电力电子技术第1章电力电子器件.ppt

1、第1章 电力电子器件,1.1 电力二极管 1.2 晶闸管,1.1 电力二极管,1.1.1 功率二极管的结构和工作原理 1、元件结构,图1-1,图1-2,二极管的基本原理PN结的单向导电性 当PN结外加正向电压（正向偏置）时， PN结表现为低阻态，PN结处于正向导通状态。 导通时，管子压降维持在1V左右。不随电流而变。 当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 反向阻断时，有极小的漏电流，平时可忽略不计，但温度升高时漏电流会增大，须引起注意。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截

2、止的工作状态，这就叫反向击穿。,1.1.2 功率二极管的伏安特性,电力二极管的伏安特性,整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管,见教材P4。,1.1.3 功率二极管的主要参数,1.2 晶闸管,晶闸管（又称可控硅 SCR ）是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。 晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LATT）等。,1.2.1 晶闸管的结构,1、晶闸管的结构,图1-4,常见的外形有两种：螺栓型和平板型。,具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G),图1-4,1.2.2 晶闸管的工作原理,1、晶闸管

3、的导通、关断实验 由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。,（a） (b) (c),图1-5,图1-5,2、实验说明 3、实验结论 通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件: （1）晶闸管阳极和阴极之间加正向电压。 （2）晶闸管门极和阴极之间加正向电压。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。,4、晶闸管的导通关断原理 当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下： IGIB2IC2(IB1)IC1IB2,图1-6,晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本

4、身的正反馈作用来维持。门极失去控制作用。 那怎样才能关断管子呢？ 关断条件：必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是减小到维持电流。 可采用的方法有: 将阳极电源断开； 改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。,14,1、晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。,IG =0,正向导通,UBO,正向特性,反向特性,雪崩击穿,1.2.3 晶闸管的特性,2、晶闸管的开关特性(简介),晶闸管的开关特性如图所示。,图1-8,晶闸管开关特性的说明 通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td与上升时间tr之和。即 ton

5、=td+tr 电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和。 toff=trr+tgr,1.2.4 晶闸管的主要参数(简介),1、额定电压UTn(重点) （1）正向重复峰值电压UDRM 在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM的80%。 （2）反向重复峰值电压URRM 在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。,晶闸管的额定电压则取UDRM和URRM的较小值且靠近标准电压等级所

6、对应的电压值。 选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的23倍。,2、额定电流I T(AV) (重点) 是指：在环境温度为+40度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。 注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。,实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。,3、维持电流IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于

7、通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。 4、擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(24)倍。,5、门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。 6、门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。,7、断态电压临界上升率du/ dt 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电

8、压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。 8、通态电流临界上升率di / dt 在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。,1.2.5 晶闸管的型号、选择原则1、普通晶闸管的型号,额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级；1000V到3000V，每200V为一级。,晶闸管通态平均电压分组,2、普通晶闸管的选择原则（1）选择额定电流的原则,在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在

9、电路中实际可能通过的最大电流有效值 即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为： 然后取相应标准系列值。,1.2.6 晶闸管的其它派生元件(简介),双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。,图1-12,双向晶闸管在第和第象限有对称的伏安特性。,图1-14,31,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（10kHz以上）； FST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。,快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST),32,逆导晶闸管

10、是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，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。,逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,图1-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,33,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。,图1-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增 大

11、而可能成为器件功率损耗的主要因素。,电气隔离,图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,1.3 门极可关断晶闸管（GTO）1.3.1 GTO的结构和工作原理,晶闸管的一种派生器件，但 可以通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断，因而属于全控 型器件。 GTO为四层PNPN结构、三端 线（A、K、G）的器件。和 晶闸管不同的是：GTO内部是 由许多四层结构的小晶闸管并 联而成，这些小晶闸管的门极 和阴极并联在一起，成为GTO元,图1-15,图1-15,39/89,导通与关断,GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。晶闸管的回路增益1+2常为1.15左右，而GTO的1+2

12、非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。 GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。,GTO的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同 电流关断增益off 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联

13、使用。,41/89,1.3.2 电力晶体管,电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和工作原理 GTR和GTO一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多,共射极电路的输出特性曲线,图1-19,2、GTR的动态（开关）特性 晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断

14、作用时采用开关工作方式。GTR主要应用于开关工作方式。 在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流IB2迫使GTR关断，由于GTR 不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。,简称P-MOSFET（Power MOSFET）。,是用栅极电压来控制漏极电流的 开关时间在10100ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。 在电力MOSFET中，主要是

15、N沟道增强型。,1.3.3 电力场效应晶体管,45/89,电力MOSFET的工作原理 截止 栅极和 源极间电压为零时，无漏极电流ID，截止 导通 在栅极和源极之间加一正电压UGS，当UGS大于某一电压值UT开启电压（或阈值电压）时，导通。UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。 本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个 与MOSFET反向并联的寄生二极管。, GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 电力MOSFET是单极型电压驱动器件，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。

16、 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。,1.3.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。是由P-MOSFET与双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断器件。 IGBT的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量。,IGBT的工作原理 IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场 控器件。 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。 当UGE

17、为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。 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。,49/89,输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 当UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。 在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。,(b),图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 b) 输出特性,图1-42电力电子器件分类“树”

18、,IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，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场合，地位牢固。 功率模块和功率集成电路是现代电力电子发展的一个共同趋势。,本章小结,当前的格局:,22,1.8 电力电子器件的驱动 晶闸管、GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT等电力电子器件要正常工作，必须在其门极加驱动信号，各种器件对驱动信号的要求是不一样

