第2章 电力电子器件

第1章电力电子器件1第1章主要内容1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——二极管1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件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

本章小结及作业2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31.1.1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1.1.4本章内容和学习要点1.1电力电子器件概述41）概念: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。2）广义分类:

电真空器件

(汞弧整流器、闸流管)

半导体器件

(采用的主要材料硅）仍然1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件5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。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3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：6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7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控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路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1.1.2应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路8半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)——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。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。1.1.3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：9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

按照驱动电路信号的性质，分为两类：10本章内容:介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。学习要点:最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。1.1.4本章学习内容与学习要点111.2.1PN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不可控器件—电力二极管12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AKAKa)IKAPNJb)c)AK13主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。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IOIFUTOUFU142)动态特性——二极管的电压-电流特性随时间变化——结电容的存在1.2.2电力二极管的基本特性a)IUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5电力二极管的动态过程波形

a)正向偏置转换为反向偏置延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。F15正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。正向恢复时间tfr电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程1.2.2电力二极管的基本特性开通过程：16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)17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trr

trr=td+

tf1.2.3电力二极管的主要参数2）正向压降UF18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125~175C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5）最高工作结温TJM191.3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1.3.3晶闸管的主要参数20图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号1.3.1

晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。211.3.1

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221.3.1

晶闸管的结构与工作原理式中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：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）231.3.2晶闸管的基本特性晶闸管正常工作时的特性如下：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。241.3.2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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG251.3.2晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。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正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性26使晶闸管正常导通的条件:

①加正向阳极电压;

②同时加上正向门极电压;③并且要有足够大的触发功率。

1.3.2晶闸管的基本特性27使晶闸管由导通变为截止的条件：

①阳极电压反向或减小;

②增大回路阻抗;③使阳极电流小于维持电流IH。1.3.2晶闸管的基本特性281.3.2晶闸管的基本特性1)

开通过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr

(0.5~3s)开通时间tgt为

tgt=td+tr

100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

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为

tq=trr+tgr

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291.3.3

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。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的2~3倍。使用注意：1）电压定额301.3.3

晶闸管的主要参数通态平均电流

IT(AV）维持电流IH

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311.3.3

晶闸管的主要参数

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321.4典型全控型器件1.4.1门极可关断晶闸管1.4.2电力晶体管1.4.3电力场效应晶体管1.4.4绝缘栅双极晶体管331.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块341.4.3电力场效应晶体管截止：栅源极间电压为零或为负。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。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的结构与工作原理351.4.3电力场效应晶体管

特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于电力晶体管GTR。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。361.4.3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。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性2）电力MOSFET的基本特性371.4.3电力场效应晶体管截止区（对应于GTR的截止区）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。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A381.4.3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——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf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391.4.3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CDS401.4.4绝缘栅双极晶体管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或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。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。411.4.4绝缘栅双极晶体管1)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421.4.4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。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。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的原理43a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.4绝缘栅双极晶体管2)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)输出特性转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。441.4.4绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBT的开通过程

与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。

tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；

tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。(2)

IGBT的动态特性451.4.4绝缘栅双极晶体管图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间td(off）电流下降时间

关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。

IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM461.4.4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UCES471.4.4绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点如下：开关速度较高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。481.6电力电子器件的驱动1.6.1电力电子器件驱动电路概述1.6.2晶闸管的触发电路1.6.3典型全控型器件的驱动电路491.6.1电力电子器件驱动电路概述对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。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501.6.1电力电子器件驱动电路概述

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511.6.1电力电子器件驱动电路概述按照驱动信号的性质分:电流驱动型电压驱动型驱动电路具体形式:分立元件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。驱动电路分类521.6.2晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。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。tIIMt1t2t3t4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（<1s）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531.6.2晶闸管的触发电路常见的晶闸管触发电路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54551.6.3