电力电子技术 第1章 电力电子器件.ppt

2020 1 16 1 绪论 绪论 2 2020 1 16 电力电子技术研究用电子技术对能量的形式进行变换 电力电子技术是一门边缘学科 横跨电力工程 电子技术和自动控制三大领域 0 1电力电子技术学科的性质 3 2020 1 16 80年代则有了另一个功率器件 绝缘栅双极晶闸管 IGBT 接着开发的是场控晶闸管 MCT 0 2电力电子技术的发展简史 电力电子技术早在1900年初就已出现 但当时很杂乱 不能称为真正的学科 1956年 美国贝尔电话公司的John mell制造出世界上第一个晶闸管 1957年 得到了商业化应用 一般把1957年作为电力电子技术诞生的时间 70年代初期出现了大功率晶体管 GTR 70年代末又有功率场效应晶体管 PowerMOSFET 4 2020 1 16 0 3电力电子技术的主要内容 1 AC CD 把交流电变为直流电 称为整流 2 CD AC 把直流电变为交流电 这是整流的逆过程 称为逆变 3 AC1 AC2 把一种形式的交流电变为另一种形式的交流电 若变换前后频率不变 称为交流调压 若变换前后频率变化 称为变频 4 DC1 DC2 对直流电压的大小进行变换 称为斩波 5 无触点电子开关 5 2020 1 16 0 4电力电子技术的应用 矿业开发 工业控制 电力机车 直流输电 军事 家用电器 农业生产 文化娱乐 办公自动化 机器人 2020 1 16 6 第1章电力电子器件 7 2020 1 16 8 2020 1 16 各类电力电子器件的应用范围 9 2020 1 16 1 1单向导电器件 早期的器件 如真空的电子二极管 充有某种气体的离子管以及水银整流器 也出现过一些固体的单向导电器件 如用氧化铜 硒等制成的整流器件 工业生产还曾大量采用交 直机组 早期的单向导电器件 上述器件都有很严重的缺陷 氧化铜和硒片制成的整流器件耐压很低 它们的反向漏电流也较大 电子管内有灯丝 寿命短 体积大 玻璃封装 易碎 水银整流器内含有毒的汞蒸汽 交 直机组工作时伴随着机械运动 从而出现了噪声 振动 摩擦等问题 使得效率降低 维修量大 10 2020 1 16 功率二极管的工作频率有很大的差别 使用时要根据工作频率合理选择 1 1单向导电器件 功率二极管的注意事项 正确理解额定电压的含义 额定电压指二极管承受最大电压的瞬时值 如一个二极管两端加220V的正弦电压 其有效值为220V 但其最大瞬时值为 正确理解额定电流的含义 二极管的额定电流为其能够承受的正弦半波电流的最大平均值 2020 1 16 11 1 2晶闸管 12 2020 1 16 晶闸管的外形和电路符号 1 2 1晶闸管的结构和工作原理 13 2020 1 16 晶闸管可以等效成2个三极管 1 2 1晶闸管的结构和工作原理 14 2020 1 16 要使晶闸管从阻断态转为导通态 必须同时满足以下条件 1 阳极与阴极之间加正向电压 UAK 0 2 门极与阴极之间加正向电压 UGK 0 要使晶闸管从导通态转为阻断状态 需满足以下条件之一 1 使阳极电流接近0 IA 0 2 在阳极与阴极之间加反向电压 UAK 0 实验电路 晶闸管的外部特性 1 2 2晶闸管的特性 15 2020 1 16 晶闸管的阳极特性曲线 1 在无门极电流时 当A K之间加正向电压 阳极只有很小的漏电流 2 当阳极电压增大到一定值时 器件会从阻断态转为导通态 称为 硬开通 3 A K之间加反向电压 会出现很小的反向漏电流 当电压达到一定值时 会出现 击穿 1 2 2晶闸管的特性 16 2020 1 16 1 2 3晶闸管的主要参数 电压参数 