电力电子技术课件.ppt

1、2008年月,Power Electronics,1,第一章,电力电子器件,2008年月,Power Electronics,2,引言,本章主要内容: 1、简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题； 2、介绍各种常用电力电子器件的基本结构、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。,2008年月,Power Electronics,3,第一章电力电子器件,1.1电力电子器件概述 1.2不可控器件电力二极管 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,20

2、08年月,Power Electronics,4,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 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,2008年月,Power Electronics,5,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,1、概念 电力电子器件（power electronic device）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。 2、分类（广义上） 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),2008年月,Power Electronics,6,1.1.1 电力电子器件

3、的概念和特征,33、电力电子器件的一般特征： 承受电压和电流的能力，是最重要的参数。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。,2008年月,Power Electronics,7,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一； 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； 器件开关频率较高时，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；,

4、关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗,开关损耗：,开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗,通态损耗：,断态损耗：,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,主 要 损 耗,2008年月,Power Electronics,8,1.1.2 应用电力电子器件的系统组成,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,图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,2008年月,Power Electronics,9,1.1.3 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，分为以下三类：,半控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insula

5、ted-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）,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。,晶闸管（Thyristor）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和电流决定,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。,不可控器件,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 流决定的。,不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,2008年月,Power Electronics,10,按照器件内部电子和空穴两

6、种载流子参与导电的情况分为三类：,1) 电流驱动型,1) 单极型器件,2) 电压驱动型,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,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,2) 双极型器件,3) 复合型器件,由一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的器件,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：,1.1.3 电力电子器件的分类,2008年月,Power Electronics,11,1.2 电力二极管,电力二极管和以前学过的二极管相似，主要区别是功率大。大量应用于电气（大

7、功率）设备中。 一、工作原理 外型：分为螺栓型和平板型两种。,2008年月,Power Electronics,12,1.2.1 内部结构及工作原理,2008年月,Power Electronics,13,1.2.1 内部结构及工作原理,电导调制效应： 当二极管不导通时，二极管的电阻阻值较高，当PN结上流过较大的正向电流时，注入并积累在N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增大，使其电阻明显下降，这就是“电导调制效应”。,2008年月,Power Electronics,14,1.2.2 基本特性,1、静态特性：同一般二极管相似。 2、动态特性：P13图a

8、中If和UF，该图为由导通转换为截止时的动态过程。 当处于正向导通状态的管子外加电压突然变为反向时，该管子不能立即关断，需经过一段时间才能获得反向阻断能力，进入截止状态。而且在关断之前有较大的反向电流出现，并伴有明显的反向电压出现。这是因为正向导通时在PN结两侧储存的大量少子需要被清除掉的缘故。,2008年月,Power Electronics,15,1.2.2 基本特性,2008年月,Power Electronics,16,1.2.3 主要参数,1、正向平均电流 IF（AV） ： 参见后面晶闸管参数。 2、正向压降UF ：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U

9、RRM：通常是雪崩击穿电压的2/3。,2008年月,Power Electronics,17,1.2.4 主要类型,1、普通二极管：又称整流二极管 2、快恢复二极管：恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短。（一般在5s以下） 3、肖极特二极管：反向恢复时间更短（1040ns）,2008年月,Power Electronics,18,1.3半控型器件晶闸管,晶闸管SCR（ Silicon Controlled Rectifier） 又称：晶体闸流管(Thyristor)，可控硅整流器,2008年月,Power Electronics,19,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,一、晶闸管的结构 1、

10、外部结构 见P16图16 螺栓式：安装方便，散热性差，100A以下 平板式：安装不便，散热性好，200A以上,2008年月,Power Electronics,20,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端；,2008年月,Power Electronics,21,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；（散热性差，100A以下） 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。（安装不便，散热性好，200A以上）,2008年月,Power Electronics,22,1.3.1 晶闸管的结构

