第1章 电力电子器件(1).ppt

第1章电力电子器件,1.1电力电子器件的基本模型1.2电力二极管1.3晶闸管1.4可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6电力场效应晶体管1.7绝缘栅双极型晶体管1.8其它新型电力电子器件1.9电力电子器件的驱动与保护,教学目标,通过本章学习之后，你将,了解电力电子技术的各种器件;,能够简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题；,掌握各种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的一些问题,它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。,图1.1电力电子器件的理想开关模型,基本模型,1.基本模型与特性,1.1电力电子器件的基本模型,基本特性,（3）在工作中器件的功率损耗很大。在其工作时一般都要安装散热器。,（2）电力电子器件的开关状态由驱动电路控制。,（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。,2.电力电子器件的种类,按器件的开关控制特性可以分为以下三类,①不可控器件如电力二极管；②半控型器件如晶闸管及其大部分派生器件；③全控型器件如门极可关断晶闸管、功率场效应管绝缘栅双极型晶体管等。,电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种,①电流控制型器件如晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；,②电压控制半导体器件如代表性器件为MOSFET和IGBT。,,返回,1.电力二极管及其工作原理,电力二极管（PowerDiode）也称为半导体整流器，简称SR,属不可控电力电子器件。在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用,具有不可替代的地位。,1.2电力二极管,PN结与电力二极管工作原理,由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。,,图1.2电力二极管的外形、结构和电气图形符a）结构b）外形c）电气图形,电力二极管的伏安特性曲线,,正向导通,反向击穿,反向截止状态,,返回,图1.3电力二极管伏安特性曲线,2.电力二极管的特性与参数,定义反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。,图1.4电力二极管开关过程中电压、电流波形,电力二极管的开关特性,,正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。,（1）普通二极管普通二极管又称整流管（RectifierDiode），其反向恢复时间在５μs以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管反向恢复时间在５μs以下的称为快恢复二极管（FastRecoveryDiode简称FDR）。（3）肖特基二极管肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200Ｖ以下。,电力二极管的主要类型,（1.2.5）,（1.2.4）,额定电流有效值为,（1）额定正向平均电流IFAV,额定电流平均电流为,电力二极管的主要参数,（2）反向重复峰值电压ＵRRM,指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。,（3）正向压降ＵF,指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压又称管压降。,,返回,1.晶闸管的结构,图1.5晶闸管的外型及符号,1.3晶闸管,常用晶闸管的结构,电力MOSFET,IGBT单管及模块,常用的典型全控型器件,2、晶闸管的工作原理,图1.5晶闸管的内部结构和等效电路,1导通阳极施加正向电压;门极G也加正向电压2）阻断晶闸管A、K间只有很小的正向漏电流,晶闸管单向导电性,导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流。,动画,3.晶闸管的特性与主要参数,定义晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。,图1.6晶闸管阳极伏安特性,晶闸管的伏安特性,1.7晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的开关特性,正向重复峰值电压UDRM反向重复峰值电压URRM晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值,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2～3倍。,（1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压Ute,晶闸管的主要参数,（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流ITAV,在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。,定义在环境温度为40℃和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。,ITAV计算方法,（1.3.3）,（1.3.4）,根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。,额定电流有效值为,额定电流平均电流为,正弦半波电流的峰值,（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT,在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。,（4）通态平均电压UTAV,在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压又称管压降,（5）维持电流ＩＨ和掣住电流ＩL,维持电流ＩＨ在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH。掣住电流ＩL给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。,,返回,可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管FastSwitchingThyristor，简称FST，开关频率在10KHZ以上的称为高频晶闸管。快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。,快速晶闸管FastSwitchingThyristorFST）,4.晶闸管的派生器件,图1.8双向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,双向晶闸管TRIAC,有两个主电极T1和T2，一个门极G。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。,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。,光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。,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。,,返回,逆导晶闸管RTC,光控晶闸管LTT,1.4可关断晶闸管,可关断晶闸管Gate-Turn-OffThyristor简称GTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。,PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。,图1.9GTO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,1.可关断晶闸管的结构,GTO的导通机理与SCR是相同的。在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流即抽取饱和导通时储存的大量载流子，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。,2.可关断晶闸管的工作原理,3.可关断晶闸管的应用,GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。