-电力电子技术基础
-
浙江大学电气工程学院
1
自关断器件及其驱动，保护电路
-电力电子技术基础
-
浙江大学电气工程学院
2
一、功率晶体管 GTR
结构 ∶
-电力电子技术基础
-
浙江大学电气工程学院
3
一、功率晶体管 GTR
特点,开关频率高, 动态性能好, 无需强迫换流, 控制方便 。 承受功耗小,
阻断能力差,瞬态过电压, 过载能力差 。
1,电压电流定额
Uceo：基极开路, 集电极电流较大时, 集, 射极间的击穿电压
Icp,连续 （ 直流 ） 额定电流
-电力电子技术基础
-
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4
一、功率晶体管 GTR
2、开关特性
tα∶ 延迟时间； ts∶ 存储时间
tr∶ 集电极电流上升时间； tf∶ 集电极电流下降时间
-电力电子技术基础
-
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5
一、功率晶体管 GTR
(1) t=t 0-,usr<0,截止, usc=Ec
(2) t=t 0+,usr∶ -U2 U1,正偏, 结电容影响, 仍截止, 延时 td
(3) t=td后, 导通, 放大区饱和区, usc=0
(4) t=tm,usr∶ U1 -U2,欲使电荷消散, 需 ts,仍饱和
(5) ts后, 饱和区放大区截止区, tf
关断 ∶ toff=ts+ tf 开通 ∶ ton=td+tr
-电力电子技术基础
-
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6
一、功率晶体管 GTR
usr∶ -U2→U1时, Ucs不突变, 左 (-)右 (+)
基极电压 U1+Ucs>U1,加速开通
usr∶ U1→ -U2时, Ucs左 (+)右 (-)
基极电压 -U2-Ucs<-U2,加速关断
加速电容的作用 ∶
-电力电子技术基础
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7
一、功率晶体管 GTR
3,二次击穿现象
???? ccc e oce iUU,
出现击穿现象 AB段，
称一次击穿。
(1)
(2) 点达，仍 C???
Cce iU
集电极局部过热,C->D负阻效应,低电流，大电压，称二次击穿，
元件损坏 。
-电力电子技术基础
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8
一、功率晶体管 GTR
4,安全工作区
FBSOA RBSOA
-电力电子技术基础
-
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9
一、功率晶体管 GTR
5,GTR的保护
(1)过流保护
受冲击能力差, 快熔不起作用
利用电子开关, 进行过流保护
Ic
可检测 ∶ Uce
Ube
-电力电子技术基础
-
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10
一、功率晶体管 GTR
要求工作在临界 (准 )饱和区, 工作点 A(Uceg,Icg)
测,IC,误差 ΔIC,到 IC +ΔIC才动作
2
cg
c
c e g
ce
cece
1
AA
I
I
U
UUU:
AA
?????
?
）。（：测
，已为放大区
如 Ib 减少 ΔIb
测, Ic ∶ A→ A3 放大区
测, Uce∶ A→ A4 准饱和区
-电力电子技术基础
-
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11
一、功率晶体管 GTR
(2)开通, 关断保护
考虑开关过程要经过放大区, 需吸收电路 。
GTR开通, 关断, 损耗
(a) 开通
前面关断时,IL经 VDF续流；开通后由 VDFGTR,VDF仍通,UCC加至 GTR，
直至 VDF断。 出现高电压、大电流
(b) 关断
电感作用, IC维持, 直至 UceUCC,VDF通, Ic才下降 。
解决方法 ∶ 错开高电压、大电流出现时刻。
-电力电子技术基础
-
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12
一、功率晶体管 GTR
电容电压不突变, Uce上升慢
R∶ 限制 GTR通时电容放电
VD∶ GTR关断时将 R短路
关断吸收 ∶
开通吸收 ∶
LS∶ 使 iC上升慢
RS∶ GTR断后, 续流电流下降
VD∶ GTR通时，隔离 RS旁路作用
-电力电子技术基础
-
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13
一、功率晶体管 GTR
复合吸收电路 ∶
-电力电子技术基础
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14
二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
结构 ∶
-电力电子技术基础
-
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15
二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
特点,电压控制, 控制极 （ 栅极 ） 静态内阻高
驱动功率小, 开关速度高, 无二次击穿, 安全工作区宽
1,基本原理
-电力电子技术基础
-
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16
二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
2,工作特性
(1)漏极伏安特性
(a)可调电阻区 I,UGS固定, UDS 由 0上升到预夹断电压
ID线性增加, 接近预夹断电压时 ID变化慢
(b)饱和区
(c)击穿区
(2)转移特性
GS
D
m U
Ig
?
