电力电子技术--第一章

1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——电力二极管1.3半控型器件——普通晶闸管1.4全控型电力电子器件1.5电力电子器件的驱动1.6电力电子器件的保护第一章电力电子器件与保护1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2电力电子器件组成的应用系统1.1.3电力电子器件的分类1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件1、概念1）主电路（PowerCircuit）-----在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）电力电子器件（PowerElectronicDevice）-----可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2、分类半导体器件(主要材料是单晶硅）电真空器件(汞弧整流器、闸流管)能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。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电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。3、同处理信息的电子器件相比的一般特征：1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗通态损耗断态损耗开关损耗驱动损耗开通损耗关断损耗1.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2电力电子器件组成的应用系统电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路构成的一个完整的系统。1.1.2电力电子器件组成的应用系统我们通常将电力电子系统简单的分为主电路和控制电路。主电路中的电压和电流都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处；检测电路与主电路的连接处，一般都需要进行电气隔离，通常采用光－电转换、磁－电转换等技术手段来传递信号。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。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路控制电路电气隔离在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行。1.1.2电力电子器件组成的应用系统1.1.3电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为下列三类：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。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。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类：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。1.1.3电力电子器件的分类1.2不可控器件—电力二极管1.2.1电力二极管的工作原理1.2.2电力二极管的基本特性与参数一、电力二极管的伏安特性二、电力二极管的开关特性三、电力二极管的主要参数1.2.1电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装外壳组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-2电力二极管的外形、结构和电气符号a)外形b)结构c)电气图形符号PN结的状态状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——1.2.1电力二极管的工作原理1.2.1电力二极管的工作原理二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿(永久性击穿）电力二极管与信息电子电路中的普通二极管的区别由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。1.2.1电力二极管的工作原理1.2.2电力二极管的基本特性与参数一、静态特性（伏安特性）图1-3电力二极管的伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流IRR。反向击穿电压UB1.2.2电力二极管的基本特性与参数二、动态特性（开关特性）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：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtb)UFPuiiFuFtfrt02V图1-4电力二极管的动态过程波形（a)正向偏置转换为反向偏置（b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的电压-电流特性是随时间变化的关断过程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。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。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）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-4(a)关断过程UFPuiiFuFtfrt02V图1-4(b)开通过程1.2.2电力二极管的基本特性与参数电力二极管的应用范围很广，我们主要常见的有以下几种类型。①普通二极管普通二极管又称为整流二极管（RectifierDiode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可达数千安培，额定电压达数千伏以上。1.2.2电力二极管的基本特性与参数1.2.2电力二极管的基本特性与参数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（FastRecovreryDiode简称为FRD）。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ns以上，后者的反向恢复时间则在100ns以下，多用于高频整流和逆变电路中。③肖特基二极管反向恢复时间为10～40ns，反向耐压在200V以下。多用于高频小功率整流或高频控制电路。三、电力二极管的主要参数1、额定正向平均电流IF(AV)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。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应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。2、正向压降UF指规定条件下，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）。1.2.2电力二极管的基本特性与参数3、反向重复峰值电压URRM指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选定此项参数。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、最高工作温度TJM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。1.2.2电力二极管的基本特性与参数1.3半控型器件-晶闸管1.3.1晶闸管的结构及工作原理一、晶闸管的结构二、晶闸管的工作原理1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数一、晶闸管的伏安特性二、晶闸管的主要特性参数1.3半控型器件-晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），也称为可控硅，是能够承受高电压、大电流的半控型电力电子器件。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年开始商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。1.3半控型器件-晶闸管晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管（SCR），但随着电力电子技术的发展。晶闸管还应包括许多类型的派生器件。包括快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。在本书中所说的晶闸管都是指普通晶闸管。1.3.1晶闸管的结构及工作原理普通晶闸管也可称为可控硅整流管（SiliconControlledRectifier）简称SCR。耐压高、电流容量大（目前可以达到4.5KA/6.5KV），开通的可控性。已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域。是低频（200HZ以下）、大功率变流装置中的主要器件。1.3.1晶闸管的结构及工作原理一、晶闸管的结构图1－5晶闸管的外形及图形符号图1－5（e）图形符号晶闸管有三个电极，它们分别是阳极A、阴极K和门极G（或称为栅极）,图1－5（a）小电流塑封式图1－5（d）大电流平板式额定电流在200A以上图1－5（c）大电流螺拴式额定电流在200A以上图1－5（b）小电流螺拴式按照外形封装形式可分为1.3.1晶闸管的结构及工作原理图1－6晶闸管所使用的散热器晶闸管是大功率器件，工作时将产生大量的热量，因此，必须安装散热器。螺旋式晶闸管可以紧栓在铝制散热器上，采用自然散热冷却方式，如图1－6（a）所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧紧的夹在中间，散热方式可以采用风冷或水冷，以获得较好的散热效果，如图1－6（b）、（c）所示。1.3.1晶闸管的结构及工作原理二、晶闸管的工作原理由于通过门极我们可以控制晶闸管的开通；而通过门极我们不能控制晶闸管的关断，因此，晶闸管才被我们称为半控型器件。图1－7晶闸管的管芯结构和等效电路按照等效电路和晶体管的工作原理，我们可列出如下方程：IC1＝α1IA＋ICO1(1－1)IC2＝α2IK＋ICO2(1－2)IK＝IA＋IG(1－3)IA＝IC1＋IC2(1－4)α1＝IC1/IA、α2＝IC2/IK分别是晶体管V1和V2的共基极接法的电流放大倍数，ICO1和ICO2则分别是V1和V2的共基极漏电流。推出：)(121212COCOGAIIII（1--5）1.3.1晶闸管的结构及工作原理在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。饱和导通：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2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。1.3.1晶闸管的结构及工作原理晶闸管导通的必要条件是：必须在晶闸管的阳极、阴极加上正向电压。必须在门极和阴极之间加上正向门极电压，也称为触发电压。流过晶闸管的阳极电压IA必须大于晶闸管的维持电流IH。1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数一、晶闸管的伏安特性晶闸管阳极、阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系，称为晶闸管的伏安特性。图1－8晶闸管阳极伏安特性图中物理量定义如下：UDRM、URRM--正、反向断态重复峰值电压（UDRM=0.8UDSM、URRM=0.8URSM）UDSM、URSM--正、反向断态不重复峰值电压UBO――正向转折电压URO――反向转折电压1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数（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。反向特性和二极管的反向特性极其类似。承受反向阳极电压，呈现反向阻断状态时，只有很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