电力电子技术课件(中国石油大学版本).ppt

第1章电力二极管和晶闸管,电力电子器件是电力电子电路的基础。掌握:特性和正确使用方法本章首先简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题然后分别介绍几种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的一些问题。,1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的特征,一、概念1.主电路（mainpowercircuit）：在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强电电路。2.电力电子器件（powerelectronicdevice）：可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件,二、广义上分为两类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件(采用的主要材料仍然是硅),三、与处理信息的电子器件相比，一般具有如下的特征：1.所能处理的电压电流较大。主电路功率达MW级。2.电力电子器件一般都工作在开关状态。处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率。,3.注重器件的功率损耗和散热问题。通常PE器件所能切换控制的功率很大，可达数kW，但本身所允许的功耗却只有100W左右。通常需要安装散热器，风冷或水冷。4.需要驱动与隔离。强、弱电系统之间电气隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰，提高可靠性。,5.注重对器件的保护。通常采用吸收（缓冲)）保护电路来限制器件的du/dt和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件过压击穿。,通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因。开关过程中的电压、电流乘积较大，开关损耗会随之增大而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：,开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗,关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗,导通时器件上有一定的通态压降,阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,器件发热的原因：损耗,四、电力电子系统组成,电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成,通过,控制,电力电子器件,导通,关断,由信息电路组成,电气隔离,保护电路,控制端,器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。,1.1.2电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度不可控器件电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的，不需要驱动电路。半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。这类器件主要指晶闸管。全控型器件既可控其导通，又可控其关断。又称自关断器件。目前最常用的是GTR、IGBT、电力MOSFET、GTO。,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。如GTR。电压驱动型：通过加在控制极与公共端之间的电压产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态的，故亦称作压控器件或场控器件。如MOSFET、IGBT,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的波形,脉冲触发型：通过从控制端施加脉冲信号来实现导通或者关断的控制，一旦成功则无需持续施加该信号亦可维持开通或关断状态。电平控制型：通过在控制极与公共端之间持续施加一定电平的电压或电流才能使器件维持导通或关断状态。,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为单极型器件:由一种载流子参与导电的器件（MOSFET）双极型器件:由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR、SCR、GTO、二极管）、复合型器件:（IGBT）由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件则被称为复合型器件，也称混合型器件。,1.2不可控器件电力二极管,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理1.2.2电力二极管的基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,以半导体PN结为基础,由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。,a)外形b)结构c)电气图形符号,b),c),N型半导体和P型半导体结合后构成PN结,扩散运动N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，造成各区多数载流子（多子）向另一区移动，到对方区成为少数载流子（少子）的运动。空间电荷在界面两侧不能任意移动的正、负电荷。,内电场（自建电场）空间电荷建立的电场漂移运动内电场一方面阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内少子向本区运动。,空间电荷区扩散运动和漂移运动达动态平衡，正、负空间电荷量达稳定值，形成稳定的由空间电荷构成的区域,空间电荷区,耗尽层,阻挡层,势垒区,图1-3PN结的形成,多子的扩散运动少子的漂移运动,扩散电流,PN结外加电场,PN结自建电场,方向相反,形成自P区流入从N区流出的电流,内部,外电路,造成空间电荷区变窄,正向电流IF,PN结的反向截止状态PN结的单向导电性,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。,反向电流IR,少子浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定,PN结外加反向电压,外电路电流,N区流入,P区流入出,反向饱和电流IS,高电阻,几乎没有电流流过,电力二极管和信息电子电路中二极管区别电力二极管大都是垂直导电结构，通过电流的有效面积大，提供其通流能力。电力二极管常采用PiN结构，提高反向耐压，但正向压降较大。电导调制效应,PN结的正向导通状态,PN结流过的正向电流,电阻值较高且为常数,较小,较大,电阻率下降电导率增加,PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。,PN结的反向击穿,施加PN结反向电压过大,反向电流急剧增大,破坏PN结反向偏置为截止的工作状态,雪崩击穿,齐纳击穿,热击穿,因热量散发不出PN结温度上升过热烧坏,结电容CJ(微分电容),PN结中电荷量随外加电压变化，呈现电容效应,势垒电容CB,扩散电容CD,PN结截面成正比阻挡层成反比,大小,正向电压较高,仅在正向偏置时起作用,外加电压变化时起作用,结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。,反向正向电压较低,需要注意的一些因素：引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响,1.2.2电力二极管的基本特性,1.静态特性,图1-4电力二极管的伏安特性,电力二极管静态特征,伏安特征,值定一到大压电向正,正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态。