第2章电力电子器件1

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典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6电力电子器件的驱动2.7电力电子器件的保护2.8电力电子器件的串联和并联使用本章小结第2章电力电子器件的概述2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.2.4本章内容和学习要点2.1电力电子器件的概念和特征2.1.1电力电子电路的基础——电力电子器件1.概念:电力电子器件（powerelectronicdevice）——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主电路（mainpowercircuit）——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.广义上分为两类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件(采用的主要材料仍然是硅)3.同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：①能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。②电力电子器件一般都工作在开关状态。③实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。④为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。电力电子器件的概念和特征2.1.1应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动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图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成2.1.2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，分为以下三类：1)半控型器件2.1.3绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3)不可控器件电力二极管（PowerDiode）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。按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：1)电流驱动型电力电子器件的分类2.1.32)电压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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)复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件本章内容和学习要点•本章内容:–介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择–简述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。•学习要点:–最重要的是掌握其基本特性–掌握电力电子器件的参数和特性曲线的使用方法。2.1.4不可控器件—电力二极管2.2.1PN结与电力二极管的工作原理2.2.2电力二极管的基本特性2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型2.2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。不可控器件—电力二极管PowerDiode2.2PN结与电力二极管的工作原理从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装AKAKa)IKAPNJb)c)图2-2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2.2.1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。电力二极管的基本特性1.静态特性主要指其伏安特性IOIFUTOUFU图2-4电力二极管的伏安特性2.2.1门槛电压－UTO2.动态特性电力二极管的基本特性2.2.2动态特性关断过程：开关特性•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。•在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。•反映通态和断态之间的转换过程•因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。电力二极管的基本特性开通过程：2.动态特性（续）2.2.2b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图2-5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主要参数1.正向平均电流IF(AV)额定电流——在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小2.2.32.正向压降UF指电力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有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降电力二极管的主要参数2.2.33.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3电力二极管的主要类型1.普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上（8000V/5000A/400Hz）。2.2.42.快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管（6000V/1200A/1000Hz）.3.肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）严格限制其工作温度反向恢复时间很短（10~40ns）目前水平（1000V/100A/200kHz）电力二极管的主要类型2.2.4目前的研制水平为:普通整流管（8000V/5000A/400Hz）；快恢复整流管（6000V/1200A/1000Hz）；肖特基整流管（1000V/100A/200kHz）。半控器件—晶闸管2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件2.3晶闸管（Thyristor）：又称晶体闸流管，可控硅整流器•1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管•1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品•1958年商业化•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半控器件—晶闸管2.3晶闸管的结构与工作原理2.3.11、晶闸管的外形外形：塑封式（I≤40A）螺栓式（I≤200A）平板式（I200A）图2-1晶闸管的外形与结构三端（A、K、G）器件A－阳极K－阴极G－门极2、晶闸管的散热图2-2晶闸管的散热a)自冷b)风冷c)水冷晶闸管的结构与工作原理2.3.1内部结构：管芯四层半导体（P1N1P2N2）三个PN结J1、J2、J33、晶闸管的内部结构图2-3晶闸管的内部结构RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的结构与工作原理2.3.1图2-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理强烈的正反馈过程：Ic1=1IA+ICBO1（2-1）Ic2=2IK+ICBO2（2-2）IK=IA+IG（2-3）IA=Ic1+Ic2（2-4）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（2-1）~（2-4）可得（2-5）RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-7晶闸管的双晶体管模型工作原理)(121CBO2CBO1G2AIIII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。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。开通（门极触发）：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（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。晶闸管的结构与工作原理2.3.1其他几种可能导通的情况：•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，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。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晶闸管的结构与工作原理2.3.1晶闸管的基本特性晶闸管正常工作时的特性如下：1)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。2)承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。4)要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。2.3.2阳极阴极进水端出水端门极进水端带阀门的水管J1J2J3阀1阀2阀3晶闸管的伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图2-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管的基本特性2.3.21.静态特性2.动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图2-9晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性2.3.21)开通过程tgt=td+tr（2-6）普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。普通晶闸管的开通时间约几个微秒。普通晶间管的开通时间在6s左右，快速晶闸管可达1s。晶闸管的基本特性2.3.22)关断过程关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr（2-7）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。在中频或高频时，必须选用快速晶闸管，其关断时间可缩短1s。1.电压定额晶闸管的主要参数2.3.3——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。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。——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。——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。1)断态重复峰值电压UDRM2)反向重复峰值电压URRM3)通态（峰值）电压UTM晶闸管的主要参数2.电流定额2.3.3——晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，结温不超过额定结温时，器件在电阻负载时所允许流过的最大工频正弦半波（导通角不小于170）电流的平均值，将此值靠取相近电流等级即为其额定电流。1)通态平均电流IT(AV)ti0限制晶闸管最大电流的是温度！在实际使用时，不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITm=ITn，散热冷却符合规定，则晶闸管的发热与温升就能限制在允许的范围。波形系数：晶闸管的主要参数2.3.32.电流定额ti0Imπ2π在额定状态下，电流波形系数为：晶闸管的主要参数2.3.32.电流定额2.电流定额晶闸管的电流过载能力极小，在选用时要考虑（1.5～2）裕量——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，