电力电子技术第2章ppt课件

1、第第2章章 电力电子器件电力电子器件 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 v电力电子器件的电力电子器件的概念、特点和分类概念、特点和分类等问题。等问题。v各种常用电力电各种常用电力电子器件的工作原理、子器件的工作原理、基本特性、主要参基本特性、主要参数以及选择和使用数以及选择和使用中应注意的一些问中应注意的一些问题。题。2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2.1.2 应用电力电子器件的系统组成

2、应用电力电子器件的系统组成2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1 电力电子器件的概述电力电子器件的概述电力电子器件电力电子器件power electronic device）可直可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控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。制的电子器件。主电路主电路main power circuit）电气设备或电力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。系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1、概念：、概念：2、同处理信息的电子器件相比，电力电子器

3、件的一、同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：般特征： 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。的参数。 电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件一般都工作在开关状态。 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电电力力电电子子器器件件主主要要损损耗耗通态损耗：通态损耗： 导通时器件上有一定的通态压降导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开关损耗：开通损耗：在器

4、件开通的转换过程中开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗产生的损耗关断损耗：在器件关断的转换过程中关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗产生的损耗电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电力电子系统：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。电子器件为核心的主电路组成。2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：以下三类：2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类绝缘栅双极晶体

5、管绝缘栅双极晶体管Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管电力电力场效应晶体管电力MOSFET）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO）不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管Power Diode）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。定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。又称自关断器件。晶闸管晶闸管Thyristor及其大部分派生器件及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压

6、和电流决定器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定全控型器件全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。通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱因此也就不需要驱动电路。动电路。半控型器件半控型器件 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：性质，分为两类：2) 电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现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导通或者关断的控制 1) 电流驱动型电流驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定

7、的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电压信号就可实现导通或者关断的控制 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情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三类：况分为三类： 2) 双极型器件双极型器件3) 复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件 1) 1) 单极型器件单极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件的器件 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要

8、类型及典型应用电力二极管的主要类型及典型应用2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1. 正向平均电流正向平均电流IF(AV) 额定电流额定电流在指定的管壳温度简称壳温，用在指定的管壳温度简称壳温，用TC表示和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半表示和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。波电流的平均值。2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2. 正向压降正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。正向电流时对应的正向压降。3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指

9、对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压4. 浪涌电流浪涌电流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。期的过电流。 1. 普通二极管普通二极管General Purpose Diode）又称整流二极管又称整流二极管Rectifier Diode）多用于开关频率不高多用于开关频率不高1kHz以下的整流电路中以下的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时以上，这在开关频率不高时并不重要。并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很

10、高，分别可达数千安正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。和数千伏以上。2.2.4 电力二极管的主要类型及典型应用电力二极管的主要类型及典型应用v分类：分类：2. 快恢复二极管快恢复二极管Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短恢复过程很短特别是反向恢复过程很短5 5s s以下的二极管，以下的二极管，也简称快速二极管也简称快速二极管. .3. 肖特基二极管肖特基二极管反向恢复时间很短反向恢复时间很短1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显

11、低于在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高率高 v二极管的典型应用二极管的典型应用 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 晶闸管晶闸管Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器）：晶体闸流管，可控硅整流器Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美国贝尔实验室年美国贝尔

12、实验室Bell Lab发明了晶闸管发明了晶闸管; 1957年美国通用电气公司年美国通用电气公司GE开发出第一只晶闸管产品开发出第一只晶闸管产品; 1958年商业化年商业化; 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世纪世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代; 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合具有重要地位.AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸

13、管的外形、结构和电气图形符号a) 外形外形 b) 构造构造 c) 电气图形符号电气图形符号l 构造构造RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)分析分析!结论：触而导通，通结论：触而导通，通而不断，断则反压。而不断，断则反压。其他几种可能导通的情况：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阳极电压上升率du/dt过高过高结温较高结温较高光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发只有门极触发包括光触发是最精确、迅速而只有门极触发包括光触发是最精确、迅速而可靠的

14、控制手段可靠的控制手段正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1.静态特性伏安特性）静态特性伏安特性）2. 动态特性动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形延迟时间延迟时间上升时间上升时间反向阻断反向阻断恢复时间恢复时间正向阻断正向阻断恢复时间恢复时间开通时间：开通时间：tgt=td+tr关断时间：关断时间：tq=trr+tgr1. 电压定额电压定额通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件的额定中较小的标值作为该

15、器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压作时晶闸管所承受峰值电压23倍。倍。1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM正向折转电压的正向折转电压的80%2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 反向折转电压的反向折转电压的80%3) 通态峰值电压通态峰值电压UTM额定电流管压降峰值额定电流管压降峰值 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。越小。

16、 4) 浪涌电流浪涌电流ITSM 3) 擎住电流擎住电流 IL(=2-4IH) 2) 维持电流维持电流 IH 留意：使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则留意：使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.52倍。倍。 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) 2. 电流定额电流定额电流的有效值是从电流的热效应来考虑的，电流的有效值是从电流的热效应来考虑的， 是电流的平方在时间积累是电流的平方在时间积累效应上的平均效果效应上的平均效果指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从指在额定结温和门极开路的

17、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。断态到通态转换的外加电压最大上升率。指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。通态电流上升率。 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏管损坏 。 (2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当

18、于一个电容的当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有： 3. 动态参数动态参数包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。高频晶闸管。管芯结构和制造

