第二章电力电子技术—电力电子器件(精)

第二章电力电子器件—电力电子技术—本章主要内容2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——电力二极管2.3半控器件——晶闸管2.4典型全控器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块—电力电子技术—2.1电力电子器件概述1.电力电子器件的特征容量范围大一般工作在开关状态实际应用中，需要信息电子电路控制——驱动电路工作时一般需要安装散热器—电力电子技术—2.1电力电子器件概述2.电力电子器件的系统组成电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统电气隔离控制电路检测电路保护电路驱动电路RLV1V2主电路（电力电子器件）—电力电子技术—2.1电力电子器件概述按控制程度，分为不可控型——其通断完全由在主电路中的电压或电流来决定，如电力二极管半控型——只可控制其导通，不可控制其关断的器件，如晶闸管全控型——既可控制导通，又可控制关断的器件，如IGBT3.电力电子器件的分类按信号性质，分为电流驱动型和电压驱动型按信号波形，分为脉冲触发型和电平控制型按内部导电，分为单极型、双极型和复合型—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管1.晶闸管的结构及基本特性结构——四层三端电子器件，阳极A、阴极K、控制极G结构图原理图111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII)(121CBO2CBO1G2AIIII—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管静特性单向导电性导通条件——承受反压时，无论门极是否有触发电流，均不导通——承受正压时，仅在门极有触发电流情况下，才能导通导通后，门极失去作用若关断，只有加反压使晶闸管电流降至某一数值之下1.晶闸管的结构及基本特性—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管正向特性IG=0，加正向电压，有很小漏电流，正向阻断正向电压超过Ubo，漏电流剧增，导通IG增大，Ubo降低反向特性反向阻断，有极小反向漏电流反向电压达到反向击穿电压，导致晶闸管发热损坏1.晶闸管的结构及基本特性正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+伏安特性—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管1.晶闸管的结构及基本特性阳极电流稳态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳态值的10%动特性：非瞬间完成开通时间：tgt=td+trtd——延迟时间（达到稳态值10%），0.5~1.5µstr——上升时间（从稳态值10%达到90%）,0.5~3µs门极电流，td阳极电压，tgt—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管1.晶闸管的结构及基本特性关断时间：tq=trr+tgrtrr——反向阻断恢复时间（从正向电流降为0，到反向恢复电流衰减至接近于0）tgr——正向阻断恢复时间（晶闸管恢复正向电压阻断能力的时间）一般为几百微秒反向恢复电流最大值尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管2.晶闸管的主要参数电压定额断态重复峰值电压UDRM——门极断路，额定结温，允许重复加在器件上的正向峰值电压，50Hz，每次持续时间≤10ms，为断态不重复峰值电压UDSM的90%反向重复峰值电压URRM——门极断路，额定结温，允许重复加在器件上的反向峰值电压，为反向不重复峰值电压URSM的90%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额定电压——通常取UDRM和URRM中的较小值，取2~3倍—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管2.晶闸管的主要参数电流定额通态平均电流IT(AV）（额定电流）——环境温度为40C，规定冷却状态下，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一般取计算结果的1.5~2倍为实际IT(AV）。π2πωtIT(AV)ImiA157TAVI.II——有效值—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管2.晶闸管的主要参数维持电流IH——晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百mA擎住电流IL——晶闸管由断态转为通态，移除触发信号，能维持导通所必需的最小电流浪涌电流ITSM——由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流24LHI~I—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管2.晶闸管的主要参数动态参数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—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管3.