电力电子技术课件.ppt

电力电子技术PowerElectronics 自动化教研室李丽电话 2688669E mail lili 章节 第一章电力电子器件第二章整流电路第三章直流斩波电路第四章交流电力控制电路第五章逆变电路第六章PWM控制电路 前言 课程性质 电力电子技术 教程是自动化专业的一门应用技术基础课 是考研专业课程之一 电力电子技术 是一门跨学科的 利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 电力电子技术 由三部分内容组成 电力电子器件电力电子电路电力电子系统及其控制 主要任务 培养学生 了解电力电子技术的发展动向和应用领域 了解与熟悉常用的电力电子器件的工作机理 电气特性和主要参数 理解和掌握基本的电力电子电路的工作原理 电路结构 波形特征 电气性能 分析方法和参数计算 并能进行初步的设计 对电力电子电路具有一定的实验和调试能力 本课程与其他课程的联系 本课程的先修课程为 电路分析 模拟电子技术 数字电子技术 电机学 自动控制原理等 本课程为学习电力拖动自动控制系统 电力电子装置及控制 高频电力电子技术等课程奠定了基础 本学科存在与发展的必然性 为获得某些优良的控制特性 节能 环保的要求 或称绿色电力电子装置 本学科的特点 实践性强发展迅速与现代新技术紧密结合功率范围大 从几瓦到数百兆瓦以上广阔的应用前景工业 能源 交通 国防 金融家用电器 等等 课本与参考书 课本 电力电子技术 王兆安机械工业出版社 第四版 参考书 现代电力电子技术基础 清华 赵良炳等1995年电力电子技术 西南交 郭世明黄念慈等2002年电力电子器件及其应用 机工 李序葆赵永健1996年开关电源的原理与设计 电子 张占松等1999年教学网站 http pel 考试方式与成绩评定 本课程总学时48 3学分 其中讲课40学时 实验8学时 平时考勤和作业 0 实验 0 期末考试 60 如何学习好本课程 基本原理 基本电路分析 波形分析 元器件的使用 对控制电路的要求 1什么是电力电子技术2电力电子技术的发展史3电力电子技术的应用 绪论 信息电子技术 信息处理电力电子技术 电力变换电子技术一般即指信息电子技术 广义而言 也包括电力电子技术 电力电子技术 使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 即应用于电力领域的电子技术 目前电力电子器件均用半导体制成 故也称电力半导体器件 电力电子技术变换的 电力 可大到数百MW甚至GW 也可小到数W甚至mW级 1 1电力电子与信息电子 变流技术 电力电子器件应用技术 用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术 以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术 电力电子技术的核心 理论基础是电路理论 1 2电力电子技术的两大分支 电力电子器件制造技术电力电子技术的基础 理论基础是半导体物理 电力 交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流 从蓄电池和干电池得到的是直流 电力变换四大类交流变直流 直流变交流 直流变直流 交流变交流 表1电力变换的种类 进行电力变换的技术称为变流技术 1 2两大分支 2 变流技术 电力电子学 PowerElectronics 名称60年代出现 1974年 美国的W Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述 被全世界普遍接受 图1描述电力电子学的倒三角形 1 3与相关学科的关系 都分为器件和应用两大分支 器件的材料 工艺基本相同 采用微电子技术 应用的理论基础 分析方法 分析软件也基本相同 信息电子电路的器件可工作在开关状态 也可工作在放大状态 电力电子电路的器件一般只工作在开关状态 二者同根同源 与电子学 信息电子学 的关系 1 3与相关学科的关系 2 1 3与相关学科的关系 3 电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解 电镀 电加热 高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支 电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支 与电力学 电气工程 的关系 控制理论广泛用于电力电子系统中 电力电子技术是弱电控制强电的技术 是弱电和强电的接口 控制理论是这种接口的有力纽带 电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术 与控制理论 自动化技术 的关系 1 3与相关学科的关系 4 电力电子技术和运动控制一起 和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱 计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子 运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术 是把粗电变为精电的技术 能源是人类社会的永恒话题 电能是最优质的能源 因此 电力电子技术将青春永驻 一门崭新的技术 21世纪仍将以迅猛的速度发展 1 4地位和未来 电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的 1904 1930 1947 1957 1970 1980 1990 2000 t 年 2电力电子技术的发展史 一般工业 交直流电机 电化学工业 冶金工业交通运输 电气化铁道 电动汽车 航空 航海电力系统 高压直流输电 柔性交流输电 无功补偿电子装置电源 为信息电子装置提供动力家用电器 节能灯 变频空调其他 UPS 航天飞行器 新能源 发电装置 3电力电子技术的应用 轧钢机 数控机床 冶金工业 电解铝 1 一般工业 3电力电子技术的应用 2 直流电动机 交流电机 2 交通运输 3电力电子技术的应用 3 3 电力系统 SVC 高压直流装置HVDC 柔性交流输电FACTS 3电力电子技术的应用 4 4 