第2章电力电子器件剖析.ppt

第2章 电力电子器件,2.1 电力电子器件概述,2.2 不可控器件——电力二极管,2.3半控型器件——晶闸管,2.4 全控型器件,2.5 功率集成电路,2.6 电力电子器件的保护,返回,2.1 电力电子器件概述,本章介绍常见典型电力电子器件的结构、工作原理、主要参数、应用特点等内容电力电子器件是电力电子技术的核心2-1-1 电力电子器件概念\特征,2-1-2电力电子器件分类,2-1-3 电力电子器件的主要技术指标,2.1.1 电力电子器件的概念与特征,主电路中元部件要承受较高的电压、通过较大的电流直接用于主电路中实现电能变换或控制的电子器件称为电力电子器件电气设备或电力系统中直接承担电能的变换 或控制任务的电路被称为 主电路与信息处理用电子器件相比，电力电子器件的一般具有如下特征：,2-1-1 电力电子器件的概念与特征,处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级 电力电子器件能承受电压和电流的能力，是其最重要的参数如晶闸管：12000V/1000A,1) 能处理的电功率较大,2.1.1 电力电子器件的概念与特征,2) 电力电子器件一般工作在开关状态,电力电子器件一般工作在开关状态，以减少器件自身损耗，提高系统工作可靠性与工作效率。

电力电子器件导通时（通态）阻抗很小，管压降接近于零，相当于短路，而电流由外电路决定 电力电子器件阻断时（断态）阻抗很大，电流几乎为零，相当于断路，而管子两端电压由外电路决定2.1.1 电力电子器件的概念与特征,信息电子电路给出开关状态切换的控制信息决定电力电子器件何时开通、何时关断,3) 电力电子器件常采用信息电子电路进行控制,4) 对电力电子器件通常采取一定保护措施,电力电子器件通常价格昂贵，同时电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，器件的损坏将导致整个电气设备或系统工作崩溃，从而会造成严重损失，因此，要采取一定措施保证电力电子器件可靠工作2.1.1 电力电子器件的概念与特征,,电力电子器件的应用系统通常包括： 以电力电子器件为核心的主电路 对主电路状态进行检测的检测电路 确定电力电子器件开关控制信息的控制电路 电力电子器件的驱动电路 电力电子器件的保护电路,,,,,,2.1.2 电力电子器件的分类,根据器件开关控制能力分类,根据器件参与导电的载流子类型分类,根据器件制造材料分类,2.1.3 电力电子器件的主要技术指标,主要关注电气容量、开关特性、控制特性、热特性等指标电气容量指标:额定电压、额定电流等,开关特性主要描述器件从导通到关断或从关断到导通时器件的电压、电流随时间变化的特性。

如开通时间、关断时间等,2.1.3 电力电子器件的主要技术指标,控制特性指标描述可控器件开通与关断条件及其对控制信号的要求如驱动电压、驱动电流等指标热特性主要描述器件损耗导致器件温升的特性如最高结温、热阻等指标要使器件能在电路系统中可靠工作，器件的应用状况必须符合器件技术指标所限定的条件返回,2.2 不可控器件——电力二极管,1．二极管是由一个PN结组成的半导体元件,2．二极管的基本特性：单向导电性,3．电力二极管的容量很大,4．分为普通整流二极管，快速二极管等类,2.2.2 电力二极管的主要特性,1 静态特性,稳态时阳极电流与其阳极阴极间电压的关系.,UB：雪崩击穿电压 UTO：门槛电压，UFUTO时二极管导通 额定运行时 UF*IF决定通态损耗,2.2.2 电力二极管的主要特性,2 动态特性-开通特性,反映器件在通态、断态之间转换过程中电流、电压随时间变化的特性，通常也称为开关特性,二极管承受正向电压时,电流经过一定时间才能达到稳态值,这个时间tfr就是正向恢复时间,或称开通时间2.2.2 电力二极管的主要特性,2 动态特性-关断特性,2.2.2 电力二极管的主要特性,2 动态特性-关断特性,2-2-3 二极管的主要参数,1) 正向平均电流IF（AV） 指在规定的散热条件与管壳温度下，二极管长期运行所容许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

