电力电子技术讲义概要课件

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1、第2章 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 功率集成电路与集成电力电子模块,第2章 电力电子器件,概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。,本章主要内容：,电力电子电路的基础 电力电子器件,模拟和数字电子电路的基础晶体管和集成电路等电子器件,引言,2.1电力电子器件概述,电力电子器件可直接用于处理电能的主电路中，实现电能变换或控制的电子器件。 主电路电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制

2、任务的电路。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前专指电力半导体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,(1) 电力电子器件的概念,1）其处理电功率的能力一般都远大于处理信息的电子器件。,(2) 电力电子器件的特征,2）为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。,3）实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。,4）自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件

3、，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。,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,主 要 损 耗,通态损耗：,断态损耗：,开关损耗：,开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗,关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗,对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而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，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素,导通时器件上有一定的通态压降,阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,电力电子器件的损耗,2.1.1

4、 电力电子器件的概念和特征,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。,图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,电气隔离,控制电路 控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能 。,2.1电力电子器件概述,2.1.2 应用电力电子器件系统组成,(1) 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：,半控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电

5、力场效应晶体管（电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）,不可控器件,电力二极管（Power Diode） 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,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。,2.1.3 电力电子器件的分类,2.1电力电子器件概述,(2)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,2) 电

6、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,2.1.3 电力电子器件的分类,(3)按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。 电平控制型 必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。,(4)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

7、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,2.1.3 电力电子器件的分类,电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得 应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二 极管仍然大量应用于许多电气设备当中。 在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基 二极管，具有不可替代的地位。,整流二极管及模块,2.2不可控器件电力二极管,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),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不可控器件电力二极管,

8、ZP电流电压/100 ,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,二极管的基本原理PN结的单向导电性 当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。 当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破

9、坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。 按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。,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。,图1-4 电力二极管的伏安特性,1) 静态特性,2.2不可控器件电力二极管,2.2.2 电力二极管的基本特性,主要指其伏安特性,当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定

10、导通状态。,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IF(AV)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。,2. 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。 3. 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。 额定电压往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。,2.2.3 电力二极管的主要参数,2.2不可控器件电力二极管,1. 普通二极管

11、又称整流二极管（Rectifier Diode）； 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中； 其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要； 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。,2. 快恢复二极管 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,3. 肖特基二极管 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

12、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 。 弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；,2.2.4 电力二极管的主要类型,2.2不可控器件电力二极管,2.3半控型器件晶闸管,引言,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。,1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）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年商业化开辟

13、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，开始被性能更好的全控型器件取代 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。,2.3半控型器件晶闸管,(1) 常用晶闸管的外形,外形有螺栓型和平板型两种封装 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体结构。,图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,b),c),A,G,K,K,G,A,P,1,N,1,P,2,N,2,J,

14、1,J,2,J,3,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,A,A,G,G,K,K,a),A,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管,2.3半控型器件晶闸管,(2) 常用晶闸管的外形,晶闸管是内部是PNPN四层半导体结构,具有三个PN结。,P1,P2,N1,N2,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,A,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,K,G,EA 0、EG 0,EG,晶闸管导通后，去掉EG ，依靠正反馈，仍可维持导通状态。,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,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

15、流。由以上式可得 ：,图1-7 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,按晶体管的工作原理 ，得：,（1-5）,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,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。,（1-5）,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,除门极触发外其他几种可能导通的情况： 阳极电

16、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,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。,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）,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管导通的条件(1、2同时满足)：,1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,使流过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定的维持电流。, 减小阳极电压 增大负载电阻 加反向阳极电压,1)晶闸管正常工作时的特性,关断实现的方式：,维持晶闸管导通的条件： 保持流过晶闸管