电子装置用电源 程控交换机 电子装置 微型计算机 3电力电子技术的应用 5 5 家用电器 3电力电子技术的应用 6 6 其他 大型计算机的UPS 新型能源 3电力电子技术的应用 7 交流变频调速电梯 燃料电池电动汽车 航天技术 总之 电力电子技术的应用范围十分广泛 飞速发展 电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源 因此可以说 电力电子技术研究的也就是电源技术 电力电子技术对节省电能有重要意义 特别在大型风机 水泵采用变频调速 在使用量十分庞大的照明电源等方面 因此它也被称为是节能技术 3电力电子技术的应用小节 电子技术的基础 电子器件 晶体管和集成电路电力电子电路的基础 电力电子器件本章主要内容 概述电力电子器件的概念 特点和分类等问题 介绍常用电力电子器件的工作原理 基本特性 主要参数以及选择和使用中应注意问题 第1章电力电子器件 引言 1 1 1电力电子器件的概念和特征1 1 2应用电力电子器件的系统组成1 1 3电力电子器件的分类 1 1电力电子器件概述 电力电子器件 PowerElectronicDevice 可直接用于主电路中 实现电能的变换或控制的电子器件 主电路 MainPowerCircuit 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电力电子器件的概念和特征 一 电力电子器件概念 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 驱动电路 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件 一般都要安装散热器 1 1 1电力电子器件的概念和特征 二 同处理信息的电子器件相比的一般特征 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 开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素 主要损耗 通态损耗 断态损耗 开关损耗 关断损耗 开通损耗 1 1 1电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗 电力半导体器件的基本特点是能以小信号输入控制很大的输出 放大倍数极大 电力半导体器件的另一基本特点是工作于开关状态 正向压降低而反向漏电流小 从而在理论上保证了各类电力电子设备都具有节能性能 小结器件特征 电力电子系统 由控制电路 驱动电路 保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成 图1 1电力电子器件在实际应用中的系统组成 1 1 2应用电力电子器件系统组成 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 三 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度 分为以下三类 PowerDiode Thyristor IGBT MOSFET 电流驱动型 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 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 1 3电力电子器件的分类 2 按照驱动电路信号的性质 分为两类 PowerDiode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不可控器件 电力二极管 引言 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 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 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性 PN结的反向击穿 两种形式 雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 PN结的状态 主要指其伏安特性门槛电压UTO 正向电流IF开始明显增加 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 承受反向电压时 只有微小而数值恒定的反向漏电流 图1 4电力二极管的伏安特性 1 2 2电力二极管的基本特性 1 静态特性 2 电力二极管的动态过程波形 当由正向偏置转换为反向偏置时 要经过一短暂的反向恢复时间 且有较大的反向电流出现 当由零偏置转换为正相偏置时 正相压降也会出现一个过冲电压 额定电流 在指定的管壳温度和散热条件下 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 IF AV 是按照电流的发热效应来定义的 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 1 2 3电力二极管的主要参数 1 正向平均电流IF AV 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 3 反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 使用时 应当留有两倍的裕量 4 反向恢复时间trrtrr td tf 1 2 3电力二极管的主要参数 2 2 正向压降UF 结温是指管芯PN结的平均温度 用TJ表示 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度 TJM通常在125 175 C范围之内 6 浪涌电流IFSM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 3电力二极管的主要参数 3 5 最高工作结温TJM 1 普通二极管 GeneralPurposeDiode 又称整流二极管 RectifierDiode 多用于开关频率不高 1kHz以下 的整流电路其反向恢复时间较长 一般5 s以上 