,承受反向电压时,只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。,过渡过程中电压电流特性随时间变化,2.动态特性,电力二极管的动态状态,反映通态和断态之间过程的开关特性,多子扩散减弱,少子漂移加强,少子即将抽尽,由于Ldi/dt引起明显的反向电压过冲。,由于Ldi/dt使得PN结具有短时正向电压。,电力二极管的关断：经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入截止状态。,抽尽本证激发少子，PN结变宽,a),IF,td,trr,tf,IRP,t1t2,UF,UR,t,tFt0,URP,IRP电流过冲最大值URP电压过冲最大值td=t1-t0延迟时间tf=t2-t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间tf/td恢复特性的软度，用Sr表示,IRP,URP,图1-5电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置,电力二极管的开通,正向恢复时间tfr电力二极管的正向压降出现过冲uFP，经过一段时间接近稳态降压的某个值，这一动态过程时间。,电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。2)正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大,UFP越高。,注意：电流、电压反向问题正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（reverser-recoverytime）以清除过剩载流子。,(1)通态平均电流IF(AV)(额定电流IFR)二极管的额定电流IF(AV)被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为其正向导通流过额定电流时的电压降一般为12V。当二极管在规定的环境温度为+40和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值IF(AV)时，其管芯PN结温升不超过允许值。,1.2.3电力二极管的主要参数,工频正弦半波：T=2,并且只有一半的波形导通,(2)最大允许的全周期均方根正向电流IFrms二极管流过半波正弦电流的平均值为IF(AV)时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为,有效值,在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有一定的裕量。当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造成的发热效应也不小。,通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流IF(AV)对应的有效值为1.57IF(AV)。例如，如果手册上给出某电力二极管的额定电流IF(AV)为100A，由此得到允许通过正弦半波电流的幅值。允许通过任意波形的有效值为157A。也就是说，额定电流为100A的二极管可以通过幅值为314A的半波正弦电流，可以在全周期内通过任意波形的有效值为157A的电流，其功耗发热不超过允许值。,对有效值相等原则的解释,(4)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,(5)最高工作结温TJM在PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175范围内。,(6)反向恢复时间trr二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。,(3)正向压降UF电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。,该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。电力二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在6kV、6kA以上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。,(7)浪涌电流IFSM最大允许非重复浪涌电流电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,1.2.4电力二极管的主要类型,2.快恢复二极管,恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，简称快速二极管。,快速恢复二极管,超快速恢复二极管,反向恢复时间数百纳秒或更长,100ns以下，甚至达2030ns,快恢复二极管从性能上分为两种,3.肖特基二极管,电力二极管性能比较,快恢复二极管,恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，简称快速二极管。,工艺多采用掺金措施,结构上采用PN结构,也有采用加以改进的PiN结构,快恢复外延二极管,其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），反向耐压多在400V以下。,快速恢复二极管,超快速恢复二极管,反向恢复时间数百纳秒或更长,100ns以下，甚至达2030ns,快恢复二极管从性能上分为两种,PINdiode：普通的二极管由PN结组成.在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层,组成的这种P-I-N结构的二极管就是PINDiode.正因为有Intrinsic层的存在，PINdiode应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RFSwitch和RF保护电路，也有用做PhotoDiode。pin二极管实际上是静态结电容很小的一种应用在高频开关方面的特殊二极管。,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。导通压降只有0.3V反压为50-100V。反向恢复时间更短，1040ns，不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向耐压时，正向压降也会提高，多用于200V以下的低压场合；反向漏电流也很大。,国产普通功率二极管的型号规定如下：,ZP50-16,普通大功率二极管,额定电流50A,额定电压1600V,1.3半控器件晶闸管,1.3.1晶闸管的结构与工作原理1.3.2晶闸管的基本特性（静态、动态）1.3.3晶闸管的主要参数1.3.4晶闸管的派生器件,晶闸管,晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管。普通晶闸管也称为可控硅SCR(SiliconControlledRectifier)。普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV6kA。,1.3.1晶闸管的结构和工作原理,1.晶闸管的结构晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。,晶闸管的结构和等效电路如图所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。,A,G,K,Rd,Ea,Eg,Ia,Ik,Ig,Ico,v1,v2,由图可知，v1的集电极电流同时又是v2的基极电流，v2的集电极电流同时又是v1的基极电流，当晶闸管阳极加正向电压，一旦有足够的门极电流流入时，就形成强烈的正反馈,使两晶体管饱和导通即晶闸管导通,即使去掉门极电流,也可以自维持导通状态.,Ig,Ib2,Ic2(=Ib2),=Ib1,Ic1,产生注入门极的触发电流IG的电路,触发,门极触发电路,对晶体管的驱动,欲使晶闸管导通需具备两个条件：应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。(2)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。