第1章电力电子器件1资料

1电力电子技术2第1章电力电子器件3电力电子器件的概念及分类全控型电力电子器件-IGBT半控型电力电子器件-晶闸管电力电子器件的驱动电力电子器件的保护电力电子器件的串联和并联41.1电力电子器件概念及分类电力电子器件—可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5能处理电功率的大小,即承受电压和电流的能力,是器件最重要的参数1.1.1电力电子器件的特征电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件常常需要信息电子电路来控制电力电子器件的功率损耗通常比信息电子电路器件的大61.1.2电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度,分为三类:(1）不可控器件—不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路（二极管）(2）半控型器件—通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断（晶闸管）(3）全控型器件—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（MOSFET、IGBT）7按照加在器件控制端驱动信号的性质,分为两类(1)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(2)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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)单极型器件(2)双极型器件(3)复合型器件81．二极管是由一个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1.2不可控器件—电力二极管91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1.2.1电力二极管的主要特性UF:二极管正向电压IF:二极管正向电流额定运行时UF*IF决定通态损耗101/2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.112/2动态特性-关断特性12131)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URRMURRM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.1.2.2电力二极管的主要参数143)正向压降UF4)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。二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。155)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161.3半控型电力电子器件—晶闸管晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件17外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装,通常螺栓是其阳极,另一端较粗的是阴极,细的是门极平板型封装的晶闸管,两个平面分别是阳极和阴极,细长端是门极1.3.1晶闸管的结构与工作原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3a)外形b)结构c)电气符号图1.晶闸管的结构182.晶闸管的工作原理A、K接正向电压,灯泡不燃亮A、K接正向电压,G、K接负电压,灯泡不燃亮A、K接正向电压,G、K接正电压,灯泡燃亮A、K接负向电压,灯泡不燃亮A、K接负向电压,无论G、K接何种电压灯泡不燃亮灯泡燃亮后,撤除G、K间电压或G、K间接负向电压,灯泡仍然燃亮灯泡燃亮后,撤除A、K间电压或A、K接负向电压,灯泡熄灭EGAKGS2S1EA1)晶闸管的导通实验192)晶闸管的通断规律当晶闸管承受阳极反向电压时,无论门极是否有触发电流,晶闸管都处于关断状态当晶闸管承受阳极正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下，,晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。要使晶闸管关断,必须去掉阳极正向电压,或者给阳极施加反压,或者降低正向阳极电压,使通过晶闸管的电流降低到接近于0的某一数值以下当门极未加触发电压时,晶闸管具有正向阻断能力20RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)a)双晶体管模型b)工作原理晶闸管内部是PNPN四层半导体结构（P1,N1，P2,N2）.如果施加阳极正向电压,则J2处于反向偏置状态,器件关断；如果施加阳极反向电压,J1、J3处于反向偏置状态,器件关断.3)晶闸管的工作原理J2J1J321NPNPNPAGSKEGIGIKIc2Ic1IAV1V2晶闸管的导通可以用双晶体(P1N1P2和N1P2N2）模来解释.门极注入电流IG,IG流入晶体管V2的基极,那么在V2的集电极产生电流IC2,而IC2又是晶体管V1的基极电流,放大成集电极电流IC1,进一步增大了V2的基极电流,形成了强烈的正反馈,最后V1、V2进入饱和状态,晶闸管导通.当晶闸管导通后,撤除门极电流,由于晶体管内部已经形成了强烈的正反馈.所以管子仍然导通；若要使晶闸管关断则必须撤除阳极的正电压,或者给阳极施加反电压,或者使流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值.晶闸管的驱动过程称为触发。22式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益;ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流.由以上式(1-1)-(1-4)可得晶体管的特性是: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.)51()(121CBO2CBO1G2AIIII晶闸管的工作方程Ic1=1IA+ICBO1（1-1）Ic2=2IK+ICBO2（1-2）IK=IA+IG（1-3）IA=Ic1+Ic2（1-4）23阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片,即光触发.