电力电子器件的门极控制电路PPT
电力电子技术(完整幻灯片PPT
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时,开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统:由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度:下降时间与
延复迟系时数间,用的S比r表值示tf。/td,或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
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。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
电力电子技术(完整幻灯片 PPT
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门控开关电路PPT课件
TR VCC 3
, uO保持
第4页/共15页
+VCC CS
uo C1
▪由 5 5 5 定 时 器 构 成 单 稳 态 触 发 器
VC
C
8
TH CO
6 5
R +–A1
R
TR 2 D7
+–A2 R
T
1
RD 4 RQ
SQ
+VCC
84 R1
7
3 UO
555 3 6 TH
ui C
2 TR 5
+ uC
1
–
CS uo
+–A2 R
T
1
GND
RD 4 RQ
SQ
+VCC
84 R1
7
3 UO
555 3 6 TH
ui C
2 TR 5
+ uC
1
–
CS uo
C1
当C充电>2VCC/3时, uo=0, T导通,电容C很快放电, 电路恢复到初始状态。
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555单稳电路波形图
ui uC
2VCC / 3
uO
当ui为高电平时, uo保持,仍为uo=0
第3页/共15页
▪由 5 5 5 定 时 器 构 成 单 稳 态 触 发 器
VC
C
8
TH CO
6 5
R +–A1
R
TR 2 D7
+–A2 R
T
1
RD 4 RQ
SQ
3 TH UO
ui
C
84 R1
7
555 3 6 TH
2 TR 5
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m,并使用双绕线,以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲,应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF,是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管,VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下,GTR饱和深度加剧使UCE减小,A点电位高于集电极电 位,二极管VD2导通,使流过二极管VD1的基极电流IB减小,从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下,集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态,以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时, 存储时间趋向一致。应当注意的是,VD2为钳位二极管,它必须是 快速恢复二极管,该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态,其正向压降增加,也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷,门极负电压越大,关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连,其优点是: GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离,控制系统较为安全;脉冲变压器有变换阻抗的作用,可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是:输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制,输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡,影响GTO的正确开通和关断。此外,隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
《电力电子技术》PPT课件
可控硅时代
通过控制电流导通角,实现电 压和功率的调节。
现代电力电子时代
以IGBT、MOSFET等为代表 ,实现高效、快速的电能转换
。
电力电子技术的应用领域
电力系统
用于高压直流输电、无 功补偿、有源滤波等, 提高电力系统的稳定性
和效率。
电机驱动
用于电动汽车、电动自 行车、电梯等电机驱动 系统,实现高效、节能
照明控制
通过电力电子技术可实现 对照明设备的调光和调色 ,提高照明质量和节能效 果。
加热与焊接
电力电子技术可用于控制 加热设备的功率和温度, 实现精确控温和高效能焊 接。
交通运输应用
电动汽车驱动
电力电子技术是电动汽车 驱动系统的核心,可实现 高效能、低排放的驱动控 制。
轨道交通牵引
通过电力电子技术可实现 轨道交通车辆的牵引控制 和制动能量回收。
交流-交流变流电路的工作原理
通过电力电子器件的开关作用,改变输入交流电 的电压和频率,得到所需的输出交流电。Fra bibliotekABCD
交流-交流变流电路的分类
变频电路、变压电路等。
交流-交流变流电路的应用
电机调速、风力发电、太阳能发电并网等。
一般工业应用
01
02
03
电机驱动
电力电子技术可用于控制 电机的速度和转矩,提高 电机的效率和性能。
通过求解系统微分方程或差分方程,得到系统输 出与输入之间的关系,进而分析系统性能。
频域分析法
利用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号,通 过分析系统频率响应特性来评估系统性能。
3
状态空间分析法
通过建立系统状态空间模型,分析系统状态变量 的变化规律,从而研究系统的稳定性和动态性能 。
IGBT基本原理ppt课件
在电力电子电路中,IGBT经常会直接承受较高的负载电压,所以选择IGBT首先就要考虑IGBT的电压等级也就是IGBT正
向阻断电压的能力。
目前市场上IGBT的电压等级主要分为600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等,不同的电压等级表
示IGBT可以阻断多少正向电压,超过相应的电压等级器件的漏电流会开始大量增加,短时间内器件也许不会损坏,但长
产品。
;.
20
四 IGBT 小结
定义: COMSFET与BJT复合的全控型 A 电压驱动大功率开关器件;
结构、原理:
PNPN四层结构; 用MOSFET控制BJT;
C
;.
