直流斩波电路

1．GTO的结构与工作原理
GTO的结构原理与普通晶闸管相似，为PNPN 四层三端半导体器件，其结构、等效电路及符号如 图3-1所示。图中A、G和K分别表示GTO的阳极、 门极和阴极。其外形如图3-2所示。
图3-1 GTO的结构、等效电路及符号 (a)结构 (b)符号
图3-2 GTO的外形图
2．GTO的主要特性 （1）阳极伏安特性 逆阻型的阳极伏安特性如图所示。由图3-3可见， 它与普通晶闸管的伏安特性极其相似。
图3-25 IGBT实际结构的等效电路
图3-26 IGBT的安全工作区 （a）FBSOA （b）RBSOA
6．IGBT对驱动电路的要求 7．IGBT容量的选择 8．IGBT与MOSFET和GTR的比较
3.1.5智能型器件IPM
图3-28 IPM结构框图
3.2直流斩波工作原理
Ud
ton ton toff
U
ton U T
U
图3-29 直流斩波电路原理图
3-30 电压波形
3.3基本直流斩波电路
• 3.3.1降压斩波电路 • 3.3.2升压斩波电路 • 3.3.3升降压斩波电路
3.3.1降压斩波电路
图3-31(a)是一个实际的降压斩波电路原理图。 图中CH是一个采用全控型器件的斩波器，VD为续 流二极管，用于在斩波器关断期间为电感性负载提 供续流回路；Ld为平波电抗器，可使负载得到平滑 的输出电流。由于τ<T，所以Ud<U，即负载上得到 的直流平均电压小于直流输入电压，故称为降压斩 波器。图3-31（b）是负载电流连续工况下各点波形
4）功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放 电电流。功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需 的驱动电流也越大。
6．功率MOSFET在使用中的静电保护措施 防止静电击穿应注意： 1）器件应存放在抗静电包装袋、导电材料袋或金属 容器中，不能存放在塑料袋中。 2）取用功率MOSFET时，工作人员必须通过腕带良 好接地，且应拿在管壳部分而不是引线部分。 3）接入电路时，工作台应接地，焊接的烙铁也必须 良好接地或断电焊接。 4）测试器件时，测量仪器和工作台都要良好接地。 器件三个电极没有全部接入测试仪器前，不得施加 电压。改换测试范围时，电压和电流要先恢复到零。
图3-16 功率MOSFET的输出特性
图3-17 功率MOSFET的转移特性
图3-18 功率MOSFET开关过程的电压波形
3．功率MOSFET 的主要参数 （1）通态电阻Ron （2）开启电压UGS（th） （3）跨导gm （4）漏源击穿电压BUDS （5）栅源击穿电压BUGS 4．功率MOSFET的安全工作区
图3-7 GTO理想门极信号波形
5．可关断晶闸管的测试 （1）可关断晶闸管电极的判定 将万用表置于R×10档或R×100档，轮换测量 可关断晶闸管的3个引脚之间的电阻，如图3-8所示。 （2）判定可关断晶闸管的好坏 ①用万用表R×10档或R×100档测量晶闸管阳 极（A）与阴极（K）之间的电阻，或测量阳极（A） 与门极（G）之间的电阻。如果读数小于1kΩ，说明 可关断晶闸管严重漏电，器件已击穿损坏。 ②用万用表R×10档或R×100档测量测量门极 （G）与阴极（K）之间的电阻。如正反向电阻均为 无穷大（∞），说明被测晶闸管门极、阴极之间断 路，该管也已损坏。
图3-24 IGBT的动态特性
3．IGBT的锁定效应 IGBT 实 际 结 构 的 等 效 电 路 如 图 3-25 所 示 。 4．IGBT的主要参数 （1）集射极击穿电压BUCES （2）开启电压UGE（th） （3）通态压降UCE（on） （4）最大栅射极电压UGES （5）集电极连续电流IC和峰值电流ICM 5．IGBT的安全工作区 IGBT的安全工作区如图3-26所示。
图3-14 GTR安全工作区 （a）正向偏置安全工作区 (b) 反向偏置安全工作区
3.1.3功率场效应晶体管
1．功率MOSFET的结构与工作原理
图3-15 功率MOSFET的符号 (a) N沟道 (b) P沟道
