《电力电子器件电气工程讲坛ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子器件电气工程讲坛ppt课件（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电气工程讲坛电气工程讲坛第二讲 电力电子器件同济大学张文豪电气工程讲坛电气工程讲坛主要内容电气工程讲坛电气工程讲坛1 1、电力电子器件概述、电力电子器件概述电子技术的根底电子技术的根底 电子电子器件：晶体管和集成电路器件：晶体管和集成电路电力电子电路的根底电力电子电路的根底 电力电电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、特点和分类概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。等问题。引见常用电力电子器件的任务原理、根引见常用电力电子器件的任务原理、根本特性。本特性。电气工程讲坛电气工程讲坛1 电力电子器件概述电力电子器件概述电气工程讲坛电气工程讲坛1.1 电力电子器件
2、的概念和特征电力电子器件的概念和特征1 1概念概念: :电力电子器件电力电子器件Power Electronic DevicePower Electronic Device 可直接用于主电路中，实现电能的变换或可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。控制的电子器件。主电路主电路Main Power CircuitMain Power Circuit 电气设备或电力系统中，直接承当电能的电气设备或电力系统中，直接承当电能的变换或控制义务的电路。变换或控制义务的电路。2 2分类分类: : 电真空器件电真空器件 ( (汞弧整流器、闸流管汞弧整流器、闸流管) ) 半导体器件半导体器件 (
3、(采用的主要资料硅依然采用的主要资料硅依然电力电子器件电力电子器件电气工程讲坛电气工程讲坛1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征3.能处置电功率的才干，普通远大于处置信息能处置电功率的才干，普通远大于处置信息的电子器件。的电子器件。4.电力电子器件普通都任务在开关形状。电力电子器件普通都任务在开关形状。5.电力电子器件往往需求由信息电子电路来控电力电子器件往往需求由信息电子电路来控制。制。6.电力电子器件本身的功率损耗远大于信息电电力电子器件本身的功率损耗远大于信息电子器件，普通都要安装散热器。子器件，普通都要安装散热器。3同处置信息的电子器件相比的普通特征：同处置信息的电子
4、器件相比的普通特征：电气工程讲坛电气工程讲坛1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征通态损耗是器件功率损耗的主要成因。通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗能够成为器件功率损器件开关频率较高时，开关损耗能够成为器件功率损耗的主要要素。耗的主要要素。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1.1.2 运用电力电子器件系统组成运用电力电子器件系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路、维护电路电力电子系统：由控制电路、驱动电路、维护电路 和以电力电子器件为中心的主电路组成。和以电力电子
5、器件为中心的主电路组成。图1-1 电力电子器件在实践运用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2维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转电气隔离控制电路电气工程讲坛电气工程讲坛1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类半控型器件半控型器件Thyristor 经过控制信号可以控制其导通而不能经过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。控制其关断。全控型器件全控型器件IGTO，IGBT,MOSFET) 经过控制信号既可控制其导通又可控制经过控制信号既可控制其导通又可控制其关其关 断，又称自关断器件。断，又称自关断器件。不可控器件不可控器
6、件(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, 因此也因此也就不需求驱动电路。就不需求驱动电路。按照器件可以被控制的程度，分为以下三类：按照器件可以被控制的程度，分为以下三类：电气工程讲坛电气工程讲坛1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类电流驱动型电流驱动型 经过从控制端注入或者抽出电流来实现导通经过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者或者 关断的控制。关断的控制。电压驱动型电压驱动型 仅经过在控制端和公共端之间施加一定的电仅经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。压信号就可实现导通或者关断的控制。 按照驱动电路信
7、号的性质，分为两按照驱动电路信号的性质，分为两类：类：电气工程讲坛电气工程讲坛1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的任务原理结与电力二极管的任务原理1.2.2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性1.2.3 电力二极管的主要参数略电力二极管的主要参数略电气工程讲坛电气工程讲坛1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言 Power Diode构造和原理简单，任务可靠，自20世纪50年代初期就获得运用。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所，具有不可替代的位置。整流二极管及模块电气工程讲坛电气工程讲坛
8、1.2.1 PN结与电力二极管的任务原理结与电力二极管的任务原理根本构造和任务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。图1-2 电力二极管的外形、构造和电气图形符号 a) 外形 b) 构造 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 PN结与电力二极管的任务原理结与电力二极管的任务原理 形状参数正导游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 PN结的形状 二极管的根本原理就在于PN结的单导游电性这一主要特征。反向击穿雪崩击穿
9、、齐纳击穿留作思索 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CJ，又称为微分电容。电气工程讲坛电气工程讲坛1.2.2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性主要指其伏安特性主要指其伏安特性门门槛槛电电压压UTO，正正向向电电流流IF开开场场明明显显添添加加所所对对应应的电压。的电压。与与IF对对应应的的电电力力二二极极管管两两端端的的电电压压即即为为其其正正向向电电压降压降UF 。接接受受反反向向电电压压时时，只只需需微微小小而而数数值值恒恒定定的的反反向向漏漏电流。电流。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1.2.