11、和工作原理,晶闸管的其它封装形式：塑封和模块式两种封装。,2008年月,Power Electronics,23,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,2、晶闸管的内部结构 它是四层三端元件，四层为P1、N1、P2、N2（见图）；三端为阳极A、阴极K、门极G （控制极）。 在电路中的 符号：,2008年月,Power Electronics,24,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,二、晶闸管的工作原理 1、晶闸管导通关断条件(以晶闸管和灯泡串联电路分析),2008年月,Power Electronics,25,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,实验分析： 当SCR的阳极和阴极电压UAK0时，

12、只有EGk0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力； SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；,2008年月,Power Electronics,26,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,实验分析： 当UAK0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。此外，在主电路电流I逐渐降低（通过调整RW）至某一个较小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I ，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。,2008年月,Power Electronics,27,1.

13、3.1 晶闸管的结构和工作原理,导通条件： （1）主回路加正向偏置电压； （2）控制回路加正向偏置电压 （门极为正、阴极为负）。 两者缺一不可。 （该特点和三极管类似，门极信号相当于三极管的基极信号。）,2008年月,Power Electronics,28,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,关断条件： 主回路电流小于维持电流IH （或等于零） 管子一旦导通，控制极就失去了控制作用，欲关断晶闸管只能靠给阳极施加反向电压或设法使主回路电流减小到维持电流IH以下时管子关断。 由此可见：晶闸管的控制极只能控制管子导通而不能控制管子关断。这是晶闸管和三极管的主要区别。,2008年月,Power El

14、ectronics,29,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,2、晶闸管工作原理(从物理结构分析其内在原因),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,在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。 此时，其工作过程如下： UGK0 产生IG V2通产生IC2 V1通 IC1 IC2 出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。,2008年月,Power Electronics,30,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,3、晶闸管的管耗和散热 管耗流过器件的电流器件两端的电压 管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过

15、允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。 冷却方式： 自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷。,2008年月,Power Electronics,31,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,4、晶闸管导通方式（了解） 正常触发导通：UAK0，同时UGK0； 阳极电压作用：当UAK 至某个大数值，使V2的漏电流由于雪崩效应而加大，同时由于正反馈而使漏电流放大，最终使SCR饱和导通； dU/dt作用：如果UAK以高速率上升，则在中间结电容上产生的电流可以引起导通；,2008年月,Power Electronics,32,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,4、晶闸管导通方式（了解） 温度作用：温

16、度上升，V1,V2的漏电流加大，引起SCR导通。 光触发：当强光直接照射在硅片上，产生电子空穴对，在电场的作用，产生触发SCR的电流。目前，有一些场合使用这种方式来触发SCR，如高压直流输电（HVDC)。这种方式可以保证控制电路和主电路之间有良好的绝缘。这种SCR又称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。,2008年月,Power Electronics,33,1.3.2 晶闸管的基本特性,本节主要研究晶闸管的两条特性，即：静态特性、动态特性。 1、静态特性（伏安特性） 静态特性由正向特性和反向特性两部分组成； 第1象限为正向特性，分为阻断状态和导通状态两段

17、，只加正向偏置uA，不加门极信号Ig 时为阻断状态；加Ig后，进入导通状态。,2008年月,Power Electronics,34,1.3.2 晶闸管的基本特性,1、静态特性 第象限为反向特性，为加反向电压时的特性，反向特性和二极管完全相同。,晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,2008年月,Power Electronics,35,1.3.2 晶闸管的基本特性,2、 晶闸管的动态特性,晶闸管的开通和关断过程波形,2008年月,Power Electronics,36,1.3.2 晶闸管的基本特性,1) 开通过程 晶闸管开通时外电路的电感存在，再加上正反馈需要时间，晶闸管的开通过程不可能是瞬

18、时的。从门极加上阶跃信号开始到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延迟时间td；阳极电流从10%到90%所需的时间称为上升时间tr；两者之和即为开通时间tgt： tgt = td + tr 开通时间与外电路电感有关，也与阳极电压的大小有关。,2008年月,Power Electronics,37,1.3.2 晶闸管的基本特性,2) 关断过程 同理，由于外电感的存在，晶闸管的关断过程也需要一定的时间。和二极管的关断过程类似，当外加反向电压后，阳极电流将逐步衰减到零，在反方向会流过反向恢复电流并形成反向电压。 反向阻断恢复时间trr：反向电流对应的一段时间；,2008年月,Power Ele

