变频器电力电子器.ppt

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1、第二章第二章 电力电子器件电力电子器件本章要点：本章要点： 常用电力电子器件的结构和工作原理。 常用电力电子器件的应用特点。 智能电力模块及其应用。技能目标：技能目标： 会分析常用电力电子器件的特性曲线。 掌握常用电力电子器件的测试方法。 会利用相关设备做电力电子器件的试验。 2.12.1 电力二极管电力二极管 电力二极管（Power Diode，PD）是指可以承受高电压、大电流，具有较大耗散功率的二极管，它与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要作用。 2.1.1 结构与伏安特性 1结构 电力二极管的内部结构也是一个PN结，其面积较大，电

2、力二极管引出两个极，分别称为阳极A和阴极K。如图2.1所示图2.1 2伏安特性 电力二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，如图2.2所示。当从零逐渐增大二极管的正向电压时，开始阳极电流很小，这一段特性曲线很靠近横坐标轴。当正向电压大于0.5V时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导通，如果电路中不接限流元件，二极管将被烧毁。图2.2 2.1.2 主要参数 1额定电流(正向平均电流)IF 2反向重复峰值电压URRM 3正向平均电压UF 4最高工作结温TJM2.1.3 电力二极管的参数选择及使用注意事项 1参数选择 (1) 额定正向平均电流IF的选择原则。 (2)额定电压U

3、RRM的选择原则。 2电力二极管使用注意事项 (1)必须保证规定的冷却条件，如强迫风冷。如不能满足规定的冷却条件，必须降低使用的容量。如规定风冷元件使用在自冷条件时，只允许用到额定电流的1/3左右。 (2)平板形元件的散热器一般不应自行拆装。 (3)严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。如需检查整机的耐压，应将元件短接。 2.2 2.2 晶闸管晶闸管 晶闸管（Sillicon Controlled ,SCR)是硅晶体管的简称，包括普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。 2.2.1 晶闸管的图像符号图2.3 晶闸管的图形符号 晶闸管的种类很多，从外形上看主要有螺栓形和平板形，

4、3个引出端分别叫做阳极A、阴极K和门极G。2.2.2 晶闸管的工作原理 晶闸管是四层（P1、N1、P2、N2）3端器件，有J1、J2、J3三个PN结 ，如图2.4所示。晶闸管具有单向导电特性和正向导通的可控性。需要导通时必须同时具备以下两个条件。图2.4 晶闸管的内部工作过程(1)晶闸管的阳极阴极之间加正向电压。(2)晶闸管的门极阴极之间加正向触发电压，且有足够的门极电流。 晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管从关断变为导通，必须使承受反向电压的PN结失去阻断作用。 每个晶体管的集电极电流是另一个晶体管的基极电流。两个晶体管相互复合，当有足够的门极电流Ig时，就会形成强烈的正反馈 ，即 两个晶

5、体管迅速饱和导通，即晶闸管饱和导通。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。晶闸管从阻断变为导通的过程称为触发导通。要使导通的晶闸管阻断，必须将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。 2.2.3晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极之间的电压和电流之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图2.5所示。图2.5 晶闸管的阳极伏安特性曲线 2.2.4 晶闸管的参数1.额定电压UTN 选择时应注意留有充分的裕量，一般应按工作电路中可承受到的最大瞬时值电压UTM的23倍来选择晶闸管的额定电压，即： 2额定电流IT(AV) 由于晶闸管的过载能力差，在实

6、际应用时额定电流一般取1.52倍的安全裕量，即： 式中：IT为正弦半波电流的有效值。 3.通态平均电压UT(AV) 4.其他参数 （1）维持电流IH ； （2）擎住电流IL ； （3）通态浪涌电流ITSM ； （4）断态电压临界上升率du/dt ； （5）通态电流临界上升率du/dt。 2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数 1门极伏安特性图2.6 晶闸管门极伏安特性 2门极主要参数 (1)门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD。 (2)门极触发电压UGT和门极触发电流IGT 。 (3)门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电IGM 。 和门极峰值功率PGM 。 2.3 2.3 门极可关