10、2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性2) 动态特性动态特性 二二极极管管的的电电压压-电电流流特特性性随随时时 间变化的间变化的 结电容的存在结电容的存在b)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1.2.2 电力二极管
11、的根本特性电力二极管的根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 。UFPuiiFuFtfrt02V零偏置转换为正向偏置 开经过程：开经过程： 关断过程关断过程须须经经过过一一段段短短暂暂的的时时间间才才干干重重新新获获得得反反向向阻阻断断才才干干，进进入入截截止止形形状。状。关关断断之之前前有有较较大大的的反反向向电电流流出出现现，并伴随有明显的反向电压过冲。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
12、讲坛1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV) 指电力二极管长期运转时，在指定的管壳温度简称壳指电力二极管长期运转时，在指定的管壳温度简称壳温，用温，用TC表示和散热条件下，其允许流过的最大工频正表示和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。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，运用时应按有是按照电流的发热效应来定义的，运用时应按有效值相等的原那么来选取电流定额，并应留有一定的裕量。效值相等的原那么来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向指电力
13、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。电流时对应的正向压降。反向反复峰值电压反向反复峰值电压URRM 指对电力二极管所能反复施加的反向最顶峰值电压。指对电力二极管所能反复施加的反向最顶峰值电压。 运用时，该当留有两倍的裕量。运用时，该当留有两倍的裕量。 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电力二极管的主要参数最高任务结温最高任务结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。 最高任务结温是指在最高任务结温是指在PN结不致损坏的前提下所结不致损坏的前提下所能接受的最高平均温度。能接受的最高平均温度。 TJM通
14、常在通常在125175 C范围之内。范围之内。反向恢复时间反向恢复时间trr浪涌电流浪涌电流IFSM 指电力二极管所能接受最大的延续一个或几个指电力二极管所能接受最大的延续一个或几个工频周期的过电流。工频周期的过电流。电气工程讲坛电气工程讲坛1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.3.1 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理1.3.2 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性1.3.3 晶闸管的主要参数略晶闸管的主要参数略电气工程讲坛电气工程讲坛1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言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。
15、开辟了电力电子技术迅速开展和广泛运用的崭新时代。20世纪80年代以来，开场被全控型器件取代。能接受的电压和电流容量最高，任务可靠，在大容量的场所具有重要位置。晶晶闸闸管管ThyristorThyristor：晶晶体体闸闸流流管管，可可控控硅硅整整流流器器Silicon Silicon Controlled Controlled RectifierSCRRectifierSCR电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.1 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务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，能与散热器严密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
16、。图1-6 晶闸管的外形、构造和电气图形符号a) 外形 b) 构造 c) 电气图形符号电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.1 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理常用晶闸管的构造螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及构造电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.1 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理式中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 ：图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其任务原理a) 双晶体管模型 b) 任务原理 按晶体管的任务原理 ，得：1-21-11-31-41-5电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.1 晶闸
17、管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务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。 阻断形状：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。开通形状：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致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实践由外电路决议。电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.1 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理阳极电压升高至相当高的数值呵斥雪崩效应阳极电压上升率du/dt过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运用于高压电力设备中，称为光控晶闸管Light Trigger
18、ed ThyristorLTT。只需门极触发是最准确、迅速而可靠的控制手段。其他几种能够导通的情况：其他几种能够导通的情况：电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.2 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性接受反向电压时，不论门极能否有触发电流，晶闸管都不会导通。接受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才干开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用。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 。晶闸管正常任务时的特性总结如下：晶闸管正常任务时的特性总结如下：电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.2 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性1正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只需很小的正向漏
19、电流，为正向阻断形状。正向电压超越正向转机电压Ubo，那么漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转机电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿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1.3.2 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断形状时，只需极小的反相漏电流流过。当反向电压到达反向击穿电压后，能够导致晶闸管发热损坏。图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IA