19、的，必须分别或分类讨论。晶闸管的门极驱动又称为触发，相应的门极驱动电路又称触发电路。,1.8.1 晶闸管的门极驱动（触发） 晶闸管阳极加正向电压后，还须在门极与阴极间加上触发电压，才能从阻断变为导通。 1、对触发电路的要求 1）为减小门极损耗，应采用脉冲触发信号。 2）触发脉冲应有足够的功率，并留有一定的裕量。 3）脉冲应有一定的宽度，前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。对感性负载，触发脉冲应为宽脉冲或双窄脉冲；有些需强触发脉冲。 4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。,2、常用的触发脉冲信号,图1-34,（a）为正弦波触

20、发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合； （b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，也用于触发要求不高的场合； （c）矩形脉冲； （d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合； （e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性负载的装置； （f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。,3、脉冲触发电路与晶闸管的连接方式1.直接连接：操作不安全，主电路干扰触发电路。 2.光耦合器连接：输入和输出间电隔离，绝缘性能好，抗干 扰能力强。3.脉冲变压器耦合连接：有良好的电气绝缘。,图1-35,1.8.2 电流型全控电力电子器件的门极驱动 GT

21、O和GTR都是电流驱动型器件。,1、GTO的门极驱动 （1）GTO的门极驱动信号 GTO的门极电流、电压控制波形对GTO的特性有很大影响。GTO门极电流、电压控制波形分开通和关断两部分，推荐的波形形状如图1-36所示。图中实线为门极电流波形，虚线为门极电压波形。 为正向直流触发电流， 为最大反向门极电流。,开通时，门极电流脉冲前沿陡度大，一般为510A/S，门极正脉冲电流的幅度比规定的额定直流触发电流应大310倍，正脉冲宽度一般为1060S，而后沿应尽量平缓些。 关断时，关断脉冲电流上升率一般为1050A/S。脉冲应具有一定的宽度，关断脉冲电流的幅度一般为(1/81/3) ，其后沿也应尽量平缓

22、些。,图1-36,(2)GTO的门控驱动电路,图1-37,图1-37为一双电源供电的门极驱动电路。该电路由门极导通电路、门极关断电路和门极反偏电路组成。该电路可用于三相GTO逆变电路。,2、GTR的基极驱动 （1）GTR的基极驱动电流信号 为减少开关损耗，提高开关速度，GTR要求的比较理想的基极电流波形如图1-38所示。,图1-38,使GTR开通的基极驱动电流信号应使GTR工作在准饱和状态，避免其进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极驱动电流有利于减小开关时间和开关损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。用于GTR开通和关断的正、负驱动电流的前沿上升时间

23、应小于1微秒，以保证它能快速导通和关断。,2）GTR的驱动电路 图1-39给出了一种GTR的驱动电路。它包括电气隔离和晶体管放大两个部分。,图1-39,1.8.3 电压型全控电力电子器件的门极驱动 P-MOSFET和IGBT都是电压驱动型器件。,1、P-MOSFET的栅极驱动 （1）P-MOSFET的栅极驱动信号：对驱动信号的要求有： 1）触发脉冲有足够快的上升和下降速度，即脉冲沿要陡。 2）为使P-MOSFET可靠触发导通，触发电压应高于开启电压，但不得超过最大触发额定电压。触发电压也不能过低，否则会使通态电阻增大，降低抗干扰能力。 3）驱动电路的输出电阻应低，开通时以低电阻对栅极电容充电，

24、关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高P-MOSFET的开关速度。 4）为防止误导通，在P-MOSFET截止时应提供负的栅源电压。,2、P-MOSFET的驱动电路,（1）栅极直接驱动电路,图1-40,(2）隔离式栅极驱动电路,图1-41,2、IGBT的栅极驱动 （1）IGBT的栅极驱动信号 IGBT具有与P-MOSFET相似的输入特性和高输入阻抗，驱动电路相对比较简单，驱动功率也比较小。 IGBT对驱动信号及电路有以下基本要求： 1）驱动脉冲的上升和下降沿要陡：开通电压前沿陡可使IGBT快速开通，减小开通损耗；关断电压后沿足够陡，并在G-E极间加适当的反偏压，有助于IGBT快速关断。用内阻

25、小的驱动源对G极电容充放电，可保证有足够陡的前、后沿。 2）驱动功率足够大：IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率及电压、电流幅值，使IGBT总处于饱和状态，不因退出饱和而损坏。,3）合适的正向驱动电压。 4）合适的负偏压：为缩短关断时间，需施加负偏压，并提高抗干扰能力。反偏压一般取-2-10V。 5）合理的栅极电阻：在开关损耗不太大的情况下，应选用较大的栅极电阻。电阻范围为1400。 6）IGBT多用于高压场合，故驱动电路与控制电路应严格隔离。 符合上述要求的IGBT典型驱动电压波形如下图所示。,图1-42,（2）IGBT的驱动电路,1）脉冲变压器直接驱动IGBT的驱动电路,图1-43,2）IGBT专用驱动模块,图1-45,1.9 电力电子器件的保护,1、GTO的保护 GTO主要用于大容量变流器中，最严重的问题是短路过电流故障。 （1）过电流的原因 过电流包括过载和短路两种情况，严重的是短路过电流情况。短路