电力电子器件综合概述

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1、1,1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件电力二极管 1.3 半控型器件晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结,第1章 电力电子器件,2,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子电路系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类,3,电力电子器件的概念和特征,1.概念 主电路（Power Circuit） 在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。 电力电子器件（Power Electronic Device

2、) 直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。,4,电力电子器件的概念和特征,1.概念,电力电子器件理想模型,它有三个电极 1和2代表开关的两个主电极，3是控制开关通断的控制。 它只有两种工作状态“通态”和“断态” 通态时其电阻为零，相当于开关闭合； 断态时其电阻无穷大，相当于开关断开。,5,1）处理电功率的能力信息电子器件。 2）一般工作在开关状态。 3）一般由信息电子电路驱动。 4）功率损耗信息电子器件。,2 .特征,电力电子器件的概念和特征,电力电子器件是功率半导体器件,6,2 .特征,电力电子器件的概念和特征,如何考查电力电子器件,导通压降(损耗) 运行频率(开通时间/

3、关断时间) 器件容量(电能处理、变换的能力) 可靠性 耐冲能力,7,导通,主电路中 电力电子器件,关断,控制电路,信息电子电路组成,控制电路,主电路,电力电子系统,通过驱动电路 控制,电力电子电路系统组成,驱动电路,检测保护电路,8,电力电子器件的分类,1.控制方式,不能用控制信号控制 其通断，不需要驱动电路,电力二极管,不控型器件,主 电 路,通 断,电 流,电 压,只有两个端子,结构简单、工作可靠。,9,电力电子器件的分类,1.控制方式,半控型器件,通过控制信号可控制 其导通但不能控制其关断,晶闸管 及其派生器件,关 断,主 电 路,电 流,电 压,反应快、可靠性高、寿命长、功率大、价格低

4、，且具有节能的特点。,10,电力电子器件的分类,1.控制方式,全控型器件,通过控制信号既可控制 其导通又能控制其关断,绝缘栅双极晶体管 电力场效应晶体管 电力晶体管,自关断器件,门极可关断晶闸管,驱 动 电 路,通 断,电 流,电 压,具有集成化、高频化、多功能化的特点，应用很广。,处理兆瓦级 大功率电能,11,通 断,电力电子器件的分类,2.驱动信号的性质,电流驱动型,电压驱动型,控 制 端,注 入 电 流,抽 出 电 流,电压信号,公 共 端,控 制 端,12,3.导电方式,单极型器件,只有一种载流子（多数）参与导电,双极型器件,电子和空穴两种载流子同时参与导电,复合型器件,单极型器件和双

5、极型器件集成混合而成,电力电子器件的分类,13,晶闸管的结构与工作原理,A,G,K,晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)图形符号,外形：螺栓型 平板型,1.结构和符号,14,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,15,实验电路,晶闸管的结构与工作原理,2.导通和关断条件,EA,EG,RA,A,16,导通条件：,阳极与阴极之间加正向电压，同时门极与阴极之间 也加正向电压。,关断条件：,阳极电流IA小于维持电流IH,晶闸管的结构与工作原理,实验结论,实现方法：1）减小阳极电源电压或增大阳极回路电阻； 2）将阳极电源反向。,17,实质正反馈过程,产生

6、注入门极的触发电流IG的电路,触发,门极触发电路,对晶闸管的驱动,晶闸管的结构与工作原理,电流驱动型,晶闸管导通,18,1） 晶闸管具有可控的单向导电性。 与二极管比较，相同点：都具有单向导电性；不同点：晶闸管的单向导电受门极控制。 2） 晶闸管属半控型器件。 门极只能用来控制晶闸管的导通，导通后门极就失去控制作用。 3） 晶闸管具有开关作用。 导通时：相当于开关闭合；阻断时：相当于开关断开。,晶闸管的基本特点：,晶闸管的结构与工作原理,19,电路如图，已知u2和ug波形，试画出电阻Rd两端的电压ud波形。,晶闸管的导通时刻由u2和ug共同决定，关断则仅取决于u2的过零时刻,例 题,20,晶闸

7、管的基本特性,1. 静态特性,伏安特性：阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极之间的电压ua与阳极电流ia之间的关系。,21,正向导通,IG0=0,IH,URO,UBO,IG1,IG2,IG2IG1IG0,1. 静态特性,正向阻断,硬开通,正向特性,反向特性,反向阻断,1）IG=0时，若UA UBO，则晶闸管会出现“硬开通”现象不允许,2）IG增加时，正向转折电压减小。,3）晶闸管一旦导通，门极失去控制作用。,4）当晶闸管加反向电压时，工作在反向阻断状态。,5）当反向电压足够大时，晶闸管被反向击穿。 不允许,反向击穿,正向阻断 反向阻断 正向导通,正常工作区,晶闸管的基本特性,22,2. 动态特性,