断态不重复峰值电压UDSM和断态重复峰值电压UDRM 1 17 2020 1 16 1 2 3晶闸管的主要参数 电压参数 反向不重复峰值电压URSM和反向重复峰值电压URRM 2 18 2020 1 16 额定电压Ue定义如下 取UDRM和URRM中的较小者 去掉百位以下的数即为额定电压Ue 例如某晶闸管UDRM 832V URRM 786V 则取较小者786V 然后去掉百位以下的数86 该晶闸管的额定电压为700V 1 2 3晶闸管的主要参数 电压参数 晶闸管的额定电压Ue 当电流为额定通态平均电流时 阳极和阴极之间的电压平均值为通态平均电压 也称为管压降 3 19 2020 1 16 1 2 3晶闸管的主要参数 电流参数 晶闸管允许通过的最大正弦半波电流平均值 不同波形的电流即使平均值相等 产生的热量也不相同 然而 如果电流的有效值相等 无论波形如何 产生的热量是相同的 因此为了在不同的波形下利用ITa作为限制晶闸管发热的依据 应对电流作以下处理 设允许通过晶闸管的最大正弦半波电流的幅值为Im 则 有效值为 I 2 ITa 1 57ITa 因此1 57ITa为晶闸管允许通过的最大有效值电流 通常要求晶闸管的最大允许电流有效值 1 57ITa 与实际通过的电流有效值IVT之间要留有1 5到2倍的裕量 即 通态平均电流ITa 20 2020 1 16 1 2 3晶闸管的主要参数 电流参数 能够维持晶闸管处于导通状态的最小阳极电流 如果IA IH 则晶闸管关断 在晶闸管开通过程中 阳极电流必须大于某一数值才能够真正进入导通状态 此时若门极电流消失 晶闸管仍能保持导通状态 这个电流就是IL 通常IL IH 维持电流IH 21 2020 1 16 1 1 2 3晶闸管的主要参数 动态参数 从在阳极和阴极之间加反向电压到晶闸管真正恢复阻断能力所需要的时间称为关断时间tq 欲使晶闸管可靠地关断 阳极和阴极之间的反向电压的持续时间应大于tq 开通时间tgt 晶闸管从门极得到正电压到真正进入导通状态需要一定的时间 这一时间称为开通时间tgt 这一过程包括两个部分 延迟时间td和上升时间tr td阶段对应晶闸管内部的两个等效晶体管正反馈建立的过程 此阶段IA上升缓慢 tr对应正反馈建立后IA上升的过程 为可靠地开通晶闸管 门极控制电压作用的时间不应小于tgt 22 2020 1 16 1 2 3晶闸管的主要参数 动态参数 在正向阻断状态 晶闸管的P N结J2反偏 J2的结电容会由于两端电压的变化而出现充放电电流 电流的大小为Cdu dt 这一电流流经J3 如果过大将会起到类似于触发电流的作用 引起两个晶闸管的正反馈 使晶闸管误导通 所以要对du dt进行限制 晶闸管从断态转为通态的过程中 阳极首先从门极附近的一个小区域开始导电 该区域逐渐扩大 最终扩展到整个阳极 如果电流上升地过快 将使门极附近的导电区域电流密度过大 此时虽阳极电流并未超过规定值 但导电区域会由于过热而烧坏 所以电流上升率di dt也不能太大 23 2020 1 16 1 2 4国产晶闸管的型号 2020 1 16 24 1 3全控器件 25 2020 1 16 1 3 1可关断晶闸管GTO 外形与电路符号 GTO的外形 电路符号 26 2020 1 16 1 3 1可关断晶闸管GTO 主要参数 可以通过门极进行关断的最大阳极电流 当阳极电流超过IAT0时 门极则无力通过IG将GTO关断 GTO的主要参数 27 2020 1 16 1 3 1可关断晶闸管GTO 主要参数 IAT0与IGRM的比值 OFF IAT0 IGRM 这一比值比较小 一般为5左右 这就是说 要想关断GTO 所要求的门极负电流的幅度也是很大的 如 OFF 5 