电力电子课件-第1章电力电子器件概要.ppt

第1章电力电子器件,本章要点功率二极管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；晶闸管、双向晶闸管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构、工作原理、特性、参数；,1.1功率二极管,1.1.1功率二极管的结构和工作原理1、元件结构,2、工作原理由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。,1.1.2功率二极管的伏安特性,1.1.3功率二极管的主要参数1、正向平均电流（额定电流）指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。2、正向压降（管压降）是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。,3、反向重复峰值电压（额定电压）反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压。一般在选用功率二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。4、反向恢复时间反向恢复时间是指功率二极管从正向电流降至零起到恢复反向阻断能力为止的时间。,1.1.4功率二极管的型号和选择原则1、功率二极管的型号,2.功率二极管的选择原则（1）选择额定正向平均电流IdD的原则,在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流IdD对应的有效值IDM大于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值ID即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为：,（2）选择额定电压的原则,选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压的23倍，即,1.2晶闸管,晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。其导通时刻可控，满足了调压要求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LATT）等。,1.2.1晶闸管的结构,1、晶闸管的结构具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。,2、结构和图形符号,1.2.2晶闸管的工作原理,1、晶闸管的导通、关断实验由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。,（a）(b)(c),2、实验说明3、实验结论通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件:（1）晶闸管主电路加正向电压。（2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。,4、晶闸管的导通关断原理当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：IGIB2IC2(IB1)IC1IB2,晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管可采用的方法有:将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。,1.2.3晶闸管的特性,1、晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。,（1）正向特性在门极电流IG=0情况下，晶闸管处于断态，只有很小的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，达到正向转折电压UBO时，漏电流突然剧增，特性从正向阻断状态突变为正向导通状态。正常工作时，不允许把正向电压加到转折值UBO，而是从门极输入触发电流IG，使晶闸管导通。门极电流愈大阳极电压转折点愈低。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。当IA小到等于维持电流IH时，晶闸管由导通变为阻断。,（2）反向特性是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安特性。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值时，反向漏电流增加较快。再继续增大反向阳极电压，会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管的损坏。,2、晶闸管的开关特性(简介),晶闸管的开关特性如图所示。,晶闸管开关特性的说明第一段延迟时间td。阳极电流上升到10所需时间，此时J2结仍为反偏，晶闸管的电流不大。第二段上升时间tr，阳极电流由0.1上升到0.9所需时间，这时靠近门极的局部区域已经导通，相应的J2结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td与上升时间tr之和。即ton=td+tr,电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和。toff=trr+tgr,1.2.4晶闸管的主要参数(简介),1、额定电压UTn(重点)（1）正向重复峰值电压UDRM在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM的80%。（2）反向重复峰值电压URRM在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。,晶闸管的额定电压则取UDRM和URRM的较小值且靠近标准电压等级所对应的电压值。选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的23倍。,额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级；1000V到3000V，每200V为一级。,2、额定电流IT(AV)(重点)是指：在环境温度为+40度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。,它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：式中Kf为波形系数,流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。,3、维持电流IH在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。4、擎住电流IL晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(24)倍。,5、门极触发电流IGT在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。6、门极触发电压UGT对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM和UGFM。,7、断态电压临界上升率du/dt在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。8、通态电流临界上升率di/dt在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。,1.2.5晶闸管的型号、选择原则1、普通晶闸管的型号,晶闸管通态平均电压分组,晶闸管标准电压等级,2、普通晶闸管的选择原则（1）选择额定电流的原则,在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为：然后取相应标准系列值。