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1、1电力电子技术电力电子技术2 第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件3电力电子器件的概念及分类电力电子器件的概念及分类全控型电力电子器件全控型电力电子器件-IGBT半控型电力电子器件半控型电力电子器件-晶闸管晶闸管电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动电力电子器件的保护电力电子器件的保护电力电子器件的串联和并联电力电子器件的串联和并联41.1 1.1 电力电子器件概念及分类电力电子器件概念及分类电力电子器件电力电子器件可直接用于处理电可直接用于处理电能的主电路中能的主电路中,实现电能的变换或控制实现电能的变换或控制的电子器件的电子器件5能能处处理理电电功功率率的的大大小小,即即承承受受电电压压
2、和和电电流流的的能能力力,是器件最重要的参数是器件最重要的参数1.1.1 1.1.1 电力电子器件的特征电力电子器件的特征电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件常常需要信息电子电路来控制电力电子器件常常需要信息电子电路来控制电电力力电电子子器器件件的的功功率率损损耗耗通通常常比比信信息息电电子子电电路路器器件的大件的大61.1.2 1.1.2 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按按照照器器件件能能够够被被控控制制电电路路信信号号所所控控制制的的程程度度,分为三类分为三类:(1(1）不不可可控控器器件件不不能能用用控控制制信信号号来来控控制制其通断其通断,因此
3、也就不需要驱动电路（二极管）因此也就不需要驱动电路（二极管）(2(2）半半控控型型器器件件通通过过控控制制信信号号可可以以控控制制其导通而不能控制其关断（晶闸管）其导通而不能控制其关断（晶闸管）(3(3）全全控控型型器器件件通通过过控控制制信信号号既既可可控控制制其其导导通通又又可可控控制制其其关关断断,又又称称自自关关断断器器件件（MOSFETMOSFET、IGBTIGBT）7按照加在器件控制端驱动信号的性质按照加在器件控制端驱动信号的性质,分为两类分为两类(1)(1)电电流流驱驱动动型型通通过过从从控控制制端端注注入入或或者者抽抽出出电电流流来实现导通或者关断的控制来实现导通或者关断的控制
4、(2)(2)电电压压驱驱动动型型仅仅通通过过在在控控制制端端和和公公共共端端之之间间施施加一定的电压信号就可实现导通或者关断加一定的电压信号就可实现导通或者关断按按照照器器件件内内部部电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子参参与与导导电电的的情情况况分为三类分为三类(1)(1)单极型器件单极型器件(2)(2)双极型器件双极型器件(3)(3)复合型器件复合型器件81 1二极管是由一个二极管是由一个PNPN结组成的半导体元件结组成的半导体元件2 2二极管的基本特性二极管的基本特性:单向导电性单向导电性3 3电力二极管的容量很大电力二极管的容量很大4 4分为普通整流二极管分为普通整流二极管,快速二
5、极管等类快速二极管等类1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 91 1 静态特性：稳态时阳极电流与其阳极阴极间电压的关系静态特性：稳态时阳极电流与其阳极阴极间电压的关系.U UB B:雪崩击穿电压雪崩击穿电压U UTOTO:门槛电压门槛电压,U,UF FUUTOTO时二极管导通时二极管导通1.2.11.2.1电力二极管的主要特性电力二极管的主要特性U UF F:二极管正向电压二极管正向电压I IF F:二极管正向电流二极管正向电流额定运行时额定运行时 U UF F*I*IF F决定通态损耗决定通态损耗101/2 1/2 动态特性动态特性-开通特性开通特性 反映器件在通态、断态
6、之反映器件在通态、断态之间转换过程中电流、电压随时间转换过程中电流、电压随时间变化的特性间变化的特性,通常也称为开关通常也称为开关特性特性 二极管承受正向电压时二极管承受正向电压时,电电流经过一定时间才能达到稳态值流经过一定时间才能达到稳态值,这个时间这个时间t tfrfr就是正向恢复时间就是正向恢复时间,或称开通时间或称开通时间.112/2 2/2 动态特性动态特性-关断特性关断特性 12131)1)正向平均电流正向平均电流I IF F（AVAV）指指在在规规定定的的散散热热条条件件与与管管壳壳温温度度下下,二二极极管管长长期期运运行行所所容容许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波波
7、电电流流的的平平均均值值.这这也也是是标标称称器器件额定电流的参数件额定电流的参数.2)2)反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRM RRM U URRMRRM通通常常规规定定为为雪雪崩崩击击穿穿电电压压的的2/3.2/3.应应用用中中所所选选二二极极管管的的反反向向重重复复峰峰值值电电压压应应为为该该二二极极管管实实际际承承受受的的反反向向电压峰值的电压峰值的2-32-3倍倍.1.2.2 1.2.2 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数143)3)正向压降正向压降U UF F4)4)反向恢复时间反向恢复时间t trrrr 一般称反向恢复时间在一般称反向恢复时间在5 5微秒以上的二极管
8、为微秒以上的二极管为普通二极管普通二极管,反向恢复时间在反向恢复时间在5 5微秒以下的二极管微秒以下的二极管为快恢复二极管为快恢复二极管.普通二极管多用于开关频率在普通二极管多用于开关频率在1 1kHzkHz以下的整流电路中以下的整流电路中.在高频开关电路中在高频开关电路中,通常通常选择二极管的选择二极管的t trrrr为其开关周期的百分之一以下。为其开关周期的百分之一以下。二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态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。正向电流时对应的正向压降。155)5)最高工作结温最高工作结温T Tjmaxjmax在规定电流和散热条件下在规定电流和散