?? 跨导（与 GTR中 β相似）
表示栅电压对 ID的控制
-电力电子技术基础
-
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17
二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
(3)开关特性
为多数载流子器件, 没有存储
效应, 开关时间短为 20ns左右
输入电容,
GDGSin CCC ??
静态驱动电流小
动态 Cin充放电，驱动电流稍大
开通, a） ??
GSinP UCU 充电，,
b）
DTH(GSGS iUU 时，导电沟道，有）?
c）
不变稳定，仍充电，
，预夹断随
DGSin
GS
iUC
U
?
?Di
rondon ttt ＋＝ ）（
-电力电子技术基础
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二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
关断, a） UP高电平, Cin放电, UGS下降, iD的未变
b） td（ off） 时, 预夹断, iD下降
c） Cin仍放电, UGS仍下降, 夹断区上升, iD下降
UGS<UGS（ TH） 时, 导电沟道消失, iD＝ 0
toff = td(off) + tf
-电力电子技术基础
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19
二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
Ⅰ 漏源电阻限制线
Ⅱ 最大漏极电流限制线
Ⅲ 最大功率限制线
Ⅳ 最大漏源电压限制线
(4)安全工作区
-电力电子技术基础
-
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20
三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
GTR,开关频率下降, 驱动功率上升, 导通压降下降
MOSFEF,通态压降上升,开关速度上升, 驱动功率下降
IGBT＝输出 （ MOSFET） ＋输出 （ GTR）
-电力电子技术基础
-
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21
三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
结构 ∶
-电力电子技术基础
-
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22
三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
1 原理
-电力电子技术基础
-
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23
三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
2 工作特性
(1)静态特性
(2)动态特性
与 MOSFET类似
-电力电子技术基础
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24
三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
(1)擎住效应
IC上升, Rbr压降使 NPN通,经正反馈,
寄生等效晶闸管通,IGBT栅极失去控制作用
静态擎住,IC>ICM
动态擎住,关断时产生, J2结反压很快建立,
3 安全工作区
dt
dUC ce
j2
大, 此电流可在 Rbr
Rbr上产生 NPN管导通的正向偏压
从而产生擎住现象 。
,dtdUce
措施,IC<ICM
RG上升，使关断速度下降，减小重加
dt
dUce
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25
三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
(2)安全工作区
-电力电子技术基础
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26
三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
(3)IGBT的保护
措施,检测过流信号, 切断栅极控制信号
吸收电路, 限
dt
dUce
测温
过流保护采用集电极电压判别方法
Uces(集电极饱和压降 )与 Ic基本成线
性关系
-电力电子技术基础
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27
三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
关断时间 ∶
<IGBT允许短路过电流时间
不能太快, dIc/dt过大, 自感电势 ↑
慢速过流截止
吸收电路,
开通吸收 ∶ LS,CS,VDS1,RS
关断吸收 ∶ VDS,CS
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28
四 自关断器件驱动电路
GTR通, 如 VD1正偏
132
132
DDDbece
DceDDbe
UUUUU
UUUUU
????
????
