第1章电力电子器件

第1章电力电子器件1.1电力电子器件的基本模型1.2电力二极管1.3晶闸管1.4可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6电力场效晶体管1.7绝缘栅双极晶体管1.8其它新型电力电子器件1.9电力电子器件的驱动与保护定义：在电力电子电路中能实现电能的变换和控制的开关电子器件称为电力电子器件（PowerElectronicDevice）。第1章广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极（门极）。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。一、基本模型：1.1电力电子器件的基本模型第1章1.1.1基本模型与特性二、基本特性：1.1电力电子器件的基本模型第1章（3）在实际工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。（2）电力电子器件的开关状态通常由外电路（驱动电路）来控制。（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。1.1.2电力电子器件的分类一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而是需要根据外电路条件决定其导通、关断状态的器件。如：电力二极管（PowerDiode）；②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件。如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；③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的器件。如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）、功率场效晶体管（PowerMOSFET）绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor）等。第1章二、按控制信号的性质不同又可分为两种①电流控制型器件：采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；②电压控制型器件：采用电压控制（场控原理）它的通、断，输入控制端基本上不流过电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。如：功率场效晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。第1章表1.1.1常用电力电子器件的主要特性及其应用领域器件种类控制特性器件特性概略应用领域电力二极管不可控5kV/3kA—400Hz各种整流装置晶闸管半控型6kV/6kA—400Hz8kV/3.5kA—光控SCR炼钢厂、轧钢机、直流输电、电解用整流器可关断晶闸管全控型6kV/6kA—500Hz工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器功率场效晶体管600V/70A—100kHz开关电源、小功率UPS、小功率逆变器绝缘栅双极晶体管1200V/1200A—20kHz4.5kV/1.2kA—2kHz各种整流/逆变器（UPS、变频器、家电）、汽车、电力机车用逆变器、中压变频器第1章1.2电力二极管•1.2.1电力二极管及其工作原理•1.2.2电力二极管的特性与主要参数第1章二极管的特性和主要用途？1.2.1电力二极管及其工作原理一、电力二极管1、电力二极管（PowerDiode）也称为半导体整流器（SemiconductorRectifier，简称SR），属于不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用,具有不可替代的地位。第1章二、PN结与电力二极管工作原理基本结构和工作原理与信息电子技术中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。a）外形c）电气图形符号第1章D1.2.2电力二极管的特性与参数•1、电力二极管的伏安特性•2、电力二极管的开关特性•3、电力二极管的主要参数第1章1、电力二极管的伏安特性当所加正向电压大于一定值（门槛电压UTO，0.6~0.7V），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的正向电压UF称为管压降（1V左右）。加反向电压时，只有很小的反向漏电流IRR流过，器件截止。伏安特性曲线第1章反向击穿电压2、电力二极管的开关特性（1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程中的特性。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。一、定义：工作状态在通态和断态之间转换时的特性。第1章2、电力二极管的开关特性第1章（1）t≤tF正偏导通（2）tF≤t≤t0正向电流降到02、电力二极管的开关特性第1章（3）t0≤t≤t1反向电流增到最大，管压降降到0（4）t1≤t≤t2反向电流衰减，出现反向峰值电压•延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1•电力二极管的反向恢复时间：trr=td+tf第1章2、电力二极管的开关特性在开通过程中，由于外电路电感的存在，电力二极管两端也会出现峰值电压UFP，经过一段时间才接近稳态值UF（约1～2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。第1章（2）开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程中的特性。2、电力二极管的开关特性（1）普通二极管：又称整流管（RectifierDiode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在５μs以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５μs以下的称为快恢复二极管（FastRecoveryDiode简称FDR）。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纳秒，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平,多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒，但反向耐压在200Ｖ以下，常用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。二、电力二极管的主要类型第1章3、电力二极管的主要参数第1章用来衡量使用过程中：是否会过压击穿是否会过热烧毁开关特性器件长期运行在规定管壳温度和散热条件下允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。0)(sin21mmAVFIttdII2)sin(2102mmFItdtII额定电流有效值：（1）额定正向平均电流IF(AV)额定电流：第1章3、电力二极管的主要参数设该正弦半波电流的峰值为Im，则第1章3、电力二极管的主要参数2mFIImAVFII)()()(57.12AVFAVFFIII如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。第1章选择二极管电流定额的过程求出电路中二极管电流的有效值IF；求二极管额定电流IF(AV)=IF/1.57；将选定的电流定额放大1.5到2倍以保证安全。（2）反向重复峰值电压ＵRRM指器件能重复施加的反向峰值电压（额定电压）。通常为击穿电压UＢ的2/3。（3）正向压降ＵF指在规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降)。第1章3、电力二极管的主要参数指器件中ＰＮ结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。ＴjM通常在125～175℃范围内。（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。（5）最高工作结温ＴjM第1章3、电力二极管的主要参数第1章电力电子器件1.1电力电子器件的基本模型1.2电力二极管1.3晶闸管1.4可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6电力场效晶体管1.7绝缘栅双极晶体管1.8其它新型电力电子器件1.9电力电子器件的驱动与保护1.3晶闸管•1.3.1晶闸管及其工作原理•1.3.2晶闸管的特性与主要参数•1.3.3晶闸管的派生器件第1章晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛,因此在无特别说明的情况下，本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。第1章1.3.1晶闸管及其工作原理晶闸管：是硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),简称SCR。由于它电流容量大,电压耐量高(目前生产水平：4500A/8000V)以及开通的可控性已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域,成为特大功率、低频(200Hz以下)装置中的主要器件。第1章1.3.1晶闸管及其工作原理•外形封装形式：•晶闸管有三个电极，阳极A、阴极K和门极(或称栅极)G。1、晶闸管的结构第1章1.3.1晶闸管及其工作原理小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式T螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上,采用自然散热冷却方式。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间,散热方式可以采用风冷或水冷,以获得较好的散热效果。晶闸管的散热器第1章2、晶闸管的工作原理晶闸管的内部结构和等效电路第1章四区、三结、三极AKG2、晶闸管的工作原理第1章晶闸管的导通条件：①阳极正偏：阳极接高电位，阴极接低电位；②门极正偏：门极接高电位，阴极接低电位。无论S是否合上灯都不亮2、晶闸管的工作原理(1)导通：晶闸管阳、阴极间施加正向电压时,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。第1章AKG注意：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。(2）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，处于正向阻断状态。第1章晶闸管具有可控单向导电性！AKG2、晶闸管的工作原理晶闸管的关断条件：使阳极电流减小到维持电流以下。方法：断开晶闸管阳极电源，或在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。1.3.2晶闸管的特性与主要参数定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压UA与阳极电流IA的关系曲线。UDRM、URRM──正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM──正、反向断态不重复峰值电压；UBO──正向转折电压；URO──反向击穿电压。１.晶闸管的伏安特性第1章反向特性正向特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。当反向电压增到反向击穿电压时，会导致晶闸管反向击穿，使其发热损坏。（1）反向特性第1章１.晶闸管的伏安特性反向阻断状态IG=0时，施加正向阳极电压，处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，当正向阳极电压达到正向转折电压UBO时，漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流IG的增大，正向转折电压迅速下降。（2）正向特性第1章IG=0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”１.晶闸管的伏安特性正向阻断状态正向导通状态晶闸管正向导通状态的特性和二极管的正向特性相似。导通后，若阳极电流IA降至维持电流IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。（2）正向特性第1章１.晶闸管的伏安特性正向阻断状态正向导通状态IG=0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”维持电流2.晶闸管的开关特性指通态和断态之间转换过程中器件电压和电流变化的情况。。第1章延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%