背景: 80年代发展至今,IGBT拥有输入 B 阻抗大、驱动功率小、 开关损耗低以及工作频率高等优 点
电气特性: D 静态特性与开关特性
绝缘栅型场效应管(IGFET):栅极-源极,栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属 铝,所以又称为金属氧化物半导体场效应管,也就是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)
;.
5
1.IGBT 简化等效电路
IGBT
目前, IGBT器件已从第1代发展到了第4代,它的工作频率可达到 200KH z。它的功率容量从小功率 (80-300A/500-1200V ) 的单管发展到超大功率 (1000-1200A/2500-4500 V) 的模块, 形成了系列化 产品,产品覆盖面非常大。
;.
8
二 IGBT发展历史 回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变
制 换 流 关 断 控 制 电 路 简 抗高、控制功
电力电子器件
电力电子器件电力电子器件(Power ElectronicDevice)是指可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件。
主电路:在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路。
电力电子器件的特征◆所能处理电功率的大小,也就是其承受电压和电流的能力,是其最重要的参数,一般都远大于处理信息的电子器件。
◆为了减小本身的损耗,提高效率,一般都工作在开关状态。
◆由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。
◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件,在其工作时一般都需要安装散热器。
电力电子器件的功率损耗断态损耗通态损耗:是电力电子器件功率损耗的主要成因。
开关损耗:当器件的开关频率较高时,开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。
分为开通损耗和关断损耗。
电力电子器件在实际应用中,一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件:指晶闸管(Thyristor)、快速晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管。
◆全控型器件:IGBT、GTO、GTR、MOSFET。
◆不可控器件:电力二极管(Power Diode)、整流二极管。
按照驱动信号的性质◆电流驱动型:通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。
Thyrister,GTR,GTO。
◆电压驱动型:仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。
电力MOSFET,IGBT,SIT。
按照驱动信号的波形(电力二极管除外)◆脉冲触发型:通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。
晶闸管,SCR,GTO。
◆电平控制型:必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在通断状态。
GTR,MOSFET,IGBT。
按照载流子参与导电的情况◆单极型器件:由一种载流子参与导电。
电力电子器件-电子课件
第一章 电力电子器件
波形系数Kf :有效值/平均值,反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100=157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时,要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT(AV)有效值相等的原则(即管芯结
温一样)进行换算。即:
由于晶闸管的过载能力差,一般选用时取1.5~2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流,并达到稳定 的额定结温时,晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值,称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中,直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的,主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管(Giant Transistor)简称GTR, 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构,因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值,用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT(AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下,晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列:1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
全控型电力电子器(第二讲)
饱和区
它承受 反向电压 能力很差, 反响阻断 电压只有 几十伏, 因此大大 限制了它 在高反压 场合的应 用。
截止区
击穿区
IGBT的转移特性曲线
UGE(TH)温度每升高1 ℃ 其值下降5mV 左右
在25 ℃ 时其值一 般为2-6V
IGBT的主要参数
集电极-射极击穿电压UCES:最高工作电压, 其大小与结温呈正温度系数关系0.63V/℃
在电力电子技术中,GTR主要工作在开关状态。 晶体管通常连接成共发射极电路,GTR通常工作 在正偏(Ib>0)时大电流导通;反偏(Ib<0)时处于 截止状态。因此,给GTR的基吸施加幅度足够大 的脉冲驱动信号,它将工作于导通和截止的开关 状态。