2．功率MOSFET的主要特性 （1）输出特性 输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅源电压 UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源极电压UDS间 关系的曲线族，如图3-16所示。 （2）转移特性 转移特性是在一定的漏极与源极电压UDS下，功 率MOSFET的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线。 如图3-17(a)所示。 图3-17(b)所示为壳温TC对转移特性的影响。 （3）开关特性 功率MOSFET的开关波形如图3-18所示。
L0和C0和组成输入滤波器，起到维持直流斩波 器输入端电压稳定和降低输入电流脉动量的作用， 同时也减少对通信线路的干扰。
VD0防止直流斩波器被加上反向电压。
TP：由霍尔元件组成的电流变换器。
电阻RT和晶闸管VT3组成削磁回路，目的在于 进一步提高车速。
功率MOSFET对栅极驱动电路的要求主要有：
1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后 沿要求陡峭。
2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提 供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度。
3）为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高 于管子的开启电压；为了防止误导通，在其截止时应提供负 的栅源电压。
3.1.4绝缘栅双极晶体管
1．IGBT工作原理 由结构图可知，IGBT相当于一个由MOSFET
驱动的厚基区GTR。其剖面图见图3-21， N沟道IGBT的图形符号如图3-22所示。
图3-21 IGBT结构剖面图
图3-22 N-IGBT图形符号
2．IGBT主要特性
（1）静态特性
IGBT的静态特性包括转移特性和输出特性。
图(假设电流io从I1变化到I2)。
图3-31 降压斩波电路及波形 (a)降压斩波电路图 (b)电压、电流波形
3.3.2升压斩波电路
升压斩波电路的工作原理及波形如图3-32所示。
图3-32 升压斩波电路及波形 （a）降压斩波电路图 (b)电压、电流波形
3.3.3升降压斩波电路
• 升降压斩波电路的工作原理如图3-33所示。
图3-8 可关断晶闸管电极判别
（3）可关断晶闸管触发特性测试
如图3-9所示。将万用表置于R×1档，黑表笔 接可关断晶闸管的阳极A，红表笔接阴极G悬空，这 时晶闸管处于阻断状态，电阻应为无穷大（∞）， 如图3-9（a）所示。
（4）可关断晶闸管关断能力的初步检测
测试方法如图3-10所示。采用1.5V干电池一节， 普通万用表一只。
图3-34 桥臂式双象限斩波电路
图3-35 混合桥式双象限斩波电路
3.4.2四象限斩波电路
• 电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电 流可逆，实现电动机的两象限运行，但它 提供的电压极性是单向的。当需要电机进 行正、反转运行以及既可运行于电动机状 态又可运行于制动状态时，就必须将两个 二象限斩波电路组合起来，分别向电动机 提供正、反向电压，成为一个四象限斩波 器。
电力电子技术
第3 章 直流斩波电路
3 直流斩波电路
• 3.1 全控电力电子器件 • 3.2 直流斩波工作原理 • 3.3 基本直流斩波电路 • 3.4 其他直流斩波电路 • 3.5 直流斩波电路应用
3.1 全控电力电子器件
• 3.1.1可关断晶闸管 • 3.1.2电力晶体管 • 3.1.3功率场效应晶体管 • 3.1.4绝缘栅双极晶体管 • 3.1.5智能型器件IPM
图3-33 升降压斩波电路
3.4其他直流斩波电路
• 3.4.1双象限斩波电路 • 3.4.2四象限斩波电路 • 3.4.3多象多重斩波电路
3.4.1双象限斩波电路
1．桥臂式双象限斩波电路（A型双象限斩波电 路）
桥臂式双象限斩波电路原理如图3-34所示。 2．混合桥式双象限斩波电路（B型双象限斩波 电路） 混合桥式双象限斩波电路原理如图3-35所示。
（2）通态压降特性 GTO的通态压降特性如图3-4 。 （3）开通特性
