现代电力电子技术作业

第一次作业1、电压型和电流型开关器件的工作原理（1）电压型（MOSFET、IGBT）：通过在控制端与公共端之间施加一定的电压信号即可实现器件的导通或关断的控制。

实际上是该电压信号在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场，进而来改变流过器件的电流大小和通断状态。

MOSFET工作原理：导通条件：漏源电压为正，栅源电压大于开启电压。

关断条件：漏源极电压为正，栅源极电压小于开启电压。

IGBT工作原理：导通条件：集射极电压为正，栅射极电压大于开启电压；关断条件：栅射极电压小于开启电压。

（2）电流型（SCR、GTO、GTR）：通过在控制端注入或抽出一定的电流实现器件的导通或关断的控制。

SCR工作原理：导通条件：正向阳极电压，正向门极电压；关断条件：必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。

两种强迫关断方式：电流换流和电压换流。

GTO工作原理：与普通晶闸管相同。

开关速度高于普通晶闸管，di/dt承受能力大于晶闸管。

GTR工作原理：导通条件：集射极加正向电压，基极加正向电流；关断条件：基极加负脉冲。

2、二极管的反向击穿机理反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当反向电压过大，超过一定限度，反向电流就会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态。

反向击穿按照机理不同分为雪崩击穿、齐纳击穿两种形式。

雪崩击穿：反向电压增大，空间电荷区的电场强度增大，使从中性区漂移进入空间电荷区的载流子被加速获取很高动能，这些高能量、高速载流子撞击晶体点阵原子使其电离(碰撞电离) ，产生新的电子空穴对，新产生的电子与空穴被加速获取能量，产生新的碰撞电离，使载流子迅速成倍增加，即雪崩倍增效应，导致载流子浓度迅速增加，反向电流急剧增大，最终PN结反向击穿。

齐纳击穿：重掺杂浓度的PN结，一般空间电荷区很窄，空间电荷区中的电场因其狭窄而很强，反偏又使空间电荷区中的电场强度增加，空间电荷区中的晶体点阵原子直接被电场电离，使价电子脱离共价键束缚，产生电子空穴对，使反向电流急剧增加。

3、开通和关断缓冲电路的基本类型有哪些（1）根据缓冲电路的作用时刻，可将其分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。

如将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，则称其为复合缓冲电路。

关断缓冲电路：又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。

开通缓冲电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。

（2）根据组成缓冲电路的元件类型，可将其分为无源和有源缓冲电路。

无源缓冲电路：由无源元件构成，如RC、RCD、LCD缓冲电路，无源缓冲电路不需要控制和驱动电路，所以电路简单，在工程设计中得到广泛应用。

有源缓冲电路：不仅包含无源和有源元件，还包括一些控制电路和全控性开关器件的驱动电路，所以电路构成复杂。

（3）还可分为耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路耗能式缓冲电路（如RC、RCD缓冲电路）：缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上。

馈能式缓冲电路（如LCD缓冲电路）：缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，也称无损吸收电路。

4、开关器件驱动电路的基本要求基本要求：①改善器件动静态性能：作为功率开关希望减小器件损耗，驱动电路应保证器件的充分导通和可靠关断以降低器件的导通和开关损耗。

②实现与主电路的电隔离：由于大多数主电路是高电压格局，要求控制信号与栅极间无点耦合。

③具有较强的抗干扰能力：目的是防止器件在各种外干扰下的误开关，保证器件在高频工况下可靠工作。

④具有可靠地保护能力：当主电路或驱动电路自身出现故障时，驱动电路应迅速封锁输出驱动信号并正确关断器件以保证器件的安全。

（1）电压驱动型器件（电力MOSFET和IGBT）的驱动电路的基本要求①为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。

②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。

③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。

④在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

（2）电流驱动型器件的驱动电路的基本要求SCR触发电路的基本要求：①触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，比如对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发。

②触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1~2A/us。

③触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。

④应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

GTO触发电路的基本要求：开通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流，使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高。

GTR触发电路的基本要求：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。

5、半导体器件应用中需要哪些保护？都有什么手段？主要有四种保护：（1）过电压保护：电路保护法，器件法(RC保护、压敏电阻、硒堆等）；（2）过电流保护：电子保护电路法，器件保护法（熔断器、断路器、短路器等）；（3）di/dt保护：串电感，开通缓冲吸收。