快速通过放大区,防止功耗太大损坏GTR 为了保证开关速度快,损耗小,要求GTR饱和压
和源极间加正向电压UGS,由于栅极是
绝缘的,不会有电流。但栅极的正电 压所形成的电场的感应作用却会将其 下面的P 型区中的少数载流子电子吸
引某到一栅电极压下值面UT时的,P型栅区极表下面面。的当Pu型GS区大于表
面的电子浓度将超过空穴浓度,使P型 反型成N型,沟通了漏极和源极。 此 时,若在漏源极之间加正向电压,则 电子将从源极横向穿过沟道,然后垂
2)漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM:即电力
MOSFET 的 额 定 电 流 , 其 大 小 主 要 受 管 子 的 温 升 限 制。
3)栅源击穿电压UGS:栅极与源极之间的绝缘层
很薄,承受电压很低,一般不得超过20 V,否则 绝缘层可能被击穿而损坏,使用中应加以注意。
总之,为了安全可靠,在选用MOSFET时,对电 压、电流的额定等级都应留有较大裕量。
极控制关断,但导通时管压降增大; 多元集成结构使GTO元阴极面积很小,门、阴极间距大为缩短,使
第二章全控型电力电子器件
3.特点
高频,容量大 反向耐压低(必须反接二极管) 模块化 驱动和保护有专用芯片
其他电力电子器件
MCT——MOS控制晶闸管 SIT——静电感应晶体管 SITH——静电感应晶闸管
1.单管GTR
单管GTR的基本工作原理与晶体管相同 作为大功率开关管应用时,GTR工作在截止和导
通两种状态。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好
2.达林顿GTR
单管 GTR的电流增益低,将给基极驱动电 路造成负担。达林顿结构是提高电流增益 一种有效方式。
达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成, 可以是PNP型也可以是NPN型,其性质由 驱动管来决定
安全工作区
防止二次击穿,采用保护电路,同时考虑 器件的安全裕量,尽量使GTR工作在安全工作 区。
4.特点
全控型,电流控制型 二次击穿(工作时要防止) 中大容量,开关频率较低
第三节 功率场效应晶体管(MOSFET)
S G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
N+
D
D
D
G: 栅极
D: 漏极
G
G
第二节 GTR——电力晶体管
➢ 电力晶体管GTR (Giant Transistor,巨型晶体管) ➢ 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 ( Bipolar
Junction Transistor——BJT), 英 文 有 时 候 也 称 为 Power BJT ➢ 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
电力电子半导体器件SCR介绍 ppt课件
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国产快速晶闸管:KK系列
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国产高频晶闸管:KG系列
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高频晶闸管的特点: ①工作频率高,di/dt大。 ②关断时间短,最高允许结温下10us左右。 ③短时间内(3us)承受尖峰反向电压高,抗过电压能力强,
dv/dt大。 ④重复阻断电压较低,800—1000V。 ⑤抗直通电流能力差,需配置快速过电流保护环节。
门极开路,额定结温下,允许50次/s,持续时间不大于10ms, 重复施加在阳极上的正向最大脉冲电压。
VDRM ≈ 90% VDSM
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3.反向不重复峰值电压VRSM
门极开路,加在SCR阳极反向电压上升到反向伏安特性曲线急 剧弯曲处所对应的电压值。不能重复,每次持续时间不大于10ms 的脉冲电压。
28
②换向特性:
两个反并的晶闸管导通、关断相互影响——换向问题。
换向能力是晶闸管的一个特有参数,用换向电流临界下降率
来表示(di/dt)c,为可靠运行,要求双向晶闸管有很强的换向 能力。标准将(di/dt)c分为0.2、0.5、1、2四个等级。 如:200A的器件, 0.2级为(di/dt)c=200× 0.2%= 0.4A/us ③额定通态方均根电流:I T(RMS)
2.正向电流越大,关断时间toff越长;外加反向电压越高,反 向电流越大,关断时间可缩短;结温越高,关断时间越长。
3.关断时,过早施加正向电压,会引起误导通。
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三、参数
(一)电压参数
1.断态不重复峰值电压VDSM 门极开路,加在SCR阳极正向电压上升到正向伏安特性曲线
急剧弯曲处所对应的电压值。不能重复,每次持续时间不大于 10ms的脉冲电压。(转折电压,小于VBO) 2.断态重复峰值电压VDRM
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8-19
• 用SCR关断GTO的门控电路:
门控电路
March 30, 2000
8-20
• 用GTR关断GTO的门控电路:
门控电路
March 30, 2000
8-21
门控电路 • 用MOSFET关断GTO的门控电路:
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8-22
门控电路
第八节 MOSFET 和 IGBT 的驱动电路
March 30, 2000
8-13
门控电路 • 例一:三相全控桥、正弦波触发电路
– UK = 0 时,对应 = 90 ° – 同步信号滞后于阳极电压 120 °
– T1管:
• 阳极电压:ua • 同步信号:uT1= ub
– T2管:
• 阳极电压:– uc • 同步信号:uT2 = – ua
March 30, 2000