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 Kv kA 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 1 2 4电力二极管的主要类型 简称快速二极管快恢复外延二极管 FastRecoveryEpitaxialDiodes FRED 其trr更短 可低于50ns UF也很低 0 9V左右 但其反向耐压多在1200V以下 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级 前者trr为数百纳秒或更长 后者则在100ns以下 甚至达到20 30ns 1 2 4电力二极管的主要类型 2 快恢复二极管 FastRecoveryDiode FRD 肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高 多用于200V以下 反向稳态损耗不能忽略 必须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 40ns 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管 效率高 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小 1 2 4电力二极管的主要类型 2 3 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 SchottkyBarrierDiode SBD 通常 普通二极管多用于低频整流电路 高压场合 快恢复二极管和肖特基二极管 分别在中 高频整流和逆变电路 以及低压高频整流的场合 具有不可替代的地位 各种二极管及模块 整流二极管 快恢复二极管和肖特基二极管 上海锦荃电子科技有限公司代理销售的各种SR 1 3半控器件 晶闸管 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位 晶闸管 Thyristor 晶体闸流管 可控硅整流器 SiliconControlledRectifier SCR 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 常用晶闸管的结构 螺栓型晶闸管 晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 1 2半控型器件 晶闸管 Thyristor或SCR 1 2 1外型 结构及电气图形符号 A 阳极K 阴极G 门极 晶闸管的结构 管心由硅半导体材料做成 四层三端器件 螺栓型 额定电流小于200A 螺栓为阳极A 粗引线为阴极K 细引为门极G 平板型 额定电流小于200A 平面为阳极A 引出线为门极G 可以用双晶体管模型来解释 如果外电路向门极注入电流IG 则IG流人V2的基极 即产生集电极电流IC2 它构成晶体管V1的基极电流 放大成集电极电流IC1 又进一步增大V2的基极电流 形成强烈的正反馈 最后V1和V2进入完全饱和状态 即晶闸管导通 此时 撤掉IG 晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈仍然维持导通 要关断 必须去掉阳极所加的正电压 或给阳极加反压 或设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下 一 工作原理 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 2 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 得 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 3 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 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 开通状态 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实际由外电路决定 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 4 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 称为光控晶闸管 LightTriggeredThyristor LTT 只有门极触发是最精确 迅速而可靠的控制手段 其他几种可能导通的情况 1 3 2晶闸管的基本特性 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 静态特性 图1 8晶闸管的伏安特性IG2 IG1 IG 1 3 2晶闸管的基本特性 2 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 图1 8晶闸管的伏安特性IG2 IG1 IG 2 反向特性 1 3 2晶闸管的基本特性 3 1 开通过程延迟时间td 0 5 1 5 s 上升时间tr 0 5 3 s 开通时间tgt以上两者之和 tgt td tr 1 6 2 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 图1 9晶闸管的开通和关断过程波形 1 3 3晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压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 反向重复峰值电压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 通态 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 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 