GTO的阳极电流为1000A 那么要想关断它必须在门极加200A的反向电流 可以看出 尽管GTO可以通过门极反向电流进行可控关断 但其技术实现并不容易 为关断GTO门极可以施加的最大反向电流 28 2020 1 16 1 3 2功率晶体管GTR 外形与电路符号 电路符号 外形 功率晶体管的结构与一般小功率晶体管相似 内有两个P N结 引出三个电极 发射极 基极 集电极 并且也分为PNP和NPN两大类 29 2020 1 16 1 3 2功率晶体管GTR 开关过程 关断过程从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降 下降到90 ICO 对应的时间叫做存储时间ts 接着是下降时间tf 定义为集电极电流从90 ICO下降到10 ICO对应的时间 关断时间toff ts tf 开通过程GTR工作在开关状态 在饱和区和截止区之间相互切换 在刚开始施加基极电流的一段时间内 集电极电流变化很小 定义从基极电流的出现到集电极电流上升至稳定值ICO的10 这段时间为延迟时间td 然后集电极电流迅速上升 集电极电流从10 ICO上升到90 ICO对应的时间叫做上升时间tr 开通时间ton td tr 30 2020 1 16 1 3 2功率晶体管GTR 极限参数 ICM 最大允许集电极电流 表示集电极最大允许通过的电流瞬时值 PCM 一定管壳温度下集电极最大允许功耗 产品说明书的技术参数中PCM与管壳温度必须同时标出 BUCB0 发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压 BUCE0 基极开路时集电极与发射极之间的击穿电压 BUCER 发射极与基极之间用电阻连接时集电极与发射极之间的击穿电压 BUCES 发射极与基极之间短路时集电极与发射极之间的击穿电压 BUCEX 发射结反偏时集电极与发射极之间的击穿电压 这些击穿电压之间的关系为 BUCB0 BUCEX BUCES BUCER BUCE0 GTR的极限参数 31 2020 1 16 1 3 2功率晶体管GTR SB和SOA 32 2020 1 16 1 3 3功率场效应管MOSFET 外型和电路符号 电路符号 外型 33 2020 1 16 1 3 3功率场效应管MOSFET 结构 源极所连接的N型区域被P型材料包围 形成一个个孤立的 小岛 漏极在器件的下部 所以叫垂直导电结构 漏极连接的N型材料形成一个 凸 型 向上一直延伸到栅极的下面 漏极区域与源极区域之间被P型材料隔离 P型材料的上端是氧化物绝缘材料 再向上为栅极 这种结构可以大大缩短导电沟道的长度 载流子通过导电沟道后做垂直方向的运动 可以通过更大的电流 34 2020 1 16 栅极不加电压的情况下 介于源极N型区域和漏极N型材料 凸 型部分上端的N型区域之间的P型材料的两侧形成两个P N结 由于其阻挡作用无论源漏之间的电压方向如何都会有一个P N结反偏 不可能有电流通过 器件处于阻断状态 如果栅极加正电压 由于电场的作用 栅极下面P型材料中的多数载流子空穴被排斥 向下运动 同时栅极的正电压又把P型材料中的少数载流子电子吸引到P型材料的上部 这样 小岛 和 凸 型上部之间的P型材料中就形成一段反型层 并把两侧的N型区连接起来 消除了P N结的阻挡作用 通常漏极接电源正 源极接电源负 电流可以从漏极的N区通过P区的反型层到达源极的N区 器件导通 栅极施加的正电压越高 反型层越深 漏源之间的电流就越大 1 3 3功率场效应管MOSFET 工作原理 35 2020 1 16 1 3 3功率场效应管MOSFET 静态特性 36 2020 