7、断晶闸管门极可关断晶闸管 门极可关断(Gate Turn-Off，GTO)晶闸管，它具有普通晶闸管的全部优点，但它还具有自关断能力，属于全控器件。在质量、效率及可靠性方面有着明显的优势，成为被广泛应用的自关断器件之一。2.3.1 GTO晶闸管的结构 门极可关断晶闸管的结构与普通晶闸管相似，也为PNPN 4层半导体结构、三端(阳极A、阴极K、门极G)器件。内部结构、等效电路及符号如图2.7所示。 2.3.2 GTO晶闸管的工作原理 当GTO晶闸管的阳极加有正向电压，门极加有正向触发电流IG时，通过N1P2N2晶体管的放大作用使IC2和IK增加，IC2又作为晶体管P1N1P2的基极电流，经晶体管P

8、1N1P2放大使IC1和IA增加。IC1又作为N1P2N2晶体管的基极电流，使IC2和IK进一步增加。增强式强烈的正反馈过程，使GTO晶闸管很快饱和导通。图2.7 GTO晶闸管的内部结构、等效电路及符号 当GTO晶闸管已处于导通状态且阳极电流为IA时，对门极加负的关断脉冲，形成-IG，相当于将IC1的电流抽出，使N1P2N2晶体管的基极电流减少，从而使IC2和IK减少，IC2的减少又使IA减少，也使IC2减少，也是一个正反馈过程，但它是衰减式的。当IA和IK的减少使( )1时，等效晶体管P1N1P2和N1P2N2退出饱和，GTO晶闸管不再满足维持导通的条件，阳极电路很快下降到零而关断。 为了表

9、征门极对GTO晶闸管关断的控制作用，引入门极控制增益 ， 可表示为式中：IG0时的 表示关断增益。2.3.3 GTO晶闸管的特性 1阳极伏安特性 GTO晶闸管的阳极伏安特性与普通晶闸管相似。如图2.8所示。 图2.8 GTO晶闸管的阳极伏安特性 2GTO晶闸管的动态特性 图2.9给出了GTO晶闸管开通和关断过程中门极电流和阳极电流的波形。图2.9 GTO晶闸管的开通和关断过程电流波形 2.3.4 GTO晶闸管的主要参数1最大可关断阳极电流IATO 通常将最大可关断阳极电流作为GTO晶闸管的额定电流。应用中，最大可关断阳极电流还与工作频率、门极负电流的波形、工作温度及电路参数等因素有关，它不是一

10、个固定不变的数值。2关断增益 3阳极尖峰电压4维持电流5擎住电流 2.4 2.4 电力晶体管电力晶体管 电力晶体管GTR(Giant Transistor)是一种高反压晶体管，具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。它被广泛用于交直流电机调速、中频电源等电力变流装置中。2.4.1 GTR的结构 图2.10(a)所示为GTR的结构示意图；图2.10(b)所示为GTR模块的外形；图2.10(c)所示为其等效电路。图2.10 GTR模块2.4.2 GTR的主要参数(1)开路阻断电压UCEO。基极开路时，集电极-发射极间能承受的电压值。 (2)集电极最大持续电流ICM。当基极正

11、向偏置时，集电极能流入的最大电流。 (3)电流增益hFE。集电极电流与基极电流的比值称为电流增益，也叫电流放大倍数或电流传输比。(4)集电极最大耗散功率PCM。指GTR在最高允许结温时所消耗的功率，它受结温限制，其大小由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定。 (5)开通时间ton。包括延迟时间td和上升时间tr。(6)关断时间toff。包括存储时间ts和下降时间tf。 2.4.3 二次击穿现象 当集电极电压UCE逐渐增加到某一数值时，集电结的反向电流IC急剧增加，出现击穿现象。首次出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接串联电阻的方法加以控制，只要适当限制晶体管的