（4）du/dt保护：RC阻容保护，关断缓冲吸收电路。

6、半导体器件的性能参数有哪些？说明其意义。

（1）电力二极管正向平均电流I：指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称F(AV)T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壳温，用C值。

正向压降U：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F时对应的正向压降。

U：指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。

反向重复峰值电压RRMT：指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。

最高工作结温JMT通常在125～175℃范围之内。

JMt：指二极管电压反相后，结电容中存储电荷耗尽所需时间。

反向恢复时间rrI：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浪涌电流FSM电流。

（2）晶闸管U：是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在断态重复峰值电压DRM器件上的正向峰值电压。

U：是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在反向重复峰值电压RRM器件上的反向峰值电压。

U：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的通态（峰值）电压TM瞬态峰值电压。

I：国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40℃和通态平均电流T(AV)规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

I：维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为维持电流H几十到几百毫安。

I：擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维擎住电流L持导通所需的最小电流。

I：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浪涌电流TSM性最大正向过载电流。

断态电压临界上升率du/dt ：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。

通态电流临界上升率di/dt ：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。

（3）GTO最大可关断阳极电流ATO I ：用来标称GTO 额定电流。

电流关断增益：最大可关断阳极电流ATO I 与门极负脉冲电流最大值GM I 之比。

开通时间ton ：延迟时间与上升时间之和。

关断时间toff ：一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。

（4）GTR电流放大倍数β、直流电流增益FE h 、集电极与发射极间漏电流Iceo 、集电极和发射极间饱和压降Uces 、开通时间ton 和关断时间toff 。

最高工作电压：GTR 上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。

集电极最大允许电流cM I ：规定直流电流放大系数FE h 下降到规定的1/2~1/3时所对应的Ic 。

集电极最大耗散功率cM P ：指在最高工作温度下允许的耗散功率。

（5）MOSFET跨导Gfs 、开启电压UT 以及开关过程中的各时间参数。

漏极电压DS U ：标称电力MOSFET 电压定额的参数。

漏极直流电流D I 和漏极脉冲电流幅值DM I ：标称电力MOSFET 电流定额的参数。

栅源电压GS U ：栅源之间的绝缘层很薄，GS U >20V 将导致绝缘层击穿。

极间电容：GS C 、GD C 和DS C 。

漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET 的安全工作区。

（6）IGBT最大集射极间电压CES U ：由器件内部的PNP 晶体管所能承受的击穿电压所确定的。

最大集电极电流：包括额定直流电流C I 和1ms 脉宽最大电流CP I 。

最大集电极功耗CM P ：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

第二次作业1、以单相PWM 整流电路为例，分析电路中各功率器件的导通状态和电压电流极性。

说明其PWM 整流电路的不同工作状态。

（1）整流状态us图1：s u >0、T3通断 图2：s u >0、T2通断 s u >0时。

当T3导通，s u 通过T3、D4向Ls 储能，直流侧电容向负载供电；当T3关断，Ls 中储存的能量通过D1、D4释放, 与电源us 一起向负载供电。

当T2导通，s u 通过D1、T2向Ls 储能，直流侧电容向负载供电；当T2关断，Ls 中储存的能量通过D1、D4释放, 与电源us 一起向负载供电。

usus图3：s u <0、T1通断 图4：s u <0、T4通断 s u <0时。

当T1导通，s u 通过D2、T1向Ls 储能，直流侧电容向负载供电；当T1关断，Ls 中储存的能量通过D2、D3释放, 与电源us 一起向负载供电。

当T4导通，s u 通过T4、D3向Ls 储能，直流侧电容向负载供电；当T4关断，Ls 中储存的能量通过D2、D3释放, 与电源us 一起向负载供电。

（2）逆变状态 uN图50i <0，s u >0时，T1、T4导通，0u u N +=；0i <0，s u <0时，T2、T3导通，0u u N -=。

此时负载馈能, 与电源us 一起向Ls 储能。

uN图6s i >0，D1、T2或T3、D4导通；s i <0，D2、T1或T4、D3导通。

电源s u 沿s L 短接，此时N u =0，s L 储能。

负载R 则依靠C0放电维持。