一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 3倍 使用注意 1 电压定额 1 3 3晶闸管的主要参数 2 通态平均电流IT AV 在环境温度为40 C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频正弦半波电流的平均值 标称其额定电流的参数 使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管 维持电流IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流 擎住电流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 对同一晶闸管来说 通常IL约为IH的2 4倍 浪涌电流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 2 电流定额 1 3 3晶闸管的主要参数 3 除开通时间tgt和关断时间tq外 还有 断态电压临界上升率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 通态电流临界上升率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 3 动态参数 1 3 4晶闸管的派生器件 有快速晶闸管和高频晶闸管 开关时间以及du dt和di dt耐量都有明显改善 普通晶闸管关断时间数百微秒 快速晶闸管数十微秒 高频晶闸管10 s左右 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高 由于工作频率较高 不能忽略其开关损耗的发热效应 400Hz和10kHz以上的斩波电路或逆变电路 1 快速晶闸管 FastSwitchingThyristor FST 1 3 4晶闸管的派生器件 2 2 双向晶闸管 TriodeACSwitch TRIAC 图1 10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成 有两个主电极T1和T2 一个门极G 在第 和第III象限有对称的伏安特性 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值 常用于交流调压电路 固态继电器 交流电机调速 1 3 4晶闸管的派生器件 3 逆导晶闸管 ReverseConductingThyristor RCT 图1 11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件 具有正向压降小 关断时间短 高温特性好 额定结温高等优点 一旦承受反向电压即开通 常用于逆变电路 1 3 4晶闸管的派生器件 光控晶闸管 LightTriggeredThyristor LTT 图1 12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性 又称光触发晶闸管 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘 且可避免电磁干扰的影响 因此目前在高压大功率的场合 如高压直流输电 高压核聚变装置 1 3 2晶闸管的基本特性小结 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 晶闸管正常工作时的特性总结如下 定义SCR额定电流时是在规定的条件下 不同形式的整流电路带不同类型的负载 具有不同的导通角 流过晶闸管的电流波形不一 额定电流定义是在工频正弦半波情况下通过SCR的最大平均电流 所以实际允许的平均电流与额定电流是有差别的 注意 SCR的额定电流选取问题 IT AV 晶闸管电流 平均值 发热量 有效值 波形系数 例1 1 流经晶闸管的波形如图1 1所示 试计算该电流波形的平均值 有效值及波形系数 若取安全裕量为2 问额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流平均值和最大值是多少 图1 1 解 电流平均值为 电流有效值为 波形系数为 考虑2倍安全裕量 100A的晶闸管允许通过的电流平均值为 电流最大值为 例 B 表示额定电流 额定电压 管压降0 4v 0 5v的普通晶闸管 管压降等级 额定电压等级 额定电流 普通型 快开型 逆导型 可关断型 双向型 晶闸管产品型号 管子额定电流的选择 1 按电流有效值相等的原则选择晶闸管 2 留裕量 取1 5 2倍后取整 3 额定电流等级 50A以下 1 5 10 20 30 40 50A 100 1000A 100 200 300 400 500 600 800 1000A 1 4典型全控型器件 引言 20世纪80年代以来 电力电子技术进入了一个崭新时代 现代电力电子技术 典型代表 门极可关断晶闸管 GTR 电力晶体管 GTO 电力场效应晶体管 P MOSFET 绝缘栅双极晶体管 IGBT 和晶闸管电路采用的相位控制方式相对应 全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制 PWM 方式 1 4典型全控型器件 引言 常用的典型全控型器件 电力MOSFET IGBT单管及模块 TVS是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件 它的外型与普通二极管相同 但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率 1 4 1门极可关断晶闸管 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 门极可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor GTO 1 4 1门极可关断晶闸管 结构 与普通晶闸管的相同点 PNPN四层半导体结构 外部引出阳极 阴极和门极 和普通晶闸管的不同点 GTO是一种多元的功率集成器件 图1 13GTO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 1 4 1门极可关断晶闸管 