12、电流(或功耗)，流过集电结的反向电流就不会太大，如果进入击穿区的时间不长，一般不会引起GTR的特性变坏。但是，一次击穿后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC将继续增大，此时若GTR仍在工作，GTR将迅速出现大电流，并在极短的时间使器件内出现明显的电流集中和过热点。电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。一旦发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管被永久性损坏。2.4.4 GTR的驱动电路模块1对驱动电路的要求 (1) 驱动电路应对主电路和控制电路有电气隔离作用。(2) 电力晶体管开通时，驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定的过冲，以加速开通

13、过程，减小损耗。(3) 功率晶体管导通期间，在任何负载下基极电流都应使晶体管饱和导通，为降低饱和压降，应使晶体管过饱和。而缩短存储时间，应使晶体管临界饱和。两种情况要综合考虑。(4) 关断时，应提供幅值足够大的反向基极电流，并加 反偏截止电压，以加快关断速度，减小关断损耗。(5) 驱动电路应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。 2驱动电路的隔离 主电路和控制电路之间的电气隔离一般采用光隔离或磁隔离。常用的光隔离有普通、高速、高传速比几种类型，如图2.11所示。图2.11 光隔离耦合的类型 磁隔离的元件通常是隔离变压器，为避免脉冲较宽时铁芯饱和，通常采用高频调制和解调的方法。2.5 2.5

14、电力场效应晶体管电力场效应晶体管 电力场效应晶体管简称电力MOSFET(Power MOS Field-Effect Transistor, P-MOSFET)，它是对功率小的电力MOSFET的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极性半导体器件，属于电压控制型，具有驱动功率小、控制线路简单、工作频率高的特点。2.5.1 电力场效应管的结构与工作原理1电力MOSFET的结构图2.12 电力MOSFET的结构和符号 2电力MOSFET的工作原理 当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅-源极之间的电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏-源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向

15、电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。此时，若在漏极之间加正向电压，则电子将从源极横向穿过沟道，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流ID。电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力就越强，漏极电流ID也就越大。2.5.2 电力MOSFET的特性1转移特性 如图2.13所示。2输出特性 如图2.14所示。图2.13转移特性图 2.14 输出特性图3开关特性，如图2.15

16、所示。图2.15 电力MOSFET的开关特性 2.5.3 电力MOSFET的主要参数 1漏源击穿电压BUDS 2漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM 3栅源击穿电压BUGS 4极间电容 电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一个优点。漏-源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。在实际使用中，应注意留有适当的裕量。 2.6 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Biopolar Transistor，IGBT)是20世纪80年代中期发展起来的一种新型器件。它综合了GTR和MOSFET的优点，既有GTR耐高电压、电流大的特

17、点，又兼有单极型电压驱动器件MOSFET输入阻抗高、驱动功率小等优点。目前在20kHz及以下中等容量变流装置中得到广泛应用，已取代了GTR和功率MOSFET的一部分市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件。近年来，开发的第三代、第四代IGBT可使装置工作频率提高到50100kHz，电压和电流容量进一步提高，大有全面取代上述全控型器件的趋势。 2.6.1 IGBT的结构与基本工作原理 图2.16所示为IGBT的结构剖面图,其等效电路与图形符号如图2.17所示。 图2.16 IGBT的结构剖面2.17 IGBT等效电路与图 形符号 IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种场控器件。其

18、开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE控制的，当UGE为正且大于开启电压UT时，功率MOSFET内形成导电沟道，其漏源电流作为内部GTR的基极电流，从而使IGBT导通。此时从P+注入N-区的空穴对N-区进行电导调制，减小了N-区的电阻RN，使IGBT获得低导通压降。当栅极与发射极间不加信号或施加反向电压时，功率MOSFET内的导电沟道消失，GTR的基极电流被切断，IGBT随即关断。 2.6.2 IGBT的基本特性 1静态特性。 1) 转移特性 用来描述IGBT集电极电流iC与栅-射电压UGE之间的关系，如图2.18(a)所示。 2) 输出特性，如图2.18(b)。描述以栅-射电压为参变量时，

