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1、电力电子技术 电力电子器件,2,1.1.1 电力电子器件组成的应用系统,1.1电力电子器件概述,主电路,采样驱动电路,数字控制器,3,4,5,1.概念 电力电子器件（Power Electronic Device）是指可以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。2.特征处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，一般都远大于处理信息的电子器件；电力电子器件一般都工作在开关状态；需要驱动电路；电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件,1.1.2电力电子器件的概念与特征,6,1.1.3电力电子器件的分类,受控程度 不控型 半控型 全控型控制方式 电压控制型(场控器件 or
2、场效应器件)电流控制型,7,1.2 不可控器件电力二极管,1.2.1 电力二极管的工作原理,当PN结外加正向电压（P极加正、N极加负）时，有从P到N的正向电流流过，此时，PN结表现为低阻，电力二极管电压降维持在1V左右，称为正向导通。当PN结加反向电压（P负N正）时，只有极小的反向漏电流流过PN结，此时PN结表现为高阻，称为反向截止。,二极管的基本原理：PN结的单向导电性,8,9,反向击穿 施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，从而破坏PN结反向为截止的工作状态，这就叫做反向击穿。热击穿 当发生发生反向击穿时，如果反向电流未被限制住，使得反向电流和反向电压的乘积超过了PN结所容许的耗散功率
3、，就会因大量的热量散发不出去而导致PN结结温快速上升，直至过热而烧毁，这就是热击穿。,10,1.2.2 电力二极管的基本特性与参数,1.电力二极管的伏安特性,外加电压大于二极管的门槛电压UTO时正向电流开始迅速增加，二极管即开始导通。功率二极管两端的电压UF即为其正向电压降。,11,当电力二极管承受反向电压时，只有很小的反向漏电流IRR流过，器件处于反向截止状态。当反向电压增大到UB时，PN结内产生雪崩击穿，反向电流急剧增大，这将导致二极管发生击穿损坏。,12,2.电力二极管的开关特性,a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置,13,开关特性因结电容的存在，状态转换有一个过渡过程，
4、此过程中的电压电流特性是随时间变化的，开关特性即反映通态和断态之间的转换过程开通过程：二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。*达到稳态导通前管压降较大*正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。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,14,3.电力二极管的主要参数,1.正向平均电流IF(AV)额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC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值
5、（与SCR相同）正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。,15,2.反向重复峰值电压URRM 对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。3.正向压降UF 指功率二极管在指定温度下，流过稳定的正向额定电流时，器件两端的正向平均电压，（又称管压降）。4.反向漏电流IRR 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。,3.电力二极管的主要参数,16,5.最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 最高工作结温是
6、指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度 TJM通常在125175C范围之内6.反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间,17,普通二极管普通二极管又称为整流二极管（Rectifier Diode）常用于开关频率在1KH以下的整流电路中，其反向恢复时间在5s以上，额定电流可达数千安培，额定电压达数千伏以上。快恢复二极管反向恢复时间在5s以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode简称为FRD）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百ns以上，后者的反向恢复时间则在100ns以下，多用
7、于高频整流和逆变电路中。肖特基二极管反向恢复时间为1040ns，反向耐压在200V以下。多用于高频小功率整流或高频控制电路。结构特殊:金属层+N,不是完整的 PN 结，利用接触势垒的单向导电作用,二极管的几种类型,18,肖特基二极管的优点*反向恢复时间很短（1040ns）*正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲*在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低 于快恢复二极管*其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高肖特基二极管的弱点：当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下；*反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工
8、作温度。,肖特基二极管,19,应用于高频/低压场合高频:因为其 trr 小低压:压降小,器件损耗小耐压等级低限制其在高输出电压的应用场合,肖特基应用场合,20,1.3 半控型器件晶闸管,晶闸管的结构晶闸管的工作原理晶闸管的主要特性晶闸管的主要参数,21,1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化(16A/300V)。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。,晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器,引言,22,符号：阳极A，
9、阴极K，门极G（控制极）,一、晶闸管的结构,23,螺栓形：螺栓阳极A，粗引线 阴极K 细引线-门极G 特点：安装方便,K,A,G,G,K,一、晶闸管的结构,24,平板形：两面分别为阳极A和阴极K 中间引出线-门极G 特点：散热效果好，容量大,一、晶闸管的结构,25,常用晶闸管的结构,一、晶闸管的结构,26,从内部结构看为四层硅单晶体四层三端器件（P1 N1 P2 N2）三个PN结 J1,J2,J3,二、晶闸管的工作原理,27,晶闸管内部管芯结构图,二、晶闸管的工作原理,28,导通的正反馈过程：Ig Ib2 Ic2(Ib1)Ic1半控特性：一旦导通，UGK可有可无,二、晶闸管的工作原理,29,承
10、受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。,晶闸管正常工作时的特性总结如下：,二、晶闸管的工作原理,30,晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性,图1-8 晶闸管的伏安特性,三、晶闸管的主要特性,31,（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。(雪崩击穿/非正常导通)随着门极电流幅值的增大，正向转折
11、电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。,三、晶闸管的主要特性,32,反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。,正向,导通,雪崩,击穿,O,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,（2）反向特性,三、晶闸管的主要特性,33,断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。断态不重复峰值电压UDSM在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的正向峰值电压。反
12、向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。反向不重复峰值电压URSM 在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的反向峰值电压。,通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。,使用注意：,(1)电压定额,四、晶闸管的主要参数,34,四、晶闸管的主要参数,35,通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，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。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流 IH
