电力电子技术(课件)第2章.ppt

1、第二章电力电子器件概述,2.6电力场效应晶体管,2.2二极管,2.3晶闸管,2.4可控开关的理想特征,2.5双极结晶体管和达林顿管,2.1简介,2.7门极可关断晶闸管,2.8绝缘栅双极晶体管,2.9MOS控制晶闸管,2.10可控开关的比较,2.11驱动和缓冲电路,2.12半导体功率器件选择,下页,返回,第二章电力电子器件概述,电力电子器件的类型电力电子器件的外部特性电力电子器件的电压、电流和开关速度能力,本章重点,2.1简介,功率半导体器件,理想开关,功率半导体器件类型：,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,电力二极管,导通和关断状态由电路潮流决定。,晶闸管,器件承受正向电压时由控制信号

2、控制器件的导通，关断状态由电路潮流决定。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,可控开关,由控制信号控制器件的导通和关断。,功率半导体器件,不可控型半可控型全控型,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。,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,补充：王兆安教材,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,1）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（MainPower

3、Circuit）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）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）,电力电子器件,补充：王兆安教材,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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。,3）同处理信息的电子器件相比，具有以下特征：,电力电子器件,补充：王兆安教材,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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

4、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,电力电子器件的损耗,补充：王兆安教材,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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,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,应用电力电子器件系统组成,电气隔离,控制电路,补充：王兆安教材,电力电子器件的中英文名称及缩写,电力二极管：PowerDiode晶闸管SCR：SiliconControlledRectifier；Thyristor门极可控晶闸管

5、GTO：Gate-Turn-OffThyristor光控晶闸管LTT:LightTriggeredThyristor双极结型晶体管BJT：BipolarJunctionTransistor电力场效应晶体管MOSFET：MetalOxideSemicondutorFieldEffectTransistor绝缘栅双极晶体管IGBT：Insulated-GateBipolarTransitor,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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a)外形

6、b)结构,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),2.2二极管,补充：王兆安教材,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿,PN结的状态,补充：王兆安教材,下页,上页,返回,理想化的伏安特性用来分析变流器拓扑结构很有用，但不能应用于实际设计。,第二章电力电子器件概述,二极管的基本特性1）静态特性,下页,上页,返回,二极管处于通态时，开通速度很快，可当作理想开关。二极管处于断态时，在电流下降到零之前，有一个电流反向恢复时间trr，在此时间内的电流反方向流动。反向电流不会

7、影响换流器的输入输出特性。因此，仍然认为二极管是理想关断的。,第二章电力电子器件概述,2）动态特性,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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。,电力二极管的主要参数,1)正向平均电流IF(AV),补充：王兆安教材,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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

8、）反向恢复时间trrtrr=td+tf,电力二极管的主要参数,2）正向压降UF,补充：王兆安教材,下页,上页,返回,几种常用的电力二极管:,肖特基二极管：多用于正向压降较低(一般是0.3V)的低压输出电路。快恢复二极管：多用于带有可控开关且反向恢复时间较短的高频电路中。线频二极管：用于阻断电压额定值是几千伏，阻断电流额定值是几千安的电路中，也可以通过级联和并联满足不同的电压和电流的需要。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,2.3晶闸管,1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速

9、发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,图1-6晶闸管a)外形b)结构,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。,A,A,G,G,K,K,b),a),A,G,K,P,1,N,1,P,2,N,2,J,1,J,2,J,3,下页,上页,返回,第

10、二章电力电子器件概述,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,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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：,（1-5）,晶闸管的结构与工作原理,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,晶闸管的静态特性,下页,上页,返回,电路换向恢复时间,第二章电力电子器件概述,晶闸管的动态特性,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效

11、应阳极电压上升率du/dt过高结温较高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，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,其他几种可能导通的情况：,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。,晶闸管正常工作时的特性总结如下：,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,晶闸管一旦开始导通，门极就失去控制