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别 设计 2较大 使晶体管V2控制灵敏 易于关断 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 1 4 1门极可关断晶闸管 开通过程 与普通晶闸管相同关断过程 与普通晶闸管有所不同储存时间ts 下降时间tf尾部时间tt 门极负脉冲电流幅值越大 ts越短 图1 14GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性 门级电流 阳级电流 1 4 1门极可关断晶闸管 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 由上述分析我们可以得到以下结论 1 4 1门极可关断晶闸管 GTO的主要参数 延迟时间与上升时间之和 延迟时间一般约1 2 s 上升时间则随通态阳极电流的增大而增大 一般指储存时间和下降时间之和 不包括尾部时间 下降时间一般小于2 s 2 关断时间toff 1 开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型 类似于逆导晶闸管 需承受反压时 应和电力二极管串联 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同 以下只介绍意义不同的参数 1 4 1门极可关断晶闸管 3 最大可关断阳极电流IATO 4 电流关断增益 off off一般很小 只有5左右 这是GTO的一个主要缺点 1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A GTO额定电流 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益 1 8 1 4 2电力晶体管 电力晶体管 GiantTransistor GTR 直译为巨型晶体管 耐高电压 大电流的双极结型晶体管 BipolarJunctionTransistor BJT 英文有时候也称为PowerBJT 应用20世纪80年代以来 在中 小功率范围内取代晶闸管 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代 术语用法 1 4 2电力晶体管 1 GTR的结构和工作原理 图1 15GTR的结构 电气图形符号和内部载流子的流动a 内部结构断面示意图b 电气图形符号c 内部载流子的流动 1 4 2电力晶体管 GTR 一 GTR结构和工作原理GTR通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构的集成器件 单管的GTR结构与普通的双极结型晶体管是类似的 GTR是由三层半导体 分别引出集电极 基极和发射极 形成的两个PN结 集电结和发射结 构成 多采NPN结构 在应用中 GTR一般采用共发射极接法 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高 电流大 开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 1 GTR的特性 1 4 2电力晶体管 1 4 2电力晶体管 1 静态特性共发射极接法时的典型输出特性 截止区 放大区和饱和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态 在开关过程中 即在截止区和饱和区之间过渡时 要经过放大区 截止区 放大区 饱和区 O I c i b3 i b2 i b1 i b1 i b2 i b3 U ce 图1 16共发射极接法时GTR的输出特性 2 GTR的基本特性 1 4 2电力晶体管 开通过程开通时间ton 关断过程关断时间toff GTR的开关时间在几微秒以内 比晶闸管和GTO都短很多 图1 17GTR的开通和关断过程电流波形 2 动态特性 1 4 2电力晶体管 1 最高工作电压GTR上电压超过规定值时会发生击穿 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关 还与外电路接法有关 3 GTR的主要参数 2 集电极最大允许电流IcM 3 集电极最大耗散功率PcM 1 4 2电力晶体管 一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时 Ic迅速增大 只要Ic不超过限度 GTR一般不会损坏 工作特性也不变 二次击穿 一次击穿发生时 Ic突然急剧上升 电压陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏 或者工作特性明显衰变 图1 18GTR的安全工作区 4 GTR的二次击穿现象与安全工作区 安全工作区 SafeOperatingArea SOA 最高电压UceM 集电极最大电流IcM 最大耗散功率PcM 二次击穿临界线限定 4 GTR的二次击穿现象与安全工作区 1 4 3电力场效应晶体管 P MOSFET 分类 1 绝缘栅型的电力MOSFET2 结型电力场效应晶体管SIT特点 电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的 因此它的第一个显著特点是驱动电路简单 需要的驱动功率小 其第二个显著特点是开关速度快 工作频率高 另外 电力MOSFET热稳定性优于GTR 但是电力M0SFET电流容量小 耐压低 一般只适用于功率不超过10kw的电力电子装置 1 4 3电力场效应晶体管 电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道 电力MOSFET主要是N沟道增强型 1 电力MOSFET的结构和工作原理 小功率MOS管是横向导电器件 电力MOSFET大都采用垂直导电结构 电力MOSFET的结构 1 4 3电力场效应晶体管 电力MOSFET的结构 是单极型晶体管 导电机理与小功率MOS管相同 但结构上有较大区别 采用多元集成结构 不同的生产厂家采用了不同设计 图1 19电力MOSFET的结构和电气图形符号 概述 符号 命名 特点 D Drain 漏极S