电力电子技术课件 第2章(21-23)1.ppt

2.1概述2.2电力二极管2.3晶闸管及派生器件2.4电力双极型晶体管2.5电力场效应晶体管PowerMOSFET2.6绝缘栅双极型晶体管IGBT2.7其他新型电力电子器件2.8电力电子器件的缓冲电路和串并联,第二章电力电子器件与应用,本章主要介绍常用电力电子器件的结构、工作原理、主要参数，重点介绍基本特性及其驱动和保护电路。,2.1概述,电力电子器件在电力电子技术中作为开关元件使用，要求它具有开关速度快、承受电流和电压能力大和开关损耗小等特点。理想的电力电子器件断态时能承受高电压且漏电流很小，通态时能通过大电流且压降非常低，通断转换时间短。,2.1概述,电力电子器件种类很多。根据电力电子器件被控制信号所控制的程度，电力电子器件分为三种。不控型器件电力二极管半控型器件普通晶闸管SCR及其派生系列（门极可关断晶闸管GTO除外）。全控型器件GTO、电力晶体管GTR、功率场效应管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等。还有一些新型电力电子器件，如功率集成模块PIC、智能功率模块IPM等。,2.2电力二极管,2.2.1电力二极管的结构电力二极管的基本结构和原理与信息电子电路中的二极管一样，都是具有一个PN结的两端器件。不同的是电力二极管的PN结面积较大。,PN结的电容效应PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。,外形,结构,电气图形符号,2.2电力二极管,电力二极管的外形、结构和电气图形符号,2.2电力二极管,2.2.2电力二极管的基本特性静态特性、动态特性⒈静态特性电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，即器件端电压与电流的关系。,门槛电压UTO,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。,当二极管承受反向电压时只有微小的漏电流。,⒉动态特性因结电容的存在，电力二极管在零偏转、正向偏转和反向偏转这三个状态之间转换时，必然经过一个过渡过程，其电压、电流随时间变化的特性称为电力二极管的动态特性。,正向偏置转换为反向偏置,零偏置转换为正向偏置,2.2电力二极管,t2时刻电流变化率接近零，恢复对反向阻断能力,正向偏置转换为反向偏置,2.2电力二极管,反向恢复时间trrtdtftd延迟时间，tf电流下降时间,关断过程,tF时刻突然外加反向电压t0时刻电流下降为零。此时不能恢复反向阻断能力。t1时刻反向电流达最大值。此后反向电流迅速下降，随后出现反向过冲电压URP,开通过程电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。,2.2电力二极管,零偏置转换为正向偏置,2.2.3电力二极管的主要参数1．正向平均电流IF（额定电流）指在规定40℃的环境温度和标准散热条件下，元件结温达到额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。在选择电力二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF的有效值为1.57IF。2．正向电压降UF电力二极管在规定温度和散热条件下，流过某一指定的正向稳态电流时，电力二极管的最大电压降。,2.2电力二极管,2.2电力二极管,3．反向重复峰值电压URRM（额定电压）电力二极管在指定温度下，所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是反向不重复峰值电压URSM的2/3。使用时，一般按照两倍的URRM来选择电力二极管。,4．反向漏电流IRR对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流，也称为反向重复平均电流IRR。另外，还有最高结温、反向恢复时间等参数。,2.2.4电力二极管的主要类型电力二极管用途在AC/DC变换电路中作为整流元件在电感元件电路中作为续流元件在各种变流电路中作为隔离、篏位或保护元件。1．普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高,2.2电力二极管,2．快速恢复二极管反向恢复时间很短，一般在5μs以下简称快速二极管快恢复外延二极管其trr更短（可低于50ns）UF也很低（0.9V左右）其反向耐压多在1200V以下,2.2电力二极管,3．肖特基二极管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。电压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。,2.2电力二极管,2.3晶闸管及派生器件,晶闸管晶体闸流管，又称为可控硅（SiliconControlledRectifierSCR）能承受的电压和电流容量高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。,2.3.1晶闸管的结构和工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的门极驱动电路2.3.5晶闸管的保护2.3.6晶闸管的派生器件,晶闸管是一种四层三个PN结，三端大功率电力电子器件。外形、结构、电气符号如图所示。,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,图2.4晶闸管的外形、结构和电气图形符号a外形b结构c电气图形符号,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,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,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,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,门极不加电压时，AK之间加正向电压J1和J3结承受正向电压，J2结承受反向电压，因而晶闸管不导通，称为晶闸管的正向阻断状态，也成关断状态。当AK之间加反向电压时，J2结承受正向电压，J1、J3结承受反向电压，晶闸管也不导通，称为反向阻断状态。