19、集电极电流iC与集-射极间电压UCE之间的关系。图2.18 IGBT的静态特性2动态特性 IGBT的动态特性包括开通过程和关断过程，如图2.19所示。图2.19 IGBT的开通与关断过程 1)开通过程 IGBT的开通过程与功率MOSFET的开通过程相类似。2) 关断过程 欲使IGBT关断时，给栅极施加反向脉冲电压-UGM 。 2.6.3 IGBT的主要参数(1)集-射极额定电压UCES；（2）栅-射极额定电压UGES；(3)栅-射极开启电压UGE(th)；（4）集电极额定电流IC；1.(5)集-射极饱和电压UCEO。2.2.6.4 IGBT的驱动电路3.1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求 2

20、.IGBT栅极驱动电路应满足的条件 栅极驱动条件与IGBT的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题。栅极串联电阻、栅极驱动电压的上升率、下降率对IGBT的开通和关断过程有较大的影响。2.7 2.7 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thysristor，IGCT)是1996年问世的一种新型半导体开关器件。2.7.1 IGCT的结构 IGCT是将门极驱动电路与门极换流晶闸管(GCT)集成为一个整体形成的。门极换流晶闸管(GCT)是基于GTO晶闸管结构的一种新型电力半导体器

21、件，它不仅有与GTO晶闸管相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO晶闸管和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。图2.20所示为IGCT的原理框图和电路符号。 图2.20 IGCT原理框图和电路符号 IGCT和GTO晶闸管相比，IGCT的关断时间降低了30%，功耗降低了40%。IGCT不需要吸收电路，IGCT在使用时只需将它连接到一个20V电源和一根光纤上就可以控制它的导通和关断。 2.7.2 IGCT的特点 IGCT具有快速开关功能、具有导电损耗低的特点，在各种高电压、大电流应用领域中的可

22、靠性更高。IGCT装置中的所有元件装在紧凑的单元中，降低了成本。IGCT采用电压源型逆变器，与其他类型变频器的拓扑结构相比，结构更简单，效率更高。 优化的技术只需更少的器件，相同电压等级的变频器采用IGCT的数量只需低压IGBT的1/5。并且，由于IGCT损耗很小，所需的冷却装置较小，因而内在的可靠性更高。更少的器件还意味着更小的体积。因此，使用IGCT的变频器比使用IGBT的变频器简洁、可靠性高。 尽管IGCT变频器不需要限制的缓冲电路，但是IGCT本身不能控制 du/dt(这是IGCT的主要缺点)，所以为了限制短路电流上升率，在实际电路中常串入适当电抗。2.8 MOS2.8 MOS控制晶闸

23、管控制晶闸管 MOS控制晶闸管(MOS Controlled Thyristor，MCT)是一种单极型和双极型结合而形成的复合器件，输入侧为MOSFET结构，因而输入阻抗高，驱动功率小，工作频率高；而输出侧为晶闸管结构，能够承受高电压，通过大电流，这是一种很有发展前途的器件。2.8.1 MCT的结构与工作原理 MCT是在晶闸管结构基础上又制作了两只MOSFET，其中用于控制MCT导通的那只MOSFET称为开通场效应晶体管(ON-FET)，用于控制阻断的那只MOSFET称为关断场效应晶体管(OFF-FET)。根据开通场效应晶体管的沟道类型不同，可分为P-MCT和N-MCT两种。 图2.21为P-