1 16 1 3 3功率场效应管MOSFET 静态特性 输出特性输出特性曲线如图 反映漏极电流ID与漏源之间的电压UDS的关系 由图可见 它类似于晶体管的输出特性曲线族 不同的是每条曲线的参数是UGS 而双极型晶体管以IB作为参数 三个区域 1 当UGS Uth时为截止区 漏极电流极小 2 在UGS Uth但UDS很小的一个范围 ID随UDS的增大而增大 该区域称为非饱和区或可变电阻区 相当于双极型晶体管的 饱和区 3 UDS增大到一定的程度 ID基本不随UDS变化 在栅极电压一定的情况下 器件呈恒流特性 该区域称为饱和区 37 2020 1 16 1 3 3功率场效应管MOSFET 动态特性 在开通过程中 当G S之间的电压uGS上升到MOSFET的开启电压Uth时 开始出现漏极电流iD 此后iD随uGS的增大而增大 直至达到稳定值 从驱动信号源出现电压到漏极出现电流这段时间叫做开通延迟时间td 从漏极出现电流到iD达到稳定值对应的时间为上升时间tr 两者之和为开通时间ton 在关断过程中 首先驱动信号源的电压下降到0 或负值 G S之间的电容通过信号源内阻放电 开始的一段时间漏极电流并没有变化 这段时间叫做关断延迟时间ts 之后 iD开始下降 当uGS UT时 iD下降到0 此过程对应的时间为下降时间tf 关断时间toff定义为 38 2020 1 16 1 3 3功率场效应管MOSFET SOA 在UDS较小的范围内 UDS越小D S之间的导通电阻Ron越大 同样电流下发热越严重 所以在漏极电流较小的情况下 允许通过的电流随UDS的减小而减小 如图中左端的斜线 当UDS大到一定程度 Ron变得很小 允许通过的电流只受最大漏极电流IDM的约束 但在UDS比较大时 安全工作区受到最大漏极功耗的限制 如图中右侧的斜线 MOSFET的安全工作区MOSFET在运行时受到D S之间最大电压 最大漏极电流和最大漏极功耗等因素的限制 MOSFET没有二次击穿 其正向偏置安全工作区如图所示 该图的横轴为对数坐标 所以功率曲线为直线 39 2020 1 16 1 3 4绝缘栅双极型晶体管IGBT 外形与电路符号 IGBT模块的外形 40 2020 1 16 1 3 4绝缘栅双极型晶体管IGBT 结构 41 2020 1 16 1 3 4绝缘栅双极型晶体管IGBT 静态特性 转移特性IGBT也是一种电压控制型器件 通过改变栅极G和发射极E之间的电压来控制集电极电流IC的大小 栅极也没有电流 不可能有类似普通双极型晶体管的输入特性曲线 反映控制特性的曲线为转移特性曲线 栅极 发射极之间的电压uGE较小时没有集电极电流 当uGE达到开启电压Uth时 开始出现集电极电流 随栅极 发射极之间的电压uGE的增大 集电极电流IC也增大 因此 IGBT也是一个电压控制型器件 这一点与MOSFET类似 42 2020 1 16 1 3 4绝缘栅双极型晶体管IGBT 静态特性 在uCE很小时 IC随uCE的增大而迅速上升 这个区域称为线性导电区 uCE增大到一定值 IC不再随uCE变化而基本保持恒定 该区域为恒流饱和区 如果继续uCE的值 使电压超出了器件的承受能力 则曲线进入击穿区 电流增大 图中曲线发生弯曲 输出特性反映集电极电流与集电极 发射极间电压之间关系的曲线为输出特性曲线 为一曲线族 曲线族中每一条曲线由一个固定的uGE值确定 43 2020 1 16 1 3 4绝缘栅双极型晶体管IGBT 动态特性 IGBT在开通和关断过程中集电极电流iC与栅极电压之间也存在着一定的延时 从栅极 发射极之间电压uCE上升到稳态值的10 到集电极电流iC上升到稳态值的10 对应的时间称为开通延迟时间td 