(3)为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。,其他几种可能导通的情况:阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应晶闸管会“硬开通”阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即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，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段.,晶体管工作原理,IA=IC1+IC2,IK=IA+IG,Ic1=1IA+ICBO1,Ic2=2IK+ICBO2,1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。,(1-5),IE=IC+IB,晶体管的特性是：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（门极触发）：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（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,1.3.2晶闸管的基本特性（静态、动态）,1.静态特性,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。,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。,图1-8晶闸管的伏安特性,第象限是正向特性第象限是反向特性,IG2IG1IG,IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压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。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,正向特性,图1-8晶闸管的伏安特性,第象限是正向特性第象限是反向特性,IG2IG1IG,反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,2晶闸管的门极伏安特性由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,0ABC0为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区.,晶闸管的动态(开关)特性,3.动态特性,开通过程,也对应着从(1+2)1到等于1的过程，此时J2结仍为反偏，晶闸管的电流不大。,图1-9晶闸管的开通和关断过程,延迟时间td阳极电流从零上升到稳态值10%的时间上升时间tr阳极电流从10%上到稳态值的90%所需的时间开通时间tgttgt=td+tr普通晶闸管的延迟时间为0.5ms，上升时间为0.53ms。其延迟时间随门极电流的增大而减小；,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。,3.动态特性,图1-9晶闸管的开通和关断过程,关断过程,反向阻断恢复时间trr正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近零的时间正向阻断恢复时间tgr晶体管恢复载流子复合过程对正向电压的阻断的时间关断时间tqtq=trr+tgr（1-7）普通晶闸管的时间约为几百微秒,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tq,1.3.3晶闸管的主要参数,断态重复峰值电压UDRM断态重复峰值电压是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反向重复峰值电压是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UTM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。,断态最大瞬时电压UDSM的90%,1电压定额,额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。,晶闸管元件的正反向重复峰值电压等级,通态平均电流IT(AV)晶闸管在环境温度为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频正弦半波电流的平均值。维持电流IH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24倍。,2.电流定额,晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示,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(1.5-2)倍的安全裕量。,例两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值I1、I2,解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：,如图所示电路中E=50V,R=0.5,L=0.5H，晶闸管的擎住电流为15mA，要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？,=L/R,要想晶闸管维持导通状态，必须在电流达到擎住电流以上之后，触发电流才可以撤除,断态电压临界上升率du/dt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。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通位移电流在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在阻断状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。通态电流临界上升率di/dt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。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。,3动态参数,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。IGT受外界温度的影响。温度升高时，IGT值减小。温度降低时，IGT值增加。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。,4.门极额定,晶闸管的门极驱动电路和缓冲电路,1.晶闸管的门极驱动电路(1)晶闸管对触发电路的基本要求触发信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，触发信号常采用脉冲形式。触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。,触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10V/s或800mA/s。触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要求。例如，三相半波整流电路，在电阻性负载时，要求移相范围为150；而三相桥式全控整流电路，电阻负载时移相范围为120。,(2)触发电路的型式触发电路可分为模拟式和数字式两种，阻容移相桥、单结晶体管触发电路、锯齿波移相电路和正弦波移相电路均属于模拟式触发电路；而用数字逻辑电路乃至于微处理器控制的移相电路则属于数字式触发电路。,2.晶闸管的缓冲电路常采用在晶闸管的阴阳极并联RC缓冲电路，用来防止晶闸管两端过大的du/dt造成晶闸管的误触发，其中电阻R也能减小晶闸管开通时电容C的放电电流。,3晶闸管的保护晶闸管在使用时，因电路中电感的存在而导致换相过程产生Ldi/dt,又因容性的存在或设备自身运行中出现短路、过载等故障，所以其过电压、过电流保护显得尤为重要。,晶闸管的型号KP型,KP