• GTO门控电路的特点: – GTO的开通、关断分别由开通电路、关断 电路完成。 – 开通过程与SCR相似。 – 维持导通需加正向偏置电流。 – 关断时需要足够大的关断电流及能量。
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8-17
门控电路
March 30, 2000
8-18
门控电路 • GTO的主要缺点:
– 关断电流大,约为阳极电流的 20% 33% – 控制电路复杂,GTO易烧损。 • 关断电路的实现: – 由外加负电源提供关断电流。 – 由储能电容器提供关断能量。 • 关断电路输出级功率元件: – SCR、GTR、MOSFET
– 同步信号uT与UK的交点决定触发时刻 – UK垂直移动,交点对应相位变化(移相)
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8-6
• 垂直移相方式: – 串联垂直移相 – 并联垂直移相
门控电路
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8-7
• 同步信号为正弦波的移相触发电路
门控电路
– 基本环节:同步移相环节、脉冲形成环节
• 场控型器件,驱动简单,驱动功率小。 • 基本控制原理:
– 开通:为栅极电容提供充电电流。 – 关断:为栅极电容提供放电回路。 – 为了提高开关频率,减小开通、关断时间,
充电、放电电流不能太小。
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8-23
门控电路 • 驱动电路形式:
– 直接驱动 – 隔离驱动(变压器隔离、光耦隔离) • 两种直接驱动电路:
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8-24
• 脉冲变压器隔离的驱动电路:
门控电路
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8-25
• 光耦隔离的驱动电路:
门控电路
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8-26
IGBT 驱动电路
门控电路
• 对IGBT驱动电路的基本要求: – 提供一定的正向和反向驱动电压, – 提供足够大的瞬时驱动电流, – 输入、输出延迟时间小, – 绝缘性能高, – 过电流保护。
March 30, 2000
门控电路
8-2
门控电路 • 本章主要内容:
– 掌握晶闸管对触发电路的要求,了解晶体管 移相触发电路及同步电源的选择,掌握 GTO、IGBT、MOSFET等器件对触发电路 的要求。
• 重点: – 掌握IGBT触发电路。
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8-3
门控电路
第一节 晶闸管对触发电路的要求
门控电路
第八章 电力电子器件的 门极控制电路
• 电力电子装置--主电路、控制电路 • 控制电路的作用:
– 将给定信号转换为主电路开关器件所需的触 发脉冲信号,以使主电路实现相应功能。
March 30, 2000
8-1
• 控制电路的构成: – 控制电源 – 控制脉冲产生电路 – 门极控制电路 – 同步信号产生电路 – 检测、反馈电路 – 保护电路 – 显示、报警电路
• 同步信号与阳极电压对应关系:
门控电路
– 晶闸管 : T1 T2 T3 T4 T5 T6 – 阳极电压: +ua –uc +ub –ua +uc –ub – 同步信号: –uTa +uTc –uTb +uTa –uTc +uTb
March 30, 2000门控电路
• 触发脉冲的作用: – 决定晶闸管导通时刻,提供门极触发电流。
• 触发脉冲参数要求: – 触发电流--大于额定值,保证可靠触发 – 触发脉冲宽度--使阳极电流大于擎住电流 – 强触发--提高di/dt的承受能力 – 触发功率--需要功率放大电路
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8-4
门控电路 • 触发脉冲形式要求:
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8-27
门控电路 • IGBT驱动模块:
– 性能可靠、使用方便、应用普遍, – 基本功能类似,性能不断提高。
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8-28
个人观点供参考,欢迎讨论!
– 正向脉冲--门极对阴极为正电压 – 脉冲形式--宽脉冲、窄脉冲、脉冲列 – 与主电路同步--保持固定相位关系 – 与主电路隔离--高、低压电源隔离 – 抗干扰能力--防止误触发
March 30, 2000
8-5
门控电路
第三节 晶体管移相触发电路
• 控制电压 UK -- 触发角 -- 输出电压Ud • 垂直移相原理:
功率放大环节、隔离输出环节
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8-8
门控电路
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8-9
门控电路 • uT的选择原则:UK=0时,Ud=0,对应 =90 °
March 30, 2000
8-10
门控电路 • UK 与 uT 没有交点,触发脉冲丢失 • 防止方法:信号合成,限制 min 、min 。
8-14
门控电路 • 例二:三相全控桥、锯齿波触发电路
– 原则:锯齿波起点对应 = 0 °, 即 uT 的180 °对应 ua 的30 °
– 同步信号超前于阳极电压 150 ° – 主变压器接线形式: /Y – 11 – 同步变压器接线形式:Y/Y – 12/6
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8-15
March 30, 2000
8-11
• 同步信号为锯齿波的移相触发电路 • 特点:
– 锯齿波同步信号不受 电网波动影响
– UK 与 成线性关系
门控电路
March 30, 2000
8-12
门控电路
第五节 触发电路同步信号的选择
• 同步信号选择原则: – 使UK = 0 时,Ud = 0。
• 选择依据: – 整流电路形式 – 触发电路形式 – 变压器接线形式