电力电子基础2

第二讲电力电子器件1电力电子基础FundamentalPowerElectronics第二讲电力电子器件东南大学电气工程学院2008第二讲电力电子器件2本讲要点1.电力电子器件概述2.不可控器件——电力二极管3.半控型器件——晶闸管4.典型全控型器件5.其他新型电力电子器件6.电力电子器件的驱动7.电力电子器件的保护8.电力电子器件的串联和并联使用第二讲电力电子器件31.电力电子器件概述„理想的开关…导通时，电流按箭头流动…导通零电阻，因此零损耗…瞬时开通、关断…耐压、耐流能力无限„电力电子器件：由硅为主要材料制作的电子开关，直接用于主电路（MainPowerCircuit）中，用于实现电能的变换。因此又可称为电力电子开关器件（PowerElectronicSwitchingDevice）第二讲电力电子器件4电力电子器件主要特征„和理想开关相比，电力电子器件的主要区别1.存在损耗：1.导通时存在导通压降von，导致通态损耗Pon2.阻断时有微小的漏电流，有断态损耗Poff，通常可忽略3.开通需要时间ton，且存在开通损耗4.关断需要时间toff，且存在关断损耗5.器件在一定温度范围内正常工作2.电应力限制：1.器件只能承受一定电压和电流2.器件只能承受一定的电压上升率du/dt、电流上升率di/dt3.驱动的要求：受控器件的开通与关断需要专门的驱动电路才能实现以满足门极驱动对电压、电流、耗能、隔离等要求„具体使用时，必须保证电力电子器件的上述工作参数在合理的范围之内，尽可能接近理想开关散热器缓冲电路第二讲电力电子器件5电力电子器件的分类„依控制特性将器件分类：…不控型：不能用控制信号来控制其通断,不需要驱动电路，如功率二极管(PowerDiode)…半控型：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，如Thyristor（或称SCR）…全控型：通过控制信号既可控制其导通和关断，又称自关断器件，如GTR,POWERMOSFET,IGBT,GTO,IGCT,MCT等„依驱动信号的类型将器件分类…电流型控制：GTR、SCR、GTO等…电压型驱动：MOSFET、IGBT、MCT等…光控型驱动„依载流子分类…单极型(Unipolar)…双极型(Bipolar)…复合型(Complex)MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（（GTR电力电子器件分类树第二讲电力电子器件6电力电子器件的分类„依器件的其他特性标准划分…依据器件等级：如功率大小、开关速度、耐压高低等…依材料种类：如硅、碳化硅等…依封装和集成方式：如分立、模块、高压集成电路HVIC－HighVoltageIC、智能功率集成电路SPIC－SmartPowerIC、智能功率模块IPM－IntelligentPowerModule等第二讲电力电子器件72.不控器件-电力二极管„PN结与电力二极管的工作原理„电力二极管的基本特性„电力二极管的主要参数„电力二极管的主要类型整流二极管及模块第二讲电力电子器件8电力二极管工作原理„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。AKAKa)IKAPNJb)c)AK电力二极管a)外形b)结构c)电气图形符号第二讲电力电子器件9电力二极管工作原理„PN结单向导电性„PN结的反向击穿„PN结的电容效应…PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。…结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。…电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。——高阻态低阻态阻态反向大反向大0.4～1.2V电压反向大几乎为零正向大电流反向击穿反向截止正向导通状态参数第二讲电力电子器件10电力二极管基本特性„静态特性-伏安特性‡门槛电压UTO0.5V,正向电流IF开始明显增加所对应的电压。‡与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。‡承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFUURRMIRRM反向漏电流第二讲电力电子器件11电力二极管基本特性„动态特性:…关断过程：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。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。…开通过程：正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降值。电流上升率越大，UFP越高。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtb)UFPuiiFuFtfrt02V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延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf正向恢复时间：tfr恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。反向恢复电流第二讲电力电子器件12电力二极管的主要技术参数„正向平均电流IF(AV)：…额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。…IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则(有效值=1.57IF(AV))来选取电流定额，并应留有一定的裕量。„正向压降UF：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。„反向重复峰值电压URRM：对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时应当留有两倍的裕量。第二讲电力电子器件13电力二极管的主要技术参数„反向恢复时间trr：…trr=td+tf„最高工作结温TJM：…结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。…TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。…TJM通常在125~175°C范围之内。„浪涌电流IFSM：指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。第二讲电力电子器件14电力二极管的主要类型„普通二极管(GeneralPurposeDiode):…又称整流二极管(RectifierDiode),用于开关频率不高(1kHz以下)电路中。…其反向恢复时间较长，一般在5μs以上…正向电流定额可达数千安以上，反向电压定额可达数千伏以上„快恢复二极管(FastRecoveryDiode—FRD)…反向恢复过程很短(5μs以下)的二极管。快速恢复等级-反向恢复时间为数百纳秒或更长，超快速恢复则在100ns以下，甚至达到20~30ns…快恢复外延二极管(FastRecoveryEpitaxialDiodes—FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50ns)，正向压降也很低(0.9V左右)，但其反向耐压多在400V以下„肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode—SBD)…反向耐压等级低，多用于200V以下，反向漏电流较大且对温度敏感…反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲…在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管…其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高第二讲电力电子器件153.半控器件-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„晶闸管的派生器件第二讲电力电子器件16晶闸管结构与工作原理„晶闸管(Thyristor):又称SCR(SiliconControlledRectifier)。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…外形有螺栓型和平板型两种封装。„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。散热效果差，用于200Ａ以下容量的元件。„平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。散热效果好，用于200Ａ以上的元件…有三个联接端。有控制用门极。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶闸管a)外形b)结构c)电气图形符号第二讲电力电子器件17常用晶闸管结构与外观螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第二讲电力电子器件18晶闸管的工作原理式中α1和α2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。由以上式可得：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„按晶体管的工作原理，得：111CBOAcIII+=α222CBOKcIII+=αGAKIII+=21ccAIII+=（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2Aααα+−++=IIII（1-5）第二讲电力电子器件19晶闸管的工作原理„基本工作原理分析：…在低发射极电流下α是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。…阻断状态：IG=0,α1+α2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。…开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大（正反馈）以致α1+α2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA由外电路决定。„几种可能导通的情况：…阳极电压升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）。…只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。第二讲电力电子器件20晶闸管的基本特性„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。„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。„晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。„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（约几十毫安）以下。第二讲电力电子器件21晶闸管的静态特性„正向特性…IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。…正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”，一般不允许硬开通。…随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管导通压降很小，在1V左右。„反向特性…反向特性类似二极管的反向特性。…反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。…当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第二讲电力电子器件22晶闸管的动态特性„开通过程…延迟时间td(0.5~1.5μs)…上升时间tr(0.5~3μs)…开通时间tgt=td+tr„关断过程…反向阻断恢复时间trr…正向阻断恢复时间tgr…关断时间tq=trr+tgr…普通晶闸管的关断时间约几百微秒100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形第二讲电力电子器件23晶闸管的主要技术参数电压定额„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UT—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。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，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。注意事项：第二讲电力电子器件24晶闸管的主要技术参数电流定额„通态平均电流IT(AV）—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。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。„维持电流IH—使晶闸管维持导通所必需的最小电流。„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。„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