从iC上升到稳态值的10 到上升至稳态值的90 所对应的时间为上升时间tr 开通时间ton ton td tr 把从uCE下降到原来的90 到iC下降到稳态值的90 所对应的时间称为关断延迟时间ts iC从稳态值的90 下降到稳态值的10 对应的时间称为下降时间tf 关断时间toff ts tf 44 2020 1 16 1 3 4绝缘栅双极型晶体管IGBT 动态特性 在IGBT中 除有一个PNP型三极管外 还存在着一个NPN型寄生三极管 它由J1和J2之间的N型材料 两侧的P型材料和与E极连接的N 材料构成 这样 IGBT可左图电路来等效 在NPN型三极管 图中的V2 的B E之间有一个与之并联的扩展电阻Rbr IGBT工作时电流会流过这个电阻产生压降 相当于给NPN型三极管V2提供正向偏置 偏置电压的大小与集电极电流iC有关 在一般情况下 该电压不大 不至于使NPN型三极管导通 但如果iC很大 Rbr就可能给V2的发射结提供足够的电压使其导通 V2一旦导通 就会与PNP型三极管形成正反馈 两个晶体管很快进入饱和状态 此时V1 V2实际上构成了一个晶闸管 门极失去了控制作用 这就是所谓擎住效应 擎住效应 45 2020 1 16 1 3 4绝缘栅双极型晶体管IGBT SOA IGBT的SOA 2020 1 16 46 1 4新型电力电子器件 47 2020 1 16 1 4 1静电感应晶体管SIT 当UGS 0 上述PN结两侧的这个耗尽区不大 尚没有连接起来 此时如果在D S间加以电压 会有电流在D S极之间流动 如果使UGS 0 S接正G接负 分布在N 区的耗尽区的厚度将加大 两侧耗尽区之间的导电沟道会变窄 同样漏 源极电压下漏极电流会减小 因此可以通过改变UGS来控制D S之间的电流ID 由此可以看出 SIT的工作原理与耗尽型结型场效应管类似 改变G S之间的反向电压可以调节漏极电流 SIT的结构如图 a 其电路符号如图 b 有三个电极 漏极D 源极S和栅极G 两侧的P 型材料与中部的N 材料将形成PN结 在P N 结合面的两侧存在着一个耗尽区 里面没有载流子 不能导电 48 2020 1 16 1 4 2静电感应晶闸管SITh SITh的结构如图 a 电路符号如图 b 从图中可以看出 SITh相当于在SIT的基础上增加了最下面一层P型材料 形成一个PN结J2 具有了单向导电性 在UGK 0时 J1两侧不导电的耗尽区较薄 中间的N型材料留有一个导电沟道 电流可以从阳极流向阴极 当在栅极和阴极之间施以负电压 UGK 0 PN结J1受到较大的反压 两侧的耗尽区连接起来 阻断了电流 器件关断 49 2020 1 16 1 4 3MOS控制晶闸管MCT MCT的内部有一个PNP型晶体管V1和一个NPN型晶体管V2 两个晶体管相互连接与普通晶闸管的等效电路相同 其中任何一个出现导通电流则在两管之间形成正反馈使两个晶体管均迅速进入饱和状态 在MCT中还有一个P沟道场效应管ON FET和一个N沟道场效应管OFF FET 它们的作用是控制等效晶闸管的通断 MOS控制晶闸 MOSFETControlledThyristor 的等效电路如图 a 所示 其电路符号如图 b 所示 MCT三个电极分别为阳极A 阴极K 栅极G 2020 1 16 50 1 5电力电子器件的驱动 51 2020 1 16 1 5 1晶闸管的驱动电路 门极特性 晶闸管的门极和阴极之间为一PN结 控制信号相当于给这个PN结施加正向电压 电压UGK和电流IG之间应表现出PN结正向特性的关系 但由于晶闸管的特殊要求导致设计和工艺上的差异 上述PN结和一般作为二极管使用的PN结的特性有很大的不同 