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1第一章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件1.6全控型电力电子器件的驱动电路1.7电力电子器件的保护1.8电力电子器件的串联和并联使用2电子技术概述：电子技术：信息电子技术研究电子器件及信号的产生、变换、存储、处理、发送、接收。电力电子技术：使用电力电子器件对电能，包括电能的电压、电流、频率、相位、波形进行变换和控制的技术。电力电子器件：各类高电压、大电流的半导体开关器件。引言3引言电力电子技术的应用：¾整流技术：AC-DC，把交流电压变为固定的或可调的直流电压。¾逆变技术：DC-AC，把固定的直流电压变为固定或可调的交流电压。¾斩波技术：DC-DC，把固定的直流电压变为可调的直流电压。¾交流电力、变频技术：AC-AC，把固定的工频交流电压变为电压、频率可调的交流电。41.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2应用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类1.1电力电子器件概述5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）1、电力电子器件的概念电力电子器件（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1.1.1电力电子器件的概念和特征69是大功率器件，电压与电流的乘积是其最主要的参数。9电力电子器件一般都工作在开关状态，因此开关工作频率也是一个主要参数。9自身功率损耗大，因此工作时需要散热器。9电力电子器件需驱动电路来控制。3、同处理信息的电子器件相比的一般特征7通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗¾电力电子器件的损耗8LR21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。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.2应用电力电子器件系统组成9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（IGBT，MOSFET)——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。1.1.3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：10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。按照驱动电路信号的性质，分为两类：11单极型器件——由一种载流子参与导电的器件。双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。复合型器件——由单极型器件和双极型集成混合而成的器件。按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，分为三类：121.3半控型器件--晶闸管引言1.3.1晶闸管的结构与工作原理1.3.2晶闸管的基本特性1.3.3晶闸管的主要参数1.3.4晶闸管的派生器件13¾1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。¾1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品，并在1958年商业化。¾按照IEC（国际电工委员会）的定义：晶闸管是指那些具有3个以上PN结，主电压-电流特性至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）引言14图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号1.3.1晶闸管的结构与工作原理外形主要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便；平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。AAGGKKa)AKGAKGP1N1P2N2J1J2J3b)c)15晶闸管的工作原理图1-7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222CBOKcIII+=α111CBOAcIII+=αGAKIII+=21ccAIII+=)(121CBO2CBO1G2Aααα+−++=IIII由以上式可得：RGKAIAIKIc1Ic2IGEAEGSPNPNPNV1V2AKGP1N1P2N2b)a)N1P216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。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的话，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。)(121CBO2CBO1G2Aααα+−++=IIII17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）。2只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况：181.3.2晶闸管的基本特性¾晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶体管导通条件：当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。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。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（因此一般采用脉冲触发）。要使已经导通的晶闸管关断，只能使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。19 静态特性（1）正向特性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。图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG20（2）反向特性反向特性类似二极管的反向特性。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。图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG21 动态特性1)开通过程延迟时间td(0.5～1.5μs)上升时间tr(0.5～3μs)开通时间tgt=td+tr普通晶闸管的开通时间约6μs，快速的约1μs。图1-9晶闸管的开通和关断过程波形iAuAKtt00100%90%10%IRMURRMtrrtgrtrtd22图1-9晶闸管的开通和关断过程波形2)关断过程¾反向阻断恢复时间trr¾正向阻断恢复时间tgr¾关断时间tq：以上两者之和tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒，快速的为几十个微秒。iAuAKtt00100%90%10%IRMURRMtrrtgrtrtd231.3.3晶闸管的主要参数1）额定电压UTN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。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。242）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。标称其为额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管，并留有一定裕量1.5～2倍。通态平均电流为：在正弦半波时电流有效值：)(sin210πωωππmmAVTIttdII==∫）（2)()sin(2102mmItdtII==∫πωωπ)()(57.12AVTAVTII==π25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。26晶闸管型号：KFF——F表示闸流特性额定电流IT（AV）额定电压：UTNP—普通型；K—快速型S—双向型；N—逆导型273）动态参数¾断态电压临界上升率du/dt指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。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。¾通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。284）晶闸管的门极定额¾门极触发电流IGT：使晶闸管由断态进入通态所必须的最小门极电流。¾门极触发电压UGT：产生门极触发电流所必须的最小门极电压。291.3.4晶闸管的派生器件快速晶闸管(FST——FastSwitchingThyristor)有快速晶闸管和高频晶闸管特点：9较高的电流上升率和电压上升率；9ton=1～2μs，toff=几μs～几十μs；9开关损耗小；9工作频率高，不能忽略其开关损耗的发热效应。30双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成； 门极用正、负脉冲均能导通； 同一门极控制触发导通正、反两个方向； 由于其使用在交流电路中，因此用电流有效值来表示其额定电流值； 易换流失败。31逆导晶闸管（RCT——ReverseConductingThyristor）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，因此不具有承受反向电压的能力。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。a)KGAb)UOIIG=0图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性32光控晶闸管（LTT——LightTriggeredThyristor）又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合占据重要地位。AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性331.4典型全控型器件引言1.4.2电力晶体管1.4.3电力场效应晶体管1.4.4绝缘栅双极晶体管34引言全控型器件——通过对其基极（门极、栅极）的控制，即可使其导通又可使其关断的器件，也称为自关断器件。典型代表——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。IGBT单管及模块电力MOSFET351.4.2电力晶体管术语电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。36图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动cbeic=βibEbic=(1+β)ibEcabc1）GTR的结构和工作原理主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。37在应用中，GTR一般