则,Uce＝ 1.4V（饱和）
VD1,溢流阀作用, 过量基流不入基极
变 VD2,VD3数，可变饱和度
2 具体驱动电路
,电力电子技术与电机控制实验教程,
1 抗饱和电路（贝克钳位电路）
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29
四 自关断器件驱动电路
GTR驱动电路,
-电力电子技术基础
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30
四 自关断器件驱动电路
MOSFET驱动电路,
-电力电子技术基础
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31
四 自关断器件驱动电路
IGBT驱动电路,
-电力电子技术基础
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32
四 自关断器件驱动电路
EX841驱动模块原理框图
-电力电子技术基础
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33
作业 ∶
P,38 习题 13,19
P,129 习题 7
-
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自关断器件及其驱动，保护电路
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一、功率晶体管 GTR
结构 ∶
-电力电子技术基础
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3
一、功率晶体管 GTR
特点,开关频率高, 动态性能好, 无需强迫换流, 控制方便 。 承受功耗小,
阻断能力差,瞬态过电压, 过载能力差 。
1,电压电流定额
Uceo：基极开路, 集电极电流较大时, 集, 射极间的击穿电压
Icp,连续 （ 直流 ） 额定电流
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4
一、功率晶体管 GTR
2、开关特性
tα∶ 延迟时间； ts∶ 存储时间
tr∶ 集电极电流上升时间； tf∶ 集电极电流下降时间
-电力电子技术基础
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一、功率晶体管 GTR
(1) t=t 0-,usr<0,截止, usc=Ec
(2) t=t 0+,usr∶ -U2 U1,正偏, 结电容影响, 仍截止, 延时 td
(3) t=td后, 导通, 放大区饱和区, usc=0
(4) t=tm,usr∶ U1 -U2,欲使电荷消散, 需 ts,仍饱和
(5) ts后, 饱和区放大区截止区, tf
关断 ∶ toff=ts+ tf 开通 ∶ ton=td+tr
-电力电子技术基础
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6
一、功率晶体管 GTR
usr∶ -U2→U1时, Ucs不突变, 左 (-)右 (+)
基极电压 U1+Ucs>U1,加速开通
usr∶ U1→ -U2时, Ucs左 (+)右 (-)
基极电压 -U2-Ucs<-U2,加速关断
加速电容的作用 ∶
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一、功率晶体管 GTR
3,二次击穿现象
???? ccc e oce iUU,
出现击穿现象 AB段，
称一次击穿。
(1)
(2) 点达，仍 C???
Cce iU
集电极局部过热,C->D负阻效应,低电流，大电压，称二次击穿，
元件损坏 。
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一、功率晶体管 GTR
4,安全工作区
FBSOA RBSOA
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9
一、功率晶体管 GTR
5,GTR的保护
(1)过流保护
受冲击能力差, 快熔不起作用
利用电子开关, 进行过流保护
Ic
可检测 ∶ Uce
Ube
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10
一、功率晶体管 GTR
要求工作在临界 (准 )饱和区, 工作点 A(Uceg,Icg)
测,IC,误差 ΔIC,到 IC +ΔIC才动作
2
cg
c
c e g
ce
cece
1
AA
I
I
U
UUU:
AA
?????
?
）。（：测
，已为放大区
如 Ib 减少 ΔIb
测, Ic ∶ A→ A3 放大区
测, Uce∶ A→ A4 准饱和区
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11
一、功率晶体管 GTR
(2)开通, 关断保护
考虑开关过程要经过放大区, 需吸收电路 。
GTR开通, 关断, 损耗
(a) 开通
前面关断时,IL经 VDF续流；开通后由 VDFGTR,VDF仍通,UCC加至 GTR，
直至 VDF断。 出现高电压、大电流
(b) 关断
电感作用, IC维持, 直至 UceUCC,VDF通, Ic才下降 。
解决方法 ∶ 错开高电压、大电流出现时刻。
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12
一、功率晶体管 GTR
电容电压不突变, Uce上升慢
R∶ 限制 GTR通时电容放电
VD∶ GTR关断时将 R短路
关断吸收 ∶
开通吸收 ∶
LS∶ 使 iC上升慢
RS∶ GTR断后, 续流电流下降
VD∶ GTR通时，隔离 RS旁路作用
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13
一、功率晶体管 GTR
复合吸收电路 ∶
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二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
结构 ∶
-电力电子技术基础
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二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
特点,电压控制, 控制极 （ 栅极 ） 静态内阻高
驱动功率小, 开关速度高, 无二次击穿, 安全工作区宽
1,基本原理
-电力电子技术基础
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二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
2,工作特性
(1)漏极伏安特性
(a)可调电阻区 I,UGS固定, UDS 由 0上升到预夹断电压
ID线性增加, 接近预夹断电压时 ID变化慢
(b)饱和区
(c)击穿区
(2)转移特性
GS
D
m U
Ig
?
