电力电子技术06第1章电力电子器件

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1、1,第1章 电力电子器件,1.1 概 述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极晶体管 1.8 其他新型电力电子器件,2,1.1.1 电力电子器件的概念与特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域 1.1.5 本章核心内容与学习要点,1.1 概 述,3,电力电子器件： 专指直接用于主电路，实现电能的变换或控制的电子器件。早期为电真空器件，如今主要指半导体器件。,主电路： 在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制的电

2、路。,控制电路,电气隔离,（1）基本概念,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,4,电力电子器件处理电功率的能力，一般远大于信息处理中的电子器件。 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来控制（或称为驱动）。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都需要安装散热器（自然风冷、强迫风冷、水冷等）。,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,（2）主要特征,5,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,（3）电力电子器件的功率损耗,功率损耗主要包括：通态损耗、断态损耗和开关损耗。 通态损耗是通态电流与通态（管）压降作用的结果。 断态损耗是断态（漏）电流与断态电压

3、作用的结果。 开关损耗又包括：开通损耗和关断损耗，是开关过程中电压与电流作用的结果。 因断态漏电流极小，一般认为通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要因素。 当器件工作频率较高时，开关损耗可能成为电力电子器件功率损耗的主要因素。,6,不可控器件（如：电力二极管） 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。 半控型器件（如：晶闸管） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（如：电力场效应管，绝缘栅双极晶体管） 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。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（1）按照器件被控程度分为三类,7,电流驱动型 通过从控制端注入

4、或者抽出一定的电流，实现器件的导通或关断控制。 电压控制型 仅通过在器件控制端和公共端之间施加一定的电压信号，实现导通或者关断控制。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（2）可控器件按照驱动信号的性质分为两类,8,单极型器件 只有一种载流子参与导电。 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。 混合型器件 由单极型器件与双极型器件通过集成而构成的复合型器件。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（3）按照器件内部载流子参与导电情况分为三类,9,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,（1）电力电子器件模块化与集成化的研发是目前重要的发展方向。 （2）模块化与集成化不仅可减小装置尺寸，更重

5、要的是提高了装置的安全性与可靠性，缩短了装置的设计研发周期。 （3）特别值得一提的是智能功率模块（IPM），该功率模块同时具有驱动、控制、保护等功能，整体性能大为提高。 （4）目前，在装置研发中优先选用模块化器件。,10,1.1.4 电力电子器件的应用领域,详见教材第9页图1-1,11,集中介绍典型器件的工作原理、基本特性、主要参数及选择和使用中应注意的一般问题。 简单介绍电力电子器件的驱动、保护以及串、并联使用等特殊问题。,1.1.5 本章核心内容与学习要点,（1）核心内容,了解典型器件的基本特性曲线。 掌握典型器件主要参数的含义。 学会典型器件的合理选用。,（2）学习要点,12,1.2.1

6、 PN结的工作原理 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2 电力二极管,13,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征,1.2.1 PN结的工作原理,（1）PN结的状态,（2）PN结的反向击穿,包括雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。 均可能导致PN结热击穿，造成二极管永久损坏。,14,1.2.1 PN结的工作原理,（3）PN结的电容效应,PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现出电容效应，称之为结电容，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的不同又分为势垒电容CB和扩散电容CD。 结电容的存在主要影响PN结

7、的工作频率，尤其是高速开关状态时其影响显得更为突出。,15,基本结构和基本特性与信息电子中讨论的二极管相同。 内部由一个面积较大的PN结和两端引线以及外部封装组成。 外型主要有螺栓型、平板型和模块型三种封装形式。,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,16,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,电力二极管原理和结构简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就得到了广泛的应用。,17,主要指伏安特性 门槛电压UTO：正向电流IF开始明显增加时所对应的电压。 正向管压降UF ：与IF对应的二极管两端电压。 承受反向电压时，正常情况下只有微小且数值基本恒定的反向漏电流。 当反向电压达到一定数值时（

8、UBR ），则会造成反向击穿。,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,电力二极管的伏安特性,（1）静态特性,18,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,（2）动态特性,开通过程 正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋近于某一稳态压降值（ 12V）。 正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP过冲越高。,19,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,（2）动态特性,关断过程 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。 关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：tr

