电力电子器件概述 (ppt 89页).ppt

第2章电力电子器件,1.1电力电子器件的概述1.2不可控器件电力二极管(SR)1.3半控型器件晶闸管(SCR)1.4典型全控型器件1.6电力电子器件的驱动1.7电力电子器件的保护1.8电力电子器件的串联和并联使用,1.1.1电力电子器件的概念和特征,概念:,主电路：在电力设备或电力系统中，直接承担电能变换控制任务的电路被为主电路。,电力电子器件：实现电能变换或控制的电子器件。,1.1电力电子器件的概述,特征:,电力电子器件所能处理的电功率小至毫瓦级，大至兆瓦。,工作在开关状态,驱动电路,散热器,1.1.2电力电子器件的分类,不可控器件：电力二极管,半控型器件：晶闸管及其派生器件,全控型器件：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、门极可关断晶闸管,按照电力电子器件的开关控制能力可分为：,按照控制信号性质可分为：,电压控制型：控制功率小,电流控制型,开通、关断时间短，工作频率可达500kHz,输入阻抗高，通常大于40M,适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备。,特点：,二次击穿的可能性极小,按照器件内部载流子的类型可分为：,单极型：功率场效应管、静电感应晶体管,双极型：SCR、GTO、GTR,特点：通态压降较低，阻断电压高，电压和电流额定值较高。适用于大中容量的变流设备。,复合型：IGBT,特点：电流密度高、导通压降低、输入阻抗高、响应速度快综合性能较好。,1.1.3应用电力电子器件系统组成,1.2不可控器件电力二极管(SR),1.2.1电力二极管的结构与工作原理,200A以上的大电流整流管大多采用平板型。,1.2.2基本特性,1.静态特性,2.动态特性,1.2.3主要参数,1.额定正向平均电流IF(Av),允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,有效值相等的原则,2.正向平均电压UF,3.反向重复峰值电压URRM,4.最高工作结温,TJM：125175,5.反向恢复时间trr,6.浪涌电流IFSM,1.2.4主要类型,1.普通二极管又称整流二极管,数千安和数千伏以上,2.快恢复二极管,5s以下,3.肖特二极管,1KHZ以下,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,1.3半控型器件晶闸管(SCR),1.3.1晶闸管的结构与工作原理,螺栓式晶闸管在安装和更换时比较方便，但散热效果较差。,平板式晶闸管的散热效果较好，但安装和更换时比较麻烦。,额定通态平均电流小于200A的一般不采用平板式结构,1.反向阳极电压时，关断状态；,2.关断导通，正向阳极电压和正向门极电压二个条件。,3.门极失去控制作用。,4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。,a1=IC1/IA,a2=IC2/IK,IA=IC1+IC2+ICBO,IA=a1IA+a2IK+ICBO,IG=0（a1+a2）很小，IA=ICBO,1-（a1+a2）0，IG=0，门极失去控制作用,1-（a1+a2）1时，晶闸管恢复阻断状态。,（a1+a2）1,1.3.2晶闸管的基本特性,1.晶闸管的伏安特性,2.晶闸管门极伏安特性,3.动态特性,开通过程,关断过程,1.3.3晶闸管的主要参数,1.电压定额,断态重复峰值电压UDRM,UDRM=90%UDSM,UDSMUbo,反向重复峰值电压URRM,URRM=90%URSM,通态（峰值）电压UTM,额定电压,使用注意：,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23倍。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。,工频正弦半波的通态电流在一个整周期内的平均值,2.电流定额,通态平均电流IT(AV）：,有效值相等的原则,Kf波形系数,例如：流经晶闸管的电流波形如图所示。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，其允许通过的平均值及最大值为多少？,维持电流IH使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。,擎住电流IL,浪涌电流ITSM,这个参数可用来作为设计保护电路的依据。,3.动态参数,断态电压临界上升率du/dt:,不导致从断态到通态转换的最大主电压上升率。,通态电流临界上升率di/dt:,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。,1.3.4晶闸管的派生器件,1.快速晶闸管FST,逆变器和斩波器,（400HZ）,关断时间短、反响恢复电荷少、开通时间短、耐du/dt和di/dt能力高。,2.双向晶闸管TRIAC,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。,3.逆导晶闸管RCT,正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高。,元件数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低、配线简单、经济性好。,4.光控晶闸管LTT,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。在高压大功率的场合占有重要地位。,1.4典型全控型器件,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。,1.4.1门极可关断晶闸管(GTO),1.GTO的结构和工作原理,(a1+a2)=1,临界导通,(a1+a2)1,(a1+a2)1,器件饱和导通,关断,a2较大，V2控制灵敏，GTO易关断。,使(a1+a2)更接近于1，(a1+a2)1.05,GTO元阴极面积很小,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。