第1章 电力电子器件1(湖南大学电气院)

电力电子技术电力电子技术电力电子技术第1章电力电子器件电力电子器件的概念及分类电力电子器件的发展历史半控型电力电子器件——晶闸管电力电子技术1.1电力电子器件概念电力电子器件——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电力电子技术能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是器件最重要的参数一、电力电子器件的特征电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件常常需要信息电子电路来控制电力电子器件的功率损耗通常比信息电子电路器件的大电力电子技术二、电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为三类：（1）半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断（晶闸管）（2）全控型器件——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（MOSFET、IGBT）（3）不可控器件——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路（二极管）电力电子技术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（1）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（2）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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（1）单极型器件（2）双极型器件（3）复合型器件电力电子技术1.2电力电子器件的发展历史1957年发明晶闸管全控型器件GTOGTRMOSFET复合型器件IGBTIGCTMCT集成功率电路PICHVICIPM电力电子技术1.3半控器件—晶闸管晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件电力电子技术外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，另一端较粗的是阴极，细的是门极平板型封装的晶闸管，两个平面分别是阳极和阴极，细长端是门极一、晶闸管的结构与工作原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3a)外形b)结构c)电气符号图1.晶闸管的结构电力电子技术2.晶闸管的工作原理A、K接正向电压，灯泡不燃亮A、K接正向电压，G、K接负电压，灯泡不燃亮A、K接正向电压，G、K接正电压，灯泡燃亮A、K接负向电压，灯泡不燃亮A、K接负向电压，无论G、K接何种电压灯泡不燃亮灯泡燃亮后，撤除G、K间电压或G、K间接负向电压，灯泡仍然燃亮灯泡燃亮后，撤除A、K间电压或A、K接负向电压，灯泡熄灭EGAKGS2S1EA2.1晶闸管的导通实验电力电子技术2.2晶闸管的通、断规律当晶闸管承受阳极反向电压时，无论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态当晶闸管承受阳极正向电压时，仅在门极承受正向电压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极施加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的电流降低到一定数量以下当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力电力电子技术RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)a)双晶体管模型b)工作原理晶闸管内部是PNPN四层半导体结构（P1，N1，P2，N2）。如果施加阳极正向电压，则J2处于反向偏置状态，器件关断；如果施加阳极反向电压，J1、J3处于反向偏置状态，器件关断。2.3晶闸管的工作原理电力电子技术NPNPNPAGSKEGIGIKIc2Ic1IAV1V2晶闸管的导通可以用双晶体（P1N1P2和N1P2N2）模来解释。当门极注入电流IG，IG流入晶体管V2的基极，那么在V2的集电极产生电流IC2，而IC2又是晶体管V1的基极电流，放大成集电极电流IC1，进一步增大了V2的基极电流，形成了强烈的正反馈，最后V1、V2进入饱和状态，晶闸管导通。当晶闸管导通后，撤除门极注入电流，由于晶体管内部已经形成了强烈的正反馈。所以管子仍然导通；若要使晶闸管关断则必须撤除阳极的正电压，或者给阳极施加反电压，或者使流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值。电力电子技术式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）—（1-4）可得（1-5）晶体管的特性是：在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。)(121CBO2CBO1G2AIIII晶闸管的工作方程Ic1=1IA+ICBO1（1-1）Ic2=2IK+ICBO2（1-2）IK=IA+IG（1-3）IA=Ic1+Ic2（1-4）电力电子技术阳极电压升高至相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，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）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2.4晶闸管其它导通情况电力电子技术二、晶闸管的基本特性1.晶闸管的静特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第I象限是正向特性，第III象限是反向性URSM——反向不重复峰值电压URRM——反向重复峰值电压UDRM——正向重复峰值电压UDSM——正向不重复峰值电压Ubo——正向转折电压IH——维持电流IG——门极触发电流电力电子技术正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMIG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性电力电子技术100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.晶闸管的动态特性开通时间：tgt=td+trtd：0.5~1.5s，tr：0.5~3s关断时间：tq=trr+tgr约几百微秒电力电子技术三、晶闸管的主要参数1.电压定额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。反向重复峰值电压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。通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。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，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2—3倍电力电子技术2.电流定额（1）通态平均电流IT(AV)——晶闸管在环境温度为40C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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，因此要进行相应的换算选择使应留一定的裕量，一般取换算结果的1.5—2倍1）计算实际波形的有效值2）根据有效值相等的原则，计算出定义波形下的平均值3）将计算值乘以1.5或2，即为所选晶闸管的电流定额电力电子技术有效值与平均值的比值称为波形系数Kf57.12)(AVTfIIK例如，对于一只额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，允许通过的电流有效值为157A0)()(sin21MMAVTIttdII2)()sin(2102MMItdtII根据通态平均电流IT(AV)的定义，当电流的峰值为IM时20IMIT(AV)t电力电子技术2/2)(sin21MMdIttdII22)()sin(212/2MMaItdtII22.22dafIIK根据电流有效值相等的原则计算规定波形下通过晶闸管的平均流faAVTKII)(58.357.122MMII如果选用电流定额为100A的晶闸管，那么实际允许的平均电流是多少？例：通过晶闸管的实际波形如右图，求此波形的电流平均值Id,电流有效值Ia，波形系数Kf。当不考虑安全裕量时，求选择晶闸管的电流定额20IMIT(AV)2/t电力电子技术(4)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)维持电流IH——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。(3)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2—4倍。电力电子技术(1)断态电压临界上升率du/dt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3.动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：(2)通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率电力电子技术四、晶闸管的派生器件1.快速晶闸管（FastSwitchingThyristor—FST)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10s左右高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应电力电子技术a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管的电气符号和伏安特性2.双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，有两个主电极T1和T2，一个门极G，正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。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。电力电子技术3.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）b)a)UOIKGAIG=0逆导晶闸管的电气符号和伏安特性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电力电子技术4.光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）光强度强弱b)AGKa)OUAKIA光控晶闸管的电气符号和伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管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，占据重要的地位电力电子技术图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3外形结构电气图形符号返回电力电子技术图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)双晶体管模型工作原理返回电力电子技术图1-8晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMIG2IG1IG返回电力电子技术图1-9晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA返回电力电子技术图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)b)IOUIG=0G