学习情境二+电力电子器件及其驱动保护+(2)知识讲解

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1、1,电力电子技术 Power Electronics,帅海燕 2012.2.,2,学习情境二 电力电子器件及其驱动保护,2.1 电力电子器件概述 2.2 电力二极管 2.3 晶闸管（SCR） 2.4 门极关断晶闸管（GTO） 2.5 电力晶体管（GTR） 2.6 电力场效应晶体管（MOSFET） 2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 2.8 GTO、GTR、MOSFET、IGBT驱动与保护,3,2.1.1 概念 2.1.2 同处理信息的电子器件相比一般特征 2.1.3 电力电子器件的分类,2.1 电力电子器件概述,5,2.1.2 同处理信息的电子器件相比的一般特征,能处理电功率的能力，一般远大

2、于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路（驱动电路）来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。,6,电力电子器件的损耗,通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。,2.1.2 同处理信息的电子器件相比的一般特征,7,2.1.3 电力电子器件的分类,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类,半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如晶闸管及其大部分派生器件 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

3、断器件。GTO，MOSFET，IGBT 不可控器件(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。如电力二极管,8,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,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。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制型电力电子器件。如晶闸管，GTO，MCT，IGCT。 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的控制。这类电力电子器件称为电压驱动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或场效应器件。如MOSFET，IGBT,2.1.3 电力电子器件的分类,9,

4、按照载流子参与导电的情况，分为三类：,单极性器件（MOSFET，SIT） 有一种载流子参与导电。 双极性器件（电力二极管，晶闸管，GTO，GTR，SITH） 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件 复合型器件（IGBT，MCT，IGCT） 由单极性器件和双极性器件集成混合而成的器件,2.1.3 电力电子器件的分类,10,2.2 电力二极管,2.2.1 PN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 2.2.5 电力二极管命名,11,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,Power Diode结构和原理简单，工

5、作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。 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。,12,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,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。,图2-1 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,阳极,阴极,13,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的状态,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿（高

6、压） 齐纳击穿（低压） 两种击穿均可能导致热击穿,14,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,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。,15,2.2.2 电力二极管的基本特性,主要指其伏安特性 门槛电压UTO，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。,1) 静态特性,图2-2 电力二极管的伏安特性,16,2.2.2

7、电力二极管的基本特性,2) 动态特性 二极管的电压-电流特性随时间变化的特性 一般专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。,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。,图2-3 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,t0,PN结,2.2.3 电力二极管的主要参数,1) 额定电流（正向平均电流）IF(AV),电力二极管的正向平均电流I F(AV)是指在规定的管壳温度和散热条件下允许通

8、过的最大工频半波电流的平均值, 元件标称的额定电流就是这个电流。,F,式中的系数1.52是安全系数,电流的有效值：,波形系数Kf：,额定电流（平均值）为：,实际应用中，额定电流一般选择为,正弦半波电流的波形系数Kf：,18,例: 下图为流过在电力二极管的电流波形。试计算该电流波形的平均值、有效值、波形系数。若取安全系数为2，求额定电流为100A的晶闸管实际允许通过的平均值和最大值是多少？,在给定晶闸管的额定电流之后，任意波形的实际允许电流平均值为,19,2.2.3 电力二极管的主要参数,2）正向平均电压UF,在指定的管壳温度和散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均值电流时，元件阳极和

9、阴极之间的电压平均值，取规定系列级别称为，简称管压降，一般在0.451V之间 3）（额定电压）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。通常为击穿电压UB的三分之二。 使用时，若电力二极管所承受到的最大反向瞬时值电压UDM，则其额定电压一般选择为 URRM=（23） UDM 思考题：实际电路中反向最高峰值电压为200V，选择二极管的 URRM是多少？ 4）反向恢复时间trr trr= td+ tf,20,2.2.3 电力二极管的主要参数,5）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。 T

10、JM通常在125175C范围之内。 6) 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。,21,2.2.4 电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。,1) 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路。 其反向恢复时间较长，一般为5微秒以上。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 额定电流达数千安培,额定电压达数千伏以上。,22,2.2.4 电力二极管的主要类型,2) 快恢复二极管 （Fast Reco

11、very DiodeFRD）,简称快速二极管 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,23,2.2.4 电力二极管的主要类型,3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。,肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以

12、下。 反向漏电流较大且对温度敏感，故反向稳态损耗不能忽略，且必须严格地限制其工作温度。 肖特基二极管的优点 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。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管（效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。,24,2.2.5 电力二极管命名,25,2.3 晶闸管（SCR）,2.3.1 引言 2.3.2 晶闸管的结构与工作原理 2.3.3 晶闸管的基本特性 2.3.4 晶闸管的主要参数 2.3.5 晶闸管的派生器件,26,2.3.1 引 言,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Cont

13、rolled RectifierSCR）,1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 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。,27,2.3.2 晶闸管的结构与工作原理,1)晶闸管的结构,图2-4 晶闸管的外形a）d），电气图形符号e），结构f）,外形有塑封型，螺栓型和平板型三种封装。 有三个联接端。 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。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。,2

14、8,2.3.2 晶闸管的结构与工作原理,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,29,2.3.2 晶闸管的结构与工作原理,2) 晶闸管的工作原理,按晶体管的工作原理 ，得：,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 ：,（2-5）,图2-5 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,30,2.3.2 晶闸管的结构与工作原理,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

15、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。,31,2.3.2 晶闸管的结构与工作原理,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（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,32,2.3.3 晶闸管的基本特性,晶闸管正常工作时的特性总结如下：,承受反向电压时，不论门极是否

16、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以下 。,33,2.3.3 晶闸管的基本特性,1） 静态特性,（1）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。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。,图2-6 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,34,2.3.3 晶闸管的基本特性,（2）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。,图2-7 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,35,2.3.3 晶闸管的基本特性,(1) 开通过程 延迟时间td (0.51.5s) 上升时间tr (0.53s) 开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr td与门极电流有关， tr 与晶闸