科创学院--电力电子技术培训课件

电力电子技术刘静主要内容：电力电子器件：电力电子器件的分类；电能变换的基本类型（AC/DC变换、DC/AC变换、AC/AC变换和DC/DC变换）；变流技术的发展及其应用；常用电力电子器件的结构和特点；整流电路结构和工作原理；试题讲解。按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：1）半可控器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）、巨型晶体管GTR3）不控型器件电力二极管（PowerDiode）常见的有大功率二极管、快速恢复二极管及肖特基二极管。只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2）全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。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电力电子器件的分类按电力电子器件的驱动性质可以将器件分为电压型和电流型器件。1、电流型器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通，因而一般情况下需要较大的驱动功率，这类器件有SCR、GTR、GTO等。2、电压型器件的导通只需要有足够的电压和很小的驱动电流，因而电压型器件只需很小的驱动功率，这类器件有IGBT、MOSFET、MCT等。基本分类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：1、双极型电力电子器件：是指器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件,这类器件具有通态压降低、阻断电压高、电流容量大等优点,适用于中大容量的变流装置和电动机的驱动控制。这类器件有巨型晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。2、单极型电力电子器件：是指器件内只有多数载流子参与导电过程的半导体器件,这类器件具有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽、电流负温度系数良好的电流自动调节能力、良好的热稳定性和较高的抗干扰能力等优点,适用于中小功率、开关频率高的变流装置和电动机的驱动控制,如高保真度的音频放大,多种通讯设备和宇航空间技术等领域。这类器件包括有功率场效应晶体管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)等。3、混合型电力电子器件：是由双极型和单极型两种器件混合集成。利用耐高压、电流容量大的双极型器件(如SCR、GTR、GTO)作为输出级;利用输入阻抗高、频率响应快的单极型器件(如MOSFET)作为输入级。从而具备双极和单极器件的优点。这类器件有绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS晶体管(MCT)、功率集成电路(PIC)等,其中功率集成电路PIC分为高压集成电路(HVIC)和智能功率集成电路(SPIC)。1.2电能变换的四种类型交流-直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电。直流-交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接无源负载时，称之为无源逆变。交流-交流(AC-AC)变换：将交流电能的参数加以变换。其中：改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。直流-直流(DC-DC)变换：将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。常见的电力变换种类1.3电力电子变流技术的应用1、电机传动与控制轧钢机数控机床冶金工业2、电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机3、电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS4、交通运输5、家用电器6、其他大型计算机的UPS航天技术新型能源PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.4.1不可控器件—电力二极管整流二极管及模块基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。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、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号1.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK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——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结的状态1.4.2半控器件—晶闸管·引言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年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。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。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）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)电气图形符号晶闸管的结构与工作原理外形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。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构晶闸管的封装形式：还有塑封和模块式两种封装。〔解释〕当SCR的阳极和阴极电压UAK0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始终处于关断状态；UAK0时，只有EGk0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力；SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；当UAK0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。综上所述：SCR导通条件：UAK0同时UGK0由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。(一般通过减小EA,直至EA0来实现。）〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。晶闸管的双晶体管模型IG（IB2）IC2（IB1）IC1（IB2）导通的过程是一个正反馈过程。V1、V2饱和。晶闸管通断规律：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。（反向阻断）承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断状态。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（不可控）。要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）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。（反向阻断）承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断状态。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（不可控）。要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。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，不能忽略其开关损耗的发热效应。1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)2）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。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。3)逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）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。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。4)光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）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。光触发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。晶闸管的型号、选择原则1、普通晶闸管的型号2、普通晶闸管的选择原则（1）选择额定电流的原则在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.5~2倍的安全裕量。计算公式为：然后取相应标准系列值。57.1)2~5.1(TMT(AV)IITMI（2）选择额定电压的原则选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压的2~3倍，即然后取相应标准系列值。TMU)3~2(TnUTMU晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。一、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）1.4.3典型全控型器件结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。图1-13GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号1）GTO的结构和工作原理c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。由上述分析我们可以得到以下结论：二、电力晶体管电力晶体管（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。术语用法：与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。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。GTR的结构图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)内部载流子的流动三、电力场效应晶体管电力MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号