19、ctronics,38,1.3.2 晶闸管的基本特性,正向阻断恢复时间tgr：由于载流子复合过程比较慢，反向恢复过程结束后，晶闸管要恢复其正向阻断能力还需要一段时间； 晶闸管的关断时间tq定义为trr与tgr之和： tq = trr + tgr 普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s，这是设计触发脉冲的依据。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。这是设计反向电压设计时间的依据。,2008年月,Power Electronics,39,1.3.3 晶闸管的主要参数,因晶闸管是大功率元件，过载性能较差。因此，定量地掌握其参数对保证电路的可靠工作是非常重要的。 晶闸管的主要参数分为：电压

20、参数、电流参数、动态参数、开通和关断时间参数。,2008年月,Power Electronics,40,1. 额定电压 1)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。 2)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。 3)通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定倍数（倍)的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压（一般为2V）。,1.3.3 晶闸管的主要参数,2008年月,Power Electronics,41,1、额定电压 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。 对额定电压为Ue的管

21、子，用于交流电路时，其正反向电压都要加到Ue。 实际选择晶闸管时，应取 ：Ue（23）U峰 其中：U峰为电路中的峰值电压 SCR一般来说：100V1000V，每100V一个等级；1000V3000V，每200V一个等级。,1.3.3 晶闸管的主要参数,2008年月,Power Electronics,42,2、额定电流 1)通态平均电流 IT(AV)（额定电流） 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连续流过的最大工频正弦半波电流的最大平均值。 电流平均值： 指一个周期内的电流算数平均值； 电流有效值( I )： 指一个周期内的电流的方均根值。 波形系数：

22、Kf = I / IT(AV),1.3.3 晶闸管的主要参数,2008年月,Power Electronics,43,晶闸管额定电流是以平均电流定义的，而决定晶闸管耐受电流（发热）程度的主要是电流的有效值，也就是说应根据有效值的大小来选择晶闸管，而不能由平均值来选择管子，所以选择晶闸管时要进行相应的折算。 在额定电流定义下，电流平均值和有效值之间的关系：,1.3.3 晶闸管的主要参数,或,2008年月,Power Electronics,44,2)维持电流 IH: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IH越小。 3)擎住电流 IL：晶闸管刚从断态转入

23、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。 4)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。,1.3.3 晶闸管的主要参数,2008年月,Power Electronics,45,3、动态参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： (1)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。,1.3.3 晶闸管的主要参数,2008年月,Power Electronics,46,3、动态参数 (2) 通态电流临界上升率di/dt 指在规定

24、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，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管损坏。,1.3.3 晶闸管的主要参数,2008年月,Power Electronics,47,4、SCR的门极定额 (1)门极触发电流IGT 指在室温下，阳极电压直流6V时使SCR由断态转入通态所必需的最小门极电流。 (2)门极触发电压UGT 指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。 由于SCR器件的分散性较大，应使触发电路提供给门极的电流和电压适当大于SCR的参数值。,1.3.3 晶闸管的主要参数,2008年月,Power Electr

25、onics,48,SCR管芯的发热效应是与流过电流的有效值有关系的。SCR产品参数给出的额定电流是平均值，实际应用时应根据实际电路计算有效值来选定SCR。 在实际选用SCR时，根据电流有效值相等原则。 即： 实际波形的电流有效值I1SCR额定电流IT(AV)对应的电流有效值I,1.3.4 晶闸管额定电流的选定*,2008年月,Power Electronics,49,当元件通上定义中的180度的正弦半波电流时，若电流峰值为Im，则平均值为： 有效电流应为： 额定电流为 的管子流过的有效电流为：,1.3.4 晶闸管额定电流的选定*,2008年月,Power Electronics,50,定义波形