,不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联。,用门极正脉冲可使GTO开通，用门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的１/５左右。GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。,图1.10可关断晶闸管的开关特性,,返回,4.可关断晶闸管的特性,1.5电力晶体管,电力晶体管（GiantTransistorGTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistorBJT），英文有时候也称为PowerBJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,深饱和区类似于开关的通态。,图1.11共发射极接法时GTR的输出特性,1.GTR共射电路输出特性,输出特性截止区又叫阻断区、线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。,截止区类似于开关的断态；,线性放大区,准饱和区,,返回,,1.6电力场效应晶体管,1.电力场效应管的结构,图1.12N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号,,返回,1.7绝缘栅双极型晶体管,IGBT绝缘栅双极型晶体管InsulatedGateBipolarTransistor。兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。,图1.13IGBT的伏安特性和转移特性,1.IGBT的伏安特性和转移特性,,返回,反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流Ic的关系。IGBT的伏安特性分为截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。,1.静电感应晶体管（SIT）,它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；广泛用于高频感应加热设备例如200kHz、200kW的高频感应加热电源。并适用于高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。,,返回,1.8其它新型电力电子器件,2.静电感应晶闸管（SITH）,它自1972年开始研制并生产；优点与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小及耐量高等；应用应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域；缺点SITH制造工艺复杂，成本高。,,返回,3.MOS控制晶闸管（MCT）,MCT自20世纪80年代末问世，已生产出300A/2000V、1000A/1000V的器件；结构是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET；特点耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高。,,返回,4.MOS控制晶闸管（IGCT/GCT）,20世纪90年代后期出现。结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；,IGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优选功率器件之一。,,返回,5.功率模块与功率集成电路,20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuitPIC）。,,返回,1.电力电子器件的换流方式,定义电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或相）。,1.9电力电子器件的驱动与保护,一般来说，换流方式可分为以下四种（1）器件换流（2）电网换流（3）负载换流（4）脉冲换流,作用产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。图1.14为基于脉冲变压器PT和三极管放大器的驱动电路。,图1.14带隔离变压器的SCR驱动电路,晶闸管SCR触发驱动电路,2.驱动电路,图1.15光耦隔离的SCR驱动电路。工作原理当控制系统发出驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中R上的电压产生脉冲电流触发SCR导通。,图1.15光耦隔离的SCR驱动电路,作用将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。功能提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断期望的基极驱动电流波形如图1.9.7所示。实现主电路与控制电路的隔离。具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。,3．GTR的驱动电路,图1.16双电源驱动电路,图1.17UAA4002组成的GTR驱动电路,由于IGBT的输入特性几乎和VDMOS相同阻抗高，呈容性所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于VDMOS。,图1.17采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路,图1.18推挽输出的栅极驱动电路,4．MOSFET和IGBT的驱动电路,5.保护电路,电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。,措施通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。,图1.19电力电子系统中常用的过流保护方案,过电流保护（过流包括过载和短路）,,过电压外因过电压和内因过电压。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。电力电子系统中常用的过电压保护方案。,过电压保护,图1.20电力电子系统中常用的过压保护方案,作用防止器件串联使用时电压、并联使用时电流分配不均匀，使其电压、电流超过器件的极限损坏器件。,6．开关器件串联、并联使用时的均压、均流,,7.缓冲电路,原因电力电子器件工作状态有开通、通态、关断、断态四种工作状态，其中断态时承受高电压，通态时承载大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、过流、过大的电压变化率、电流变化率以及过大的瞬时功率。缓冲电路作用防止高电压和大电流可能使器件工作点超出安全工作区而损坏器件。原理关断缓冲电路吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制电压变化率,减小关断损耗；开通缓冲电路抑制器件开通时的电流过冲和电流变化率,减小器件的开通损耗。,本章小结,主要内容全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。电力电子器件类型归纳单极型电力MOSFET和SIT双极型电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型IGBT和MCT,电压驱动型单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH特点输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型双极型器件中除SITH外特点具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。,习题及思考题,1.晶闸管导通的条件是什么导通后流过晶闸管的电流怎样确定负载电压是什么2.如何用万用表判别晶闸管元件的好坏3.某一电阻性负载，需要直流电压120V，电流30A。今采用单相全控桥式整流电路，直接由220V电网供电。试计算晶闸管的导通角、电流有效值。4.什么叫GTR的一次击穿和二次击穿5.怎样确定GTR的安全工作区SOA6.GTR对基极驱动电路的要求是什么,7.在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路8.与GTR相比，功率MOS管有何优、缺点9.试简述功率场效应管IGBT在应用中的注意事项。10.与GTR相比，IGBT管有何特点11.下表给出了1200V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电阻推荐值。试说明为什么随着电流容量的增大，栅极电阻值相应减小,