晶闸管曲线线的斜率有时很大 有时又会很小 存在着很大的离散性 把门极伏安特性曲线中斜率最大的和最小的两条曲线标在UGK IG平面 作为其门极伏安特性 驱动信号的幅度受到最大门极电压UGM 最大门极电流IGM和最大门极功耗PGM的限制 为保证晶闸管可靠 触发 导通 门极电压和门极电流要具有一定的强度 手册中通常表示为门极可靠触发电压UGT和门极可靠触发电流IGT 52 2020 1 16 1 5 1晶闸管的驱动电路 强触发 53 2020 1 16 1 5 2GTO的驱动电路 要求 对触发电流的波形的要求 开通时门极电流的上升率尽可能陡 一般取门极电流上升率为5 10A s 开通门极电流要具有一定的幅度 刚开始的强触发阶段要求门极电流IG为门极直流额定触发电流IGM的3 10倍 这也是为了缩短开通时间 脉冲要有一定的宽度 对于开通正脉冲 其持续时间要为GTO开通时间的数倍以上 如果负载为电感性 开通正脉冲的持续时间要大于阳极电流建立的时间 关断门极电流的上升沿要陡 一般要求关断门极电流的上升率为10 50A s 关断门极电流脉冲要有一定的幅度 该幅度与欲关断的阳极电流的大小和关断增益 OFF有关 关断脉冲要有一定的宽度 从而保证可靠关断 54 2020 1 16 1 5 2GTO的驱动电路 驱动电路 GTO的驱动波形 单电源驱动电路 双电源驱动电路 55 2020 1 16 1 5 3GTR的驱动电路 要求 对GTR取得的要求 在使GTR从阻断转为导通过程中 IB的幅度要足够大 以使得GTR尽快导通并进入饱和状态 这样可以减少GTR的开通损耗 GTR已经导通 必须有一定的基极电流来维持 这个电流必须GTR工作在饱和状态 但又不能过大使GTR进入深度饱和 以免增加关断GTR的难度 同时基极电流过大也会使GTR的基极功耗增加 这同样是应该避免的 关断GTR的过程中应提供反向基极电流 抽取器件内部的载流子 使GTR快速关断 当GTR处于阻断状态时最好在其基极 发射极之间加一定的反向电压 增加GTR的阻断能力和防止误导通 56 2020 1 16 1 5 3GTR的驱动电路 驱动电路 57 2020 1 16 1 5 3GTR的驱动电路 贝克钳位 电路中A E之间的电压为 由此可得出 贝克钳位电路 58 2020 1 16 1 5 4场控器件的驱动电路 对驱动电路的要求 59 2020 1 16 1 5 4场控器件的驱动电路 图为推挽式驱动电路 当uS为正时晶体管VT1导通VT2截止 VT1发射极电流为被驱动的MOSFET的输入电容充电 MOSFET开通 uS为零时晶体管VT2导通VT1截止 MOSFET的输入电容储存的电荷通过VT2迅速释放 使器件关断 60 2020 1 16 1 5 4场控器件的驱动电路 图为一种简单的磁耦合驱动电路 晶体管VT导通时脉冲变压器的初级线圈中电流上升 使得次级感应出上正下负的电压 该电压通过二极管VD1为MOSFET的输入电容充电 使MOSFET导通 VT关断时脉冲变压器初级的电流下降 次级线圈中感应出上负下正的电压 使MOSFET的输入电容反向充电 栅 源之间的电压由正变负 MOSFET关断 2020 1 16 61 1 6电力电子器件的保护 62 2020 1 16 1 6 1过电压的保护 63 2020 1 16 1 6 1过电压的保护 64 2020 1 16 1 6 1过电压的保护 阻容保护过电压的幅度一般都很大 但是其作用时间一般都很短暂 即过电压的能量并不是很大的 利用电容两端的电压不能突变这一特点 将电容器并联在保护对象的两端 可以达到过电压保护的目的 这种保护方式叫做阻容保护 图为电源侧阻容保护原理图 图 a