26、系数Kf有效电流/平均电流： 则管子的有效电流为： 其意义为在定义波形下，电流有效值和平均值的比例关系为1.57，对额定电流为IT（AV）的管子，允许通过的电流有效值为：I1.57 IT（AV）,1.3.4 晶闸管额定电流的选定*,2008年月,Power Electronics,51,所以，选取晶闸管时，应先求晶闸管中流过的有效电流I，然后折算为平均电流，再按平均电流选择管子。即： 综上所述，选用SCR可以采用以下公式来确定额定电流： 其中：IT(AV)为选用SCR的额定电流； I1为实际电路的电流有效值。,1.3.4 晶闸管额定电流的选定*,2008年月,Power Electronics

27、,52,例1-1采用晶闸管作为单向导电开关的交流电路(如图)，已知电路中平均电流为Id50A，晶闸管导通90度，电流波形如图，试问应选用多大的晶闸管元件？,1.3.4 晶闸管额定电流的选定*,2008年月,Power Electronics,53,分析：首先，电路中流过的平均电流为50，但不能直接选50A的管子，因该电路中晶闸管的导通角度为90度，和定义中的180度电流波形不同，则波形系数不同。 因此选择晶闸管元件时应进行折算。先求出其有效电流，再折算出对应的平均电流，然后再按此平均电流选择元件。,1.3.4 晶闸管额定电流的选定*,2008年月,Power Electronics,54,解：

28、先求波形系数，90度波形的波形系数：,1.3.4 晶闸管额定电流的选定*,2008年月,Power Electronics,55,晶闸管中实际流过的有效电流为： I= K fId 2.2250 按上述折算公式，晶闸管的额定电流应为： IT（AV）I /1.572.2250/1.5770.7 考虑安全余量： （1.5 2）IT（AV）（106 141）A 实际选择130A的晶闸管。 结论：对不是定义波形的电流时，不能单纯按电路中平均电流来选择管子，一定要进行折算。,1.3.4 晶闸管额定电流的选定*,2008年月,Power Electronics,56,晶闸管的派生器件包括：快速晶闸管、双向晶

29、闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。 1、快速晶闸管：为工作在更高频率而设计的晶闸管。（400Hz,10kHz以上） 从关断时间来看，普通晶闸管一般为几百微秒，快速晶闸管为几十微秒。而高频晶闸管仅为10微秒。 不足：电压和电流定额都不宜做高，选择电流时应考虑开关损耗产生的热效应。,1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）,2008年月,Power Electronics,57,2、双向晶闸管： 可用来代替两个反并联的晶闸管，由于是双向元件主电路无阴阳极之分。都可接正也可接负。而且，正反向都可由、两种脉冲触发导通，所以触发电路设计相对比较灵活。其特性是在、象限，均为普通晶闸管导通特性。 比较经济，控制电路

30、简单，广泛用于交流调压电路、固态继电器和交流调速等领域。 用有效值表示其额定电流。,1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）,2008年月,Power Electronics,58,2、双向晶闸管：,1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）,2008年月,Power Electronics,59,3、逆导晶闸管： 正向同晶闸管，反向同整流管，相当于晶闸管和整流管反并联，表示符号如下图，用于逆变、斩波等电路中。其结构与等效电路如图：,1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）,2008年月,Power Electronics,60,3、逆导晶闸管： 特点：不具有承受反向电压的能力； 与普通晶闸管相比：正向压降

31、小，关断时间短，高温特性好，元件数目减少，装置体积小。 额定电流为：晶闸管电流/整流管电流 例：300/500,1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）,2008年月,Power Electronics,61,3、光控晶闸管 利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 特点：由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，多用于需要进行电隔离的电路中。光控晶闸管目前在高压大功率的场合占据重要的地位。,1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）,2008年月,Power Electronics,62,既可以控制其导通又可以控制其关断的器件称为全控型器件。 例如：门极可关断晶闸管（