,结论：,2.GTO的动态特性,3.GTO的主要参数,开通时间ton,12s,关断时间toff,2s,最大可关断阳极电流IATOGTO额定电流。,电流关断增益off,1.4.2电力晶体管(GTR),1.GTR的结构和工作原理,2.GTR的基本特性,静态特性,动态特性,开关时间在几微秒以内,3.GTR的主要参数,最高工作电压,集电极最大允许电流ICM,集电极最大耗散功率PCM,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(MOSFET),栅极的静态内阻极高、驱动功率小、自行关断、不存在二次击穿、开关速度快、工作频率高、热稳定性好。,电流容量小、耐压低（10kW）,1.电力MOSFET的结构和工作原理,N沟道增强型,2.电力MOSFET的基本特性,静态特性,动态特性,开通过程,关断过程,开关时间10100ns,工作频率100KHZ以上,(3)电力MOSFET的主要参数,漏极电压UDS,漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,栅源电压UGS,电力MOSFET电压定额,电力MOSFET电流定额,UGS20V将导致绝缘层击穿。,极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,MOSFET的开关速度,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。,可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。,不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。,开关时间在10100ns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。,1.4.4绝缘栅双极晶体管（IGBT）,GTR和GTO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。,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。,IGBT的优点高输入阻抗和低导通压降。,1.IGBT的结构和工作原理,2.IGBT基本特性,静态特性,转移特性,输出特性,动态特性,3.特性和参数特点：,开关速度高，开关损耗小。,IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。,IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。,输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。,1.6电力电子器件的驱动,1.6.1概述,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,1.6.2晶闸管的触发电路,触发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,提供的触发脉冲应不超过晶闸管的电压、电流和功率定额,应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离,图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形,5V的负偏压,图1-28推荐的GTO门极电压电流波形,正的门极电流,1.6.3典型全控型器件的驱动电路,图1-29典型的直接耦合式GTO驱动电路,2.电压驱动型器件的驱动电路,1.7电力电子器件的保护,1.7.1过电压的产生及过电压保护,交流侧过电压,1.大气雷电所产生的过电压：避雷器,2.高压电源供电的变压器：附加屏蔽绕组，二次绕组上并联适当的电容,4.非线性电阻的保护,3.在变压器空载情况下，当电源电压过零时，使变压器突然拉闸所造成的过电压很严重。,阻容保护或整流式阻容保护（RC1，RC2）,1.7.2过电流保护,1.在交流进线中串接电抗器,2.在交流侧设置电流检测装置,3.过流继电器,4.直流快速开关,5.快速熔断器,1.7.3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.开通缓冲电路,开通缓冲电路,箝位式RCD缓冲电路,充放电式RCD缓冲电路,2.关断缓冲电路,馈能式复合缓冲电路,耗能式复合缓冲电路,3.复合缓冲电路,1.8电力电子器件的串联和并联使用,1.8.1晶闸管的串联,开通时间小,1.8.2晶闸管的并联,1.串联电阻法,2.串联电抗法,先串后并,本章小结,1.主要内容,全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。,2.电力电子器件类型归纳,单极型：电力MOSFET和SIT双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型：IGBT和MCT,图1-42电力电子器件分类“树”,电压驱动型：,单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH,特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。,特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。,电流驱动型：,双极型器件中除SITH外,3.当前的格局:,IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。,GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。,光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。,电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。,功率模块和功率集成电路是现在电力电子发