,（2）选择额定电压的原则,选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压的23倍，即然后取相应标准系列值。,晶闸管的主要参数,1.2.6晶闸管的其它派生元件(简介),双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。,双向晶闸管在第和第象限有对称的伏安特性。,双向晶闸管的型号,表1-6双向晶闸管的主要参数,1.3门极可关断晶闸管（GTO）1.3.1GTO的结构和工作原理,1、GTO的结构GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路及电气符号。,2、GTO的工作原理（1）开通过程GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数值不同，其中1和2分别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益1+2常为1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。,（2）关断过程当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使1+2UT，门极下的沟道形成，从而使IGBT导通。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通态压降。,1.6.2IGBT的特性与参数(简介),1、静态特性（1）IGBT的输出（伏安）特性和转移特性,（2）IGBT动态特性,3、IGBT的主要参数(简介)（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UT（4）集电极额定电流IC（5）通态压降UCE(on)。,1.8、电力电子器件的驱动晶闸管、GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT等电力电子器件要正常工作，必须在其门极加驱动信号，各种器件对驱动信号的要求是不一样的，必须分别或分类讨论。晶闸管的门极驱动又称为触发，相应的门极驱动电路又称触发电路。,1.8.1晶闸管的简易门极驱动（触发）晶闸管阳极加正向电压后，还须在门极与阴极间加上触发电压，才能从阻断变为导通。1、对触发电路的要求1）为减小门极损耗，应采用脉冲触发信号。2）触发脉冲应有足够的功率，并留有一定的裕量。3）脉冲应有一定的宽度，前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。对感性负载，触发脉冲应为宽脉冲或双窄脉冲；有些需强触发脉冲。4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。,2、常用的触发脉冲信号,（a）为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合；（b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，也用于触发要求不高的场合；（c）矩形脉冲；（d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合；（e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性负载的装置；（f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。,3、脉冲触发电路与晶闸管的连接方式1.直接连接：操作不安全，主电路干扰触发电路。2.光耦合器连接：输入和输出间电隔离，绝缘性能好，抗干扰能力强。3.脉冲变压器耦合连接：有良好的电气绝缘。,1.8.2电流型全控电力电子器件的门极驱动GTO和GTR都是电流驱动型器件。,1、GTO的门极驱动（1）GTO的门极驱动信号GTO的门极电流、电压控制波形对GTO的特性有很大影响。GTO门极电流、电压控制波形分开通和关断两部分，推荐的波形形状如图1-36所示。图中实线为门极电流波形，虚线为门极电压波形。为正向直流触发电流，为最大反向门极电流。,开通时，门极电流脉冲前沿陡度大，一般为510A/S，门极正脉冲电流的幅度比规定的额定直流触发电流应大310倍，正脉冲宽度一般为1060S，而后沿应尽量平缓些。关断时，关断脉冲电流上升率一般为1050A/S。脉冲应具有一定的宽度，关断脉冲电流的幅度一般为(1/81/3)，其后沿也应尽量平缓些。,(2)GTO的门控驱动电路,图1-37为一双电源供电的门极驱动电路。该电路由门极导通电路、门极关断电路和门极反偏电路组成。该电路可用于三相GTO逆变电路。,2、GTR的基极驱动（1）GTR的基极驱动电流信号为减少开关损耗，提高开关速度，GTR要求的比较理想的基极电流波形如图所示。,使GTR开通的基极驱动电流信号应使GTR工作在准饱和状态，避免其进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极驱动电流有利于减小开关时间和开关损耗，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。用于GTR开通和关断的正、负驱动电流的前沿上升时间应小于1微秒，以保证它能快速导通和关断。,2）GTR的驱动电路下图是一种GTR的驱动电路。它包括电气隔离和晶体管放大两个部分。,1.8.3电压型全控电力电子器件的门极驱动P-MOSFET和IGBT都是电压驱动型器件。,1、P-MOSFET的栅极驱动（1）P-MOSFET的栅极驱动信号：对驱动信号的要求有：1）触发脉冲有足够快的上升和下降速度，即脉冲沿要陡。2）为使P-MOSFET可靠触发导通，触发电压应高于开启电压，但不得超过最大触发额定电压。触发电压也不能过低，否则会使通态电阻增大，降低抗干扰能力。3）驱动电路的输出电阻应低，开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高P-MOSFET的开关速度。4）为防止误导通，在P-MOSFET截止时应提供负的栅源电压。,2、P-MOSFET的驱动电路,（1）栅极直接驱动电路,(2）隔离式栅极驱动电路,2、IGBT的栅极驱动（1）IGBT的栅极驱动信号IGBT具有与P-MOSFET相似的输入特性和高输入阻抗，驱动电路相对比较简单，驱动功率也比较小。IGBT对驱动信号及电路有以下基本要求：1）驱动脉冲的上升和下降沿要陡：开通电压前沿陡可使IGBT快速开通，减小开通损耗；关断电压后沿足够陡，并在G-E极间加适当的反偏压，有助于IGBT快速关断。用内阻小的驱动源对G极电容充放电，可保证有足够陡的前、后沿。2）驱动功率足够大：IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率及电压、电流幅值，使IGBT总处于饱和状态，不因退出饱和而损坏。,3）合适的正向驱动电压。4）合适的负偏压：为缩短关断时间，需施加负偏压，并提高抗干扰能力。反偏压一般取-2-10V。5）合理的栅极电阻：在开关损耗不太大的情况下，应选用较大的栅极电阻。电阻范围为1400。6）IGBT多用于高压场合，故驱动电路与控制电路应严格隔离。符合上述要求的IGBT典型驱动电压波形如下图所示。,（2）IGBT的驱动电路,1）脉冲变压器直接驱动IGBT的驱动电路,2）IGBT专用驱动模块,1.9电力电子器件的保护,1、GTO的保护GTO主要用于大容量变流器中，最严重的问题是短路过电流故障。（1）过电流的原因过电流包括过载和短路两种情况，严重的是短路过电流情况。短路过电流的原因大致有下述3种：1）逆变器的桥臂短路：在GTO组成的逆变器中，若同一桥臂上的两个GTO同时导通，则会产生桥臂短路情况，亦称桥臂直通故障。,2）输出端的线间短路若输出端