电力电子器件及其驱动电路
电力电子器件
电⼒电⼦器件电⼒电⼦器件电⼒电⼦器件（Power Electronic Device）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。
电力电子试题及答案及电力电子器件及其驱动电路实验报告
一、填空题：（本题共7小题，每空1分，共20分）
1、请在正确的空格内标出下面元件的简称：
电力晶体管GTR；可关断晶闸管GTO；功率场效应晶体管MOSFET；绝缘栅双极型晶体管IGBT；IGBT是MOSFET和GTR的复合管。
2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的触发功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。
ton=1.8us，ts=1.8us，tf=1.2us
（2）电阻、电感性负载时的开关特性测试
除了将主回器部分由电阻负载改为电阻、电感性负载以外（即将“1”与“22”断开而将“2”与“22”相连)，其余接线与测试方法同上。
ton=2.1us，ts=10.0us，tf=2.5us
2．不同基极电流时的开关特性测试
2．不同基极电流时的开关特性测试。
3．有与没有基极反压时的开关过程比较。
4．并联冲电路性能测试。
5．串联冲电路性能测试。
6．二极管的反向恢复特性测试。
三．实验线路
四．实验设备和仪器
1．MCL-07电力电子实验箱中的GTR与PWM波形发生器部分
2．双踪示波器
3．万用表
4．教学实验台主控制屏
五．实验方法
GTR ：1
PWM：1
GTR：6
PWM：2
GTR：3
GTR：5
GTR：9
GTR：7
GTR：8
GTR：11
GTR：18
主回路：4
GTR：15
GTR：16
GTR：19
GTR：29
GTR：21
GTR：22
主回路：1
用示波器观察，基极驱动信号ib（“19”与“18”之间）及集电极电流ic（“21”与“18”之间）波形，记录开通时间ton，存贮时间ts、下降时间tf。
电力电子技术
脉冲前沿由VT4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时 间常数R11C3有关。 电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接 在VT8集电极电路中。
同步电压为锯齿波的触发电路
4) 双窄脉冲形成环节
内双脉冲电路
同步电压为锯齿波的触发电路
图2-7 同步电压为锯齿波的触发电路
同步电压为锯齿波的触发电路
1) 同步环节
同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相 同且相位关系确定。 锯齿波是由开关VT2管来控制的。
VT2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交 流电压决定。 VT2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同 步电压由正变负的过零点。 VT2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时
f 1 T 1 Re C ln 1 1
电路中R1上的脉冲电压宽度取决于电容放电时间常数。 R2是温度补偿电阻，作用是保持振荡频率的稳定。
三、具有同步环节的单结晶体管触发电路
图2-5 晶体管同步触发电路
注意：
每周期中电容C的充放电不 止一次，晶闸管由第一个脉 冲触发导通，后面的脉冲不 起作用。 改变Re的大小， 可改变电容 充电速度，达到调节α角的目 的。 削波的目的：增大移相范围， 使输出的触发脉冲的幅度基本 一样。不削波：UP≈ηUbb， 为正弦半波，移相范围小。
（二）过电流的产生及保护
1. 产生：短路、过载时会产生过电流 2. 保护：快速熔断器（1.57IT(AV)≥IFU≥ITM ）
银质 熔丝 石英沙
快速熔断器保护的接法 a)串于桥臂中 b)串于交流侧 c) 串于直流侧
第1章_电力电子器件概述(王兆安《电力电子》_第四版)
1-11
1.2
不可控器件—电力二极管· 引言
Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自 20世纪50年代初期就获得应用。
快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高 频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具 有不可替代的地位。
整流二极管及模块
1-12
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
电力二极管的主要类型
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能， 特别是反向恢复特性的不同介绍。
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 DATASHEET
肖特基二极管的优点
反向恢复时间很短（10~40ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。
1-24
1.3
半控器件—晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数
1-22
1.2.4
电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管 快恢复外延二极管
（Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其 trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右）， 但其反向耐压多在1200V以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下， 甚至达到20~30ns。 DATASHEET 1 2 3
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
电力电子器件及其驱动电路实验报告
电力电子器件及其驱动电路实验报告一、引言电力电子器件的使用已经成为现代电力系统中不可或缺的一部分。
电力电子器件主要应用于交流调制、直流传输、发电机控制、照明系统、电机控制等领域。
