《{电气工程管理}第1章电力电子器件1湖南大学电气院)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《{电气工程管理}第1章电力电子器件1湖南大学电气院)（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电力电子技术,第1章 电力电子器件,电力电子器件的概念及分类,电力电子器件的发展历史,半控型电力电子器件晶闸管,1.1 电力电子器件概念,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,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,一、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,二、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）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） （2）全控型器件通过控制信号既可
2、控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件（MOSFET、IGBT） （3）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）,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,1.2 电力电子器件的发展历史,1957年发明晶闸管,全控型器件 GTO GTR MOSFET,复合型器件 IGBT IGCT MCT,
3、集成功率电路 PIC HVIC IPM,1.3 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,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,一、晶闸管的结构与工作原理,a)外形 b)结构 c)电气符号图,1.晶闸管的结构,2.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
4、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,2.1晶闸管的导通实验,2.2晶闸管的通、断规律,当晶闸管承受阳极反向电压时，无论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态,当晶闸管承受阳极正向电压时，仅在门极承受正向电压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可,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一定数量以下,当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力,a) 双晶体管模型 b)
5、 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。,2.3晶闸管的工作原理,晶闸管的导通可以用双晶体（P1N1P2和N1P2N2）模来解释。当门极注入电流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，撤除门极注入电流，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
6、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。,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 （1-5） 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。,晶闸管的工作方程 Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2） IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 （1-4）,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
7、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之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 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,2.4晶闸管其它导通情况,二、晶闸管的基本特性,1. 晶闸管的静特性,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,IG=0时
8、，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,随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿,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,2.晶闸管的动态特性,开通时间：tgt=td+tr td ：0.51.5s， tr ：0.53s,关断时间： tq=trr+tgr 约几百微秒,三、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
9、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。,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23倍,2.电流定额,（1）通态平均电流 IT(AV) 晶闸管在环境温度为40C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,使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，
10、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1.52倍,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,有效值与平均值的比值称为波形系数Kf,例如，对于一只额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，允许通过的电流有效值为157A,根据通态平均电流IT(AV)的定义，当电流的峰值为IM时,根据电流有效值相等的原则计算规定波形下通过晶闸管的平均流,如果选用电流定额为100A的晶闸管，那么实际允许的平均电流是多少？,例：通过晶闸管的实际波形如右图， 求此波形的电流平均值Id,电流有效值Ia，波形系数Kf
11、。当不考虑安全裕量时，求选择晶闸管的电流定额,(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24倍。,(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
12、 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,四、晶闸管的派生器件,1.快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST),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,普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右,高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高,由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应,双向晶闸管的电气符号和伏安特性,2.双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectio
13、nal triode thyristor）,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，有两个主电极T1和T2，一个门极G，正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,3.逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,逆导晶闸管的电气符号和伏安特性,将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件； 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点； 逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流,4.光控晶闸管（Light Tri
14、ggered ThyristorLTT）,光控晶闸管的电气符号和伏安特性,又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位,图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号,外形,结构,电气图形符号,返回,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,双晶体管模型,工作原理,返回,图1-8 晶闸管的伏安特性,IG2IG1IG,返回,图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形,返回,图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性,电气图形符号,伏安特性,返回,图1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性,电气图形符号,伏安特性,返回,图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性,电气图形符号,伏安特性,返回,