这也是标称器件额定电流的参数2) 反向重复峰值电压URRM,URRM通常规定为雪崩击穿电压的2/3应用中所选二极管的反向重复峰值电压应为该二极管实际承受的反向电压峰值的2~3倍2-2-3 二极管的主要参数,3) 正向压降UF,4) 反向恢复时间trr,一般称反向恢复时间在5微秒以上的二极管为普通二极管，反向恢复时间在5微秒以下的二极管为快恢复二极管普通二极管多用于开关频率在1kHz以下的整流电路中在高频开关电路中，通常选择二极管的trr为其开关周期的百分之一以下5) 最高工作结温Tjmax 在规定电流和散热条件下，PN结不致损坏条件下所能承受的最高平均温度,返回,2.3半控型器件——晶闸管,晶闸管—Thyrister 曾被称为可控硅整流器或可控硅 —Silicon Controlled Rectifier,.1957年被发明,三端四层半控型器件 .工作频率较低 .能承受的电压、电流在可控器件中最大 .通常采用相控技术进行控制 .大量应用于交流变直流的整流电路中,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,1) 晶闸管结构,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,2) 晶闸管的工作原理,（1）反向阻断特性,（2）不加门极电压时正向阻断特性,此时PN结J1总是处于反偏状态，因而晶闸管处于关断状态,此时PN结J2 处于反偏状态，晶闸管仍处于关断状态,（3）导通工作状态,2 晶闸管的工作原理,晶闸管处于阻断状态且 时，在门极加上驱动电流 则：,正反馈过程将使晶体管进入饱和导通状态，晶闸管导通，最后阳极电流由外部限流电阻决定。

从阻断到导通过程:,（3）导通工作状态,2 晶闸管的工作原理,导通的维持:,晶闸管导通后，即使移掉门极触发信号，此时IC1大于触发所需电流值，因此晶闸管会保持导通状态不变导通条件:1 UAK0 2 给门极加触发脉冲,（4）关断条件,2 晶闸管的工作原理,1 给阳极加反压,此时PN结J1总是处于反偏状态，晶闸管关断,2 降低阳极电流，使晶闸管内等效双晶体管进入阳极电流减小的正反馈过程，最终使阳极电流为零而关断,2.3.2 晶闸管的基本特性,1) 晶闸管的伏安特性,伏安特性--阳极阴极间的电压和阳极电流间的关系,正向转折电压—IG =0 对应的最大正向阻断电压,擎住电流--由阻断态变为导通态且维持导通的最小阳极电流,维持电流--维持晶闸管导通的最小电流,2.3.2 晶闸管的基本特性,1. 晶闸管的伏安特性,伏安特性--阳极阴极间的电压和阳极电流间的关系,反向击穿电压--使晶闸管由反向阻断状态变为反向击穿的最小电压,晶闸管处于反向阻断/正向阻断时阳极漏电流很小,相当于开路,2.3.2 晶闸管的基本特性,2) 晶闸管的动态特性,--开通和关断过程中阳极电流、阳极与阴极间电压及晶闸管的损耗随时间变化的特性,2.3.2 晶闸管的基本特性,2) 晶闸管的动态特性,2.3.3 晶闸管的主要参数,晶闸管的参数很多，这里主要介绍阳极电压和电流参数、动态参数、门极参数、温度特性参数等.,1) 晶闸管阳极电压和电流参数,规定断态重复峰值电压为断态不重复峰值电压（ ）的90%，而断态不重复峰值电压的值应低于正向转折电压 ，所留裕量由生产厂家自定。