32、GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（电力MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT或IGCT）是其典型代表。,1.4 典型全控型器件,2008年月,Power Electronics,63,门极加负脉冲可使其关断。优点是容量较大，但其它性能较差。因而在兆瓦级以上的大功率场合应用。 1、GTO结构及工作原理 GTO结构和普通晶闸管相似，也是四层三端元件；不同的是，其内部分为数十个小GTO单元，这些小GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。这种特殊结构是为了便于实现门极关断而设计的。 GTO的多元结构除对关断有利外，使开通过程更快，承受的di/dt能力更强。,1.4.1 门极可关断

33、晶闸管（GTO）,2008年月,Power Electronics,64,2、GTO的主要参数（参见晶闸管参数） 最大可关断阳极电流IATO ：这是GTO的额定电流参数。 电流关断增益off：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM 之比称为电流关断增益。 off =IATO / IGM off 一般很小，只有5左右，这是GTO的主要缺点。 需要指出的是，不少GTO 都制成逆导型，不能承受反向电压。当需要承受反向电压时，应串二极管。,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）,2008年月,Power Electronics,65,电力晶体管(巨型晶体管),是一种耐高压，耐大电流的双结型晶体

34、管（BJT）。GTR 和 BJT 是等效的。GTR主要是在中、小功率范围取代晶闸管，目前，又被绝缘栅极晶体管和电力场效应管取代。 GTR的结构及工作原理与普通的晶体管类似，不再详述。主要特性是耐高压，电流大，开关特性好。(开关时间在几微秒以内，比GTR，GTO都短很多）,1.4.2 电力晶体管（GTR）,2008年月,Power Electronics,66,同小功率场效应管类似，电力场效应管也分为结型和绝缘栅型两种，使用较多的是绝缘栅型场效应管，简称MOSFET。 MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的。 具有以下特点： 驱动电路简单，驱动功率小； 开关速度快，工作频率高。 不足：电流容量

35、小，耐压低，一般只适用于功率不超过10KW的装置上。（50A500 V，100kHz）,1.4.3 电力场效应晶体管（MOSFET）,2008年月,Power Electronics,67,1、电力MOSFET的结构和工作原理 导电原理和小功率MOS管类似，只是小功率MOS管的导电沟道是平行于芯片表面，为横向导电器件。而MOSFET采用垂直导电结构，所以又称为VMOSFET，这样大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。 P26页图1-19给出了N沟道管和P沟道管的电气符号图。,1.4.3 电力场效应晶体管（MOSFET）,2008年月,Power Electronics,68,1、电力M

36、OSFET的结构和工作原理 电力MOSFET管分为耗尽型和增强型实际使用时主要是N沟道增强型。,1.4.3 电力场效应晶体管（MOSFET）,工作原理（以N沟导增强型为例）：当漏源极（D,S ）接正电源，栅源极(G,S)电压为零时，漏源极之间无电流流过。,2008年月,Power Electronics,69,如果在栅极和源极之间加上正偏电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以没有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面 P区中的空穴推开，而将N区中的电子吸引到栅极下面的P区表面，形成反型层，使PN结消失，漏极和源极导电。 2、电力MOSFET的基本特性 静态特性：漏极电流ID和栅源间电压UGS的关

37、系反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性。,1.4.3 电力场效应晶体管（MOSFET）,2008年月,Power Electronics,70,电压控制型器件，输入阻抗极高，输入电流非常小。 其漏极伏安特性称为输出特性。分为截止区、放大区和饱和区。饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加。 电力MOSFET工作在开关状态，在截止区和饱和区之间转换。 动态特性：略讲。,1.4.3 电力场效应晶体管（MOSFET）,2008年月,Power Electronics,71,工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。由于MOSFET只靠多子导电不存在少子储存效应，因而其关断过程是

38、非常快的。开关时间在10100ns之间； MOSFET的开关速度和输入电容的充放电有很大关系，使用者无法降低MOSFET管内部电容，但可以降低栅极驱动电路的内阻RS，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。,1.4.3 电力场效应晶体管（MOSFET）,2008年月,Power Electronics,72,电力MOSFET是场控器件，静态时几乎不需要输入电流，但是在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，需要的驱动功率越大。 3、电力MOSFET的主要参数 跨导Gfs：转移特性的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs 即：Gfs = dID / dUGS,1