?? 跨导（与 GTR中 β相似）
表示栅电压对 ID的控制
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二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
(3)开关特性
为多数载流子器件, 没有存储
效应, 开关时间短为 20ns左右
输入电容,
GDGSin CCC ??
静态驱动电流小
动态 Cin充放电，驱动电流稍大
开通, a） ??
GSinP UCU 充电，,
b）
DTH(GSGS iUU 时，导电沟道，有）?
c）
不变稳定，仍充电，
，预夹断随
DGSin
GS
iUC
U
?
?Di
rondon ttt ＋＝ ）（
-电力电子技术基础
-
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18
二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
关断, a） UP高电平, Cin放电, UGS下降, iD的未变
b） td（ off） 时, 预夹断, iD下降
c） Cin仍放电, UGS仍下降, 夹断区上升, iD下降
UGS<UGS（ TH） 时, 导电沟道消失, iD＝ 0
toff = td(off) + tf
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19
二 功率功效应晶体管（ P-MOSFET）
Ⅰ 漏源电阻限制线
Ⅱ 最大漏极电流限制线
Ⅲ 最大功率限制线
Ⅳ 最大漏源电压限制线
(4)安全工作区
-电力电子技术基础
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三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
GTR,开关频率下降, 驱动功率上升, 导通压降下降
MOSFEF,通态压降上升,开关速度上升, 驱动功率下降
IGBT＝输出 （ MOSFET） ＋输出 （ GTR）
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三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
结构 ∶
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三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
1 原理
-电力电子技术基础
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三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
2 工作特性
(1)静态特性
(2)动态特性
与 MOSFET类似
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三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
(1)擎住效应
IC上升, Rbr压降使 NPN通,经正反馈,
寄生等效晶闸管通,IGBT栅极失去控制作用
静态擎住,IC>ICM
动态擎住,关断时产生, J2结反压很快建立,
3 安全工作区
dt
dUC ce
j2
大, 此电流可在 Rbr
Rbr上产生 NPN管导通的正向偏压
从而产生擎住现象 。
,dtdUce
措施,IC<ICM
RG上升，使关断速度下降，减小重加
dt
dUce
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三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
(2)安全工作区
-电力电子技术基础
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三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
(3)IGBT的保护
措施,检测过流信号, 切断栅极控制信号
吸收电路, 限
dt
dUce
测温
过流保护采用集电极电压判别方法
Uces(集电极饱和压降 )与 Ic基本成线
性关系
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三 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）
关断时间 ∶
<IGBT允许短路过电流时间
不能太快, dIc/dt过大, 自感电势 ↑
慢速过流截止
吸收电路,
开通吸收 ∶ LS,CS,VDS1,RS
关断吸收 ∶ VDS,CS
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四 自关断器件驱动电路
GTR通, 如 VD1正偏
132
132
DDDbece
DceDDbe
UUUUU
UUUUU
????
????
则,Uce＝ 1.4V（饱和）
VD1,溢流阀作用, 过量基流不入基极
变 VD2,VD3数，可变饱和度
2 具体驱动电路
,电力电子技术与电机控制实验教程,
1 抗饱和电路（贝克钳位电路）
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四 自关断器件驱动电路
GTR驱动电路,
-电力电子技术基础
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30
四 自关断器件驱动电路
MOSFET驱动电路,
-电力电子技术基础
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四 自关断器件驱动电路
IGBT驱动电路,
-电力电子技术基础
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四 自关断器件驱动电路
EX841驱动模块原理框图
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作业 ∶
P,38 习题 13,19
P,129 习题 7
