电力电子技术_电力电子器件及其应用

1第一章电力电子器件及应用电力电子技术21.1概述电力电子器件的分类按照器件的控制能力分为以下三类类别不控型半控型全控型常用器件功率二极管、功率稳压二极管、瞬变尖峰电压抑制二极管普通晶闸管、双向晶闸管功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管特点及应用二极管用于控制电流方向；稳压二极管用来控制电压幅度；瞬变尖峰电压抑制二极管用于功率器件的尖峰电压抑制可以用脉冲控制其开通；一旦开通不能用控制极关断；常用于交流回路的功率控制可以利用控制极控制器件开通和关断；广泛应用于各种现代电力电子系统中31.1概述按照器件控制参量特征分为两类电流驱动型：控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制，如SCR、GTR、GTO电压驱动型：控制端和公共端之间施加一定的电压信号控制导通或关断，其本质是通过控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件，如IGBT、MOSFET41.1概述按照器件内部载流子参与导电的情况分为三类单极型器件：仅由一种载流子参与导电的器件；如MOSFET双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；SCR、GTR、GTO复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成的器件；如IGBT51.1概述电力电子器件的一般工作特征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——驱动电路、控制电路工作时由于通态损耗、开关损耗等引起发热——器件工作时一般都要考虑散热设计或安装散热器。61.2功率二极管功率二极管的主要类型普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称：整流二极管（RectifierDiode）特征：反向恢复时间较长，一般在5s以上多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中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71.2功率二极管快速恢复二极管（FastRecoveryDiode，FRD）特征：反向恢复时间为数百纳秒或更长分为快速恢复和超快速恢复（反向恢复时间100ns以下，甚至达到20～30ns）两个等级。正向导通压降在1V左右81.2功率二极管肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，称为肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管肖特基二极管的特点反向恢复时间10～40ns，正向恢复过程无明显电压过冲正向压降一般在0.5V左右开关损耗和导通损耗比快速二极管小，效率高反向耐压一般较低，多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，须严格限制其工作温度91.2功率二极管功率二极管封装结构从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装AKAKa)IKAPNJb)c)b)结构a)外形c)电气图形符号101.2功率二极管静态特性(静态伏安特性）具有单向导电性正偏时导通，压降1V左右。通态损耗：（表现形式为发热）反偏达到击穿电压前，仅有很小的反向漏电流流过。反偏在达到击穿电压UB后，反向电流急剧增加。FFFIUP功率二极管的静态伏安特性111.2功率二极管功率二极管的动态特性二极管导通与截止状态之间的转换引起PN结电容带电状态调整，此过程中二极管两端电压、电流随时间动态变化，反映通态和断态之间的转换特性，又称开关特性。分为开通过程和关断过程两部分121.2功率二极管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）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。开通损耗：开通过程电压与电流形成的损耗fr0FFond1ttiuTP其中：T为开关周期，以下类似功率二极管的开通过程131.2功率二极管关断过程二极管从导通变为关断经过一个反向恢复过程，期间有较大的反向电流与明显的反向电压过冲。延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度（恢复系数）：Sr=tf/td，同等条件下，Sr大则URP较小2Fd1FFofftttiuTP功率二极管的关断过程关断损耗：一个开关周期内关断过程产生的损耗141.2功率二极管功率二级管主要参数正向平均电流IF(AV)即额定电流，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值实际应用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。151.2功率二极管定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用Kf表示，即对于正弦半波电流，假定其电流峰值为IM，则其平均值为其正弦半波电流的有效值为π)(dsinπ21Mπ0MAVIttII2)(dsinπ21M2π02rmsMIttII电流平均值电流有效值fK161.2功率二极管正弦半波电流的波形系数实际使用中，流过二极管的电流波形并不一定是正弦半波，对于周期性的电流波形都可以计算电流有效值，依据有效值相等的原则，选择二极管额定电流式中：ksa是安全系数，一般取2左右；IDrms是流过二极管的最大实际电流有效值，IF(AV)是二极管额定电流值。