开通特性是元件从断态到通态过程中电流、电 压及功耗随时间变化的规律。如图3-5所示。
（4）关断特性 关断特性是指GTO在关断过程中的阳极电压、 阳极电流和功耗与时间的关系，如图3-6所示。
图3-3 GTO的阳极伏安特性
图3-4 GTO的通态压降
图3-37 二相二重斩波电路
3.5直流斩波电路应用
电气主电路原理图如图3-38所示。 1．直流斩波器工作原理 工作过程如图3-39所示。 斩波器换流波形如图3-40所示。
图3-38 TCG-1型无轨电车主电路原理图
图3-39 脉冲宽度控制直流斩波电路工作过程
图3-40 斩波器换流波形
2．主电路中各元件的作用
图3-11 NPN型GTR的内部结构断面示意图和电气图形符号 (a)内部结构断面示意图 （b）电气图形
2．GTR的基本特性
(1)静态特性
图3-12给出了GTR在共发射极接法时的典型输 出特性（即集电极伏安特性），明显地分为我们所 熟悉的截止区、放大区和饱和区三个区域。
(2) 动态特性
图3-13给出了GTR开通和关断过程中基极电流 和集电极电流波形的关系。
3.1.1可关断晶闸管
门极可关断晶闸管简称GTO，是一种通 过门极来控制器件导通和关断的电力半导体 器件。GTO既具有普通晶闸管的优点（耐压 高，电流大，耐浪涌能力强，价格便宜）， 同时又具有GTR的优点（自关断能力，无需 辅助关断电路，使用方便）。是目前应用于 高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。 广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无 功补偿和大功率直流斩波调速等领域。
图3-12 共发射极接法时 GTR的输出特性
图3-13 GTR的开通和 关断过程电流波形
3．GTR的基本参数 (1)最高工作电压 (2) 集电极最大允许电流ICM
(3) 集电极最大耗散功率PCM 4．GTR的二次击穿和安全工作区 (1)二次击穿现象 (2)安全工作区 正向偏置安全工作区如图3-14(a)所示。反向偏 置安全工作区如图3-14(b)所示 。
• 四象限斩波器的工作原理如图3-36所示。
图3-36 四象限斩波电路
3.4.3多象多重斩波电路
图3-37电路中，两个降压斩波电路单元并联在同 一个电源和同一个负载之间，因此它是一个二相二 重斩波电路。
多相多重斩波电路具有以下特点： （1）输出电流脉动率减小，有利于电机的运行。 （2）平波电抗器的重量和体积可明显降低。 （3）滤波器的效果会增加。 （4）线路较单个斩波电路复杂，尤其是控制电 路。 （5）由单个斩波器并联构成，总的可靠性可提 高。
图3-5 GTO的开通特性
图3-6 GTO的关断特性
3．GTO的主要参数
（1）最大可关断阳极电流IATO
（2）关断增益β off
off
I ATO IGM
（3）阳极尖峰电压UP
4．GTO门极驱动要求
图3-7为理想门极信号波形，门极电压、电流包
含正向开通脉冲和反向关断脉冲
（1）导通触发
（2）关断触发
IGBT的转移特性是描述集电极电流IC与栅射电压 UGE之间关系的曲线，如图3-23（a）所示。
图3-23（b）是以栅源电压UGE为参变量的IGBT正 向输出特性，也称伏安特性 。
（2）动态特性
IGBT的动态特性也称开关特性，包括开通和关 断两个部分，如图3-24所示。
图3-23 IGBT的静态特性曲线 （a）转移特性 （b）输出特性
图3-9 可关断晶闸管触发特性简易测试方法
图3-10 可关断晶闸管的关断能力测试
3.1.2电力晶体管
电力晶体管（GTR）是一种耐高电压、大电流 的双极结型晶体管(BJT)。
1．GTR的结构和工作原理 图 3-11 分 别 给 出 了 NPN 型 GTR 的 内 部 结 构 断 面 示意图和电气图形符号。
（1）正向偏置安全工作区
正向偏置安全工作区如图3-19所示 。
（2）开关安全工作区
开关安全工作区SSOA表示功率MOSFET在关断 过程中的参数极限范围，见图3-20 。
图3-19 正偏安全工作区（FBSOA） 的开关安全工作区
图3-20 开关安全工作区（SSOA）
5．功率MOSFET栅极驱动的特Байду номын сангаас及其要求