8、反映晶闸管在开通和关断时的动态工作过程。,晶闸管的开通时间约为几微秒； 晶闸管的关断时间约几百微秒。,开关时间：开通时间 ton 关断时间 toff,晶闸管的基本特性,23,晶闸管的主要参数,断态重复峰值电压UDRM 在门极断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。,取晶闸管的UDRM和 URRM中较小的标值作 为该器件的额定电压。,1电压定额,额定电压的选取要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。,即 UTn=（23）UTM,UTM 为晶闸管在实际工作中所承

9、受的最大正反向电压,24,通态平均电流IT(AV) 在规定的条件下，晶闸管所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,2.电流定额,维持电流 IH 维持晶闸管继续导通所必需的最小阳极电流。 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，通常IL约为IH的24倍。,晶闸管的主要参数,25,正弦半波电流波形,通态平均电流IT(AV),正弦半波电流的有效值,波形系数Kf,则 正弦半波电流,或 ITn=1.57IT(AV),即 100A的晶闸管允许通过的电流有效值为157A,电流定额,26,注意：管子的发热与有效值有关，要求实际电流有效值IT一定不能大

10、于额定电流有效值ITn。,IT ITn=1.57IT(AV),故,额定电流的选取要留有一定裕量，一般取1.52倍。,即,IT(AV)=（1.52）,电流定额,27,断态电压临界上升率du/dt 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。 位移电流 在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在逐段状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。 通态电流临界上升率di/dt 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。,3动态参数（自学）,晶闸管的主要参数,28,晶闸管型号的命名方法：,例如：KP100-12G,表示额定电流100A、额定电

11、压1200V、管压降1v的普通型晶闸管。,晶闸管的主要参数,K P ,表示晶闸管,普通反向阻断型,额定通态平均电流,正反向重复峰值电压等级,通态平均电压组别,29,晶闸管的派生器件,常规快速 晶闸管,高频 晶闸管,包括所有为快速应用而设计的晶闸管,与普通晶闸管相比,快速 晶闸管关断时间为数十微秒,高频 晶闸管关断时间为10s左右 电压和电流定额不易做高,应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中,快速晶闸管,30,双向晶闸管,有两个主电极T1和T2，一个门极G。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。 可等效为一对反并联的普通型晶闸管。 在第和第III象限有对称的伏安特性。 不用

12、平均值而用有效值来表示其额定电流值。,晶闸管的派生器件,31,IG = 0,I,U,0,双向晶闸管,晶闸管的派生器件,-,+,+,I+,+,-,-,-,I-,四种触发方式,+,+,+,-,+,-,-,触发灵敏度I+、-相对较高。,常用I+、-两种触发方式,32,逆导晶闸管,是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。 不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。,与普通晶闸管相比,正向压降小 关断时间短 高温特性好,额定电流,晶闸管电流 反并联的二极管的电流,晶闸管的派生器件,33,KK-快速晶闸管,KP-普通晶闸管,KN-逆导晶闸管,晶闸管常见型号认识,KS-双向晶闸管,

13、晶闸管的派生器件,34,门极可关断晶闸管（GTO）,晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,35,与普通晶闸管的相同点: PNPN四层半导体结构外部引出阳极、阴极和门极。,与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元功率集成器件。,门极可关断晶闸管GTO,符号,1. GTO的结构和工作原理,36,GTO导通条件与导通过程与普通晶闸管一样（饱和程度较浅）。 GTO关断条件与关断过程门极加入负脉冲电流，即从门极抽出电流，在强烈正反馈作用下迅速退出饱和而关断。,工作原理,门极可关断晶闸管（GTO）,3

14、7,3. GTO的主要参数,最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流,电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流 最大值IGM之比。,开关时间 开通时间ton和关断时间toff,开关时间几个微秒到几十微秒，导通压降2-3V、比晶闸管稍高。,门极可关断晶闸管（GTO）,off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。,38,电力晶体管（GTR）,1. GTR的结构和工作原理,单管GTR与普通晶体管相同。 具有耐压高、电流大、开关特性好等特点。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 1 2 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成达林顿模块 。,39,模块型电力晶

15、体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型，其容量范围从30A450V800A1400V不等。,在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。,电力晶体管（GTR）,1. GTR的结构和工作原理,40,模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型，其容量范围从30A450V800A1400V不等。,在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。,电力晶体管（GTR）,1. GTR的结构和工作原理,41,2. GTR的基本特性,静态特征,电力晶体管（GTR）,三个工作区：截止区、放大区、饱和区,42,GTR的开通和关断过程电流波形,GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短。,电力晶体管（GTR）,2. GTR的基本特性,开通时间ton =td + tr,关断时间toff= ts + tf,动态特征,提高工作速度方法： 减小导通时的饱和深度。 增大Ib2的幅值和负偏压。,43,3. GTR的主要参数,最高工作电压 集电极最大允许电流IcM 集电极最大耗散功率PcM,电力晶体管（GTR）,极限参数：,44,一次击穿：集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象。 二次击穿：一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，电压突然下降的现象。,4. 二次击穿现象与安全工作区,二次击