Source 源极G Gate 门极 控制极 寄生二极管 MTP8N50MOTOROLA摩托罗拉IRF460IR国际整流器BUZ84SIEMENS西门子2SK1358TOSHIBA东芝2K117MITSUBISHI三菱 产品与命名 1 4 3电力场效应晶体管 截止 漏源极间加正电源 栅源极间电压为零 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏 漏源极之间无电流流过 导电 在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时 P型半导体反型成N型而成为反型层 该反型层形成N沟道而使PN结J1消失 漏极和源极导电 电力MOSFET的工作原理 1 4 3电力场效应晶体管 1 静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性 ID较大时 ID与UGS的关系近似线性 曲线的斜率定义为跨导Gfs 图1 20电力MOSFET的转移特性 2 电力MOSFET的基本特性 开启电压 1 4 3电力场效应晶体管 截止区饱和区对应于GTR的放大区非饱和区对应GTR的饱和区工作在开关状态 即在截止区和非饱和区之间来回转换 漏源极之间有寄生二极管 漏源极间加反向电压时器件导通 通态电阻具有正温度系数 对器件并联时的均流有利 MOSFET的漏极伏安特性 输出特性 图1 20电力MOSFET的输出特性 1 4 3电力场效应晶体管 开通过程开通延迟时间td on 上升时间tr开通时间ton关断过程关断延迟时间td off 下降时间tf关断时间toff 图1 21电力MOSFET的开关过程a 测试电路b 开关过程波形up 脉冲信号源 Rs 信号源内阻 RG 栅极电阻 RL 负载电阻 RF 检测漏极电流 2 动态特性 1 4 3电力场效应晶体管 不存在少子储存效应 关断过程非常迅速 开关时间在10 100ns之间 工作频率可达100kHz以上 是主要电力电子器件中最高的 场控器件 静态时几乎不需输入电流 但在开关过程中需对输入电容充放电 仍需一定的驱动功率 开关频率越高 所需要的驱动功率越大 MOSFET的开关速度 1 4 3电力场效应晶体管 3 电力MOSFET的主要参数 电力MOSFET电压定额 1 漏极电压UDS 2 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额 3 栅源电压UGS UGS 20V将导致绝缘层击穿 除跨导Gfs 开启电压UT以及td on tr td off 和tf之外还有 4 极间电容 极间电容CGS CGD和CDS 控制特性 电压控制型 高输入电阻 较大输入电容 性能参数 高速高可靠性 无二次击穿 开启电压3V 过载2 4倍脉冲电流 正温度系数 高导通压降10KW以下小功率方案 小结 P MOSFET特点 1 4 4绝缘栅双极晶体管 IGBT 前言 两类器件取长补短结合而成的复合器件 Bi MOS器件绝缘栅双极晶体管 Insulated gateBipolarTransistor IGBT 1986年投入市场 是中小功率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量 以期再取代GTO的地位 GTR的特点 双极型 电流驱动 有电导调制效应 通流能力很强 开关速度较低 所需驱动功率大 驱动电路复杂 P MOSFET的优点 单极型 电压驱动 开关速度快 输入阻抗高 热稳定性好 所需驱动功率小而且驱动电路简单 1 4 4绝缘栅双极晶体管 一 IGBT的结构和工作原理三端器件 栅极G 集电极C和发射极E 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的 图1 22IGBT的结构 简化等效电路和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 简化等效电路c 电气图形符号 符号 命名 特点 等效电路 二 概述 1 4 4绝缘栅双极晶体管 驱动原理与电力MOSFET基本相同 场控器件 通断由栅射极电压UGE决定 导通 UGE大于开启电压UGE th 时 MOSFET内形成沟道 为晶体管提供基极电流 IGBT导通 关断 栅射极间施加反压或不加信号时 MOSFET内的沟道消失 晶体管的基极电流被切断 IGBT关断 IGBT的工作原理 a b 1 4 4绝缘栅双极晶体管 三 IGBT的基本特性 1 IGBT的静态特性 图1 23IGBT的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 输出特性分为三个区域 正向阻断区 有源区和饱和区 转移特性 IC与UGE间的关系 开启电压UGE th 1 4 4绝缘栅双极晶体管 图1 24IGBT的开关过程 IGBT的开通过程与MOSFET的相似开通时间tonuCE的下降过程 2 IGBT的动态特性 IGBT的关断过程 关断延迟时间td off 电流下降时间关断时间toff 拖尾 1 4 4绝缘栅双极晶体管 3 IGBT的主要参数 正常工作温度下允许的最大功耗 3 最大集电极功耗PCM 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 2 最大集电极电流 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 1 最大集射极间电压UCES 复合型器件 输入特性近似MOSFET 导通特性近似GTR 因此具有控制容易 电压控制型 导通电压低 电流大的优点 与MOSFET和GTR相比 耐压和通流能力还可以进一步提高 同时保持开关频率高的特点 小结IGBT特点 缺点是关断时有拖尾 开关速度低于P MOSFET 另有擎住效应 选用时注意 IGBT常与反并联的快速二极管封装在一起 制成模块 成为逆导器件 数KW到数十KW中功率首选方案 目前已可做到2 5KV 1800A 2MBI100N 060FUSIELECTRIC富士CM100DY 12HMITSUBISHI三菱BSM400GA120DN2SIEMENS西门子GA100TS120KIR国际整流器 产品与命名 IGBT与MOSFET一样同为电压控制型 