20、IAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2反向特性反向特性电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.2 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性1) 开经过程延迟时间td (0.51.5s)上升时间tr (0.53s)开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr 1-6100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间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1.3.3 晶闸管的主
21、要参数晶闸管的主要参数断态反复峰值电压断态反复峰值电压UDRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许反反复复加加在在器器件件上上的的正正向峰值电压。向峰值电压。反向反复峰值电压反向反复峰值电压URRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许反反复复加加在在器器件件上上的的反反向峰值电压。向峰值电压。通态峰值电压通态峰值电压UT 晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定定倍倍数数的的额额定定通通态态平平均均电电流流时时的的瞬瞬态态峰峰值电压。值电压。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。选用时，普通取额定电压为正
22、常任务时晶闸管所接受峰值电压23倍。运用留意：运用留意：1电压定额电压定额电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通态平均电流通态平均电流 IT(AV IT(AV在环境温度为在环境温度为4040 C C和规定的冷却形状下，稳定结温不超越额和规定的冷却形状下，稳定结温不超越额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。额定电流的参数。运用时应按有效值相等的原那么来选取晶闸管。运用时应按有效值相等的原那么来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。使晶闸
23、管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常ILIL约为约为IHIH的的2424倍。倍。浪涌电流浪涌电流ITSMITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超越额定结温的不反复指由于电路异常情况引起的并使结温超越额定结温的不反复性最大正向过载电流性最大正向过载电流 。2 2电流定额电流定额电气工程讲坛电气工程讲坛1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 除开通时间除开通时间tgttgt和关断时间和关断时间
24、tqtq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt du/dt 指指在在额额定定结结温温暖暖门门极极开开路路的的情情况况下下，不不导致晶闸管从断态到通导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。态转换的外加电压最大上升率。 电电压压上上升升率率过过大大，使使充充电电电电流流足足够够大大，就就会会使使晶闸管误导通晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt 指指在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管能能接接受受而而无无有有害影响的最大通态电流上升率。害影响的最大通态电流上升率。 假假设设电电流流上上升升太太快快，能能够够呵呵斥斥部部分分
25、过过热热而而使使晶闸管损坏。晶闸管损坏。3 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1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.2 电力晶体管略电力晶体管略1.4.3 电力场效应晶体管略电力场效应晶体管略1.4.4 绝缘栅双极晶体管略绝缘栅双极晶体管略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。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
26、言常用的典型全控型器件常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块电气工程讲坛电气工程讲坛1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。可以经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，因此在兆瓦级以上的大功率场所仍有较多的运用。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1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管构造：构造：与与普普通通晶晶闸闸管管的的一一样样点点： PNPNPNPN四四层层半半导导体体构构造造，外部引出阳极、阴极和门极。外部引出阳极、阴极和门
27、极。和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同点点：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成器件。成器件。图1-13 GTO的内部构造和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔陈列的图形 b) 并联单元构造断面表示图 c) 电气图形符号1GTO的构造和任务原理的构造和任务原理电气工程讲坛电气工程讲坛1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管任务原理：任务原理：与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图1-71-7所示的双晶体管模型来分析。所示的双晶体管模型来分析。 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其任务原理 1+1+ 2=12=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由
28、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和2 。电气工程讲坛电气工程讲坛1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO可以经过门极关断的缘由是其与普通晶闸管有如下区别：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。 多元集成构造，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 图1-7 晶闸管的任务原理电气工程讲坛电气工程讲坛1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO导经过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有剧烈正反响使器件退出饱和而关断
29、。多元集成构造还使GTO比普通晶闸管开经过程快，接受di/dt才干强 。 由上述分析我们可以得到以下结论：电气工程讲坛电气工程讲坛1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管开开经经过过程程：与与普普通通晶晶闸闸管管一样一样关关断断过过程程：与与普普通通晶晶闸闸管管有所不同有所不同储储存存时时间间ts，使使等等效效晶晶体体管退出饱和。管退出饱和。下降时间下降时间tf 尾尾部部时时间间tt 残残存存载载流流子子复合。复合。通通常常tf比比ts小小得得多多，而而tt比比ts要长。要长。门门极极负负脉脉冲冲电电流流幅幅值值越越大大，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttfts
30、tdtrt0t1t2t3t4t5t6 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，制造程度2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断开展，与IGCT等新器件猛烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造程度6kV / 6kA。光控晶闸管：功率更大场所，8kV / 3.5kA，安装最高达300MVA，容量最大。电力MOSFET：长足提高，中小功率领域特别是低压，位置结实。功率模块和功率集成电路是如今电力电子开展的一个共同趋势。电气工程讲坛电气工程讲坛思索题：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，怎样才干才使晶闸管由导通变为关断？
