第1章-电力电子器件2017.9.1

1.1电力电子器件的特点与分类•(1)电力电子器件往往工作在开关状态;•(2)电力电子器件处理的功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压;•(3)电力电子器件的工作状态通常由信息电子电路来控制;•(4)需要缓冲和保护电路.1.1电力电子器件的特点与分类■按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。◆全控型器件☞目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。◆不可控器件☞功率二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。1.1电力电子器件的分类■按照驱动信号的性质◆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。■根据器件内部带电粒子参与导电的种类不同◆单极型☞器件内部只有一种带电粒子参与导电，如PowerMOSFET。◆双极型☞器件内有电子和空穴两种带电粒子参与导电，如GTR和GTO。◆复合型☞由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件，如IGBT。1.2晶闸管及派生器件1.2.1晶闸管的结构和工作原理图1-5晶闸管的外形、结构和符号晶闸管就是硅晶体闸管也称为可控硅整流器。普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。1.2.1晶闸管的结构和工作原理-封装1.3晶闸管-螺栓式1.3晶闸管-平板式1.3晶闸管-模块式水冷式风冷式自冷式模块式1.3晶闸管-散热片P1N1P2N2A阳极（Anode）G门极（Gate）K阴极（Cathode）结构AGK电气符号1.3晶闸管-结构EgSAGKEAR晶闸管导通与关断实验电路1.3晶闸管-实验AGKEgSEAR门极加负电压1.3晶闸管-实验门极加正电压AGKEgSEARIgIA1.3晶闸管-实验导通后门极加负电压AGKEgSEARIA1.3晶闸管-实验导通后撤除门极电压SAGKEgEARIA1.3晶闸管-实验导通后减小阳极电流AGKEgSEAnRIAR1.3晶闸管-实验AGKEgSR导通后减小阳极电压或去除阳极电压EA1.3晶闸管-实验AGKEgSEAR导通后阳极加反压1.3晶闸管-实验1.3晶闸管-导通和关断条件1、欲使晶闸管导通需具备两个条件：①应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压；②应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。2、晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。3、为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。1.3晶闸管-工作原理图1-6晶闸管的双晶体管模型与工作电路图b2C2C22b211C111=(=)(=)GbCbIIIIIIIIIN2N1P2AKGP1N1P21.2.2晶闸管的工作特性及主要参数-静态伏安特性图1-7晶闸管伏安特性曲线◆晶闸管的伏安特性☞正向特性√当IG=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。√如果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，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。√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。☞反向特性√其伏安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通过。√当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。1.2.2晶闸管的工作特性及主要参数-静态伏安特性1.3晶闸管-基本工作特性归纳(1)晶闸管承受反向电压时，不论门极有否触发电流，晶闸管都不导通，反向伏安特性类似于二极管。(2)晶闸管承受正向电压时，仅门极有正向触发电流的情况下才能导通。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿，压降在1V左右；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。(3)要使晶闸管关断，必须使晶闸管的电流下降到某一数值以下。(4)晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出；为保证可靠、安全地触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区，既保证有足够的触发功率，又确保不损坏门极和阴极之间的PN结。1.3晶闸管-动态特性图1-8晶闸管开通和关断过程波形■动态特性◆开通过程☞由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。☞延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt=td+tr☞延迟时间随门极电流的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。阳极电流稳态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳态值的10%◆关断过程☞由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。☞反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq=trr+tgr☞关断时间约几百微秒。☞在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。