第一章 电力电子器件原理与应用2

第一章电力电子器件原理与应用电力电子器件，又称功率半导体器件，是电力电子电路（变流技术）的基础电力电子器件概述学习目的：了解电力电子器件概念、特点和分类掌握主要电力电子器件的外特性及电压、电流和开关速度等性能。通过分析功率半导体器件的基本特性，将其简化为理想的开关模型。采用器件的理想开关模型，可使课程第二部分中对于电能变换器的分析变得更加简明和容易。功率半导体器件的物理结构、详细特性及驱动和保护电路将在以后的课程中深入学习8学时2.1电力电子器件的特征和分类2.1.1电力电子器件的概念和特征1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2）分类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管)半导体器件(采用的主要材料硅）电力电子器件主要指半导体功率开关器件问题：半导体功率开关与普通半导体器件有何区别?同处理信息的电子器件相比的一般特征：电力电子器件能处理电功率的能力，一般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。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。2.1.2电力电子电路的组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。电力电子器件在实际应用中的系统组成2.1.3电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类半控型器件（Thyristor）——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（GTO,GTR,MOSFET,IGBT)——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。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。按照驱动电路信号的性质，分为两类：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。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的控制。从发展历程上看：首先开发了二极管，之后是晶闸管和晶体管系列器件。2.2功率二极管功率二极管结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。整流二极管及模块2.2.1功率二极管的基本特性1功率二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号问题：如何使器件开通或者关断？说明：正向偏置时导通，导通压降很小（1V）反向偏置时关断，只流过很小的（可忽略）漏电流。正常工作时，反偏电压不应超过击穿电压A－阳极K－阴极利用MATLAB搭建功率二极管测试电路2功率二极管的基本特性包括静态特性和动态特性静态特性主要是指伏安特性动态特性指开通和关断过程的特性伏安特性（器件两端电压与流过器件电流的关系曲线）门槛电压，正向电流开始明显增加所对应的电压与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流PN结的反向击穿（两种形式)功率二极管的伏安特性雪崩击穿齐纳击穿IFTOU动态特性关断过程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。反向恢复时间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。trr关断过程正向导通反向截止开通过程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（如2V）。正向恢复时间电流上升率越大，UFP越高。为了使用方便，从特性曲线提取出若干参数来描述器件的技术指标。tfr3电力二极管的主要参数电流定额正向平均电流—在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。是按照电流的发热效应来定义的，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。正弦半波电流，正向平均电流对应的有效值为1.57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。FAVIFAVIFAVI电压定额正向压降正向压降在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降反向重复峰值电压对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。动态指标反向恢复时间在关断过程中，从开始承受反压直到完全恢复反向阻断能力所需要的时间。其它指标最高工作结温结温是指管芯PN结的平均温度，用表示,是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度通常在125～175°C范围之内UFUFURRMUFtrrJMTJTJMT2.2.3电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同来区分二极管不同的类型。普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）其反向恢复时间较长，一般在5μs以上多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路（如工频整流电路）正向电流定额和反向电压定额可以达到很高（几千安，几千伏）电力二极管的主要类型（二）快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）简称快速二极管其反向恢复时间较短，一般在5μs以下用于高频电路中正向电流定额和反向电压定额为几百安和几百伏肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）正向压降低（典型0.3V)用于输出电压非常低的电路反向耐压能力较低，为50－100伏本节总结2.1电力电子器件概述电力电子器件的概念和特征电力电子系统的组成电力电子器件的分类按照发展历程的顺序介绍器件：二极管，晶闸管和晶体管系列器件。2.2电力二极管电力二极管的工作原理电力二极管的基本特性电力二极管的主要参数电力二极管的主要类型重点：电力电子器件的分类，电力二极管工作原理和主要参数2.3晶闸管晶闸管（Thyristor）：即晶体闸流管，又称可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1957年美国通用电气公司开发第一只晶闸管开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，标志着电力电子技术的诞生。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。（半控型器件）门极可关断晶闸管:（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。(全控型器件）GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。1晶闸管的结构外形有螺栓型和平板型两种封装有三个联接端螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间晶闸管的结构常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管的外形及结构晶闸管的工作原理导通：晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极G也加正向电压Ug,门极电流Ig经三极管T2放大后成为集电极电流Ic2，Ic2又是三极管T1的基极电流,放大后的集电极电流Ic1进一步使Ig增大且又作为T2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管T1、T2都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。此时若撤除Ug,T1、T2内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。晶闸管的内部结构及等效电路晶闸管的工作原理阻断：当晶闸管A、K间承受正向电压，而门极电流Ig=0时,上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管A、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。晶闸管的内部结构和等效电路利用MATLAB搭建的晶闸管测试电路晶闸管正常工作时的特性总结如下承受反向电压时，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。问题：为什么会有上述的开关特性呢？分析等效电路式中α1和α2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。由以上式可得：晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理阻断状态：IG=0，α1+α2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致α1+α2趋近于1，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。在低发射极电流下α是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。（形成强烈正反馈，维持器件自锁导通，不再需要触发电流）其他几种可能导通的情况：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结温较高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，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段2.晶闸管的基本特性伏安特性:正向：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随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右晶闸管的伏案特性2.晶闸管的基本特性伏安特性:反向：（与二极管相似）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。晶闸管的伏案特性3.晶闸管的主要参数电压定额：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UT——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使用注意：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2～3倍电流定额通态平均电流IT(AV）——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。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(有效值为1.57IT(AV))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2～4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通态电流临界上升率di/dt1、定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率di/dt。2、影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的PN结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率断态电压临界上升率du/dt1）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。2）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的ＰＮ结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。4.晶闸管的派生器件(1)快速晶闸管（FastSwitchingThyristo