39、.4.3 电力场效应晶体管（MOSFET）,2008年月,Power Electronics,73,开启电压UT：当UGS大于电压UT时，使P型半导体反型成N型半导体，漏极和源极导电。该电压UT称为开启电压。 漏极电压UDS：是电力MOSFET的额定电压。 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM：是电力MOSFET的电流定额。 栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，|UGS|20V将导致绝缘层击穿。 实际使用时应注意留有一定的裕量。,1.4.3 电力场效应晶体管（MOSFET）,2008年月,Power Electronics,74,GTO和GTR是电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其

40、通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET 是电压驱动器件，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。 将上述两类器件相互取长补短结合而成的复合器件即为绝缘栅双极晶体管，简称为IGBT或IGT。它综合了两种器件的优点，因而具有良好的性能。 目前，IGBT的容量水平达(12001600A)/(18003330V),工作频率达40kHz以上。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2008年月,Power Electronics,75,1、IGBT的结构及工作原理 IGBT也是三端器件，具有栅极，集电极和发射极，如P29图1-22所示。,

41、1.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2008年月,Power Electronics,76,由图看出，IGBT比MOSFET多一层P区，形成一个新的PN结J1，这样使得IGBT在导通时由P区向N区发射空穴，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT有很强的通流能力。 可以看出它是由双极型晶体管和MOSFET组合成的达林顿结构。相当于由一个MOSFET驱动的PNP晶体管。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2008年月,Power Electronics,77,其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当UG

42、E为正且大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。 上述PNP晶体管与 N沟道 MOSFET组合而成的IGBT 称为 N-IGBT，实际当中使用较多。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2008年月,Power Electronics,78,2、IGBT的基本特性 静态特性 图1-23a所示为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流和栅极电压UGE之间的关系。开

43、启电压UGE(th）在+25C时的值一般为26V。 图1-23b所示为IGBT的输出特性，也称伏安特性，此特性与GTR的输出特性相似。也分为三个区域，正向阻断区，有源区和饱和区。在电力电子电路中IGBT是工作在开关状态。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2008年月,Power Electronics,79,动态特性 与电力MOSFET的动态过程相似。但IGBT中双极型PNP的存在，虽然带来了电导调制的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET管。 3、IGBT的主要参数 最大集射极间电压UCES：由PNP晶体管的击穿电压确定；,1.4.4 绝缘栅双极

44、晶体管（IGBT）,2008年月,Power Electronics,80,最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP； 最大集电极功耗PCM：在正常的工作温度下，允许的最大耗散功率。 IGBT的特性和参数总结如下：参见P31 开关速度高，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。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2008年月,Power Electronics,81,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，同时保持开关频率高的

45、特点。 此外，为满足实际电路中的要求，IGBT经常制成逆导器件，使用时应加以注意。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2008年月,Power Electronics,82,MOS控制晶闸管（MCT） 静电感应晶体管（SIT） 静电感应晶闸管（SITH） 集成门极换流晶闸管（IGCT） 功率模块与功率集成电路： IGBT模块，智能功率模块IPM,1.5 其他新型电力电子器件,2008年月,Power Electronics,83,1.6.1电力电子器件驱动电路概述 电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，使电力电子装置的重要环节。 1、驱动电路的基本任务 提供控制极

46、所需的控制信号； 提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。 （一般采用光隔离或电磁隔离。光隔离使用光耦合器，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。）,1.6 电力电子器件的驱动,2008年月,Power Electronics,84,2、驱动电路分类 由分立元件组成的驱动电路（模拟式）；专用的集成驱动电路（数字式）。（使用时应首选电力电子器件生产厂家开发的集成驱动电路） 电流驱动型和电压驱动型,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,2008年月,Power Electronics,85,1、又称为晶闸管触发电路 作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻有阻断转为导通。（相位控制电路、脉