12、作用。不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。通过外电路使阳极电流反向，并且降到接近于零的某一数值,使已导通的晶闸管关断。当晶闸管承受正向电压时，门极触发电流在某个时间再次控制晶闸管触发导通。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,反向偏压低于反向击穿电压时，只有极小的漏电流流过晶闸管。晶闸管的正反向阻断电压额定值是相等。晶闸管的电流额定值，根据用途的不同，分为最大值和平均值两种。分析变流器拓扑结构时，同二极管相似。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,1相控晶闸管（换流晶闸管）,主要用于线频电压和电流整流。可承受较高的电压和电流，且通态压降较小。,几种常用的晶闸管:,2逆变晶

13、闸管,通态电压较低，且关断时间tq较短。,3光控晶闸管,通过一定的波长的光照信号来触发晶闸管，主要用于高压线路中,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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UT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23倍。,使用注意：,1）电压

14、定额,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,通态平均电流IT(AV）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。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH使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。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,晶闸管的主要参数,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,晶闸管流过正弦半波电流波形如图

15、所示,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系：正弦半波电流的有效值为：波形系数,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,例1-1两个不同的电流波形(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,试计算各波形的电流平均值Id1、Id2，电流有效值I1、I2。,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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

16、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,晶闸管的主要参数,下页,上页,返回,2.4可控开关的理想特性,BJTMOSFETGTOIGBT,开关断开时，没有电流流过开关闭合时，电流只能按箭头所指方向流过,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,关断时，不论正反向阻断电压有多高，都没有电流流过该器件。导通时，压降为零，此时可传导任意大的电流。该器件一旦被触发，立即从导通状态到关断状态，反之亦然。该器件只需很小的

17、电能就能触发。,理想可控开关的特性,半导体功率器件必然有能量损耗，要尽量控制这些器件的能量损耗。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,当开关闭合，电流全部流过开关，二极管反向偏置。当开关断开时，I0流过二极管，有一个等同与输入电压Ud的电压加在二极管上。,理想二极管被认为是零压降,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,当开关处于断态时，正向控制信号将使其导通。电流上升包括较短的延迟时间td(on)和电流上升时间tri。当电流I0全部通过开关后，二极管反向偏置，同时开关电压在电压下降时间tfv内下降到较小的通态电压Uon。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,导通交叉时间段tc(

18、on)内：,导通过程中器件的能量损耗可从图中进行估算：,开关通态能量消耗Won可近似为：,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,开关关断期间，电压上升过程包括关断延迟时间td(off)和电压上升时间trv。电压达到Ud，二极管正向偏置传导电流。开关电流在电流下降时间tfi内下降到0，电流I0反向，并从二极管D中流过。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,转换时段tc(off)内:,关断过程中的开关能量损耗可由下式表示：,导通和关断期间的瞬时开关能量损耗:,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,开关开通关断转换所致能量损耗可近似表示为：,fs：开关频率fs=1/TsTs：开关时间周

19、期,第二章电力电子器件概述,半导体能量损耗随着开关频率和开关时间增加而线性增加。,下页,上页,返回,开通损耗：,开关的通态压降应尽可能小。,可控开关断态时漏电流较小，可忽略实际应用中断态能量损耗,开关平均能量损耗为:,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,可控开关的特性,器件处于断态时，漏电流很小。较低的通态压降Uon可减少通态能量损耗。导通和关断转换时间较短，能够使器件在较高的开关频率下工作。较好的正反向电压阻断能力使得不需要级联许多器件。通态阻抗正的温度系数能够确保并联元件平均分配总电流。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,只需要较小的电能来触发可控开关，这将简化控制电路的设计