结论当晶闸管门极不加电压时，无论AK之间所加电压极性如何，在正常情况下晶闸管都不会导通。,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,其他几种可能导通的情况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。光触发晶闸管，称为光控晶闸管。（LightTriggeredThyristorLTT）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。,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,为了说明晶闸管的工作原理，可将晶闸管的四层结构等效为两个晶体管，如图⒉5所示。,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,图2.5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,当AK间也加正向电压，GK间加正向电压时，电流IG流入晶体管V2的基极，产生集电极电流IC2，它构成晶体管V1的基极电流，放大了的集电极电流IC1，进一步增大V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，使V1、V2进入饱和导通状态，即晶闸管导通状态,此时，若去掉外加的门极电流IG，晶闸管因内部的正反馈会仍然维持导通状态。（故称为半控型器件）,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,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,按晶体管的工作原理，得,（2-5）,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,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。阻断状态IG0时，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。开通状态门极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，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,（2-5）,晶闸管正常工作时的特性总结如下1．导通条件阳极和门极同时承受正向电压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可。2．门极作用晶闸管一旦导通后，门极将失去控制作用，故门极控制电压只要是一个有一定宽度的正向脉冲电压即可，这个脉冲称为触发脉冲。3．关断条件要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一个数值以下。（这可通过增加负载电阻降低阳极电流接近于零。另外，也可以通过施加反向阳极电压来实现。）,2.3.1晶闸管的结构和工作原理,1静态特性静态特性又称为伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。包括阳极伏安特性和门极伏安特性。,1晶闸管的阳极伏安特性1正向特性2反向特性,2.3.2晶闸管的基本特性,2.3.2晶闸管的基本特性,1正向特性IG0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压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。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。,2.3.2晶闸管的基本特性,反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。,2）反向特性,2晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在一个PN结J3，门极伏安特性是指这个PN结上正向门极电压UG与门极电流IG间的关系。,2.3.2晶闸管的基本特性,2晶闸管的动态特性器件上电压、电流随时间变化的关系，称为动态特性。,开通过程延迟时间td0.51.5s上升时间tr0.53s开通时间tgt,2.3.2晶闸管的基本特性,图2.8晶闸管的动态特性图,2晶闸管的动态特性器件上电压、电流随时间变化的关系，称为动态特性。,关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq,2.3.2晶闸管的基本特性,图2.8晶闸管的动态特性图,几百微秒,1晶闸管的电压参数6个1断态不重复峰值电压UDSM,门极开路时，施加于晶闸管的阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧转折处所对应的电压值UDSM。,它是一个不能重复，且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。UDSM值应小于转折电压Ub0。,2.3.3晶闸管的主要参数,晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。每秒50次每次持续时间不大于10ms，规定UDRM为UDSM的90。,2断态重复峰值电压UDRM,2.3.3晶闸管的主要参数,它是一个不能重复施加且持续时间不大于10ms的反向脉冲电压。反向不重复峰值电压URSM应小于反向击穿电压。,门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折处的反向峰值电压值URSM。,3反向不重复峰值电压URSM,2.3.3晶闸管的主要参数,4反向重复峰值电压URRM,2.3.3晶闸管的主要参数,晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。每秒50次每次持续时间不大于10ms。规定URRM为URSM的90。,断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM两者中较小的一个电压值规定为额定电压UR。