因此，针对电力电子器件及其驱动电路的实验研究显得尤为重要。
本报告将介绍我们所设计和构建的电力电子器件及其驱动电路的实验，并阐述实验过程中所用到的材料和方法，同时给出相关实验结果和结论。
二、材料和方法本实验所用到的器材和材料如下：1.三相桥式整流电路；2.IGBT（绝缘栅双极型晶体管）；3.隔离型驱动电路；4.直流电源；5.电容；6.电感；7.示波器；8.信号发生器。
实验过程如下：1.首先将电容和电感串联。
2.将IGBT与串联的电容和电感并联，形成一个单臂桥式逆变电路。
3.将上述电路与隔离型驱动电路相连。
4.将三相桥式整流电路连接到隔离型驱动电路的输出端。
5.将信号发生器连接到隔离型驱动电路的输入端，并设定不同的频率，并在示波器上观察输出波形。
6.调整逆变电路的PWM信号，使输出波形变为纯正弦波。
三、实验结果与分析在实验过程中，我们通过改变信号发生器的频率来观察在不同频率下的输出波形。
实验结果表明，当信号发生器的频率在低频率时，输出是一个方波，当频率逐渐升高时，输出波形逐渐接近纯正弦波。
同时，我们在实验过程中发现，当逆变电路的PWM信号调整为一定的占空比时，输出波形能够变为纯正弦波。
由此可以得出，逆变电路的PWM信号占空比是影响输出波形的一个重要因素。
通过测量和分析我们得出，隔离型驱动电路能够有效的控制电力电子器件的开关状态，并降低逆变电路的损耗。
同时，逆变电路的PWM信号占空比是影响输出波形的一个关键因素。
四、结论本次实验我们成功地设计与构建了一个单臂桥式逆变电路，并通过实验验证了隔离型驱动电路的有效性以及PWM信号占空比对输出波形的影响。
实验结果表明，电力电子器件及其驱动电路的设计和优化对于优化电力系统的性能具有重要意义，并有望推动电力系统在未来的发展方向上得以进一步优化。
GTO驱动电路
GTO驱动电路门极可关断晶闸管GTO驱动电路1.电⼒电⼦器件驱动电路简介电⼒电⼦器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接⼝，可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。
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。
驱动电路的基本任务：按控制⽬标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；⼜要提供关断控制信号。
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，它的容量仅次于普通晶闸管，它应⽤的关键技术之⼀是其门极驱动电路的设计。
门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，⽽门极关断技术应特别予以重视。
门极可关断晶闸管GTO的电压、电流容量较⼤，与普通晶闸管接近，因⽽在兆⽡级以上的⼤功率场合仍有较多的应⽤。
2.GTO驱动电路的设计要求由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不⾼。
GTO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，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。
⽤理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提⾼开关速度，减少开关损耗。
GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很⼤幅度的负脉冲电流使其关断。
因此全控器件GTO的驱动器⽐半控型SCR复杂。
门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, ⽽且直接影响到元件的开关时间、开关损耗, ⼯作频率、最⼤重复可控阳极电流等⼀系列重要指标。
门极电路包括门极开通电路和门极关断电路。
GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流⽐普通晶闸管⼤得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要⼤⼤加宽。
此外, 普通晶闸管的通态压降⽐较⼩, 当其⼀旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降,门极通常仍需保持⼀定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗⽐普通品闸管的触发电路要⼤的多。
驱动电路
电力电子器件的驱动电力电子驱动电路概述电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能很有很大的影响。
采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在理想的开关状态，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意义。
另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。
简单的来说，驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
对半控型器件只需要提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。
驱动电路的具体形式可以是分立式元件构成的驱动电路；对大功率器件来讲还可能是将所有驱动电路都封装在一起的驱动模块；可能是数字集成驱动电路芯片。
而且为达到参数优化配合，一般应首先选择所用电力电子器件的生产厂家专门为其器件开发的专用驱动电路。
但对一般的电力器件使用者来讲最好是采用专业厂家或生产电力电子器件的厂家提供的专用驱动电路件来还可能是将所用电力电子器件的生产厂家专门为其器件开发的专用驱动电路。
给电力电子器件IGBT专门设计混合集成驱动器的，例如：三菱公司的M57962L和M57959L电力电子器件驱动电路要求驱动电路是低压电路，电压一般在数伏以下，而主电路是高压电路，电压可高达数千伏，如果二者之间有电的直接联系，主电路的电压将对驱动电路产生威胁，二者之间需要电气隔离，所以驱动电路与主电路之间的电气隔离是非常重要的。
常采用磁隔离和光耦隔离两种方式。
光耦隔离一般采用光耦和器（光耦和器由发光二极管和光敏晶体管组成，封在一个外壳内）。
