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1、第2章 电力电子器件,2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件,电力电子器件的概念、特点和分类等问题。各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。,2.1.1 电力电子器件的概念和特征2.1.2 应用电力电子器件的系统组成2.1.3 电力电子器件的分类,2.1 电力电子器件的概述,电力电子器件（power electronic device）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（main power circuit）电气设备或电力系统中
2、，直接承担电能的变换或控制任务的电路。,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,1、概念：,2、同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：,能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。,电力电子器件主要损耗,通态损耗：,导通时器件上有一定的通态压降,断态损耗：,阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,开关损耗：,开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗,关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗,电力电子系统：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。,2.1.2 应用电力电子
3、器件的系统组成,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,2.1.3 电力电子器件的分类,绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）,不可控器件,电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。,通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。,晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,不能用控制信
4、号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。,半控型器件,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：,2)电压驱动型,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,1)电流驱动型,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,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：,2)双极型器件,3)复合型器件,由一种载流子参与导电的器件,1)单极型器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型及典型应用,2.2 不可控器件电力二极管,1
5、.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。,2.2.3 电力二极管的主要参数,2.正向压降UF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时对应的正向压降。,3.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压,4.浪涌电流IFSM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电流。,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）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这
6、在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。,2.2.4 电力二极管的主要类型及典型应用,分类：,2.快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）,恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管.,3.肖特基二极管反向恢复时间很短（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,二极管的典型应用,2.3 半控器件晶闸管,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.
7、3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管;1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品;1958年商业化;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，开始被性能更好的全控型器件取代;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.,晶闸管的结构与工作原理,工作原理,分析!,结论：触而导通，通而不断，断则反压。,其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相
8、当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发,只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,2.3.2 晶闸管的基本特性,1.静态特性（伏安特性）,2.动态特性,晶闸管的开通和关断过程波形,延迟时间,上升时间,反向阻断恢复时间,正向阻断恢复时间,开通时间：tgt=td+tr关断时间：tq=trr+tgr,1.电压定额,2.3.3 晶闸管的主要参数,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，额定电压要留有一定裕量,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。,1)断态重复峰值电压UDRM正向折转电压的80
9、%,2)反向重复峰值电压URRM 反向折转电压的80%,3)通态（峰值）电压UTM额定电流管压降峰值,使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。,4)浪涌电流ITSM,3)擎住电流 IL(=2-4IH),2)维持电流 IH,注意：使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.52倍。,1)通态平均电流 IT(AV),2.电流定额,电流的有效值是从电流的热效应来考虑的，是电流的平方在时间积累效应上的平均效果,指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。,指在规定条件下，
10、晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。,如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。,(2)通态电流临界上升率di/dt,在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。,(1)断态电压临界上升率du/dt,除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：,3.动态参数,2.3.4 晶闸管的派生器件,包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构
11、和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。,1.快速晶闸管（FST),2.双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC）,与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,3.逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温
12、高等优点。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。,4.光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位，利用8KV/3.5KA光控晶闸管构成的300MV.A容量的电力电子装置是目前最大的电力电子装置。,思考：,1 下图为一晶闸管调试电路，以检测晶闸管工作后输出电压是否正确，调试中发现Rd断开电压表读数不正常，而Rd接通读数正常，请分析原因。,2 下图中，要使晶闸管VT导通，门极触发信号最小要维持多长
13、时间？已知：E=50V，R=0.5,L=0.5H,IH=10mA,IL=15mA。,3 型号为KP100-3、IH=4mA，晶闸管在下图中应用是否合理？为什么？（不考虑裕量）,2.4 典型全控型器件,2.4.1 门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管,2.4.1 门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管（GTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，耐压耐流可达6KV和6KA，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用,1.GTO的结构和工作原理,结构：,工作原理：,1+2
14、=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断。开通原理和SCR一样。,设计时2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。,iB2+ic2=ikic2=2ikik=iB2/(1-2)=iA,iB2,GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：,(1)设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。,(3)多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间 距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,(2)导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控
15、制关断，但导通时管压降增大。,2.GTO的主要参数,延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s。,一般指储存时间和下降时间之和，GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。,关断时间toff,开通时间ton,3)最大可关断阳极电流IATO,电流关断增益off,GTO额定电流。,最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。,off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。,术语用法：电力晶体管（GTR，巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transi
16、storBJT）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，耐压和耐流可达1.5KV,1KA,可在10KHZ以内开关频率下工作。现商品化的GTR耐压、耐流不超过1200V，800A。,2.4.2 电力晶体管,1.GTR的结构和工作原理,开通和关断可由基极电流来控制，故称为全控型器件和电流型驱动器件。,开通条件：Uce正偏，提供基极电流。关断：I b小于等于零。,共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。,2.GTR的基本特性(1)静态特性,在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区,3.GTR的主要
17、参数 1)最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo（基极开路时，集电极和发射极间的击穿电压）低得多。,2)集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE（电流放大系数）下降到规定值的1/2-1/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3)集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率,4.GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压
18、的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。,安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。,一般分为结型（SIT）和绝缘栅型但通常主要指绝缘栅型中的MOS型简称电力MOSFET（Power MOSFET）,2.4.3 电力场效应晶体管,特点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，最高耐压为：1000V，最高耐流 为200A，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置，但开关频率为电力电子器件中最高，可达
19、500KHZ。,1.电力MOSFET的结构和工作原理（分析）,2.电力MOSFET的基本特性,a)转移特性 b)输出特性,3.电力MOSFET的主要参数,电力MOSFET电压定额,1)漏极电压UDS,2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,3)栅源电压UGS,栅源之间的绝缘层很薄，UGS20V将导致绝缘层击穿。,4)极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS 这些电容都是非线性的,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。一般电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。,GTR的特点双极型，电流驱动，通流能力很强，耐
20、压高，耐流大，可用在大功率场合。但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度最快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。但耐压耐流均不高，只能用在10KW以下的场合。,两类器件取长补短结合而成的复合器件IGBT,1.IGBT的结构和工作原理,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,2.IGBT的基本特性,a)转移特性 b)输出特性,1)IGBT的静态特性,3.IGBT的主要参数,正常工作温度下允许的最大功耗。,3)最大集电极功耗PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。,2)最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,
21、1)最大集射极间电压UCES,4.IGBT的擎住效应（自锁效应）,电流过高，电压表变化率高，温升高都可能会产生。,C,G,E,+,-,+,-,+,-,I,D,R,N,I,C,V,J1,I,D,R,on,IGBT耐压可达25003300V，耐流可达8001800A，明显高于MOSFET。IGBT开关频率可达1040KHZ，高于BJT。IGBT广泛用于中小功率，尤其在PWM控制的电力电子装置中占据重要地位。,本章小结掌握电力电子器件的分类及各类的典型代表。掌握各电力电子器件的开通和截止方式，会分析开通，关断原理。掌握各电力电力器件特性，应用场合。理解各电力电子器件静特性，典型参数，会选取额定值。,课内思考：SCR开通原理如何？什么是SCR的断态电压临界上升 率？为什么要限制此参数？2、SCR在运行过程中突然损坏的原因可能有哪些?3、电力GTR与小功率晶体管有什么不同？4、MOSFET的开关条件是什么？5、总结SCR,GTO,GTR,MOSFET,IGBT各自特点及应用场合。,