47、冲放大环节、输出环节） 2、晶闸管对触发电路的基本要求 触发信号可以是交流、直流或脉冲信号。为了减小门极的损耗，触发信号常采用脉冲形式。,1.6.2 晶闸管的驱动电路,2008年月,Power Electronics,86,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。,1.6.2 晶闸管的驱动电路,2008年月,Power Electronics,87,触发脉冲的移相范围应

48、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。 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。,1.6.2 晶闸管的驱动电路,2008年月,Power Electronics,88,3、理想的触发脉冲电流波形 4、典型触发电路,1.6.2 晶闸管的驱动电路,V1,V2,2008年月,Power Electronics,89,1、GTO的驱动电路 GTO对触发脉冲的要求如下：在整个导通期间需加正向门极电流，关断时加负门极电流 ，关断之后还需施加5V的负偏压，以提供抗干扰能力。,1.6.3 典型全控型器

49、件的驱动电路,2008年月,Power Electronics,90,如图1-29为典型的直接耦合型GTO驱动电路。其驱动电路包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,2008年月,Power Electronics,91,倍压原理： 正半波时，经VD1给C1充电，至+5V； 负半波时，C1和负电源经VD2给C2充电，至10V； 正半波时，C2和电源经VD3给C3供电，为15V，起到3倍电源电压作用。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,2008年月,Power Electronics,92,工作原理： V1开通时，输出正强脉冲； V2开通时

50、，输出正脉冲的平顶部分； V3开通、 V2关断时，输出负脉冲； V3关断后，电阻R3R4提供负脉冲。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,2008年月,Power Electronics,93,2、GTR的驱动电路 使GTR开通的基极驱动电流应使其处于临界饱和导通状态；关断时须加一定的负基极电流（有利于减小关断时间），关断后同样应施加一定幅值的负偏压。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,2008年月,Power Electronics,94,如图为GTR的一种驱动电路，包括电气隔离部分和晶体管放大部分。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,2008年月,Power Electronic

51、s,95,当光电二极管导通，使V2导通。V3截止，V4、V5、V6导通，发出脉冲。 VD2为抗饱和钳位电路，当V过饱和使集电极电位低于基极电位时，VD2自动导通，防止V过饱和。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,2008年月,Power Electronics,96,3、 MOSFET的驱动电路 使MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般为1015V;同样关断时施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一致低值电阻可以减小寄生震荡。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,2008年月,Power Electronics,97,工作原理： 当无输入信号时，高速放大器A

52、输出负电平，V3导通输出负驱动电压； 当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压，使管子导通。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,ui,2008年月,Power Electronics,98,4、 IGBT的驱动电路 IGBT驱动电路常采用集成驱动器，这些电路内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应，并给出故障信号。 电路工作原理较简单，自行学习。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,2008年月,Power Electronics,99,由于电力电子电路过载能力差，为保证电路可靠工作，除了合理选择参数，设计良好的驱动电路外，还应采用合适的过电压保护，过电流保护，

53、以及du/dt保护和 di/dt保护。,1.7 电力电子器件的保护,2008年月,Power Electronics,100,过电压分为外因过电压和内因过电压。 1、外因过电压 操作过电压 雷击过电压 2、内因过电压 换相过电压 关断过电压,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,2008年月,Power Electronics,101,下图给出了各种过电压保护措施:,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,2008年月,Power Electronics,102,在抑制外因过电压时，常采用RC电路，其典型连接见下图：,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,2008年月,Power Electro

54、nics,103,对大容量装置，可采用如图所示反向阻断式RC电路：,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,由于使用了一组整流桥，故只需使用一个电容；并因为电容只承受直流电压，可采用体积小，容量大的电解电容；同时可避免晶闸管导通时由于电容放电而使晶闸管的di/dt增加。,2008年月,Power Electronics,104,过电流保护分过载和短路两种。过电流保护常采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。 在选择几种保护措施时应首先用电子电路进行过电流保护，再使过电流继电器在过载时动作，其次是直流快速熔断器和快熔短路保护。,1.7.2 过电流保护,2008年月,Power Electro