其类型有普通、高速、和高传输比三种，内部电路和基本接法分别如图1-1所示。
磁隔离通常是脉冲变压器（当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调的方法）ER ERERa )b )c )U inU outR 1I C I D R 1R 1图1-1 光耦和器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型下面分别介绍几种常用电力电子器件对驱动电路的要求。
电子行业电力电子器件及应用
电子行业电力电子器件及应用引言电子行业是一个快速发展的行业，在电子设备中，电力电子器件是不可或缺的关键组成部分。
电力电子器件是指用于调整和转换电能的器件，广泛应用于交流和直流电网、电动机驱动、电源供应等领域。
本文将介绍电子行业中常见的电力电子器件及其应用。
一、开关器件1.整流二极管 (Rectifier Diode)整流二极管是一种常见的开关器件，用于将交流电转换为直流电。
它具有正向导通和反向截止的特性，常用于交流电桥式整流器、逆变器等电路中。
2.IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT 是一种高压高频开关器件，兼具了普通晶体管和普通MOSFET的特点。
它可以控制高电压和高电流的通断，并且具有低开关损耗和快速切换速度的特点。
IGBT广泛用于工业设备、交通工具和电力传输中。
3.MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)MOSFET 是一种常见的开关器件，可以通过调节栅极电压来控制导通和截止。
它具有低导通电阻、低开关损耗和高开关速度的特点。
MOSFET 常用于直流转换器、电机驱动和太阳能发电逆变器等应用中。
二、功率模块1.IGBT模块IGBT模块是由多个IGBT芯片、隔离驱动电路和散热器组成的集成模块。
它可以方便地实现高压高频电路的设计和构建，广泛应用于电力传输、电机驱动和可再生能源领域。
2.整流桥模块整流桥模块是由多个整流二极管组成的集成模块。
它常用于交流电源的整流和直流电源供应的设计中。
3.功率放大模块功率放大模块是用于放大低功率信号为高功率信号的模块。
它常用于音频放大器、无线电频率放大器等应用中。
三、电力电子器件的应用1.交流调速电力电子器件在交流调速中起着重要作用。
例如，交流调压器使用电力电子器件的开关特性来调节交流电压的大小，实现电压调节和稳定。
2.无线充电利用电力电子器件的功率转换特性，可以实现无线充电技术。
电力电子技术基础—驱动
晶闸管的触发电路 ——单结晶体管组成的简易触发电路
• C的充电时间常数 1 ReC ，决定脉冲电压uG的产
生时刻
• 放电时间常数 2 (Rb1 R2 )C ，决定脉冲宽度
• Re的取值范围
U UP IP
Re
U
UV IV
• 振荡频率
f 1
1
T
1
ReCLn(1 )
晶闸管的触发电路
——同步信号为锯齿波的触发电路
6
电力电子器件的驱动和保护
——驱动保护电路概述
➢ 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
➢ 驱动电路的基本任务： ➢ 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求， 转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间， 可以使其开通或关断的信号 ➢ 对半控型器件只需提供开通控制信号 ➢ 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要 提供关断控制信号
South China University of Technology
Fundamentals of Power Electronics Technology
电力电子技术基础
第二部分 电力电子器件
第四章 电力电子器件的驱动和保护
South China University of Technology
电力电子器件的驱动和保护 ——驱动保护电路概述
➢ 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
电力电子技术-电力电子器件器件的驱动电路
缓冲电路：在开通和关断过程中防止开关过压和过流，减小du/dt和di/dt ，减小开关损耗。
电感(电抗器)和变压器：变压器变换主电路或控制系统中的电压，或用以 实现原副方的电气隔离要求，电感则用于滤波、平波、均流、能量 转换及减小电流变化率。
辅助元器件和系统 (1)
2. MOSFET和IGBT的驱动电路
电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。 为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般10～15V 使IGBT开通的驱动电压一般15 ～ 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ～ -15V）有 利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。
不超过门极电压、电流和功率 定额，且在可靠触发区域之内 。
有良好的抗干扰性能、温度稳 定性及与主电路的电气隔离。
tt t
t
12
3
4
理想的晶闸管触发脉冲电流波形
t1－t2⎯脉冲前沿上升时间 （<1μs） t1－t3⎯强脉冲宽度 IM⎯强脉冲幅值（3IGT－5IGT） t1－t4⎯脉冲宽度 I⎯脉冲平顶幅值（1.5IGT－ 2IGT）
辅助元器件和系统 (1)
(2) IGBT的集成驱动电路 多采用专用的混合集成驱动器。
M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L） 和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和 EXB851）。
辅助元器件和系统 (1)
ID
IC E
E
E
《电力电子技术》第五版 第9章 电力电子器件应用的共性问题
专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电 专为驱动电力 而设计的混合集成电 路有三菱公司的M57918L,其输入信号电流幅值 , 路有三菱公司的 为16mA,输出最大脉冲电流为 ,输出最大脉冲电流为+2A和-3A,输出 和 , 驱动电压+15V和-10V. 和 驱动电压 .