晶闸管的选择电压选择取正向峰值电压和反向峰值电压较小值的（2~3）倍确定晶闸管额定电压电流选择允许晶闸管发热大于实际发热，即（实际电流有效值）157TAV.II152157TAVII.~.—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管4.晶闸管的派生器件快速晶闸管（FST）关断时间：普通晶闸管数百微秒，快速晶闸管数十微秒双向晶闸管（TRIAC）两个晶闸管反并联，无阴、阳极之分，正反向都可触发，额定电流为有效值，不是平均值IOUIG=0GT1T2—电力电子技术—2.3半控器件——晶闸管4.晶闸管的派生器件逆导晶闸管（RCT）反并联二极管，不具有承受反压的能力，额定电流包括晶闸管电流和二极管电流KGAGKAUOIIG=0AGK光强度强弱OUIA光控晶闸管（LTT）光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发晶闸管导通保证绝缘，避免干扰—电力电子技术—2.4典型全控器件门极可关断晶闸管电力晶体管电力场效应晶体管绝缘栅双极晶体管—电力电子技术—2.4典型全控器件电力MOSFETIGBT单管及模块—电力电子技术—2.4典型全控器件1.门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理PNPN四层半导体结构，多元的功率集成器件，包含数十甚至数百共阳极小GTO元导通饱和程度浅，易于关断，但管压降大开通与晶闸管类似，但开通过程更快门极施加负脉冲电流，使其关断工作频率低，容量大AKG—电力电子技术—2.4典型全控器件1.门极可关断晶闸管（GTO）动态特性开通时间：ton=td+tr关断时间：toff=ts+tfts——储存时间tf——下降时间tt——尾部时间tftstt门极负脉冲电流幅值越大，ts越短;门极负脉冲电流后沿缓慢衰减，tt缩短Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6—电力电子技术—2.4典型全控器件2.电力晶体管（GTR，BJT）结构和工作原理也称作电力双极结型晶体管采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构三层半导体构成，多采用NPN结构用基极电流控制集电极电流采用共发射极接法——电流放大系数iibc—电力电子技术—2.4典型全控器件2.电力晶体管（GTR）静态特性工作在截止区或饱和区，不存在放大状态动态特性开通时间：ton=td+tr关断时间：toff=ts+tfts——储存时间tf——下降时间开关时间在几微秒内，比晶闸管和GTO短ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd特点：耐压高、电流大、开关特性好、成本低、工作频率高、存在二次击穿—电力电子技术—2.4典型全控器件3.电力场效应管（FET）结构和工作原理结型、绝缘栅型（电力MOSFET）按导电沟道可分为P沟道和N沟道——耗尽型：栅极电压为零时漏源极之间存在导电沟道——增强型：栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电压控制型器件，栅极电压控制漏极电流常用N沟道增强型漏极源极栅极多元集成结构,由多个MOSFET元组成—电力电子技术—2.4典型全控器件3.电力场效应管（FET）静态特性UGSUT,导通。ID较大，ID与UGS近似线性漏极伏安特性——输出特性，与三极管不同工作在截止区或非饱和区——开关状态动态特性开通时间：ton=td(on)+tri+tfvtri——电流上升时间tfv——电压下降时间关断时间：toff=td(off)+trv+tfitfi——电流下降时间trv——电压上升时间tUptUGSUDStd(on)ttd(off)UGSPUTtritfvtrvtfiiD—电力电子技术—2.4典型全控器件3.电力场效应管（FET）特点输入阻抗高，输入电流小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，多用于功率不超过10kW的电力电子装置不存在二次击穿—电力电子技术—2.4典型全控器件4.绝缘栅双极晶体管（JGBT）E结构和工作原理MOSFET和GTR的复合器件三端器件，栅极G、集电极C、发射极E当UGEUGE(th),IGBT导通;当UGE0或不存在,IGBT关断静态特性转移特性——IC与UGE关系输出特性——伏安特性，IC与UCE关系，正向阻断区、有源区、饱和区工作在正向阻断区和饱和区—电力电子技术—2.4典型全控器件4.绝缘栅双极晶体管（JGBT）动态特性开通时间：ton=td(on)+tr+tfvtr——电流上升时间tfv——电压下降时间关断时间：toff=td(off)+trv+tfitfi——电流下降时间trv——电压上升时间特点开关速度高，开关损耗小通态压降低、输入阻抗高、安全工作区大—电力电子技术—2.5其它新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCT——将MOSFET与晶闸管组合而成的复合器件静电感应晶体管SIT——结型场效应管静电感应晶闸管SITH——在SIT的基础上发展而来集成门极换流晶闸管IGCT——平板型GTO与多个并联电力MOSFET组成基于宽禁带半导体材料的电力电子器件—电力电子技术—要点总结电力电子器件控制类型：半控、全控晶闸管：电气符号、性质、导通条件、关闭条件、动态特性（一般了解）、主要参数、额定电压和额定电流选择（包括有效值和平均值计算）派生晶闸管：电气符号全控型器件：了解基本电气符号和电气特性—电力电子技术—作业第2章4、5题（42页）