第2章 电力电子器件

第 2章 电力电子器件(学时： 12）晶闸管的特性参数及保护门极关断晶闸管的特性参数功率晶体管的特性参数及驱动电路MOS器件的特性参数及保护绝缘栅双极型晶体管 IGBT的特性参数、驱动电路及其保护集成门极换流晶闸管和功率集成电路简介本章要点掌握晶闸管的结构、工作原理及测试方法；了解各种常用电力电子器件的原理及应用特点；了解智能电力模块及其应用。内容提要与学习要求 教学重点： 门极的伏安特性 门极关断晶闸管的特点和参数 IGCT的关键技术 大功率晶体管的特点和参数 基极驱动电路 教学难点： 1门极的伏安特性 2门极关断晶闸管的一般判断方法讲授要点： 3集成化驱动电路导入：交流变频技术得以广泛普及和推广，主要得益于哪三项技术、理论的发展？ 一、电力电子技术飞速发展，使大功率、高性能电力电子器件层出不穷，为变頻技术提供坚实的 “硬件 ”支持。 二、先进的变频技术理论不断创新，引导交流变频技术健康发展。 三、不断发展的全数字微机控制技术，使变频器缩小了体积，降低了成本，提高了效率，增强了功能。知识回顾变频技术主要类型有以下几种： （ 1）交 直变频技术（即整流技术）（ 2）直 直变频技术（即斩波技术）（ 3）直 交变频技术 （ 4）交 交变频技术（即移相技术） 变频器的种类v按 直流电源的性质分类电流型变压器电压型变压器v按 输出电压调节方式分PAM方式PWM方式调 载波频率的 PWM方式v按 控制方式分类U/f控制转差 频率控制矢量控制v按主 开关器件分类： 如以 IGBT、 BJT、 GTO和 SCR分类国内流行的几种品牌：松下变频器、富士变频器、欧姆龙变频器、西门子变频器、霍尼威尔变频器等变频器的基本构成变频器的基本构成如图 2-7所示，由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，如上图所示导入新课 从复习可知，直流电机结构复杂但调速效果好，而交流电机结构简单但调速效果一般，随着大功率可控整流器件的出现使得交流调速进入了实际应用的阶段。 电力电子器件的发展 1 随着 电力电子 、计算机技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为发展趋势。变频调速以其优异的调速和启、制动性能被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。变频技术是交流调速的核心技术， 电力电子 和计算机技术又是变频技术的核心 ，而 电力电子 器件是电力电子技术的基础。 电力电子 技术是近几年迅速发展的一种 高新技术，广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域，现已成为各国竞相发展的一种高新技术。专家预言，在 2l世纪高度发展的自动控制领域内，计算机技术与 电力电子 技术是两项最重要的技术。 上世纪 50年代末品闸管在美国问世，标志着电力电子技术就此诞生。第一代电力电子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我国 70 年代将其列为节能技术在全国推广。然而， SCR毕竟是一种只能控制其导通而不能控制关断的半控型开关器件，在交流传动和变频电源的应用中受到限制。 70年代以后陆续发明的功率晶体管 (GTR)、门极可关断晶闸管 (GTO)、功率 MOS场效应管 (P0wer MOSFET)、绝缘栅晶体管 (IGBT)、静电感应晶体管 (SIT)和静电感应晶闸管 (SITH) 等，它们的共同特点是既控制其导通，又能控制其关断，是全控型开关器件，由于不需要换流电路，故体积、重量较之 SCR有大幅度下降。当前， IGBT以其优异的特性已成为主流器件，容量大的 GTO也有一定地位。 电力电子器件的发展 2 许多国家都在努力开发大容量器件，国外已生产6000V的 IGBT。 ISGT(injection enhanced gate thyristor)是一种将 IGBT和 GT0 的优点结合起来的新型器件，已有 1000A 4500V 的样品问世。IGCT(integrated gate eommutated thyristo r)在GT0 基础上采用缓冲层和透明发射极，它开通时相当于晶闸管，关断时相当干 晶体管，从而有效地协调了通态电压和阻断电压的矛盾，工作频率可达几千赫兹 电力电子器件正沿着大功率化、高频化、集成化的方向发展。 80年代晶闸管的电流容量已达 6000安，阻断电压高达 6万伏。 电力电子器件的发展 3电力电子器件的概念和特征1.概念主电路（ Power Circuit） 在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件（ Power Electronic Device) 直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。2.电力电子器件工作特性 各种电力电子器件均具有 导通 和 阻断二种工作特性 。功率二极管是二端器件（指阴极和阳极二端），其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称 不可控器件 。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称 半控型器件 。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称 全控型器件 。电力电子器件种类电力电子器件的基本类型1.按照电力电子器件的可控程度半控型器件全控型器件通过控制信号可控制其导通而 不 能 控制其关断 晶闸管及其派生器件关 断主电路电流电压通过控制信号即可控制其导通又 能 控制其关断 绝缘栅双极晶体管电力 场 效应晶体管门极可关断晶 闸 管自关断器件门极可关断晶闸管处理兆瓦级大功率电能不能 用 控制信号控制其通断， 不需要 驱动电路 电力二极管不控型器件主电路通 断电流电压只有两个端子2. 按照驱动电路加在 电力电子 器件上驱动信号的性质电流驱动型 电压驱动型控 制端 通 断注 入电 流控制端 电压信号 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 可能成为器件功率损耗的主要因素 。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗电力电子器件的损耗常用电力电子器件介绍 一、晶闸管 (Thyristor)的结构及工作原理二、门极可关断晶闸管（ GTO）三、大功率晶体管（ GTR）四、功率场效应晶体管（ MOSFET）五、绝缘栅双极晶体管（ IGBT）第一节半控型电力电子器件电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键，也是变频技术技术发展的 “龙头 ”。可以说， 电力电子技术起步于 晶闸管 ，普及于 GTR，提高于IGBT。新型电力电子器件的涌现与发展，促进了电力电子电路的结构、控制方式、装置性能的提高。本章从应用的角度出发，对电力电子器件的种类、性能及应用等加以介绍。 2.1 半控型电力电子器件图 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号晶闸管的结构与工作原理 外形有 螺栓型 和 平板型 两种封装。 有三个联接端。 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。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。晶闸管的结构与工作原理 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晶闸管的基本特性 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 。晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管的基本特性（ 1） 正向特性 IG=0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。正向导通雪崩击穿O +UA-UA-IAIAIH IG2 IG1 IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1） 静态特性图 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG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。 图 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O +UA-UA-IAIAIH IG2 IG1 IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（ 2） 反向特性晶闸管的基本特性1) 开通过程 延迟时间 td (0.51.5s) 上升时间 tr (0.53s) 开通时间 tgt以上两者之和， tgt=td+ tr 100%90%10%uAKttO0 td trtrr tgrURRMIRMiA2) 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以上两者之和 tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒2） 动态特性图 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的主要参数 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 。 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。 通态（峰值）电压 UT 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，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。使用注意：1） 电压定额晶闸管的主要参数 通态平均电流 IT(AV） 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 。标称其额定电流的参数。 使用时应按 有效值相等的原则 来选取晶闸管。 维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 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 。 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