二,驱动电路的基本任务
◆按控制目标的要求给器件施加开通或关断的 按控制目标的要求给器件施加开通或关断的 开通 信号. 信号. 对半控型器件只需提供开通控制信号 开通控制信号; ◆对半控型器件只需提供开通控制信号;对全 控型器件则既要提供开通控制信号 既要提供开通控制信号, 控型器件则既要提供开通控制信号,又要提供 关断控制信号. 关断控制信号. ■驱动电路还要提供控制电路与主电路之间 电气隔离环节 一般采用光隔离 磁隔离. 环节, 光隔离或 的电气隔离环节,一般采用光隔离或磁隔离.
开通控制与普通晶闸管 O 相似, 相似,但对触发脉冲前沿 的幅值和陡度要求高, 的幅值和陡度要求高,且 i 一般需在整个导通期间施 O 加正门极电流, 加正门极电流,使GTO关 关 断需施加负门极电流, 断需施加负门极电流,对 其幅值和陡度的要求更高. 其幅值和陡度的要求更高.
G
幅值需达阳极电流 左右, 的1/3左右,陡度需 左右 达50A/s,强负脉 , 冲宽度约30s,负 冲宽度约 , 脉冲总宽约100 脉冲总宽约 s
构成的脉冲放大环 ◆由V1,V2构成的脉冲放大环 和脉冲变压器TM和附属电路 节和脉冲变压器 和附属电路 脉冲输出环节两部分组成 构成的脉冲输出环节两部分组成. 构成的脉冲输出环节两部分组成. 导通时, ◆当V1,V2导通时,通过脉冲 变压器向晶闸管的门极和阴极之 间输出触发脉冲. 间输出触发脉冲. 是为了V ◆VD1和R3是为了 1,V2由导通 变为截止时脉冲变压器TM释放 变为截止时脉冲变压器 释放 其储存的能量而设的. 其储存的能量而设的.
电力电子器件与驱动电路实验报告
电力电子器件与驱动电路实验报告实验报告：电力电子器件与驱动电路一、实验目的1.了解电力电子器件的基本原理和特性；2.学习电力电子器件与驱动电路的设计和调试方法；3.掌握电力电子器件的基本测量方法。
二、实验原理1.电力电子器件的基本原理2.电力电子驱动电路设计三、实验器材1.晶闸管触发电路2.MOSFET驱动电路3.IGBT驱动电路4.示波器5.多用表6.电阻箱7.直流电源等四、实验步骤1.晶闸管触发电路的设计与调试首先根据实验要求和电路图，选择合适的电阻和电容，设计晶闸管触发电路。
然后将电路搭建好，并连接电源、多用表和示波器等设备。
接下来，通过调整电路参数，观察晶闸管的导通和关断情况，并记录电压和电流的波形。
2.MOSFET驱动电路的设计与调试同样，根据实验要求和电路图，设计MOSFET驱动电路。
搭建电路并连接相应的设备后，通过调整电阻和电容等参数，观察MOSFET的导通和关断情况，并记录电压和电流的波形。
3.IGBT驱动电路的设计与调试按照实验要求和电路图，设计IGBT驱动电路。
搭建电路并连接各种设备后，调整电路参数，观察IGBT的导通和关断情况，并记录电压和电流的波形。
四、实验结果与分析通过实验，我们了解到了电力电子器件的基本工作原理和特性，掌握了电力电子器件与驱动电路的设计和调试方法。
在实验中，通过调整电路参数，我们观察到了晶闸管、MOSFET和IGBT的导通和关断情况，并记录了相应的电压和电流波形。
五、实验结论通过本次实验，我们对电力电子器件与驱动电路有了更深入的了解。
通过实际操作和调试，我们掌握了电力电子器件与驱动电路的设计和调试方法，并且了解了电力电子器件的基本测量方法。
这些知识和技能对于我们今后从事相关工作和研究具有重要的指导和应用价值。
六、实验心得通过实验，我对于电力电子器件与驱动电路有了更深入的了解。
在实验中，我不仅能够独立搭建电力电子器件和驱动电路，还学会了调试电路并观察相应的波形。
电力电子器件驱动电路
驱动电路的比较电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口,是电力电子装置的重要环节,对整个装置的性能有很大的影响;电力电子器件对驱动电路的一般性要求①驱动电路应保证器件的充分导通和可靠关断以减低器件的导通和开关损耗;②实现与主电路的电隔离 ;③具有较强的抗干扰能力,目的是防止器件在各种外扰下的误开关;④具有可靠的保护能力当主电路或驱动电路自身出现故障时如过电流和驱动电路欠电压等,驱动电路应迅速封锁输出正向驱动信号并正确关断器件以保障器件的安全;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,可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类;晶闸管是半控型器件,一般其驱动电路成为触发电路,下面分别分析晶闸管的触发电路,GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT的驱动电路;1晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路的工作原理如下:1 由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成;2 当V1、V2导通时,通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲;3 VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的;4 为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分,还需适当附加其它电路环节;晶闸管的触发电路特点：触发脉冲宽度要保证晶闸管可靠导通,有足够的幅值也不能超过晶闸管门级的电压、电流和功率定额等参数;2 GTO驱动电路GTO的开通控制与普通晶闸管相似,下图为典型的直接耦合式GTO驱动电路,其工作原理可分析如下：1 电路的电源由高频电源经二极管整流后提供,VD1和C1提供+5V电压,VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压,VD4和C4提供-15V电压;2 V1开通时,输出正强脉冲；V2开通时,输出正脉冲平顶部分；3 