57.12AVrmsfIIK57.1DrmssaF(AV)IkI171.2功率二极管正向压降UF指功率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反向重复峰值电压URRM指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的2倍左右来选定该值181.2功率二极管反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到0开始到恢复反向阻断能力为止的时间浪涌电流IDSM指功率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。最高工作结温TJM最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度19AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3a)外形b)结构c)符号1.3晶闸管晶闸管的结构与外形四层PNPN结构三个引出电极阳极A，阴极K门极(控制极)G201.3晶闸管晶闸管的工作原理晶闸管可以将其等效为两个晶体管VT1和VT2串级而成其工作过程如下：UGK0→产生IG→VT2通→产生IC2→VT1通→IC1↑→IC2↑→出现强烈的正反馈，VT1和VT2完全饱和，SCR导通。晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。a)双晶体管模型b)工作原理模型211.3晶闸管晶闸管的静态特性正向特性－第I象限IG＝0，正向阻断；IG＝0，UAKUbo时硬开通IG增大，转折电压降低IG足够大，转折电压接近二极管反向特性－第Ⅲ象限反向特性与二极管相似。IG2IG1IG＝0晶闸管的静态特性221.3晶闸管晶闸管的静态特性晶闸管的关断IAKIH（维持电流），内部正反馈不能维持而关断方法：①增大负载阻抗、②切断电流、③UAK0门极伏安特性G、K之间是PN结，特性类似二极管特性，但反向电流较大可靠触发的保证：IGK足够大（足够的UGK)、但不超过极限功率231.3晶闸管晶闸管的动态特性开通过程（t=0时触发）延迟时间：td上升时间：tr开通时间：tgt=td+tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通过程241.3晶闸管晶闸管的动态特性关断过程（t=0时外电源反向）存在反向恢复电流IRM反向恢复时间：trr正向阻断恢复时间:tgr关断时间：tq=tgr+trr晶闸管的关断过程IA100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiAOOUAK251.3晶闸管晶闸管主要参数额定电压断态重复峰值电压UDRM：门极断路和额定结温下，允许重复加在器件上的正向峰值电压,一般为正向转折电压UbO的80％。反向重复峰值电压URRM：门极断路和额定结温下，允许重复加在器件上的反向峰值电压，一般为反向击穿电压的80％。取UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。通态（峰值）电压UTM：某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压261.3晶闸管晶闸管主要参数额定电流通态平均电流IT(AV)：即额定电流，环境温度40C、规定的冷却条件下，允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。实际应用时按电流有效值相等的原则来选取额定电流。维持电流IH：晶闸管处于通态时，使晶闸管维持导通所必需的最小电流，与结温有关，结温越高，则IH越小271.3晶闸管晶闸管主要参数额定电流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281.3晶闸管晶闸管主要参数动态参数晶闸管的开通时间tgt与关断时间tq：含义如前所述断态电压临界上升率du/dt：额定结温与门极开路，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：指在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。如电流上升太快，晶闸管开通瞬间，门极附近的小区域内会有很大的电流集中，造成局部过热而使晶闸管损坏。291.3晶闸管晶闸管主要参数门极参数门极触发电流IGT：规定环境温度下，阳极与阴极之间施加正向电压（一般为6V），使晶闸管从阻断转变为导通所需的最小门极直流电流。门极触发电压UGT：能够产生门极触发电流IGT的最小门极直流电压。301.3晶闸管晶闸管主要参数门极参数门极反向峰值电压URGM：门极所能承受的反向最大电压，一般不超过10V。注意：晶闸管数据手册规定了最小和最大触发电流、电压范围，其中最大触发电流、电压指该型号所有晶闸管都能触发导通所需的最小触发电流、电压，两者都为直流值。实际应用多为脉冲电流触发，触发电流通常比最大触发电流大3～5倍，并保持足够的脉冲宽度，以保证晶闸管可靠触发。31晶闸管知识要点晶闸管开通控制触发导通条件UAK0，UGK0（或IGK0），并有足够的触发功率。一旦器件导通，门极电流就不再具有控制作用。因此，门极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。硬开通晶闸管IG=0时，为正向阻断状态，当正向电压超过正向转折电压，即UAKUbO时，则器件硬开通。硬开通为非受控状态，会引起电路故障，通过选择合适的器件额定电压来避免。32晶闸管知识要点晶闸管开通控制du/dt导通晶闸管IG=0时，为正向阻断状态，当UAK两端的电压变化率过大时，PN结电容流过的位移电流有可能触发晶闸管导通，此种状态为误导通。误导通为非受控状态，会引起电路故障，通过采用缓冲吸收电路抑制du/dt值来避免。33晶闸管知识要点晶闸管的关断自然关断：在导通期间，如果要求器件返回到正向阻断状态，必须令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下，并保持一段时间。强迫关断：通过加一反向电压UAK0，并保持一段时间使其关断。341.3.4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351.3.4晶闸管的派生器件*2.双向晶闸管（TriodeACSwitch,TRIAC或BidirectionalTriodethyristor）相当于一对反并联晶闸管的集成主电极T1和T2，一个门极G门