55、nics,105,过电流保护措施见下图：,1.7.2 过电流保护,2008年月,Power Electronics,106,又称吸收电路：作用是抑制电力电子器件的过电压、过电流、du/dt和 di/dt。 下图给出关断缓冲电路和开通di/dt抑制电路的电路图。V为绝缘栅双极晶体管。,1.7.3 缓冲电路,2008年月,Power Electronics,107,对大容量的设备，单个器件往往不能满足要求，需要将器件进行串并联，以满足对高电压，大电流的需求。下面简单介绍串并联需注意的问题。 1.8.1 晶闸管的串联 当电压较高，晶闸管的电压不能满足要求时，可用同型号晶闸管串联。串联后由于器件之间的

56、特性差异，一般会存在电压分配不均的问题。如图1-41所示。,1.8 电力电子器件的串并联使用,2008年月,Power Electronics,108,为解决静态不均压问题，首先应尽量选择特性一致的管子，此外应采取均压措施。如图中使用电阻Rp，使两个Rp阻值一样可达到均压目的。 类似，由于动态特性不一致所引起的不均压问题，称为动态不均压。可用RC并联作为动态均压措施，如图。另外，采用强触发可以显著减少器件开通时间上的差异。,1.8 电力电子器件的串并联使用,2008年月,Power Electronics,109,1.8.2 晶闸管的并联 当设备电流较大时，可用同型号晶闸管并联。并联后由于器件

57、之间的特性差异，一般会存在电流不均的问题。 为解决均流问题，首先应尽量选择特性一致的管子，此外应采用均流电抗器。 当同时需要串并联时，应先串后并。 1.8.3 MOSFET和IGBT并联运行的特点（了解）,1.8 电力电子器件的串并联使用,2008年月,Power Electronics,110,电力电子技术是研究利用电力电子元件，对电能进行各种转换的技术。电能转换包括：整流、逆变、斩波、变频等。 本章主要介绍了六种电力电子元件，应主要掌握其基本结构、工作原理、特性、参数和应用范围。其中： 电力二极管：不可控器件，原理同二极管，工作可靠，大量使用。,本章小结,2008年月,Power Elec

58、tronics,111,晶闸管：半控器件，用门极控制导通，去掉主回路电压才能关断。静态特性中正向有阻断和导通两种状态。动态特性中有电流反向现象，掌握开通时间和关断时间。参数有电压、电流、动态、时间参数。熟练掌握额定电压和额定电流。派生管有快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光孔晶闸管）。广泛使用于各种电路中。,本章小结,2008年月,Power Electronics,112,门极可关断晶闸管（GTO）：门极加负脉冲关断。电压电流容量大；其他性能一般。 电力晶体管（GTR）：电压电流容量大，开关特性好。在中小功率范围取代晶闸管，现多被绝缘栅双极晶体管取代。 电力场效应管（MOSFET）：驱动功

59、率小，驱动电路简单；开关速度快，但是电压电流容量小（10KW以下）。掌握其工作原理（反型层形成）、特性（转移特性和输出特性）参数。,本章小结,2008年月,Power Electronics,113,绝缘栅双极晶体管（IBGT）：由MOSFET和电力晶体管GTO组合而成，具备两者优点。掌握其结构、工作原理、特性和参数。 本章还讨论了电力电子器件的驱动电路，器件的保护和串并联问题。,本章小结,2008年月,Power Electronics,114,1、答：（1）主回路加正向偏置电压； （2）控制回路加正向偏置电压 （门极为正、阴极为负）。 2、答：主回路电流大于等于维持电流IH 。 欲关断晶闸管只能靠去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反向电压或设法使主回路电流减小到维持电流IH以下。,本章作业解答,2008年月,Power Electronics,115,3、解：不同波形下电流的平均值和有效值。,本章作业解答,2008年月,Power Electronics,116,4、解：根据题意，100A晶闸管允许通过的电流有效值为：157A。首先求出不同电流波形下的波形系数，再折算出该波形下晶闸管能送出的最大平均电流，最后利用3题的结果由平均电流或有效电流均可以求出