20、。在开关时，器件可同时承受额定电压和额定电流那么大的电压和电流。因此不需要外部电路保护装置。可控开关可承受较大的电压电流变化率，因此可简化外部电路保护装置。,全控型器件还包括BJT、MOSFETs、GTO和IGBT,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,2.5双极结型晶体管和达林顿管,控制电路必须提供充分大的基极电流,才可使得器件完全导通。基极电流与集电极电流的关系：,hFE：元件的直流电流增益UCE(sat)：晶体管通态电压,双极结型晶体管,第二章电力电子器件概述,通态时，基极电流必须持续保持。,下页,上页,返回,达林顿晶体管,为得到更大的大功率晶体管直流电流增益。,对电压非常敏感，轻微

21、的过电压UCE(sat)将导致达林顿晶体管损坏，且整体开关速度较慢。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,2.6电力场效应晶体管（MOSFET）,N沟道MOSFET是电压控制型器件，当栅-源极电压低于门槛电压UGS（th）时，类似近似断开的开关。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,MOSFET需要供给栅源极大小合适的持续电压才能导通。只有当MOSFET处在从开到关的转换过程中，或反过来从关到开的转换过程中，在栅沟道本征电容充放电时，栅极才会出现电流。MOSFET的开关时间非常短，通常在几十纳秒到几百纳秒之间。,MOSFET的特性,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,在正常运

22、行范围内，MOSFET的漏极和源极之间的导通电阻会随着它承受的截止电压的增加而很快增加。在每单元面积的基础上，MOSFET导通阻抗和所承受的额定截止电压BUDSS的关系可以表达为：,K:取决于器件结构的常数,第二章电力电子器件概述,只有较低的电压等级器件才会有较低的导通阻抗和很小的传导损失。低电压时多选择MOSFET。,下页,上页,返回,2.7门极可关断晶闸管（GTO）,GTO与晶闸管相同之处：GTO能够通过施加短期的门极脉冲电流而触发导通。一旦导通，就能维持这种导通状态而不再需要门极电流。GTO与晶闸管不同之处：GTO可通过施加负的门阴极电压而被关断，并因此引起大的负门极电流。,第二章电力电

23、子器件概述,结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。,图1-13GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号,GTO的结构和工作原理,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,在GTO电路中连接由电阻，电容，二极管组成的电路，使关断时的dv/dt减小。,GTO可承受高电压和大电流，当需要开关频率不高，工作电压较高和大电流的情况下选用GTO。,第二章电力电子器件概述,吸收电路,下页,上页,返回,2.8绝缘栅双极晶体管（IGB

24、T）,IGBT与MOSFET、BJT和GTO的某些优点类似:如同MOSFET，输入阻抗高，开关器件能量很小。同BJT一样，可承受较高电压，但导通压降很小。与GTO类似，能够被设计承受一定的反向压降。,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,2.9MOS控制晶闸管（MCT）,MCT的优点：比GTO的驱动电路更简单比GTO的开关速度更快比同等级IGBT的通态压降更低,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,2.10可控开关的比较,可控开关器件的相关性质比较,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,电力半导体器件性能比较,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,2.11驱动和缓冲电路,设计一

25、个合理的换流电路时，重要的是在BJT、MOSFET、GTO或IGBT的栅极的基础上设计合理的驱动电路。缓冲电路可被划分成三种：开通缓冲电路：使器件导通时的过电流最小化。关断缓冲电路：使器件关断时的过电压最小化。减压缓冲电路：修正器件开关波形，使器件在任何时刻的电流电压不同时具有最大值。,第二章电力电子器件概述,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。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

26、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,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。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。,分类,下

27、页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,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。,t,图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,晶闸管的触发电路,下页,上页,返回,第二章电力电子器件概述,下页,上页,返回,2.12半导体功率器件的选择,器件特性和它们对选择过程的影响：通态压降或导通电阻决定该器件的传导损失。开关时间决定每次转换能量损失和开关频率能达到多高。器件的额定电压、额定电流决定该器件的能量控制能力。控制电路所需能量决定控制该器件的难易度。器件导通阻抗温度系数决定它们并联使