额定参数。
思考:
NPN晶体管共射电路,β=10,集电极电阻分别为100Ω或50Ω,集电
极电压100V,要使电路饱和的基极电流?
理想的基极驱动电流波形?
R=100Ω时,Ib>100mA,理想基极驱动波形是初始电流远大于100mA,
加快三极管饱和速度;稳定时电流维持略大于100mA,有利于缩短关断时间。
R=50Ω时,Ib>200mA
思考:
晶体管关断时间10uS,开通时间5uS,共射电路,基极驱动脉冲50kHz
方波,电路是否可行?
脉冲宽度t=10uS,与关断时间相同,晶体管不能可靠关断,电路不可行
例:
晶体管的触发保护电路
14
该电路的控制信号经光耦隔离后输入Nl(LM555,接成施密特触发器形式),其输出信号用于驱动对管VTl、VT2。
VT1、VT2分别由正负电源供电,推挽输出提供GTR基极开通与关断的电流。
C5、C6为加速电容,可向GTR提供瞬时开关大电流以提高开关速度。
VD2~VD5接成贝克钳位电路,使GTR始终处于准饱和工作状态,比较器N2的作用是通过监测GTR的BE结电压以判断是否过电流,并通过门电路控制器在过电流时关断GTR。
Rl5是基极电流采样电阻。
Rs、VDs、Cs构成了吸收缓冲电路。
第三节功率场效应晶体管
一、功率场效应管简介
?
电力场效应管(PowerMOSFET)通常主要指绝缘栅型MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)
?
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管SIT(StaticInductionTransistor——SIT)
?
POWERMOSFET的特点——用栅极电压来控制漏极电流
?
驱动电路简单,需要的驱动功率小;
?
开关速度快,工作频率高;
?
热稳定性优于GTR;
?
电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置;?
抗过载能力弱。
MOSFET的种类
?
按导电沟道可分为P沟道和N沟道;
?
按源漏极存在导电沟道时的栅极电压类型分为耗尽型和增强型;
?
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道;
?
增强型——对于N(P)沟道器件,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道;
?
功率MOSFET主要是N沟道增强型。
二、电力MOSFET的结构和工作原理
?
导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电,是单极型晶体管;?
电力MOSFET是多元集成结构,一个器件由许多小MOSFET元组成。
?
导电机理与小功率MOS管相同,但结构上有较大区别。
DD
GG
N沟道P沟道
a)
图1-19b)15
导电机理:
(N沟道增强型为例)
当漏极接电源正端,源极接电源负端,Ugs=0V时,P基区与N飘移区之间的PN结反偏,D—S之间无电流。
Ugs加上正电压,当电压超过某一临界值(阈值电压)时,靠近SiO2附近的P型表面层形成与原来半导体导电型相反的一层,即N反型层,称为N沟道,该沟道将漏极和源极连接起来形成漏极和源极之间的电流。
三、功率MOSFET的特性1、功率MOSFET静态特性
(注意和GTR的区别,特别是饱和区的位置不同)1)MOSFET的转移特性:
?
漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性,如图a。
其中:
UT为MOSFET的开启电压,或阈值电压。
?
ID较大时,ID与UGS的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导Gfs=dId/dUGS
?
MOSFET是电压控制型器件(场控器件),其输入阻抗极高,输入电流非常小,
GSTUDS/Vb)
ID/A
ID/A
TUGS/V
a)
a)转移特性图1-20b)输出特性
2)MOSFET的漏极伏安特性(输出特性):
?
截止区(对应于GTR的截止区)?
饱和区(对应于GTR的放大区)?
非饱和区(对应于GTR的饱和区)
?
功率MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换;
?
功率MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通,可看为是逆导器件。
在画电路图时,为了不遗忘,常常在MOSFET的电气符号
16
两端反向并联一个二极管;
?
功率MOSFET的
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- 电力 电子器件 驱动 保护 电路