反向恢复电流最大值尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1.3晶闸管-动态特性1.3晶闸管-电压参数(1)断态不重复峰值电压UDSM晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。UDSM值小于转折电压Ubo。(2)断态重复峰值电压UDRM(UDRM=80%UDSM)(3)反向不重复峰值电压URSM晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电压时,对应于反向伏安特性曲线急剧弯曲处的反向峰值电压值。(4)反向重复峰值电压URRMURRM=80%URSM(5)额定电压MIN(UDRM,URRM)1.3晶闸管-电压参数(6)通态平均电压UT(AV)晶闸管阳极与阴极间电压降的平均值,管压降。级别12345678910正反向重复峰值电压(V)1002003004005006007008009001000级别12141618202224262830正反向重复峰值电压(V)1200140016001800200022002400260028003000表1-1晶闸管正、反向重复峰值电压等级1.3晶闸管-电流参数(1)通态平均电流IT(Av)在环境温度为+40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170o的电阻性负载电路中，在额定结温时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取整数值，称为该晶闸管的通态平均电流，定义为该元件的额定电流。（2）波形系数各种有直流分量的电流波形都有一个电流平均值(一个周期内电流波形面积的平均)，也就是直流电流表的读数值；也都有一个有效值(均方根值)。现定义电流波形的有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。如整流电路直流输出负载电流id的波形系数为fd=IKI式中，I—负载电流有效值；Id—负载电流平均值。1.3晶闸管-电流参数根据规定条件，流过晶闸管为工频正弦半波电流波形。设电流峰值为Im，则通态平均电流该电流波形的有效值mmTavm1sin()(cos)22ooIIIItdtt2mTmm111cos2sind()()d()22222ooItIIttIt正弦半波电流波形系数Kf应有TmfTavm/21.57/IIKII额定电流为100A的晶闸管，其允许通过电流有效值为1.57×100=1571.3晶闸管-电流参数在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦波形，如何去计算和选择晶闸管的额定电流值，应根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦半波电流的有效值IT或平均值Id折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值，即TTavfdTavTTTavdff1.571.571.571.57IIKIIIIIIKK实际选用时，一般考虑1.5～2倍的安全裕量Tavdf1.57(1.5~2)IIK1.3晶闸管-电流参数例1.1：实际流过晶闸管的电流波形i1和i2如图，其峰值分别为Im1和Im2。计算结果如下：i10π/2π2π5π/2ωtIm1i2Im202π/3π2π8π/3ωt若不考虑安全裕量，求KP100型晶闸管中流过i1和i2电流时所能承受的最大平均电流值。1.3晶闸管-电流参数（1）实际电流波形i1的平均值、有效值和波形系数i10π/2π2π5π/2ωtIm1平均值πm1m1d12ππ2)d(sinπ21IttII有效值2221111111(sin))sin222242ππππmmmItIItd(ttIππ2波形系数1fd12.222IKI1.3晶闸管-电流参数（1）若不考虑安全裕量，求KP100型晶闸管中流过i1电流时所能承受的最大平均电流值。i10π/2π2π5π/2ωtIm1TavTd1ff1.571.5710070.7A2.22IIIKK考虑安全裕量Id1=70.7/(1.5～2)=35.35～47.13A1.3晶闸管-电流参数（2）实际电流波形i2的平均值、有效值和波形系数i2Im202π/3π2π8π/3ωti2Im202π/3π2π8π/3ωti2Im202π/3π2π8π/3ωt32π0m2m2d23)d(π21ItII平均值有效值22m22m220112()d()2232π3mIπIItIππ3波形系数2fd231.73IKI1.3晶闸管-电流参数TavTd2ff1.571.5710090.7A1.73IIIKK（2）若不考虑安全裕量，求KP100型晶闸管中流过i2电流时所能承受的最大平均电流值。i2Im202π/3π2π8π/3ωti2Im202π/3π2π8π/3ωti2Im202π/3π2π8π/3ωt考虑安全裕量Id2=90.7/(1.5～2)=45.35～60.46A1.3晶闸管-电流参数例1.2：图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量时，各应选择额定电流为多大的晶闸管？πd1m1m1012sind()127.3AππIIttI2π1m1m1011sind()141.4Aπ2IIttI有效值f11π=1.1122K波形系数0ti1Im12ππ波形系数平均值1.3晶闸管-电流参数例1.2：图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量，各应选择额定电流为多大的晶闸管？f11.11KTavd1f1d1Tavf1.57127.21.1190A1.571.57IIKIIK（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）0ti1Im12ππd1127.3AId1f1Tav127.21.11(1.52)(1.52)135180A1.571.57IKI1.3晶闸管-电流参数例1.2：图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量时，各应选择额定电流为多大的晶闸管？πd2m2m2m2π/313sind()0.47895.6Aπ2πIIttII2π2m2m2m2π/3113sind()0.634126.8Aπ38πIIttII