光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘，而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor—LTT）。除此之外,其它都因不易控制而难以应用于实践,只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段4)晶闸管其它导通情况241.3.2晶闸管的基本特性1.晶闸管的静特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第I象限是正向特性,第III象限是反向性URSM——反向不重复峰值电压URRM——反向重复峰值电压UDRM——正向重复峰值电压UDSM——正向不重复峰值电压Ubo——正向转折电压IH——维持电流IG——门极触发电流25正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMIG=0时,器件两端施加正向电压,正向阻断状态,只有很小的正向漏电流流过,正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通导通期间,如果门极电流为零,并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下,则晶闸管又回到正向阻断状态.IH称为维持电流晶闸管上施加反向电压时,伏安特性类似二极管的反向特性。26100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.晶闸管的动态特性开通时间:tgt=td+trtd=0.5-1.5str=0.5-3s关断时间:tq=trr+tgr约几百微秒Td延迟时间；tr上升时间；trr反向阻断恢复时间；tgr正向阻断恢复时间tgttq？271.3.3晶闸管的主要参数1.电压定额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.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.通态(峰值)电压UTM-晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压.28通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压.选用时,额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2-3倍292.电流定额（1）通态平均电流IT(AV)—晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值1）计算实际波形的有效值2）根据有效值相等的原则,计算出定义波形下的平均值3）将计算值乘以1.5或2,即为所选晶闸管的电流定额使用时应按实际电流(非正弦波)与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管,因此要进行相应的换算选择使应留一定的裕量,一般取换算结果的1.5-2倍0)()(sin21MMAVTIttdII2)()sin(2102MMItdtII根据通态平均电流IT(AV)的定义,当电流的峰值为IM时20IMIT(AV)t3031而对于某一不是半波导通的电流波形，其有效值与平均值的比值为仅称为波形系数Kf57.12/2/)(0MMAVTfIIIIK例如,一只额定电流IT(AV)=100A的晶闸管,在定义规定的半波导通的工况下，允许通过的电流有效值为I=157A在IT(AV)的定义下，即电流为半波时，有效值与平均值的比值为称为波形系数Kf0322/2)(sin21MMdIttdII22)()sin(212/2MMItdtII22.22dfIIK例:通过晶闸管的实际波形如图,求其电流平均值Id,电流有效值I,波形系数Kf.当不考虑安全裕量时,求选择晶闸管的电流定额20IMIT(AV)2/t33所谓有效值相等的原则，就是针对某一特定波形，当该波形的有效值与半波导通波形的有效值相等，求该电流平均值。上例中，根据电流有效值相等的原则，先计算波形的有效值I，然后将该有效值I作为到正弦半波电流的有效值，再计算正弦半波的平均值：44.457.122/0)(MMfAVTIIKII此例中,如果选用电流定额为100A的晶闸管,如果不考虑裕量，那么实际允许的平均电流是多少？所以，对于上述电流波形，当不考虑安全裕量时,选择晶闸管的电流定额为IM/4.4434特定波形下,导通角θ不同,平均值与有效值关系也不一样,波形系数与定义情况下有所不同,θ越小波形系数越大,电流平均值Id、有效值I、波形系数Kf具有如下关系:I=KfId选择原则为:使实际电流波形的有效值等于定义波形(半波)的有效值I=Kf0Id=1.57IT(AV)。如选择的晶闸管电流定额IT(AV)=100A，则I=157A，则上例中Id=I/Kf=157/Kf=157/2.22=71A35(4)浪涌电流ITSM:指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流.(2)维持电流IH:使晶闸管维持导通所必需的最小电流,一般为几十到几百毫安,与结温有关,结温越高则IH越小.(3)擎住电流IL:晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说,通常IL约为IH的2-4倍.36(1)断态电压临界上升率du/dt.指在额定结温和门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率.3.动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外,还有:(2)通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率.371.3.4晶闸管的派生器件1.快速晶闸管（FST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管,有快速晶闸管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进,开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善普通晶闸管