第1章电力电子器件.

第一章电力电子器件•电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路，实现电能的变换或控制的电子器件。电力电子器件种类很多。并且各有特点。按器件的开关控制特性可以分为以下三类。•（1）不可控器件。器件本身没有导通、关断控制功能，而是需要根据外电路条件决定其导通，关断状态的器件称为不可控器件。电力二极管就属于此类器件。•（2）半控型器件。通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半可控器件。例如，晶闸管及其大部分派生器件等。.•（3）全控型器件。通过控制信号既可以控制其导通又可以控制其关断的器件称为全控型器件。例如门极可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等。•第一节晶闸管••一、晶闸管的结构•1P图1-1晶闸管的外形、结构和电气符号（a）晶闸管的外形；（b）结构；（c）电气符号•二晶闸管的工作原理•可以通过图1一2所示的导通实验电路来说明晶闸管的工作原理.在该电路中由电源Ea、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成晶闸管的主电路;由电源Eg、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路，也称为触发电路.图1-2晶闸管导通实验电路图•通过上述实验可知。晶闸管导通必须同时其备两个条件：•（1）晶闸管主电路加正向电压。•（2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。门极流入足够的触发电流。••下面通过通过晶闸管的互补三极管等效电路，进一步说明晶闸管的工作原理。图1-3晶闸管等效电路••在晶闸管导通之后，如果控制极电流消失，由于晶闸管内部已经形成强烈的正反馈。晶闸管仍将处于导通状态.•要想关断晶闸管：最根本的方法就是必须将阳极电流减小大使之不能维持正反馈的程度。即设法将晶闸管的阳极电流减小到维持电流以下。•可采用的方法有：将阳极电源断开；或者在阳极和阴极间加反向电压.•控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通.导通之后，控制极就失去了作用，不能令其关断.从这个意义上来讲。晶闸管被称为半控型器件。•三、晶闸管的伏安特性•晶闸管阳极与阴极间的电压UA和阳极电流IA的关系称为阳极伏安特性，要正确使用晶闸管必须了解其伏安特性。图1-4所示为晶闸管阳极伏安特性曲线.包括第一象限的正特性和第三象限的反向特性两部分。图1-4晶闸管阳极伏安特性曲线UDRM、URRM-正、反向断态重复峰值电压；UDRM、URSM-正、反向断态不重复峰值电压；UBO-自然正向转折电压；URO-反向击穿电压•四、晶闸管的主要参数•（一）晶闸管的电压定额•1．正向断态重复峰值电压UDRM•在额定结温下，在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下。可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM(国际规定重复频率为50Hz，每次持续时间不超过10ms)。一般规定此电压为自然正向转折电压UBO的80%，为正向不重复峰值电压UDSM的90%。•2.反向重复峰值电压URRM•在额定结温下.控制极断路时.可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向峰值电压URRM.,此电压取反向击穿电压URO的80%，为反向不重复峰值电压URSM的90%。•晶闸管额定电压UTN•晶闸管额定电压通常是这样标定的，通常取实测UDRM和URRM中的较小值.按规定的标准电压每级就低取读数.作为该晶闸管的额定电压.规定的标准电压等级:在1000V以下。每隔100V为一级；1000~3000V，每隔200V为一级。•选用元件额定电压时应取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍，即考虑2~3倍的安全裕量，UTN=(2~3)UTM。•（二）晶闸管的电流额定1.通态平均电流IT（AV）•在环境温度为40℃和标准散热的条件下。