13、使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM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性最大正向过载电流。,2）电流定额,四、晶闸管的主要参数,36,正弦半波的电流平均值与有效值：,四、晶闸管的主要参数,37,由于有效值与平均值的特定含义，这里定义两者之间的比例关系为波形系数：如果额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为1.57100157A,四、晶闸管的主要参数,38,在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦半波波形对于这些波形，应
14、根据电流有效值相等即发热相同的原则将非正弦半波电流的有效值IT折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值由于晶闸管元件的热容量小，过载能力低，故在实际选用时，一般取1.5-2倍的安全裕量,四、晶闸管的主要参数,39,公式折算含义！,IT为应用电流的有效值；Id为应用电流的平均值；Kf为应用电流的波形系；ITav为额定电流用法一：对于任意波形应用，在知道具体电流大小，求解其额定电流取值用法二：对于任意波形应用，给定晶闸管的额定电流后，求解任意波形的平均值最大允许值,四、晶闸管的主要参数,40,通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过
15、的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM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性最大正向过载电流。,2）电流定额,四、晶闸管的主要参数,41,晶闸管的选取方法,主要包括额定电压、额定电流参数两部分。额定电压参数的选取主要是根据晶闸管所承受的最大电压，再根据要求乘以电压安全裕量系数；额定电流参数的选取主要是根据晶闸管电流的通态平均值，再根据
16、要求乘以电流安全裕量系数即可。根据计算的电压和电流的数值，及生产厂家提供的晶闸管的参数表，就可确定所选晶闻管的型号。,42,1.4 全控型电力电子器件,门极可关断晶闸管(GTO)电力晶体管(GTR)电力场效应晶体管(Power MOSFET)绝缘栅双级晶体管(IGBT),43,门极可关断晶闸管（Power Turn off Thyristor）简称GTO。特点：具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高电流大等；是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下器件导通，在负脉冲电流触发下器件关断。应用：电力机车的逆变、大功率远程直流送电、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速装置。,一、门极可关断晶闸管,、简介,
17、44,一、门极可关断晶闸管,、工作原理,45,GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，有同样的正反馈过程，只不过导通时的饱和程度较浅。因而器件退出饱和实现关断。,GTO与SCR的不同之处：,一、门极可关断晶闸管,、比较,46,电力晶体管（GTR-巨型晶体管）优点：具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高 频特性好、价格低廉。现状：目前GTR的容量已达400A/1200V、1000A/400V，工作频率可达5kHz。应用：不停电电源、中频电源和交/直流电机调速等电力变流装置中。,、简介,二、电力晶体管,47,电力晶体管是由三层半导体（两个PN结）组成单管GTR的典型结构：NPN三层扩散台面型结构为
18、了提高GTR的耐压能力，在集电区中设置了轻掺杂的N区,、工作原理,二、电力晶体管,48,用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小开关速度快，工作频率高热稳定性优于GTR电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置,、简介,三、电力MOSFET,49,、工作原理,一、电力晶体管,三、电力MOSFET,50,绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT 特点：IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，其导通电阻是同一耐压规格MOSFET的1/10，开关时间是同容量GTR的1/10。现状：最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50KHz。应用：在电机拖动
19、控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低耗的中、小功率领域,四、绝缘栅双极型晶体（IGBT）,、简介,51,、工作原理,四、绝缘栅双极型晶体（IGBT）,52,1.5 电力电子器件的驱动,驱动电路概述举例,53,驱动电路性能对变换器性能的影响:1.系统可靠性2.变换效率(开关器件损耗)3.开关器件应力(开/关过程中)4.EMI/EMC,一、概述,54,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，转换为电力电子器件可以接受的信号加在控制端和公共端之间。对半控型器件只需提供开通信号，对全控型器件既要提供开通信号，又要提供关断信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。驱动电路
20、还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光电耦合隔离或者磁电耦合隔离技术。,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大类。,一、概述,55,二、举例,晶闸管触发电路,56,1.5.2 典型全控型器件的驱动电路,1.电流驱动型器件的驱动电路,以双极型功率晶体管(GTR)为例:1).Q开始开通时,驱动脉冲上升沿陡、有一定的过冲 开通快2).Q导通期间，合适的饱和深度 导通压降低，驱动功率小，关断快（存储时间小）3).关断瞬间反向驱动（抽流能力强）关断快,57,电力MOSFET的栅源极之间和IGBT的栅射极之间都有数千皮法左
21、右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。电力MOSFET的栅源极间驱动电压一般取1015V；IGBT的栅射极间驱动电压一般取1520V。,电力MOSFET的驱动电路,2.电压驱动型器件的驱动电路,58,1.6 电力电子器件的保护,1.6.1 过电压的产生及过电压保护,电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。1、操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。2、雷击过电压：由雷击引起的过电压。,59,
22、内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：1.换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，芳香电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。2.关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压 过压保护措施：RCD缓冲和RC抑制过压最为普遍。,1.6.1 过电压的产生及过电压保护,60,1.6.2 过电流保护,过电流分为过载和短路两种情况。过电流
23、保护措施：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广泛的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：,1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快 熔一般与电力半导体器件体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀 侧交流母线或支流母线中。3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。,61,影响电力电子器件/装置可靠性的因素 热应力-损耗 导通损耗 开/关损耗 电流尖峰 电应力 电压尖峰 di/dt,du/d
24、t(开关瞬间),1.6.3 缓冲电路,62,1.6.3 缓冲电路,缓冲电路（Snubber Circuit）又称为吸收电路其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。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,63,di/dt 抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形,缓冲电路,64,关断负载线,负载线在到达B时很可能超出安全区，使V受到损坏，而负载线ADC是很安全的,65,a）RC吸收电路 b）放电阻止型RCD吸收电路,吸收二极管VDS必须选用快恢复二极管,两种常用缓冲电路,66,本章小结,电力电子器件的分类晶闸管及一些全控型器件的结构、工作原理、特性电力电子器件的驱动和保护,
