电力电子基础第二讲.

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1、电力电子基础 Fundamental Power Electronics 第二讲 电力电子器件 东南大学电气工程学院 2007 1第二讲 电力电子器件 本讲要点 电力电子器件概述 不可控器件电力二极管 半控型器件晶闸管 典型全控型器件 其他新型电力电子器件 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使用 2第二讲 电力电子器件 1.电力电子器件概述 n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 n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（Main Power Circuit）中，用 于实现电能的变换。

2、因此又可称为电力电子开关 器件（Power Electronic Switching Device） 3第二讲 电力电子器件 电力电子器件主要特征 n和理想开关相比，电力电子器件的主要区别 存在损耗： 导通时存在导通压降von，导致通态损耗Pon 阻断时有微小的漏电流，有断态损耗Poff，通常可忽略 开通需要时间ton，且存在开通损耗 关断需要时间toff，且存在关断损耗 器件在一定温度范围内正常工作 电应力限制： 器件只能承受一定电压和电流 器件只能承受一定的电压上升率du/dt、电流上升率di/dt 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

3、能、隔离等要求 n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 4第二讲 电力电子器件 电力电子器件的分类 n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(Power Diode) 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, POWER MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT 等 n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

4、动：MOSFET、IGBT、MCT 等 光控型驱动 n依载流子分类 单极型(Unipolar) 双极型(Bipolar) 复合型(Complex) 电力电子器件分类树 5第二讲 电力电子器件 电力电子器件的分类 n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 High Voltage IC、智能功率 集成电路SPIC Smart Power IC、智能功率模 块IPM Intelligent Power Module等 6第二讲 电力电子器件 2.不控器件-电力二极管 nP

5、N结与电力二极管的工作原理 n电力二极管的基本特性 n电力二极管的主要参数 n电力二极管的主要类型 整流二极管及模块 7第二讲 电力电子器件 电力二极管工作原理 n基本结构和工作原 理与信息电子电路 中的二极管一样。 n由一个面积较大的 PN结和两端引线以 及封装组成的。 n从外形上看，主要 有螺栓型和平板型 两种封装。 A K AK a) I KA PN J b) c) AK 电力二极管 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 8第二讲 电力电子器件 电力二极管工作原理 nPN结单向导电性 nPN结的反向击穿 nPN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

6、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。 状态 参数 正向导通反向截止反向击穿 电流正向大几乎为零反向大 电压0.41.2V反向大反向大 阻态 低阻态高阻态 9第二讲 电力电子器件 电力二极管基本特性 n 静态特性-伏安特性 p门槛电压UTO0.5V, 正向电流IF开始明显 增加所对应的电压。 p与IF对应的电力二极 管两端的电压即为其 正向电压降UF 。 p承受反向电压时，只 有微小而数值恒定的 反向漏电流。 I O IF U TO U F U URRM IRRM 反向漏电流 10第二讲 电力电

7、子器件 电力二极管基本特性 n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) F U F tFt0 trr tdtf t1t2t U R U RP IRP diF dt diR dt b) U FP u i iF uF tfrt0 2V 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= t

8、2- 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 11第二讲 电力电子器件 电力二极管的主要技术参数 n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=1.57 IF(AV)来选取电流定额， 并应留有一定的裕量。 n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。 n反向重复峰值电压URRM：对电力二极管所能

9、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。 12第二讲 电力电子器件 电力二极管的主要技术参数 n反向恢复时间trr： trr= td+ tf n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125175C范围之内。 n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。 13第二讲 电力电子器件 电力二极管的主要类型 n普通二极管(General Purpose Diode): 又称整流二极管(Rectifier Diode),用于开关频率不高(1kHz以下

10、)电路中。 其反向恢复时间较长，一般在5s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 n快恢复二极管(Fast Recovery DiodeFRD) 反向恢复过程很短(5s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2030ns 快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED)，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 n肖特基二极管(Schottky Barrier Diode SBD) 反向耐压等级低，多用于200V以

11、下，反向漏电流较大且对温度敏感 反向恢复时间很短（1040ns），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 14第二讲 电力电子器件 3.半控器件-晶闸管 n晶闸管的结构与工作原理 n晶闸管的基本特性 n晶闸管的主要参数 n晶闸管的派生器件 15第二讲 电力电子器件 晶闸管结构与工作原理 n晶闸管(Thyristor): 又称SCR (Silicon Controlled Rectifier) 。 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

12、板型两种封装。 n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。 n平板型晶闸管可由两个散热器将 其夹在中间。 有三个联接端。有控制用门极。 晶闸管 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 16第二讲 电力电子器件 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 17第二讲 电力电子器件 晶闸管的工作原理 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 n 按晶体管的工作原理 ，得： （1-2） （1-

13、1） （1-3） （1-4） （1-5） 18第二讲 电力电子器件 晶闸管的工作原理 n基本工作原理分析： 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 。 开通状态：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，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。 n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

14、晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。 19第二讲 电力电子器件 晶闸管的基本特性 n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。 n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。 n晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 n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 。 20第二讲 电力电子器件 晶闸管的静态特性 n 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

15、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。 n 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+U A - U A -I A IA IH IG2IG1IG =0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 21第二讲 电力电子器件 晶闸管的动态特性 n 开通过程 延迟时间td (0.51.5s) 上升时间tr (0.53s) 开通时间tgt=td+ tr n 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% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 晶闸管的开通和关断过程波形 22第二讲 电力电子器件 晶闸管的主要技术参数 电压定额 n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。 n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。 n通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某