晶闸管在导通角不小于170°的电阻性负载电路中，当结温不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值，称为额定通态平均电流IT（AV）,简称额定电流。按照标准，取其整数作为该器件的额定电流。如果正弦半波电流的最大值为Im，则(AV)01sin()2mTmIIItdt(AV)1.572TfTIKI2201(sin)()22mTmIIItdtfK电流有效值电流平均值•额定电流有效值为然而在实际使用中，流过晶闸管的电流波形形状、波形导通角并不是一定的，各种含有直流分量的电流波形都有一个电流平均值（即一个周期内波形面积的平均值），也就有一个电流有效值(即均方根值)，现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用Kf表示，即根据式（1-3）可求出正弦半波电流的波形系数•因此在实际中，选择晶闸管额定电流IT（AV）应遵循以下原则:所选晶闸管额定电流有效值IN要大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值ITM，取1.5~2倍的安全裕量，即(AV)(1.5~2)I1.57TNTMTII(AV)(1.5~2)I/1.57TTMI•2.维持电流IH•在室温且控制极断路时.维持晶闸管继续导通的最小阳极电流称为维持电流IH.维持电大的晶闸管容易被关断.维持电流与元件容最、结温等因素有关，结越高，IH越小.通常在晶闸管的铭牌上.标明了常温下IH的实测值。•3.掣住电流IL•给晶闸管加合适阳极电压，门极加上触发电压，当原件刚从阻断状态转为导通状态时就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流IL，对同一晶闸管来说，掣住电流IL要比维持电流IH大2~4倍。•（三）动态参数•晶闸管是一种无触点开关，在导通与限断两种工作状态之间的转换并不是瞬时完成的，而是需要一定的时间。当元件的导通与关断频率较高时，这种时间的影响就不得不考虑进去而无法忽略。1.开通时间tG•一般规定：当触发电流流入门极，现在J2结靠近门极附近形成导通区，逐渐扩展到J2结的全区域，这段时间称为开通时间tG，普通晶闸管的tG为几十微妙以下，快速晶闸管可以达到1μs。开通时间与处罚脉冲的陡度大小、结温以及主回路中的电感量等有关。2.关断时间tGD•把额定结温下，晶闸管从正向阳极电流下降为零到其恢复正向阻断能力为止所需要的这段时间称为关断时间tGD。•晶闸管的关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。普通晶闸管的tGD为几十到几百微秒，快速晶闸管可短至1μs。.3.通态电流临界上升率di/dt•在规定条件下，元件在门极开通时能承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率.称为通态电流临界上升率di/dt。•如果阳极电流上升得太快·则会导致门极附近的PN结J2因电流密度过大局部过热而烧毁.使晶闸管损坏。•限制电流上升率的有效办法递串接空芯电感。•4.断态正向电压临界上升率du/dt•在额定结温和门极断路情况下.使元件由断态转入通态，元件所加的最小正向电流上升率，称为正向电压临界上升率du/dt。晶闸管在阻断状态下结面J2相当于一个电容。若突然加一正向阳极电压..便会有一个充电电流流过.该充电电流流经J3结时，起到相当于门极触发电流的作用·如果电压上升率过大会使充电电流足够大，将使元件误触发导通.因此使用中实际电压上升率必须低于此临界值。要限制du/dt，可在元件两端并联限容支路或门极反向偏置。•五、晶闸管的型号及简单测试方法•（一）晶闸管的型号•按国家标准《国产晶闸管的型号命名》(JB1144一1975)规定，普通硅晶闸管型号中各部分的含义如图1-5所示。图1-5晶闸管型号的含义•（二）晶闸管的简单测试方法•对于晶闸管的三个电极,可以用万用表粗测其好坏。依据PN结单相导电原理用，表欧姆档测试元件的各个电极之间的阻值。可初步判断管子是否完好。•如用万用表R×1kΩ档测量阳极A和阴极K之间的正、反向电阻都很大，在几百千欧以上.且正、反向电阻相差很小;用R×10Ω或R×100Ω档测量控制极G和阴极K之间的阻值.其正向电阻应小于或接近于反向电阻、这样的晶闸管是好的.•如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路，阴极与控制极间为短路或短路，则说明晶闸管是坏的。