修改稿 第1章 电力电子器

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1、第1章 电力电子器件,一 、 电力电子器件的基本模型 二 、电力二极管 三、晶闸管 四、典型全控型器件 1、门极可关断晶闸管 2 、 电力晶体管 3 、电力场效应晶体管 4 、 绝缘栅双极型晶体管 5 、其它新型电力电子器件 五、电力电子器件的驱动与保护,一、电力电子器件的基本模型,电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。 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，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器

2、件。,一、 电力电子器件的 基本模型,在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图1.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。,图1.1.1 电力电子器件的理想开关模型,1、基本模型：,2 电力电子器件的种类,(一) 按器件的开关控制特性可以分为以下三类： 不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管（Power Diode）； 半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控

3、制其关断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等； 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的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型 晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。,(二)电力电子器件按控制信号 的性质不同又可分为两种：, 电流控制型器件： 此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。 如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管等；, 电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控制,

4、它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。 如：代表性器件为 MOSFET管和IGBT管。,附表1.1.1:主要电力半导体器件 的特性及其应用领域,第1章 电力电子器件,一 、 电力电子器件的基本模型 二 、电力二极管 三、晶闸管 四、典型全控型器件 1、门极可关断晶闸管 2 、 电力晶体管 3 、电力场效应晶体管 4 、 绝缘栅双极型晶体管 5 、其它新型电力电子器件 五、电力电子器件的驱动与保护,二、 电力二极管,1 电力二极管及其工作原理 2 电力二极管的特性与参数,1 电力二极管及其工作原理,（一）电力二极管： （1）电力二极管（Power Diode

5、）也称为半导体整流器（Semiconductor Rectifier，简称SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。 （2）在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用, 具有不可替代的地位。,（二）PN结与电力二极管工作原理：,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。 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。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。,图1.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）外形 b）结构 c）电气图形,螺栓型 电力二极管,平板型 电力二极管,（二） PN结与电力二极管工作原理：,N型半导

6、体和P型半导体结合后构成PN结: 内电场:空间电荷建立的电场,也称自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。 空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。 空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区。,（二） PN结与电力二极管工作原理：,PN结的

7、正向导通状态： 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。 PN结的反向击穿： 有雪崩击穿形式，可能导致热击穿。 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。,图1.2.2 电力二极管的伏安特性曲线,二、 电力二极管,1 电力二极管及其工作原理 2 电力二极管的特性与参数,2 电力二极管的特性与参数,（1）电力二极管的伏安特性 （2）电力二极管的开关特性 （3）电力二极管的主要参数,（1）电

8、力二极管的伏安特性,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，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。 当电力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。,图1.2.2 电力二极管的 伏安特性曲线,特性曲线:,2 电力二极管的特性与参数,（1）电力二极管的伏安特性 （2）电力二极管的开关特性 （3）电力二极管的主要参数,(2) 电力二极管的开关特性,1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。（图a) 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。 在关断之前有

9、较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。,图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形,电力二极管的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的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。,2）开通特性：(图b) 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。,图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形,(2)电力二极管的开关特性：（续),延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：tf= t2- t1

10、 反向恢复时间：trr= td+ tf 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1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形,（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在us以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。 （2）快恢复二极管：反向恢复时间在us以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/

11、200A的水平, 多用于高频整流和逆变电路中。 （3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。,电力二极管的主要类型：,2 电力二极管的特性与参数,（1）电力二极管的伏安特性 （2）电力二极管的开关特性 （3）电力二极管的主要参数,（3）电力二极管的主要参数,额定正向平均电流在指定的管壳温（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。设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流(平均电

12、流)为:,（1.2.5）,（1.2.4）,（1.2.6）,（1.2.7）,可求出正弦半波电流的波形系数:,定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的 波形系数，用Kf表示：,额定电流有效值为:,1）额定正向平均电流IF(AV),1）额定正向平均电流IF(AV)（续）,正向平均电流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1.52倍的裕量。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 。,指器件中结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。jM通常在125175范围

13、内。,（3）电力二极管的主要参数,2）反向重复峰值电压RRM：,指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压） 此电压通常为击穿电压UB的2/3。,3） 正向压降F：,指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端 的正向平均电压(又称管压降)。,4） 反向漏电流RR：,指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。,5）最高工作结温jM：,第1章 电力电子器件,一 、 电力电子器件的基本模型 二 、电力二极管 三、晶闸管 四、典型全控型器件 1、门极可关断晶闸管 2 、 电力晶体管 3 、电力场效应晶体管 4 、 绝缘栅双极型晶体管 5 、其它新型电力电子器件 五、电力电子器件的驱动与保护,三 、

14、晶闸管,1 晶闸管及其工作原理 2 晶闸管的特性与主要参数 3 晶闸管的派生器件,晶闸管,晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域

15、, 成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。,1 晶闸管及其工作原理,（1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A以上), 分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。 （2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A, 阴极K和门极(或称栅极)G, 它的电气符号如图1.3.1(e)所示。,图1.3.1 晶闸管的外型及符号,1）晶闸管的结构：,1 晶闸管及其工作原理,（1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A以上), 分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示

16、。 （2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A, 阴极K和门极(或称栅极)G, 它的电气符号如图1.3.1(e)所示。,图1.3.1 晶闸管的外型及符号,1）晶闸管的结构：,螺旋式 晶闸管,平板式 晶闸管,1）晶闸管的结构（续）,晶闸管是大功率器件, 工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。 螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上, 采用自然散热冷却方式, 如图1.3.2(a)所示。 平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间, 散热方式可以采用风冷或水冷, 以获得较好的散热效果,如图1.3.2 (b)、(c)所示。,图1.3.2 晶闸管的散热器,晶闸管的散热器,晶闸管的散热器,2）晶闸管的工作原理,图1.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路,（1）导通：晶闸管阳极施加正向电压时, 若给门极G也加正向电压Ug,门极电流Ig经三极管T2放大后成为集电极电流Ic2，Ic2又是三极管T1的基极电流, 放大后的集电极电流Ic1进一步使Ig增大且又作为T2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管T1