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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 功率二极管 2.3 晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件,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的一些问题,简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等,本章主要内容：,电力电子器件,电力电子技术的基础,电子器件：晶体管和集成电路,电力电子器件,电子技术的基础,2.1 电力电子器件的概述,2.1.1电力电子系统组成 2.1.2电力电子器件的概念和特征 2.1.3 电力电子器件的分类,一. 电力电子系统组成,电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路及缓冲保护电
2、路）组成,图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,锁闭电路,二. 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念 电力电子器件（power electronic device）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 主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路,电力电子器件的特征电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅),能处理的电功率大，即器件承受电压和电流的能力大。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 为保证不致于
3、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。,电力电子器件的特征,主 要 损 耗,通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降,断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,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,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,电力电子器件的损耗,三. 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，分为以下三类：,半控型器件,绝缘栅双极晶体管（
4、Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（Power-MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）,3）不可控器件,功率二极管（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。,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。,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：,按照器件内
5、部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：,1) 电流驱动型,1) 单极型器件,电力电子器件的分类,2) 电压驱动型,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) 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,2.2 功率二极管,2.2.1 功率二极管的结构与原理 2.2.2 功率二极管的基本特性 2.2.3 功率二极管的主要类型,一. 功率二极管结构与原理,结构、符号与外形基本结构和工作原理与信息电子电路中的二
6、极管一样，以半导体PN结为基础，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，主要有塑封、螺栓型和平板型三种封装,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,工作原理 PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。 PN结的反向截止状态PN结的单向导电性。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。,功率二极管结构与原理,二. 功率二极管的基本特性,静态伏安特性,图2-3 功率二极管的伏安特性,当功率二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO)，
7、正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的功率二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当功率二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,三. 功率二极管的主要类型,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（Fast Recovery DiodeFRD）,功率二极管的主要类型,恢复过程
8、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。 工艺上多采用了掺金措施、改进的PiN结构等,2.3 晶闸管,2.3.1 晶闸管及其工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件,晶闸管（Thyristor）：硅晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 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
9、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 能承受的电压和电流容量大，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件,一. 晶闸管及其工作原理,1.晶闸管外型、结构及符号,外形有塑封式、螺栓型和平板型三种封装形式 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，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,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,2.晶闸管的工作原理,门级控制开通
10、原理,IG Ib2IC2=Ib1IC1 -,形成正反馈工作过程，很快使两个晶体管都转为饱和导通状态，晶闸管开通。晶闸管开通后门级失去控制作用。,当S闭合，形成门级电流,触发导通：如果晶闸管阳极电压UAK为正值，且注入足够的门极电流，从而使器件进入饱和导通，称为晶闸管的触发导通； 触发导通条件： UAK0，UGK0，并有足够的触发功率； 一旦器件导通，门极电流就不再具有控制作用。因此，门极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。,晶闸管触发导通,阻断特性 正向阻断IG=0，UAK为正， 反向阻断UAK为负，,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,晶闸管的工作原理,正向转
11、折现象 Ic1=1 IA （1-1） Ic2=2 IK （1-2）IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 + Ic0 （1-4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的电流增益，随射级电流变化而变化。 Ic0 是漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5）,晶闸管的工作原理,晶闸管的工作原理,当：IG =0时 1和2很小 IA=IKIC0 正向阻断当UAK IC0 1、2IA当1+2 1 时 IA急剧增大当UAK达到某一电压，使晶闸管由阻断状态转为导通状态，称为正向转折现象 正向转折现象虽然不会损坏器件，但属于失控，使用中要避免,晶闸管的工作原理,晶闸管的关断由式：当： 1+2
12、1，晶闸管便可恢复关断。 维持电流：能维持晶闸管导通的最小电流称为维持电流 IH 使主电路电流 IA IH 可实现关断,自然关断：在导通期间，如果要求器件返回到正向阻断状态，必须令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下，并保持一段时间。 强迫关断：通过加一反向电压UAKIG1IG,二. 晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性,1) 正向特性 IG=0时，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。,
13、晶闸管的伏安特性,晶闸管的伏安特性,1) 正向特性 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 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。,晶闸管的伏安特性,2) 反向特性 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。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,晶闸管的伏安特性,晶闸管的伏安特性,动态特性,晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的基本特性,IG,1) 开通过程 延迟时间td：门极电流阶跃时刻
14、开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。 开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6） 普通晶闸管延迟时为 0.51.5s， 上升时间为 0.53s。 普通晶闸管开通时间 约：5 s,晶闸管的开通和关断过程波形,动态特性,2) 关断过程 反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,晶闸管的开通和关断过程
15、波形,动态特性,1. 电压定额,三. 晶闸管的主要参数,在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的最大正向峰值电压。,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。, 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的最大反向峰值电压。,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。,1) 断态重复峰值电压UDRM,2) 反向重复峰值电压URRM,3) 通态（峰值）电压UTM,2. 电流定额 1) 通态平均电流 ITa 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在一个周期内的平均值，称为晶闸管的额定电流。该参数是按照正向电流造成器件本身的通态发热效应来定义的。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。应留一定的裕量，一般取1.52倍。 整流二级管有类似定义：正向平均电流,