9、r= td+ tf,影响开关速度的主要因素是反向恢复时间。,20,为电力二级管的电流定额。 定义为：在规定的管壳温度和散热条件下，允许长期流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应根据有效值相等的原则来选取电流定额，并考虑留有一定的裕量。 举例：计算正弦半波电流有效值与平均值的比值。,1.2.3 电力二极管的主要参数,（1）正向平均电流 IF(AV),21,1.2.3 电力二极管的主要参数,例：计算正弦半波电流有效值与 平均值的比值。,解：,即：,22,（2）正向通态管压降 UF 在规定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。显然，UF

10、 越小越好。 （3）反向重复峰值电压 URRM 为电力二级管的电压定额。 定义为：电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时为安全起见应当留有23倍的裕量。 （4）反向恢复时间 trr= td+ tf,1.2.3 电力二极管的主要参数,23,（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，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。,1.2.3 电力二极管的主要参数,24,（1）普通二极管 又称整流二极管，多用于开关频率不高（一般在

11、1kHz以下）的整流电路。 其反向恢复时间较长（一般为几十微秒）。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高（一般达数千安培、数千伏特以上）。,1.2.4 电力二极管的主要类型,25,（2）快恢复二极管 简称快速二极管 从性能上又可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒至几微秒，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 管压降较低（约为0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下，低于普通二极管。,1.2.4 电力二极管的主要类型,26,（3）肖特基二极管 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns）。 正向恢复过程中没有明显的电压过冲。 正向压降为0.30.6V

12、，明显低于快恢复二极管，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。 肖特基二极管的弱点 反向耐压偏低，多用于200V以下场合。 反向漏电流的温度敏感性很强，使用中必须严格限制其工作温度。,1.2.4 电力二极管的主要类型,27,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 简介 1.3.2 晶闸管的结构与工作原理 1.3.3 晶闸管的特性及主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件,28,1.3.1 简 介,又称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier） 简称为可控硅（缩写为SCR） 1956年由美国贝尔实验室发明。 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管

13、产品，且于1958年商业化。 晶闸管的诞生，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，开始部分被全控型器件所取代。 晶闸管承压和通流的能力最高，工作可靠，应用成熟，在大容量的场合仍占有重要的不可替代的地位。,晶闸管是晶体闸流管（Thyristor）的简称,29,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,螺栓型封装，通常螺栓一端是阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。 平板型晶闸管使用时是由两个散热器将其夹在中间。 模块使用时，金属底面（一般为铜质）要与散热器紧密接触，使元件内部的热量有效导出。,（1）符号及外形,为三端四层元件，三端分别为阳极 A、阴极 K 和控制极 G。

14、 外形有螺栓型、平板型和模块型三种封装形式。,图形符号,四层结构,30,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,31,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,32,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,33,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,34,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,35,1.3.2 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的共基极漏电流。,按晶体管工作原理 ，可得：,整理得 ：,（2）工作原理分析,而且：,晶闸管的双晶体

15、管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理,36,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理, 1 与 2数值与发射极电流有关，当发射极电流很小时，其数值小于0.1；当发射极电流上升时，（ 1+ 2）近似等于1； 共基极漏电流很小，有时可以忽略不计； 当IG = 0，阳极电流近似为0，处于阻断状态； 当控制极注入触发电流，正反馈作用使晶闸管处于饱和导通状态，阳极电流由外电路决定，此时控制极电流失去作用。 器件关断需依靠外电路的辅助作用，使阳极电流减小到一定数值。,（3）原理说明,37,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,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

16、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 Thyristor）。 只有门极触发才是精确、迅速而可靠的控制手段（包括光触发） 。,（4）晶闸管其他几种可能导通的情况,38,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管在承受反向电压时，不论控制极是否有触发电流都不会导通。 晶闸管承受正向电压时，仅在控制极有触发电流的情况下才能开通。 晶闸管一旦导通控制极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使流过晶闸管的电流减小到接近于零的某一数值 。 显然，晶闸管为电流控制型器件。,（5）晶闸管开通及关断条件,39,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,正向特性 IG=0时，当器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，此为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压UDB，则漏电流急剧增大，器件非正常开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压相应降低。 晶闸管一旦导通，其正向导通压降很小，约为1V左右。,（1）静态特性,40,1.3.3 晶闸管的特性及主