电力电子器件电气工程讲坛

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1、电气工程讲坛电气工程讲坛第二讲 电力电子器件1-1同济大学张文豪电气工程讲坛电气工程讲坛主要内容1-2电气工程讲坛电气工程讲坛1 1、电力力电子器件概述子器件概述电子技子技术的基的基础 电子器件：晶体管和集成子器件：晶体管和集成电路路电力力电子子电路的基路的基础 电力力电子器件子器件本章主要内容：本章主要内容：概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性。基本特性。1-3电气工程讲坛电气工程讲坛1 电力力电子器件概述子器件概述1-4电气工程讲坛电气工程讲坛 电力力电子器件的概念和特征子器件的概念和特征1 1）概念）概念: :电力力电子器件

2、子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主主电路（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。2 2）分）分类: : 电真空器件真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半半导体器件体器件 (采用的主要材料硅）仍然1-5电力电子器件电力电子器件电气工程讲坛电气工程讲坛 电力力电子器件的概念和特征子器件的概念和特征能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。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。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子

3、器件，一般都要安装散热器。1-63）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：电气工程讲坛电气工程讲坛 电力力电子器件的概念和特征子器件的概念和特征通通态损耗耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关开关损耗耗可能成为器件功率损耗的主要因素。1-7主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗电气工程讲坛电气工程讲坛 应用用电力力电子器件系子器件系统组成成1-8电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应

4、用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行电气隔离控制电路电气工程讲坛电气工程讲坛 电力力电子器件的分子器件的分类半控型器件（半控型器件（Thyristor） 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（全控型器件（IGTO，IGBT,MOSFET) ) 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。不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。1-9按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的

5、程度，分为以下三类：电气工程讲坛电气工程讲坛 电力力电子器件的分子器件的分类电流流驱动型型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。电压驱动型型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。1-10 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：电气工程讲坛电气工程讲坛 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管 PN PN结与与电力二极管的工作原理力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数力二极管的主要参数（略）（略）1-11电气工程讲坛电气工程讲坛 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管引言

6、引言 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。1-12整流二极管及模块电气工程讲坛电气工程讲坛1.2.1 PN结与与电力二极管的工作原理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。由一个面积较大的PN结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。1-13图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)AK电气工程讲坛电气工程讲坛1.2.1

7、 PN结与与电力二极管的工作原理力二极管的工作原理 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态1-14 PN结的状态 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。反向击穿雪崩击穿、齐纳击穿（留作思考） PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容电容效应效应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。电气工程讲坛电气工程讲坛 电力二极管的基本特性力二极管的基本特性主要指其伏安特性伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正正向向电压降降UF 。承受反向电压时，只有微小而数值

8、恒定的反向漏电流。1-15图1-4 电力二极管的伏安特性1) 静态特性静态特性IOIFUTOUFU电气工程讲坛电气工程讲坛 电力二极管的基本特性力二极管的基本特性2) 动态特性特性 二二极极管管的的电压- -电流流特特性性随随时 间变化化的的 结电容的存在容的存在1-16b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下

9、降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。电气工程讲坛电气工程讲坛 电力二极管的基本特性力二极管的基本特性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）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高 。1-17UFPuiiFuFtfrt02V零偏置转换为正向偏置 开通过程开通过程： 关断过程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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt正向偏置转换为反向偏置电气工程讲坛电气工程讲坛1

10、.2.3 电力二极管的主要参数力二极管的主要参数正向平均正向平均电流流IF(AV) 指指电力二极管力二极管长期运行期运行时，在指定的管壳温度（，在指定的管壳温度（简称壳称壳温，用温，用TC表示）和散表示）和散热条件下，其允条件下，其允许流流过的最大的最大工工频正正弦半波弦半波电流流的平均的平均值。 IF(AV)是按照是按照电流的流的发热效效应来定来定义的，使用的，使用时应按按有效有效值相等相等的原的原则来来选取取电流定流定额，并，并应留有一定的裕量。留有一定的裕量。正向正向压降降UF 指指电力二极管在指定温度下，流力二极管在指定温度下，流过某一指定的某一指定的稳态正向正向电流流时对应的正向的正

11、向压降。降。反向重复峰反向重复峰值电压URRM 指指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用使用时，应当留有当留有两倍两倍的裕量。的裕量。 18/89电气工程讲坛电气工程讲坛1.2.3 电力二极管的主要参数力二极管的主要参数最高工作最高工作结温温TJM 结温是指管芯温是指管芯PN结的平均温度，用的平均温度，用TJ表示。表示。 最高工作最高工作结温是指在温是指在PN结不致不致损坏的前提下所坏的前提下所能承受的能承受的最高平均温度最高平均温度。 TJM通常在通常在125175 C范范围之内。之内。反向恢复反向恢复时间trr浪涌浪涌电流流IFSM 指指电力二