门极输入同为高阻 M欧数量级 大电容 nF数量级 因此 对驱动电路的要求是一样的 另外 由于IGBT往往用在较大功率的场合 因此常常增加一些安全保护措施 如软关断等等 并常常采用专门的商业化集成驱动模块 三 IGBT驱动 1 5 1MOS控制晶闸管MCT MCT结合了二者的优点 承受极高di dt和du dt 快速的开关过程 开关损耗小 高电压 大电流 高载流密度 低导通压降 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成 其关键技术问题没有大的突破 电压和电流容量都远未达到预期的数值 未能投入实际应用 MCT MOSFET与晶闸管的复合 1 5其他新型电力电子器件 1 5 2静电感应晶体管SIT 多子导电的器件 工作频率与电力MOSFET相当 甚至更高 功率容量更大 因而适用于高频大功率场合 在雷达通信设备 超声波功率放大 脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用 缺点 栅极不加信号时导通 加负偏压时关断 称为正常导通型器件 使用不太方便 通态电阻较大 通态损耗也大 因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用 SIT 结型场效应晶体管 1 5 3静电感应晶闸管SITH SITH是两种载流子导电的双极型器件 具有电导调制效应 通态压降低 通流能力强 其很多特性与GTO类似 但开关速度比GTO高得多 是大容量的快速器件 SITH一般也是正常导通型 但也有正常关断型 此外 电流关断增益较小 因而其应用范围还有待拓展 SITH 场控晶闸管 FieldControlledThyristor FCT 1 5 4集成门极换流晶闸管IGCT 20世纪90年代后期出现 结合了IGBT与GTO的优点 容量与GTO相当 开关速度快10倍 可省去GTO复杂的缓冲电路 但驱动功率仍很大 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争 试图最终取代GTO在大功率场合的位置 IGCT GCT Gate CommutatedThyristor IGCT 1 5 5功率模块与功率集成电路 PIC 20世纪80年代中后期开始 模块化趋势 将多个器件封装在一个模块中 称为功率模块 可缩小装置体积 降低成本 提高可靠性 对工作频率高的电路 可大大减小线路电感 从而简化对保护和缓冲电路的要求 将器件与逻辑 控制 保护 传感 检测 自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上 称为功率集成电路 PowerIntegratedCircuit PIC 基本概念 1 5 5功率模块与功率集成电路 2 功率集成电路的主要技术难点 高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理 目前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点 最近几年获得了迅速发展 功率集成电路实现了电能和信息的集成 成为机电一体化的理想接口 发展现状 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 使电力电子器件工作在较理想的开关状态 缩短开关时间 减小开关损耗 一些保护措施也往往设在驱动电路中 或通过驱动电路实现 驱动电路的基本任务 按控制目标的要求施加开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号 又要提供关断控制信号 驱动电路 主电路与控制电路之间的接口 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 2 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节 一般采用光隔离或磁隔离 光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器 图1 25光耦合器的类型及接法a 普通型b 高速型c 高传输比型 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 3 按照驱动信号的性质分 可分为电流驱动型和电压驱动型 驱动电路具体形式可为分立元件的 但目前的趋势是采用专用集成驱动电路 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路 为达到参数最佳配合 首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路 分类 1 6 2晶闸管的触发电路 晶闸管触发电路应满足下列要求 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通 触发脉冲应有足够的幅度 不超过门极电压 电流和功率定额 且在可靠触发区域之内 有良好的抗干扰性能 温度稳定性及与主电路的电气隔离 t 图1 26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1 t2 脉冲前沿上升时间 1 s t1 t3 强脉宽度IM 强脉冲幅值 3IGT 5IGT t1 t4 脉冲宽度I 脉冲平顶幅值 1 5IGT 2IGT 晶闸管的触发电路 1 6 2晶闸管的触发电路 2 V2 V3构成脉冲放大环节 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节 V2 V3导通时 通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲 图1 27常见的晶闸管触发电路 常见的晶闸管触发电路 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 1 GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似 GTO关断控制需施加负门极电流 图1 28推荐的GTO门极电压电流波形 一 电流驱动型器件的驱动电路 