9、热条件下,PN,PN结不致损坏条件下结不致损坏条件下所能承受的最高平均温度所能承受的最高平均温度 161.3 1.3 半控型电力电子器件半控型电力电子器件晶闸管晶闸管晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件17外外形形有有螺螺栓栓型型和和平平板板型型两两种封装种封装引引出出阳阳极极A A、阴阴极极K K和和门门极极（控制端）（控制端）G G三个联接端三个联接端对对于于螺螺栓栓型型封封装装,通通常常螺螺栓栓是是其其阳阳极极,另另一一端端较较粗粗的是阴极的是阴极,细的是门极细的是门极平平板板型型封封
10、装装的的晶晶闸闸管管,两两个个平平面面分分别别是是阳阳极极和和阴阴极极,细长端是门极细长端是门极1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理a)a)外形外形b)b)结构结构c)c)电气符号图电气符号图1.1.晶闸管的结构晶闸管的结构182.2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理A A、K K接正向电压接正向电压,灯泡不燃亮灯泡不燃亮A A、K K接正向电压接正向电压,G,G、K K接负电压接负电压,灯泡不燃亮灯泡不燃亮A A、K K接正向电压接正向电压,G,G、K K接正电压接正电压,灯泡燃亮灯泡燃亮A A、K K接负向电压接负向电压,灯泡不燃亮灯泡不燃亮A A、K K接
11、负向电压接负向电压,无论无论G G、K K接何种电压灯泡不燃亮接何种电压灯泡不燃亮灯泡燃亮后灯泡燃亮后,撤除撤除G G、K K间电压或间电压或G G、K K间接负向电压间接负向电压,灯泡仍然燃亮灯泡仍然燃亮灯泡燃亮后灯泡燃亮后,撤除撤除A A、K K间电压或间电压或A A、K K接负向电压接负向电压,灯泡熄灭灯泡熄灭1)1)晶闸管的导通实验晶闸管的导通实验192)2)晶闸管的通断规律晶闸管的通断规律当晶闸管承受阳极反向电压时当晶闸管承受阳极反向电压时,无论门极是否有触发电无论门极是否有触发电流流,晶闸管都处于关断状态晶闸管都处于关断状态当晶闸管承受阳极正向电压时当晶闸管承受阳极正向电压时,仅在
12、门极有触发电流的仅在门极有触发电流的情况下，情况下，,晶闸管才能导通。晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。门极就失去控制作用。要使晶闸管关断要使晶闸管关断,必须去掉阳极正向电压必须去掉阳极正向电压,或者给阳极施或者给阳极施加反压加反压,或者降低正向阳极电压或者降低正向阳极电压,使通过晶闸管的电流降使通过晶闸管的电流降低到接近于低到接近于0的某一数值以下的某一数值以下当门极未加触发电压时当门极未加触发电压时,晶闸管具有正向阻断能力晶闸管具有正向阻断能力20a)双晶体管模型 b)工作原理 晶闸管内部是晶闸管内部是PNPNPNPN四层半导体结四层半导体结构（构（P1,N
13、1P1,N1，P2,P2,N2N2）.如果施加阳极如果施加阳极正向电压正向电压,则则J2J2处于处于反向偏置状态反向偏置状态,器件器件关断；如果施加阳关断；如果施加阳极反向电压极反向电压,J1,J1、J3J3处于反向偏置状处于反向偏置状态态,器件关断器件关断.3)3)晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理J2J1J321晶闸管的导通可以用双晶体晶闸管的导通可以用双晶体(P1N1P2和和N1P2N2）模来解释）模来解释.门极注入电流门极注入电流IG,IG流入晶体管流入晶体管V2的基极的基极,那么在那么在V2的集电极产生电流的集电极产生电流IC2,而而IC2又是晶体又是晶体管管V1的基极电流的基极电流,
14、放大成集电极电流放大成集电极电流IC1,进一进一步增大了步增大了V2的基极电流的基极电流,形成了强烈的正反馈形成了强烈的正反馈,最后最后V1、V2进入饱和状态进入饱和状态,晶闸管导通晶闸管导通.当晶闸管导通后当晶闸管导通后,撤除门极电流撤除门极电流,由于晶由于晶体管内部已经形成了强烈的正反馈体管内部已经形成了强烈的正反馈.所以管子所以管子仍然导通；若要使晶闸管关断则必须撤除阳仍然导通；若要使晶闸管关断则必须撤除阳极的正电压极的正电压,或者给阳极施加反电压或者给阳极施加反电压,或者使流或者使流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值.晶闸管的驱动过程称为晶闸管的驱
15、动过程称为触发触发。22式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的的共基极电流增益共基极电流增益;ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流的共基极漏电流.由以上式由以上式(1-1)-(1-4)可可得得晶体管的特性是晶体管的特性是:在低发射极电流下在低发射极电流下 是很小的是很小的,而当发射极电流建立起来之而当发射极电流建立起来之后后,迅速增大迅速增大.晶闸管的工作方程晶闸管的工作方程Ic1=1 IA+ICBO1（1-1）Ic2=2 IK+ICBO2（1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 （1-4）23阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效
16、应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阳极电压上升率du/dt过高过高结温较高结温较高光直接照射硅片光直接照射硅片,即光触发即光触发.光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘，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，称为光控晶闸管而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）。除此之外）。除此之外,其它都因不易控制而难以应用于实践其它都因不易控制而难以应用于实践,只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段的控制手段4)4)晶闸管其它导通情况晶闸管其它导通情况241.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.1.晶闸管的静特性晶闸管的静特性 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG第第I I象限是正向特性象限是正向特性,第第IIIIII象限是反向性象限是反向性URSM反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压URRM反向重复峰值电压反向重复峰值电压UDRM正向重复峰值电压正向重复峰值电压UDSM正向不重复峰值电压正向不重复峰值电压
