电力电子ppt

第1章电力电子器件主要内容：•常用电力电子器件分类；•常用电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性、主要参数和安全工作区；•常用电力电子器件的基本驱动电路、缓冲电路和保护方法；•常用电力电子器件的串并联技术。1.1引言•电力电子器件是电力电子技术的基础，•新器件的诞生或器件特性的新进展，都带动了电力电子应用技术的新突破，或导致出现新的电路拓扑。•电力电子应用技术的发展又对电力电子器件提出了更新、更高的要求，进一步推动了高性能、新器件的研制。•电力电子器件在电力电子电路中一般都工作在开关状态，在通态时应能流过很大电流而压降很低；在断态时应能承受很高电压而漏电流很小；断态与通态间的转换时间很短且功率损耗较小。•目前最常用的器件：功率二极管VD;晶闸管SCR及其派生器件；可关断晶闸管GTO、双极性功率晶体管BJT或GRT、功率场效应晶体管P-MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT,以及新型的功率集成模块PIC、智能功率模块IPM等。1.2电力电子器件的结构、特性和主要常数1.2.1功率二极管1.功率二极管的结构功率二极管外形、结构和符号2.功率二极管的工作原理•P型半导体和N型半导体结合一体，其中，N型半导体区电子浓度大，P型半导体区空穴浓度大，因此，N区电子要向P区扩散与P区空穴复合，在N区边界侧留下正离子层，P区空穴要向N区扩散与N区电子复合，在P区边界侧留下负离子层，在交界处渐渐形成空间电荷区；•多数载流子的扩散运动和少数载流子漂移运动到动态平衡，决定空间电荷区的宽度，形成PN结；•PN结具有单向导电性，二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。3.功率二极管的特性(1)功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加，二极管被电击穿后将造成PN结的永久损坏。功率二极管的伏安特性(2)功率二极管的开关特性因结电容的存在，功率二极管在通态和断态之间转换时，有一个过渡过程，这个过程中的特性为功率二极管的动态特性。功率二极管由断态转为通态时，功率二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP，然后逐渐趋于稳态压降值。这一动态过程的时间，称为正向恢复时间tfr。当原处于正向导通的功率二极管的外加电压突然变为反向时，功率二极管不能立即关断，其电流逐渐下降到零，然后有较大的反向电流和反向过冲电压出现，经过一个反向恢复时间才能进入截止。其中，td为延迟时间，tf为电流下降时间，trr为反向恢复时间，trr＝td＋tf。功率二极管的开关特性由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。普通二极管的trr=2～10µs，快速恢复二极管的trr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。反向恢复时间4.功率二极管的主要参数(1)额定电压URR反向不重复峰值电压URSM是指即将出现反向击穿的临界电压；二极管的额定电压URR（反向重复峰值电压URRM）取反向不重复峰值电压URSM的80％；(2)额定电流IFR功率二极管的额定电流IFR被定义为在规定的环境温度为+40℃和散热条件下工作，其管芯PN结温升不超过允许值时，所允许流过的正弦半波电流平均值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为mIttdII1)(sin210mFR(3)最大允许的全周期均方根正向电流IFrms二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms由式(1-1)和(1-2)可得(4)最大允许非重复浪涌电流IFSM这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。功率二极管属于功率最大半导体器件，二极管参数是正确选用二极管依据。m02mFrms21)()sin(21ItdtIIFRFRFrms57.12III1.2.2晶闸管及派生器件•晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。（半控型器件、电流型控制）1.晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式图形符号自冷式风冷式水冷式2.晶闸管的结构•晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。结构和双晶体管模型3.晶闸管的工作原理IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑晶闸管的双晶体管模型与工作电路图•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。•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。•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。4.晶闸管的特性(1)晶闸管的伏安特性•晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。晶闸管的伏安特性(2)晶闸管的门极伏安特性•由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性OG和一条极限低阻门极伏安特性OD之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM﹑允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,OABCO为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区。晶闸管的门极伏安特性(3)晶闸管的开关特性晶闸管的双晶体管模型与工作电路图①开通过程开通时间ton包括延迟时间td与上升时间tr，即ton=td+tr(1-4)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%的时间开通时间（几微秒)关断时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间普通晶闸管的导通时间约为几微秒。②关断过程关断时间toff：包括反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr，即toff=trr+tgr(1-5)反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间；普通晶闸管的关断时间约为几十至几百微秒。5.晶闸管的主要参数（1）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。（2）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。（3）额定电压断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安全裕量。(4)额定电流IT(AV)•在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角170°)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。•晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示晶闸管流过正弦半波电流波形它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：)式中Kf―为波形系数流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.5～2)倍的安全裕量。m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57.1)T(AVTfIIK(5)浪涌电流•这是晶闸管所允许的半周期内使结温超过额定结温的不重复正向过载电流。该值比晶闸管的额定电流要大得多。实际上它体现了晶闸管抗短路冲击电流的能力。可用来设计保护电路。(6)通态电压UTM•晶闸管通以规定数倍额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减少功耗和发热的观点出发，应该选择通态电压较小的晶闸管。(7)维持电流IH•在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流(8)擎住电流IL•晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。(9)门极触发电流IGT•在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。(10)门极触发电压UGT•对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM和UGFM。(11)断态电压临界上升率du/dt•在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。(12)通态电流临界上升率di/dt•在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。〖例1-1〗两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A，试计算各波形下晶闸管的电流平均值Id1、Id2，电流有效值I1、I2，并计算波形系数Kf1、Kf2。流过晶闸管的电流波形解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：211310016.7A266dmmIIIA2222.44fdIKI74.1111dfIIKA2.27272.0)(sin21m4/md1ItdtIIA4.47477.0)()sin(21m42m1ItdtII222131640.826mmmIIIIA思考1：如果晶闸管的额定电流是100A,考虑晶闸管的安全裕量,请问在以上的情况下,允许流过的平均电流是多少?AIIAVTT15757.1)(2215764.342.44TdfIIAKAKIIfTd2.9074.115711因此，在不同的波形系数下，相同容量的晶闸管流过的有效值是相同的，而允许流过的电流的平均值是不同的，波形系数越大，允许流过的电流平均值越小，晶闸管的利用率越低。6.晶闸管的派生器件(1)快速晶闸管•快速晶闸管的关断时间≤50µs，常在较高频率(400Hz)的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平均电流1200A、最高断态电压1500V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25µs～50µs。(2)双向晶闸管双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。•双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。双向晶闸管等效电路及符号双向晶闸管的伏安特性(3)逆导晶闸管•逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。•由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低和配线简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。逆导晶闸管的等效电路及伏安特性(4)光控晶闸管•光控晶闸管(LightActivatedThyristor)是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。•光控晶闸管符号和等效电路•光控晶闸管的伏安特性光控晶闸管的符号及等效电路光控晶闸管的伏安特性1.2.3可关断晶闸管GTO•可关断晶闸管GTO(GateTurn-OffThyristor)，门极信号不仅能控制其导通，也能控制其关断。（全控型器件、电流型控制）1.可关断晶闸管的结构•GTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断