12、极管所能承受最大的力二极管所能承受最大的连续一个或几个一个或几个工工频周期的周期的过电流流。19/89电气工程讲坛电气工程讲坛 半控器件半控器件晶晶闸管管 晶晶闸管的管的结构与工作原理构与工作原理 晶晶闸管的基本特性管的基本特性 晶晶闸管的主要参数管的主要参数（略）（略）1-20电气工程讲坛电气工程讲坛 半控器件半控器件晶晶闸管管引言引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司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

13、位。1-21晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的管的结构与工作原理构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。1-22图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的管的结构与工作原理构与工作原理常用晶闸管的结构1-23螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构电气工程讲坛电气工程讲坛

14、晶晶闸管的管的结构与工作原理构与工作原理式中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。由以上式可得 ：1-24图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理 按晶体管的工作原理晶体管的工作原理 ，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的管的结构与工作原理构与工作原理在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻阻断断状状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开开通通状状态：注入触发电流使晶体管的发射

15、极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。1-25电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的管的结构与工作原理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过高结温较高光触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，称为光光控控晶晶闸管管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有只有门极触极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段是最精确、迅速而可靠的控制手段。1-26其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的基本特性管

16、的基本特性承受反向电压时，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 。1-27晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的基本特性管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。1-28正向导通雪崩击穿

17、O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 静态特性静态特性图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的基本特性管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。1-29图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的基本特性管的基本特性1) 开通过程延延迟时间td s)

18、上升上升时间tr (0.53 s)开开通通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）1-30100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关关断断时时间间t tq以上两者之和tq=trr+tgr （1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2） 动态特性动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的主要参数管的主要参数断断态重复峰重复峰值电压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。反向重复峰反向重复峰值

19、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。通通态（峰（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。1-31通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的主要参数管的主要参数通通态平均平均电流流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工最大工频正弦半波正弦半波电流的平均流的平均值。标称其额定电流的参数。使用

20、时应按有效有效值相等的原相等的原则来选取晶闸管。维持持电流流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住擎住电流流 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。对同一晶同一晶闸管来管来说，通常通常IL约为IH的的24倍倍。浪涌浪涌电流流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。1-322 2）电流定额电流定额电气工程讲坛电气工程讲坛 晶晶闸管的主要参数管的主要参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断断态电压临界上升率界上升率du/dt 指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

21、率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通通态电流流临界上升率界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。1-333 3）动态参数动态参数电气工程讲坛电气工程讲坛1.4 典型全控型器件典型全控型器件 门极可关断晶极可关断晶闸管管 电力晶体管力晶体管（略）（略） 电力力场效效应晶体管晶体管（略）（略） 绝缘栅双极晶体管双极晶体管（略）（略）1-34电气工程讲坛电气工程讲坛1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子

22、技术进入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。1-35电气工程讲坛电气工程讲坛1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件1-36电力MOSFETIGBT单管及模块电气工程讲坛电气工程讲坛 门极可关断晶极可关断晶闸管管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。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。1-37门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）电气工程讲坛电气工程讲坛 门极可关断晶极

23、可关断晶闸管管结构构：与普通晶闸管的相相同同点点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不不同同点点：GTO是一种多元的功率集成器件。1-38图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理电气工程讲坛电气工程讲坛 门极可关断晶极可关断晶闸管管工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 1-39图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。

24、由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益 1 1和 2 2 。电气工程讲坛电气工程讲坛 门极可关断晶极可关断晶闸管管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区区别：1-40设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 图1-7 晶闸管的工作原理电气工程讲坛电气工程讲坛 门极可关断晶极可关断晶闸管管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多

25、元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。1-41 由上述分析我们可以得到以下结论结论：电气工程讲坛电气工程讲坛 门极可关断晶极可关断晶闸管管开开通通过程程：与普通晶闸管相同关关断断过程程：与普通晶闸管有所不同储存存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降下降时间tf 尾尾部部时间tt 残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。1-42Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形2)GTO的动态特性的动态特性电气工程讲坛电气工程讲坛当前格局 IGBT为主体，第四代产品，制造水平，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。光光控控晶晶闸管管：功率更大场合，装置最高达300MVA，容量最大。电力力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。功功率率模模块和和功功率率集集成成电路路是现在电力电子发展的一个共同趋势。1-43电气工程讲坛电气工程讲坛思考题：电力二极管的反向击穿类型及其内涵？晶闸管导通的条件是什么？维持晶闸管导通的条件是什么，怎么才能才使晶闸管由导通变为关断？1-44