正的门极电流 5V的负偏压 GTO驱动电路通常包括开通驱动电路 关断驱动电路和门极反偏电路三部分 可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡 可得到较陡的脉冲前沿 目前应用较广 但其功耗大 效率较低 图1 29典型的直接耦合式GTO驱动电路 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态 使之不进入放大区和深饱和区 关断GTR时 施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值 6V左右 的负偏压 t O i b 图1 30理想的GTR基极驱动电流波形 2 GTR 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 GTR驱动电路 包括电气隔离和晶体管放大电路两部分 图1 31GTR的一种驱动电路 驱动GTR的集成驱动电路中 THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件 为快速建立驱动电压 要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般10 15V 使IGBT开通的驱动电压一般15 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压 一般取 5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡 2 电压驱动型器件的驱动电路 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 1 电力MOSFET驱动电路 电气隔离和晶体管放大电路两部分 图1 32电力MOSFET的一种驱动电路 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L 其输入信号电流幅值为16mA 输出最大脉冲电流为 2A和 3A 输出驱动电压 15V和 10V 高速放大器 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 2 IGBT的驱动 图1 33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 常用的有三菱公司的M579系列 如M57962L和M57959L 和富士公司的EXB系列 如EXB840 EXB841 EXB850和EXB851 IGBT多采用专用的混合集成驱动器 如三菱公司的M579系列 1 7电力电子器件器件的保护 1 7 1过电压的产生及过电压保护1 7 2过电流保护1 7 3缓冲电路 在电力电子电路中 除了电力电子器件参数选择合理 驱动电路设计良好外 采用合适的过电压保护 过电流保护 du dt保护和di dt保护也是必要的 外因过电压 操作过电压雷击过电压 内因过电压 换相过电压关断过电压 RC过电压抑制电路 RC或RCD缓冲电路 采用雪崩二极管 金属氧化物压敏电阻 硒堆和转折二极管 BOD 等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施 过电压 1 7 1过电压的产生及过电压保护 电力电子装置可能的过电压 外因过电压和内因过电压 1 7 1过电压的产生及过电压保护 过电压保护措施 图1 34过电压抑制措施及配置位置F 避雷器D 变压器静电屏蔽层C 静电感应过电压抑制电容RC1 阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2 阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV 压敏电阻过电压抑制器RC3 阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4 直流侧RC抑制电路RCD 阀器件关断过电压抑制用RCD电路 电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施 属于缓冲电路范畴 1 7 2过电流保护 过电流 过载和短路两种情况保护措施 同时采用几种过电流保护措施 提高可靠性和合理性 电子电路作为第一保护措施 快熔仅作为短路时的部分区段的保护 直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护 过电流继电器整定在过载时动作 图1 37过电流保护措施及配置位置 1 7 3缓冲电路 关断缓冲电路 du dt抑制电路 吸收器件的关断过电压和换相过电压 抑制du dt 减小关断损耗 开通缓冲电路 di dt抑制电路 抑制器件开通时的电流过冲和di dt 减小器件的开通损耗 复合缓冲电路 关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路 将开通缓冲电路叫做di dt抑制电路 缓冲电路 又称吸收电路 抑制器件的内因过电压 du dt 过电流和di dt 减小器件的开关损耗 1 7 3缓冲电路 缓冲电路作用分析无缓冲电路 有缓冲电路 图1 38di dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 图1 39关断时的负载线 1 7 3缓冲电路 另外两种常用的缓冲电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件 而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件 图1 40另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路放电阻止型RCD吸收电路 1 8电力电子器件器件的串联和并联使用 1 8 1晶闸管的串联1 8 2晶闸管的并联1 8 3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点 1 8 1晶闸管的串联 问题 理想串联希望器件分压相等 但因特性差异 使器件电压分配不均匀 静态不均压 串