24、MCT一个单细胞的等效电路及图形符号。 2.8.2 MCT的主要参数 (1) 断态重复峰值电压UDRM。是MCT的阳极和阴极之间的最大允许电压。 (2) 反向重复峰值电压URRM。是MCT的阴极和阳极之间的最大允许电压。 (3) 阴极连续电流IK。在某一结温下，器件允许连续通过的电流。 (4) 峰值可控电流ITC。当MCT通过门极信号换向时，额定关断的最大阴极电流。图2.21 P-MCT的单细胞 等效电路及图形符号2.9 2.9 静电感应晶体管静电感应晶体管 静电感应晶体管(Static Induction Transistor，SIT)是一种电压型控制器件，具有工作频率高、输入阻抗高、输出功

25、率大、放大线性度好、无二次击穿现象、热稳定性好等优点，广泛应用于超声波功率放大、雷达通信、开关电源和高频感应加热等方面。2.9.1 SIT的基本结构和工作原理 SIT的基本结构与电路图形符号如图2.22所示。 图2.22 SIT的基本结构 与图形符号2.9.2 SIT的特性 伏安特性是指SIT的漏-源电压UDS与漏极电流ID之间的关系。图2.23表示了SIT的典型伏安特性。 图2.23 SIT的典型伏安特性曲线2.9.3 SIT的极限参数(1) 栅-源击穿电压UGSO，在漏极开路时栅-源之间可承受的最高反向电压。(2) 栅-漏击穿电压UGDO，在源极开路时栅-源之间可承受的最高反向电压。(3)

26、 最大漏极电流IDmax，是指器件工作时漏极允许通过的最大峰值电流。(4) 允许功耗PT，是指SIT允许的最大耗散功率。2.10 2.10 智能功率模块智能功率模块 智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)是一种混合集成电路，是IGBT智能化功率模块的简称。它以IGBT为基本功率开关器件，将驱动、保护和控制电路的多个芯片通过焊丝(或铜带)连接，封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元。如构成单相或三相逆变器的专用模块，用于电动机变频调速装置。图2.24所示为内部只有一支IGBT的IPM产品的内部框图，模块内部主要包括欠压保护电路、IGBT驱动电路

27、、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT。图2.25所示为另一种内部带有制动电路和两个IGBT的半桥式IPM模块内部结构。IPM模块内部结构大体相同，都是集功率变换、驱动及保护电路于一体。使用时，只需为各桥臂提供开关控制信号和驱动电源，特别适用于正弦波输出的变压变频(VVVF)式变频器中。图2.24 IPM系列产品 的内部框图图2.25 IPM模块内部结构 由于IPM模块内部具有多种保护功能，即便是内部的IGBT元件承受过大的电流、电压，IPM模块也不会被损坏。所以使用IPM模块，不但可以提高系统的可靠性，而且可以实现系统小型化，缩短设计时间。本本 章章 小小

28、结结 电力二极管(PD)的内部结构是一个PN结，加正向电压导通，加反向电压截止，是不可控的单向导通器件。 普通晶闸管(SCR)是双极型电流控制器件。当对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加正向电压时，晶闸管开通，但导通后门极便失去控制作用，不能用门极控制晶闸管的关断，所以它是半控器件。 门极可关断(GTO)晶闸管的开通与晶闸管一样，但门极加负电压可使其关断，所以它是全控器件。 电力晶体管(GTR)是双极型全控器件，工作原理与普通中、小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态，不用于信号放大，它承受的电压和电流数值大。 电力MOS场效应晶体管(P-MOSFET)是单极型全控器件，属于电压控制，驱动功率小。 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是复合型全控器件，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，是功率开关电源和逆变器的理想电力半导体器件。 集成门极换流晶闸管(IGCT)是将门极驱动电路与门极换流晶闸管(GCT)集成于一个整体形成的，是较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适用于6kV和10kV的中压开关电路。 智能功率模块(IPM)将高速度、低功耗的IGBT与栅极驱动器和保护电路一体化，因此具有智能化、多功能、高可靠性、速度快、功耗小等特点。