在选用晶闸管时，应该使其额定电压为正常工作电压峰值UM的23倍，以作为安全裕量。,5额定电压UR,2.3.3晶闸管的主要参数,规定为额定电流时的管子导通的管压降峰值。一般为1.52.5V，且随阳极电流的增加而略为增加。额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。,6通态峰值电压UTM,2.3.3晶闸管的主要参数,2晶闸管的电流参数（4个）1通态平均电流ITAV）在环境温度为40℃和规定的散热冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170电阻性负载的单相、工频正弦半波导电，结温稳定在额定值125时，所允许通过的最大电流平均值。允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。选用一个晶闸管时，要根据所通过的具体电流波形来计算出容许使用的电流有效值，该值要小于晶闸管额定电流对应的有效值。晶闸管才不会损坏。,2.3.3晶闸管的主要参数,设单相工频正弦半波电流峰值为Im时通态平均电流为正弦半波电流有效值为有效值与通态平均电流比值为,则有效值为,2.3.3晶闸管的主要参数,2晶闸管的电流参数（4个）1通态平均电流ITAV）,根据有效值相等原则来计算晶闸管的额定电流。若电路中实际流过晶闸管的电流有效值为I，平均值Id，定义波形系数则由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此在实际选择时，一般取1.52倍的安全系数，,2.3.3晶闸管的主要参数,2晶闸管的电流参数（4个）1通态平均电流ITAV）,例在半波整流电路中晶闸管从π/3时刻开始导通。负载电流平均值为40A，若取安全系数为2。试选取晶闸管额定电流解负载电流平均值,单相半波可控整流电路及波形,流过晶闸管电流有效值,2.3.3晶闸管的主要参数,,,根据有效值相等原则并考虑安全系数2.0,晶闸管额定电流,可选取额定电流为150或100A晶闸管,2.3.3晶闸管的主要参数,例在半波整流电路中晶闸管从π/3时刻开始导通。负载电流平均值为40A，若取安全系数为2。试选取晶闸管额定电流,2晶闸管的电流参数（4个）2维持电流IH针对关断过程是指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。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。3擎住电流IL针对开通过程晶闸管刚从阻断状态转化为导通状态并除掉门极触发信号，此时能维持器件导通所需的最小电流称为擎住电流。一般擎住电流比维持电流大24倍。4浪涌电流ITSM在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。（分L，H级）,2.3.3晶闸管的主要参数,3其他参数1断态电压临界上升率du/dt电压上升率过大，就会使晶闸管误导通。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。2通态电流临界上升率di/dt如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。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。,2.3.3晶闸管的主要参数,3门极触发电流IGT和门极触发电压UGT在室温下，晶闸管阳极施加6V正向电压时，使元件从断态到完全开通所必需的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。与此对应的门极电压，称为门极触发电压UGT。,触发电流、电压受环境和器件工作温度影响。温度高时IGT、UGT会明显降低，温度低时IGT、UGT也会有所增加。,为了保证对同类晶闸管都能正常触发，要求触发电路提供的触发电流、触发电压值略大于标准规定的IGT、UGT,2.3.3晶闸管的主要参数,1对晶闸管门极触发脉冲的要求晶闸管在不同的场合，对门极脉冲的要求也不完全相同。如，大功率应用比小功率应用要求严格，器件串并联应用比单器件应用更要严格。,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,图2.10常见的触发信号波形,门极驱动电路应满足以下要求1触发信号的形式可以是交流、直流或脉冲形式。由于晶闸管导通后，门极控制信号就失去控制作用，为减少门极的损耗，一般采用脉冲形式。2触发脉冲应有足够大的功率晶闸管的门极特性较分散，并且特性随温度变化而变化，触发电压和电流应大于晶闸管的门极触发电压和电流。因此触发信号的功率要留有一定的富裕度。但是，触发信号也不能超过门极的有关极限参数。,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,3触发脉冲的宽度宽度应保证晶闸管阳极电流在触发信号消失前能达到擎住电流，使晶闸管能维持导通，这一脉宽是最小允许宽度。脉冲宽度和变流装置及主电路的形式有关。单相整流，电阻性负载电路，要求脉宽大于10μs；电感性，大于100μs。三相全控桥式电路，采用单脉冲触发时，脉宽为60120；采用双脉冲触发时，脉宽为10左右。4触发脉冲前沿幅值及其上升率为了加速器件开通过程，提高器件电流上升率的承受能力，应使触发脉冲前沿有足够大幅值和上升率。,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,5触发脉冲的移相范围与主电路的形式、负载性质和变流装置的用途有关。单相全控桥式整流电阻负载，移相范围为0180；大电感时为090。三相半波整流电路电阻负载时为0150；大电感负载整流时为090。6触发脉冲与主电路电源电压同步可控整流、有源逆变及交流调压的触发电路中，为了使每一周期在相同的相位上触发，触发脉冲与装置主电路的电源电压保持固定的相位关系。称为同步。否则负载上的电压会大小不稳，甚至使主电路不能正常工作。,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,7触发脉冲输出隔离和抗干扰触发电路通常是低电压部分而主电路是高电压部分，为了防止高电压窜入低压触发电路，造成触发电路损坏，必须将触发电路与主电路进行隔离。一般采用光电耦合器的光隔离或脉冲变压器的电磁隔离方法。若有干扰侵入触发电路，使变流装置工作失常甚至造成损坏。