•六、晶闸管的派生器件•在晶闸管的家族中，除了最常用的普通型晶闸管之外，根据不同的实际需要，在普通晶闸管的基础上衍生出了一系列的派生器件，它们是采用不同材料和工艺制造的有特殊功能的晶闸管·•主要有快速晶闸管（FST）、双向晶闸管(TRIAC).逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管(LTT)等，下面分别作简要介绍。••〔一〕快速晶闸管(FastSwitchThyristor,FAT)•快速晶闸管是为了快速应用而设计的，有常规的快速晶闸管（开关频率在400Hz以上)和工作在更高频率(开关频率在10kHz以上)的高频晶闸管;它们的外形、电气符号、基本结构，伏安特性及使用都与普通晶间管相同.•由于对晶闸管的管芯结构和制造工艺进行了改进，快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。从关断时间上看.将通晶闸管关断时间为数百微秒。快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管为1us左右。•与普通晶闸管相比高频晶闸管的不足在于其电压不易做高。由于工作频率较高。不能忽略其开关损耗的发热效应。•（二）双向晶闸管(TriodeAC.Switch.TRIAC.)•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。其内部结构、等效电路、电气符号和伏安特性分别如图1–6（a）、（b）、（c）、（d）所示。图1-6双向晶闸管（a）内部结构；（b）等效电路；（c）电气符号；（d）伏安特性•(三）逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor，RCT）•逆导晶闸管在逆变或直流电路中经需要将晶闸管和二极管反向并联使用，逆导晶闸管就是根据这一要求将晶闸管和二极管集成在同一硅片上制造而成的·其内部结构等效电路，电气符号和伏安特性分别如图1-7(a)、（b）（c）所示。图1-7逆导晶闸管（a）内部结构；（b）等效电路；（c）电气符号（d）伏安特性•（四）光控晶闸管（LightTriggeredThyristor，LTT）•光控晶闸管又称光控触发晶闸管，它与普通晶管不同的是，其门极集成了一个光电二极管。可利用一定波长的光照信号代替电信号触发器件，使其导通。图1-8（a）、（b）所示分别为光控晶闸管的的电气符号和伏安特性曲线。•图1-8管控晶闸管（a）电气符号；（b）伏安特性曲线•晶闸管问世后不久门极可关断晶就出现了.20世纪80年代以来电力电子技术进入了一个崭新时代。门极可关断晶闸管、电力晶体管，电力场效晶体管、绝缘栅极双极晶闸管就是全控型电力电子器件的典型代表。.第二节全控电力电子器件•一、门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管（GateTurnOffthyristor,GTO）也是晶闸管的一种派生器件.它具有普通晶闸管的全部特性，如耐压高(工作电压可高达6000V)、电流大（电流可达到6000A）)以及造价便宜等.同时又具有门极正脉冲信号触发导通.、门极负脉冲信号触发关断的特性，属于全控型双极型器件.•（一）GTO的结构和工作原理•图1-9GTO内部结构和电气图形符号（a）各单元阴极、门极间隔排列的图形；（b）并联单元结构断面示意图；（c）电气图形符号图1-10GTO结构和等效电路（三）GTO的缓冲电路•电力电子器件开通时流过的很大的电流，阻断时承受很高的电压；尤其在开关转换的瞬间，电路中各个储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击，有可能超过器件的安全工作区而导致损坏。附加各种缓冲电路，目的不仅是降低浪电压、du/dt和di/dt，还希望能减少器件的开关损耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。吸收过电压的有效方法是在器件两端并联一个吸收过电压的阻容电路。图1-11(a)所示为只能用于小电流电路的缓冲电路器，图1-11(b)与图1-11(c)所示为较大容量GTO电路中常见的缓冲器，尽量选用快速型、接线短的二极管，这将使缓冲器阻容效果更显著。图1-11GTO阻容缓冲电路（四）GTO的门极驱动电路•GTO门极触发方式通常有以下三种。•（１）直流触发：在GTO被触发导通期间，门极一直加有直流