V2关断而V3开通时输出负脉冲；V3关断后R3和R4提供门极负偏压;GTO驱动电路的特点：触发脉冲前沿的幅值和陡度要足够,在整个导通期间都施加正门极电流;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；缺点是功耗大,效率较低;3GTR的驱动电路下图为GTR的一种驱动电路,其包括电气隔离和晶体管放大电路两大部分,本电路的特点是：当负载较轻时,如果V5的发射极电流全部注入V,会使V过饱和,关断时退饱和时间延长;但是VD2和VD3构成贝克钳位电路可避免上述情况的发生;开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态,使之不进入放大区和深饱和区;关断时,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;4MOSFET管驱动电路下图给出了电力MOSFET管的一种驱动电路,也包括电气隔离和晶体管放大电路两部分;当无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压;当有输入信号时A输出正电平,V2导通输出正驱动电压;跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了;这个很容易做到,但是,我们还需要速度;在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电;对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大;选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小;第二注意的是,普遍用于高端驱动NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压;而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压VCC相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V;如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了;很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管;◆使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V,使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15 ~ 20V;◆关断时施加一定幅值的负驱动电压一般取 -5 ~ -15V有利于减小关断时间和关断损耗;5IGBT的驱动电路IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器,例如三菱公司的M579系列、富士公司的EXB 系列等;由于IGBT的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化,因而驱动电路性能不好常常导致器件损坏,IGBT对驱动电路有许多特殊的要求：①驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大;② IGBT导通后,栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度;瞬时过载时,栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区而损坏;③ IGBT的栅极驱动电路提供给IGBT的正向驱动电压十VGE要取合适的值,特别是具有短路工作过程的设备中使用IGBT时,其正向驱动电压更应选择所需要的最小值;④ IGBT的关断过程中,栅一射极间施加的负偏压有利于IGBT的快速关断,但也不宜取的过大;一般取-10V⑤在大电感负载的情况下,过快的开关反而是有害的,大电感负载在IGBT的快速开通和关断时,会产生高频且幅值很高而宽度很窄的尖峰电压Ldi/dt,该尖峰不易吸收,容易造成器件损坏;⑥由于IGBT多用于高压场合,所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离,一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离;⑦ IGBT的栅极驱动电路应尽可能地简单、实用,应具有IGBT的完整保护功能,很强的抗干扰能力,且输出阻抗尽可能地低;⑧驱动电路的栅极配线走向应与主电流线尽可能远,同时驱动电路到IGBT模块栅一射引线应尽可能的短,采用双绞线或同轴电缆屏蔽线,并从栅极直接接到被驱动IGBT的栅一射极;⑨同一电力电子设备中,使用多个不同电位的IGBT的时候,一定要使用光隔离器,解决电位隔离的问题;。
【2019年整理】电力电子器件5-驱动和保护
驱动电路的一般要求
改善功率开关器件静态性能。 驱动电路 应保证驱动功率开关器件完全的导通和关 断。导通时，通态压降小；关断时漏电流 小。 改善功率开关器件动态性能。 对于同样 的功率开关器件，采用不同的驱动波形将 得到不同的动静态开关特性。因此，驱动 电路的设计应该根据功率开关器件的开关 性能，考虑改善器件的开关特性和减小器 件的开关损耗。
充放电型RCD缓冲电路（图1-38），适用 于中等容量的场合 图1-40示出另两种， RC缓冲电路主要用于小容量器件， 放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量 器件 图1-40 另外两种常用的缓冲电路 a) RC吸收电路 b) 放电阻止型RCD 吸收电路
缓冲电路中的元件选取及其他 注意事项
Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册 VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不 小于主电路器件的1/10 尽量减小线路电感，且选用内部电感小的 吸收电容
电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离 和晶体管放大电路两部分 无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3 导通输出负驱动电压 当有输入信号时 A输出正电平，V2 导通输 出正驱动电压 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成 电路有三菱公司的M57918L，其输入信号 电流幅值为 16mA ，输出最大脉冲电流为 +2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。
F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路 RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式 RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器 RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路 RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路 电力电子装置可视具体情况只采用其中的 几种; 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的 措施，属于缓冲电路范畴。
