电力电子教案第一章 电力电子器件一、 教学目的与要求通过本章的学习使学生掌握各种电力电子器件的特性和使用方法二、授课内容1、电力电子器件的概念、特点和特性2、各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数及选择和使用中应注意的 一些问题三、重点、难点及学生的要求1、重点1) 晶闸管，GTO,GTR,P-MOSFE等电力电子器件的工作原理，基本特性及主要 参数2) 电力电子器件的驱动及保护2、难点各类电力电子器件的基本特性3、要求1) 掌握电力电子器件的型号命名法医及其参数和特性曲线的使用方法2) 掌握各类电力电子器件驱动电路的特点3) 熟悉各类保护电路的作用及原理4) 了解电力电子器件的串并联使用方法1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子电路的基础—— 电力电子器件 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1.1.1 应用电力电子器件的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 主电路组成 控制电路 按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子 器件的通或断，来完 成整个系统的功能。
由于主电路中往往有电压和电流的过冲， 而电力电子器件一般比主电路中 普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能 力却要差一些，因此，在主电路和控制电路 中附加一些 保护电路 ，以保证电力电子 器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非 常必要的1.1.2 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： 1）半控型器件 : 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其 关断 2）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，又称自关断器件3）不可控器件 :不能用控制信号来控制其通断 , 因此也就不需要驱动电路1．2 不可控器件—电力二极管Power Diode 结构和原理简单，工作可靠，自 20 世纪 50 年代初期就获得应用 快恢 复二极管和肖特基二极管， 分别 在中、高频整流和逆变， 以及低压高频整流的 场合，具有不 可替代的地位1.2.1 PN 结与电力二极管的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吉为基础，由一个面积较大的PN吉和两端引线以及封装组成的从外形上看， 主要有螺栓型和平板型两种封装， N 型半导体和 P 型半导体结合后构成 PN 吉。
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PN 结的正向导通状态电导调制效应使得 PN 吉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 吉表现为低阻态PN 吉的反向截止状态PN 吉的单向导电性二极管的基本原理就在于 PN 吉的单向导电性这一主要特征PN 吉的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿PN 吉的电容效应：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C,又称为微分 电容结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CDo势垒电容只在外加 电压变化时才起作用外加电压频率越高，势垒电容作用越明显势垒电容的大小与PN吉 截面积成正比，与阻挡层厚度成反比造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流， 其电流密度较大， 因而额外载流子的注入水平较 高，电 导调制效应不能忽略引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响承受的电流变化率di/dt较大， 因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。
为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成 正向压降较大1.2.2 电力二极管的基本特性1. 静态特性主要指其 伏安特性开通过程 ：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)o这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfo电导调制效应 起作用需一定的 fr时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大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， uf越高123 电力二极管的主要参数1. 正向平均电流 I F(AV)F(AV)额定电流一一在指定的管壳温度(简称壳温，用T表示)和散热条件下，其c允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值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，并应留有一定 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2. 正向压降 LF指电力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，有时 参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3. 反向重复峰值电压 LRRMRRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压， 通常是其雪崩击穿电压LB的2/3,使用时往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两 倍来选定。
B4. 最高工作结温 TJMJM结温是指管芯PN吉的平均温度，用T表示j最高工作结温是指在PN吉不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度 Tjm通常在125~175C范围之内5. 反向恢复时间 trrrrt = td+ tf，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间rr d f6. 浪涌电流 IFSMFSM 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1.2.4 电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同 介绍在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的1. 普通二极管(Ge neral 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 5乓以上，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FRD2. 快恢复二极管 (Fast Recovery Diode3. 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管 (Schottky BarrierDiode SBD,简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。
肖特基二极管的优点：反向恢复时间很短(10~40 ns)正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，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要小，效率高1 • 3半控器件一晶闸管晶闸管(Thyristor):晶体闸流管，可控硅整流器 (Silico n Con trolledRe ct i f i e r S CR1956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20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，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一一普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类 型的派生器件1.3.1 晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K利门极(控制端)GE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体管的特性是：在低发射极电流下〉是很小的，而当发射极电流建立起来之后，:-迅速增大。
阻断状态:IG=0'冷+二很小流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致：'+;趋近于1的话，流过'l 2晶闸管的电流I A邙日极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通I A实际由外 电路决定其他几种可能导通的情况：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 过高结温较高光直接照射硅片，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而应用于高压电力设备中，其 它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor LTT）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1.3.2 晶闸管的基本特性1. 静态特性 总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如 下：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅 在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 晶闸管的伏安特性第 I 象限的是正向特性 第 III 象限的是反向特性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Ub,则漏电流急剧增大，器件开通。
随着门极电流幅值的增大，正 bo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lH称为维持电流H2) 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2. 动态特性1) 开通过程延迟时间td:门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%勺时间上升时间dt ：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间r开通时间tt以上两者之和，gtt =t + t ( 1-6 )gt d r 普通晶闸管延迟时为 0.5~1.5乓，上升时间为 0.5~3七晶闸管的开通和关断过程波形2) 关断过程反向阻断恢复时间t :正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间rr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gr在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压， 晶闸管会重新正向导通。
实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正 向电压的阻 断能力，电路才能可靠工作关断时间t : t与t之和，即t =t +t，普通晶闸管的关断。