2.3.3 晶闸管的主要参数,1) 晶闸管阳极电压和电流参数,规定反向重复峰值电压为反向不重复峰值电压（ ）的90%，而反向不重复峰值电压的值应低于反向击穿电压 ，所留裕量由生产厂家自定选用器件时，应使器件的额定电压为正常工作电压峰值的2～3倍1．晶闸管阳极电压和电流参数,?,晶闸管的额定电流是以平均电流方式定义的，但从发热方面来看，决定管子结温的是电流有效值而不是电流平均值，因此在应用中应按电流有效值相等的原则选择晶闸管1) 晶闸管阳极电压和电流参数,正弦半波电流平均值与有效值的关系,,在实际选用晶闸管时，还应留有一定的余量通常选择额定电流为正常工作值1.5～2倍的晶闸管1) 晶闸管阳极电压和电流参数,电流有效值相等的原则选择晶闸管,示例,先计算实际有效值:,示例,2.3.3 晶闸管的主要参数,2.3.4 晶闸管的门极触发电路,对门极触发信号的要求是： 1) 门极电流上升率：触发脉冲前沿要陡 2) 门极电流幅值：合理的电流幅值可使 器件导通，脉冲前沿较大的电流幅值 可使器件更快的导通，减少开通损耗 3) 门极脉冲信号宽度：器件导通有一个过 程，需要门极脉冲信号具有一定宽度 4) 门极脉冲信号应不超过门极电压、电流、 功率等最大限定值 5) 触发可靠，抗干扰能力强,2.3.4 晶闸管的门极触发电路,电容C的作用是：在T刚导通时，C上电压为零，VD全部加在Tm原边，此后C上电压上升，Tm原边电压将下降，这样副边输出一个前沿幅值较高的脉冲波形。

D1、RD的作用是T关断时释放储存在Tm中的磁场能量，防止关断时因脉冲变压器原边电感产生过高的反电势而击穿晶体管TD3的作用是将关断时脉冲变压器副边产生的负电压信号短路，防止其损坏晶闸管门极2.3.5 晶闸管的派生器件,1) 双向晶闸管,--通常采用负脉冲触发,--采用电流有效值作为额定电流参数,--多用于交流调压、固态继电器等电路,2) 逆导晶闸管,--逆导晶闸管的正向特性与普通晶闸管相同，具有开通可控性，而反向特性与二极管正向导电特性相同用于不需要阻断反向电压的电路,返回,2.3.5 晶闸管的派生器件,2.4 全控型器件,电流控制型电流控制型器件从控制极注入或抽取电流信号来控制器件的开通或关断. 如可关断晶闸管（GTO）、 集成门极换流晶闸管（IGCT）全控型器件利用控制信号可控制开通与关断的器件通常也称为自关断器件分类：电流控制型 电压控制型,主要特点是：控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低电压控制型通过在控制极建立电场——提供电压信号实施器件的开通与关断控制. 如功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2.4 全控型器件,主要特点是：控制功率小、控制电路简单、工作频率较高。

2.4.1可关断晶闸管,1) 可关断晶闸管的结构与工作原理,GTO的结构示意图、等效电路与电气符号,2.4.1可关断晶闸管,--GTO的开通原理和普通晶闸管相同,--GTO能关断的关键是：能从门极抽取电流改变二个晶体管的工作状态GTO是从制造工艺上做到这点的2.4.1可关断晶闸管,2.4.1可关断晶闸管,2. 主要参数,最大可关断阳极电流,利用门极脉冲可以关断的最大阳极电流.这是标称GTO额定电流容量的参数.,门极关断电流,使GTO从通态转为断态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值.,2.4.2 功率场效应管,场效应管分为结型、绝缘栅型两类本节以绝缘栅场效应管为例介绍场效应管的工作原理及其主要特性、参数绝缘栅型场效应管利用栅极与源极间的电压来控制漏极与源极间的等效电阻从而控制器件的开通与关断状态1) 功率场效应管的结构与工作原理,垂直导电扩散场效应管结构、电路符号,1) 功率场效应管的结构与工作原理,--反向导通特性： 漏极源极间的电压uDS0时, D、S之间相当于一个二极管(P、N-）接有正向电压，器件处于导通状态,1) 功率场效应管的结构与工作原理,--正向导通特性 （VDS0） VGS0 时，栅源结相当于一电容，栅极带正电荷，将在靠近栅极的P内感应产生电子，即在P区内 形成一个反型层（P变到N）。

单极型器件？,注： 撤除栅源电压，反型层消失，DS间恢复阻断状态,1) 功率场效应管的结构与工作原理,使MOSFET导通只需建立栅源间电场, 即给栅源间结电容充电即可，而给栅源间结电容放电即可使MOSFET关断 –电压控制型器件,MOSFET栅源间结电容很小，栅源间结电容冲放电时间很短，因此MOSFET驱动功率小，开关速度快漏源间电流由反型层提供通道，容许通过电流的能力有限,功率MOSFET主要用于高频、小功率场合。