电力电子技术基础1—器件.ppt

1、,Fundamentals of Power Electronics Technology,电力电子技术基础,South China University of Technology,第二部分 电力电子器件,6,电力电子技术基础,第二部分 电力电子器件,功率器件的分类,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： (1)半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 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,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,功率器件的分类,(2)全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关

2、断器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） (3) 不可控器件不能用控制信号来控制其通断， 因此也就不需要驱动电路 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,电力电子技术基础,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,功率器件的分类,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： 电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流

3、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 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件,电力电子技术基础,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： 单极型器件由一种载流子参与导电的器件 双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件 复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,功率器件的分类,电力电子技术基础,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,功率器件的分

4、类,电力电子技术基础,功率器件的特性和应用,电力电子技术基础,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。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,电力电子技术基础,1.1 功率二极管,功率二极管,Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 以半导体

5、PN结为基础 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以及模块封装,电力电子技术基础,电力二极管与普通二极管的区别,造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大,电力电子技术基础,PD等效模型,势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与

6、PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。,扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分,电力电子技术基础,静态特性,u,D,i,D,mA,A,m,反向阻断,雪崩,击穿,0.51.2V,主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,电力电子技术基础,动态特性,势垒电容 体电感 正向恢复时间,动态特性因结电容的存在，三种状态之

7、间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的,电力电子技术基础,动态特性,电力电子技术基础,由UR、线路电感、体电感决定,反向充电建立势垒,动态特性参数,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,电力电子技术基础,主要参数,电力电子技术基础,主要参数,电力电子技术基础,PD的分类,1. 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的

8、整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要 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,电力电子技术基础,PD的分类,2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD） 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（1s以下）的二极管，也简称快速二极管 适用频率：20100kHz,MUR系列,MUR1620 16A200V,电力电子技术基础,PD的分类,从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 适用频率：200kHz左右,BYV26/32/36,

9、超快恢复二极管 （Ultra Fast Recovery Diode 25ns), 软恢复二极管 （Soft Recovery Diode 0.5us),电力电子技术基础,PD的分类,3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管 20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用 肖特基二极管的弱点 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度,电力电子技术基

10、础,PD的分类,肖特基二极管的优点 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 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 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 适用频率：1MHz,MBR系列,MBR2520 25A20V,电力电子技术基础,二极管特性仿真,电流波形,1N4007,1N4148,MUR1620,MBR2520,电压波形,1N4007,1N4148,MUR1620,MBR2520,1.2 普通晶闸管（SCR）,SCR的 外形和符号,电力电子技术基础,外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个

11、联接端 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 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,SCR的结构和工作原理,电力电子技术基础,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,Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）,SCR的工作原理,电力电子技术基础,IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 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（1-1）（1-4）可

12、得 （1-5） 晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。,SCR的工作原理,电力电子技术基础,阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和 开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,SCR其他可以导通的情况,电力电子技术基础,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du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发 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之外

13、，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,SCR的静态特性,电力电子技术基础,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,SCR的静态特性,电力电子技术基础,晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性,SCR的静态特性,电力电子技术基础,IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断

14、状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压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 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在1V左右 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。（伏安特性图）,SCR的静态特性,电力电子技术基础,晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性 晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端 门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的

15、 晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。（伏安特性图）,SCR的动态特性,电力电子技术基础,晶闸管的开通和关断波形,SCR的动态特性,电力电子技术基础,1) 开通过程（特性图) 延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间 开通时间ton以上两者之和， ton=td+ tr （1-6） 普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s,FET的分类,电力电子技术基础,2) 关断过程 反向阻断恢

16、复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作 关断时间toff：trr与tgr之和，即 toff=trr+tgr （1-7) 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,SCR的主要参数,电力电子技术基础,1. 电压定额 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UR

17、RM 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，额定电压要留有一定裕量,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,SCR的主要参数,电力电子技术基础,2. 电流定额 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流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 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

18、般取1.52倍,SCR的主要参数,电力电子技术基础,电流定额_通态平均电流 IT(AV) 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流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 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1.52倍,电流平均值的定义,电流有效值的定义,波形系数 的定义,SCR的主要参数,电力电子技术基础,特定情况,具体情况,已知：平均电流,SCR允许的有效电流,正弦半波 波形系数,SCR允许的有效电流,具体波形 波形系数,求：平均电流,SCR的主要参数,电力电子技术基础,SCR的主要参数,电力电子技术基础,2)

19、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,SCR的主要参数,电力电子技术基础,3. 动态参数 除开通时间ton和关断时间toff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 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上

20、升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3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,SCR的主要参数,电力电子技术基础,(2) 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，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,其他晶闸管,电力电子技术基础,1. 快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST) 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 管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt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，高频晶闸管10s左右 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高 由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应,其他晶闸管,电力电子技术基础,2. 双向晶闸管（Tr