19、工艺进行了改进，开关时间以及管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和和di/dt耐量都有明显改善。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，高频晶闸管频晶闸管10s左右。左右。1. 快速晶闸管快速晶闸管FST)2.双向晶闸管双向晶闸管Triode AC SwitchTRIAC）a)b)IOUIG= 0GT1T2l与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器流调压电路、固态继电器SSR和交流电机调速等领域应用和交流电机调速等领域

20、应用较多。较多。l通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。额定电流值。3. 逆导晶闸管逆导晶闸管Reverse Conducting ThyristorRCT）b)a)UOIKGAIG=0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。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。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。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，

21、一个是反并联二极管的电流。管的电流。4. 光控晶闸管光控晶闸管Light Triggered ThyristorLTT）光强度强弱b)AGKa)OUAKIA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，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位，利用和高压核聚变装置中，占据重要的地位，利用8KV/3.5KA光控光控晶闸管构成的晶闸管构成的300MV.A容量的电力电子装置是目前最大的电力容量的电力电子装置是目前最大的电力电子装置。电子装置。

22、思索：思索：1 下图为一晶闸管调试电路，以检测晶闸管工作后输出下图为一晶闸管调试电路，以检测晶闸管工作后输出电压是否正确，调试中发现电压是否正确，调试中发现Rd断开电压表读数不正常，断开电压表读数不正常，而而Rd接通读数正常，请分析原因。接通读数正常，请分析原因。u2QUdvRd2 下图中，要使晶闸管下图中，要使晶闸管VT导通，门极触发信号最小要维导通，门极触发信号最小要维持多长时间？持多长时间？知：知：E=50V，R=0.5, L=0.5H, IH=10mA, IL=15mA。3 型号为型号为KP100-3、IH=4mA，晶闸管在下图中应用是否，晶闸管在下图中应用是否合理？为什么？（不考虑裕

23、量）合理？为什么？（不考虑裕量） 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO）晶闸管的一种派生器件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，的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，耐压耐流可达耐压耐流可达6KV和和6KA，因而在兆瓦级以上的，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用大功率场合仍有较多的应用1. GTO的结构和工作原

24、理的结构和工作原理c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK构造：构造：工作原理：工作原理： 1+1+ 2=12=1是器件临界导通是器件临界导通的条件。当的条件。当 1+1+ 2121时，两时，两个等效晶体管过饱和而使器个等效晶体管过饱和而使器件导通；当件导通；当 1+1+ 2121时，不时，不能维持饱和导通而关断。开能维持饱和导通而关断。开通原理和通原理和SCRSCR一样。一样。 设计时设计时2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于GTO关断。关断。iB2+ic2=ikic2=2ikik=iB2/(1- 2)=iARNPNPNPAGSKEGIGEAIK

25、Ic2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)iB2GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：下区别：(1) 设计设计2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制控制灵敏，易于灵敏，易于GTO关断。关断。(3) 多元集成结构使多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间元阴极面积很小，门、阴极间 距大为距大为缩短，使得缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc 2Ic 1IAV1V2b ) (2) 导通时导通时1+2更接近更接

26、近1（1.05，普通，普通晶闸管晶闸管1+21.15导通时饱和不深，导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。通时管压降增大。 2. GTO的主要参数的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约般约12s。 一般指储存时间和下降时间之和，一般指储存时间和下降时间之和，GTO的储存的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。 关断时间关断时间toff 开通时间开通时间ton 3) 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 电流关断增益电

27、流关断增益offGTO额定电流。额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值流最大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GMATOoffII=术语用法：术语用法：电力晶体管电力晶体管GTR，巨型晶体管），巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管Bipolar Junction TransistorBJT）在电力电子技术的范围内

28、，在电力电子技术的范围内，GTR与与BJT这两个这两个名称等效。名称等效。 运用运用20世纪世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，耐压和耐流可达晶闸管，耐压和耐流可达1.5KV,1KA, 可在可在10KHZ以内开关频率下工作。现商品化的以内开关频率下工作。现商品化的GTR耐压、耐流不超过耐压、耐流不超过1200V，800A。2.4.2 电力晶体管电力晶体管1. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理开通和关断可由基极电流来控制，故称为全控型器件和电流型开通和关断可由基极电流来控制，故称为全控型器件和电流型驱动器件。驱动器件。开通条件：开通条件：Uce正

29、偏，提供基极电流。正偏，提供基极电流。 关断：关断：I b小于等于零。小于等于零。共发射极接法时的典型共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放输出特性：截止区、放大区和饱和区。大区和饱和区。截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib220V将将导致绝缘层击穿导致绝缘层击穿 。 4) 极间电容极间电容 极间电容极间电容CGS、CGD和和CDS 这些电容都是非线性的这些电容都是非线性的l漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。l 一般电力一般电力MOSFET不存在二次击穿

30、问题，这是它的一不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。大优点。GTR的特点的特点双极型，电流驱动，通流能力很强，耐压双极型，电流驱动，通流能力很强，耐压高，耐流大，可用在大功率场合。但开关速度较低，所需高，耐流大，可用在大功率场合。但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度最快，单极型，电压驱动，开关速度最快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。但耐压耐流均不高，只能用在简单。但耐压耐流均不高，只能用在10KW以下的场合。以下的场合。两类器件取长补短结合而成的复合器件两类器件取长补短结合而成的复合器件IGBT1. IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2. IGBT的基本特性的基本特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UG