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PN结的反向击穿
有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应， 称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生 机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
A
K
A I
P J b)
N
K
K
A a)
பைடு நூலகம்
c)
图2－1
电力二极管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b)二极管的工作原理
N 型半导体和P 型半导体结合后构成 PN 结。交界处电子和空穴的 浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内 成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动 的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷）。空间 电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运 动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子） 向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是 一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值， 形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区， 按所强调的角度不同也被称二极管的工作原理
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2.1 电力二极管
2.1.1 2.1.2 PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性
2.1.3
2.1.4
电力二极管的主要参数
电力二极管的主要类型 牛牛文档分享返回2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
电力二极管结构和原理简单，工作可靠， 自20世纪50年代初期就获得应用 快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在 中、高频整流和逆变，以及低压高频整 流电力二极管的基本特性
I IF
O
UTO
UF
U
图2－3
电力二极管的伏安特性 牛牛文档分享2.1.2 电力二极管的基本特性
2. 动态特性动态特性 ——因结电容的存在，三
种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。动态特性主要指开关特性，开关特性 反映通态和断态之间的转换过程
图2－4
电力二极管的动态过程波形 b)
b) 零偏置转换为正向偏置
a) 正向偏置转换为反向偏置
延迟时间：td= t1- t0,
电流下降时间：tf= t2- t1
反向恢复时间：trr= td+ tf
恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf
/td，或称恢复系数，用Sr表示 牛牛文档分享 牛牛文档分享
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2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
电力二极管基本结构和工作原理与信息电子电路 中的二极管一样以半导体PN结为基础 由一个面积较大的 PN 结和两端引线以及封装组 成的 从外形上看，主Õ ¼ ¿ ä µ ç º É Ç ø
图2－2
PN结的形成
PN结的正向导通状态
电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维 持在1V左右，所以正二极管的工作原理
PN结的反向截止状态
• 关断过程
在关断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 须经过一段短暂的时间才能重新获得反基本特性
IF UF tF t0 d iF dt td trr t1 d iR dt IRP a) URP u i tf t2 UR t 2V 0 uF二极管的工作原理
• 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，
势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与 阻挡层厚度成反比
• 扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压
较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主 要成分
• 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可
能使其单向导电性变差，甚至不二极管的工作原理
造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管 区别的一些因素：
• 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因 而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽 略 • 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 • 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的 电感效应也会有较大影响 • 为了提高反向耐压，其掺杂基本特性
1. 静态特性
主要指其伏安特性
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