引起触发电路误动作的主要原因之一是附近的继电器或接触器引起的干扰。常用的抗干扰措施为脉冲变压器采用静电屏蔽，串联二极管、并联电容等。,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,2门极驱动电路的分类实际应用的晶闸管门极驱动电路很多。按照不同情况，有不同的分类法，归纳起来见表⒉1。,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,3门极驱动电路举例1单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路，采用同步振荡电路解决与主电源的同步问题。单相桥式半控整流电路的单结晶体管触发电路如图所示。,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,图2.11单结晶体管触发电路,2强触发电路为了确保器件能够快速、可靠开通并降低门极损耗，通常采用强触发电路。组成强触发电源50V脉冲放大V1、V2脉冲变压器TP输出部分VD3、VD4,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,3集成触发电路集成触发电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。它逐步取代分立元件电路。目前国内常用的有KJ和KC系列。1）KJ004为DIP16引脚的SCR集成触发电路。2）KJ006为DIP16引脚的双向SCR集成触发电路。3）KC188为DIP18引脚的数字式移相集成触发电路。4数字触发电路数字触发器通常是以单片机为核心构成。,2.3.4晶闸管的门极驱动电路,过电压保护、过电流保护1过电压的产生及过电压保护1过电压的产生原因过电压的产生原因有外部和内部两种。外部过电压操作过电压和雷击过电压。内部过电压换相过电压和关断过电压。,2.3.5晶闸管的保护,图2.14过电压保护措施及配置位置,2过电压保护措施采用器件限压和RC阻容吸收等方法。过电压保护的措施及配置位置如图所示。,,,,,,,,,2.3.5晶闸管的保护,2.3.5晶闸管的保护,图2.15RC过电压抑制电路连接方式,2过电流保护过电流有过载和短路两种。电力电子器件过载能力较差。通常采用快速熔断器、直流快速断路器、过流继电器实现。,2.3.5晶闸管的保护,图2.16过电流保护措施及配置位置,1快速晶闸管FST（FastSwitchingThyristor）,2.3.6晶闸管的派生器件,有快速晶闸管和高频晶闸管。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10s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，不能忽略其开关损耗的发热效应。,2逆导晶闸管RCTReverseConductingThyristor是将晶闸管反并联一个二极管集成在一个管芯上的集成器件。,适用于有能量反馈的逆变器和斩波器电路中。简化了接线，消除了大功率二极管的配线电感，使晶闸管承受反压时间增加，有利于快速换流，从而可提高装置的工作频率。,2.3.6晶闸管的派生器件,3双向晶闸管TRIAC,2.3.6晶闸管的派生器件,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。用有效值来表示其额定电流值。而不是用平均电流值。）,图2.18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,4光控晶闸管LTT（LightTriggeredThyristor）,2.3.6晶闸管的派生器件,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。,图2.19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,5门极可关断晶闸管Gate-Turn-OffThyristorGTO,2.3.6晶闸管的派生器件,晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合有较多的应用。,1．GTO的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。,2.3.6晶闸管的派生器件,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,2．GTO的工作原理GTO的等效模型和等效电路如图2.21所示。导通过程与普通晶闸管的正反馈过程相同。GTO需要关断时，在门极加反向触发信号，普通晶闸管之所以不能自关断，是因为不能从远离门极的阴极的区域内抽出足够大的门极电流。,2.3.6晶闸管的派生器件,3.GTO的静态特性（阳极伏安特性与普通晶闸管相似）门极伏安特性则有很大区别。,2.3.6晶闸管的派生器件,图2.22GTO的门极伏安特性,开通过程,逐渐增加门极正向电压，门极电流随着增加，如曲线①段。,当门极电流增大到开通门极电流IGF时，因阳极电流的出现，门极电压突增，特性由曲线①段跳到曲线②段，管子导通。,当导通时门极电压跳变大小与阳极电流大小有关，电流越大，电压增幅越大。,当门极反向电流达到一定值时，晶闸管关断。在关断点上，门极特性再次发生由曲线③段到④段的跃变。此时门极电压增加，门极电流下降。,在完全阻断时，门极工作在反向特性曲线④上。GTO的阳极电流越大，关断时所需门极的触发脉冲电流越大。,关断过程,2.3.6晶闸管的派生器件,图2.22GTO的门极伏安特性,3.GTO的静态特性,4．GTO的动态特性,开通时间延迟时间td和上升时间tr,关断时间储存时间tS阶段下降时间tf阶段尾部时间tt阶段,2.3.6晶闸管的派生器件,5．GTO的主要参数GTO的许多参数与普通晶闸管对应的参数意义相同。不同的参数有。1）最大可关断阳极电流IATO是表示GTO额定电流大小的参数。与普通晶闸管是不同的。2）电流关断增益βoff是指最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。,2.3.6晶闸管的派生器件,β0ff一般很小，数值为35，这是它的主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。,