第2章电力电子器件

1、第2章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件电力二极管 2.3半控型器件晶闸管 2.4 全控型器件 2.5 功率集成电路 2.6 电力电子器件的保护 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 本章介绍常见典型电力电子器件的结构、器件的结构、 工作原理、主要参数、应用特点工作原理、主要参数、应用特点等内容。 电力电子器件是电力电子技术的核心。 2-1-1 电力电子器件概念特征 2-1-2电力电子器件分类 2-1-3 电力电子器件的主要技术指标 2.1.1 2.1.1 电力电子器件的概念与特征电力电子器件的概念与特征 主电路中元部件要承受较高的电压、通 过较大的电流。

2、 直接用于主电路中实现电能变换或控制 的电子器件称为电力电子器件电力电子器件。 电气设备或电力系统中直接承担电能的变换 或控制任务的电路被称为 主电路主电路。 与信息处理用电子器件相比，电力电子器件的 一般具有如下特征： 2-1-1 2-1-1 电力电子器件的概念与特征电力电子器件的概念与特征 处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级。 电力电子器件能承受电压和电流的能力，是 其最重要的参数。 如晶闸管：12000V/1000A 1) 能处理的电功率较大能处理的电功率较大 2.1.1 2.1.1 电力电子器件的概念与特征电力电子器件的概念与特征 2) 2) 电力电子器件一般工作在开关状态电力电子

3、器件一般工作在开关状态 电力电子器件一般工作在开关状态，以减少器 件自身损耗，提高系统工作可靠性与工作效率。 电力电子器件导通时（通态）阻抗很小导通时（通态）阻抗很小，管压降 接近于零，相当于短路，而电流由外电路决定。 电力电子器件阻断时（断态）阻抗很大阻断时（断态）阻抗很大，电流几 乎为零，相当于断路，而管子两端电压由外电路 决定。 2.1.1 电力电子器件的概念与特征 信息电子电路给出开关状态切换的控制信息决定电 力电子器件何时开通、何时关断 3) 3) 电力电子器件常采用信息电子电路进行控制电力电子器件常采用信息电子电路进行控制 4) 4) 对电力电子器件通常采取一定保护措施对电力电子器

4、件通常采取一定保护措施 电力电子器件通常价格昂贵，同时电力电子器 件直接用于处理电能的主电路中，器件的损坏 将导致整个电气设备或系统工作崩溃，从而会 造成严重损失，因此，要采取一定措施保证电 力电子器件可靠工作。 2.1.1 2.1.1 电力电子器件的概念与特征电力电子器件的概念与特征 电力电子器件的应用系统通常包括： 以电力电子器件为核心的主电路 对主电路状态进行检测的检测电路 确定电力电子器件开关控制信息的控制电路 电力电子器件的驱动电路 电力电子器件的保护电路 2.1.2 电力电子器件的分类 根据器件开关 控制能力分类 根据器件参与 导电的载流子 类型分类 根据器件制 造材料分类 不可控

5、器件二极管 半控型器件晶闸管 全控型器件如IGBT 单极型如MOSFET 双极型如GTR 复合型如IGBT 硅半导体器件,目前使用 碳化硅器件 2.1.3 电力电子器件的主要技术指标 主要关注电气容量、开关特性、控 制特性、热特性等指标。 电气容量指标:额定电压、额定电流等 开关特性主要描述器件从导通到关断 或从关断到导通时器件的电压、电流 随时间变化的特性。如开通时间、关 断时间等 2.1.3 电力电子器件的主要技术指标 控制特性指标描述可控器件开通与关断条 件及其对控制信号的要求。如驱动电压、 驱动电流等指标。 热特性主要描述器件损耗导致器件温升的 特性。如最高结温、热阻等指标。 要使器件

6、能在电路系统中可靠工作， 器件的应用状况必须符合器件技术 指标所限定的条件。 2.2 不可控器件电力二极管 1二极管是由一个PN结组成的半导体元件 2二极管的基本特性：单向导电性 3电力二极管的容量很大 4分为普通整流二极管，快速二极管等类 2.2.2 电力二极管的主要特性 1 静态特性 稳态时阳极电流与其阳极阴极间电压的关系. UB：雪崩击穿电压 UTO：门槛电压，UFUTO时二 极管导通 额定运行时 UF*IF决定通态 损耗 2.2.2 电力二极管的主要特性 2 动态特性-开通特性 反映器件在通态、断态之 间转换过程中电流、电压 随时间变化的特性，通常 也称为开关特性 二极管承受正向电压时

7、, 电流经过一定时间才能 达到稳态值,这个时间tfr 就是正向恢复时间,或 称开通时间。 2.2.2 电力二极管的主要特性 2 动态特性-关断特性 2.2.2 电力二极管的主要特性 2 动态特性-关断特性 2-2-3 2-2-3 二极管的主要参数二极管的主要参数 1) 正向平均电流正向平均电流IF（ （AV） 指在规定的散热条件与管壳温度下，二极管长 期运行所容许流过的最大工频正弦半波电流的 平均值。这也是标称器件额定电流的参数。 2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM URRM通常规定为雪崩击穿电压的2/3。应用中 所选二极管的反向重复峰值电压应为该二极管 实际承受的反向电压峰值的2

8、3倍。 2-2-3 2-2-3 二极管的主要参数二极管的主要参数 3) 正向压降UF 4) 反向恢复时间trr 一般称反向恢复时间在5微秒以上的二极管为普 通二极管，反向恢复时间在5微秒以下的二极管 为快恢复二极管。普通二极管多用于开关频率在 1kHz以下的整流电路中。在高频开关电路中，通 常选择二极管的trr为其开关周期的百分之一以下。 5) 最高工作结温最高工作结温Tjmax 在规定电流和散热条件下，PN结不致损坏条件 下所能承受的最高平均温度 2.32.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 晶闸管Thyrister 曾被称为可控硅整流器或可控硅 Silicon Controlled Rec

9、tifier .1957年被发明,三端四层半控型器件 .工作频率较低 .能承受的电压、电流在可控器件中最大 .通常采用相控技术进行控制 .大量应用于交流变直流的整流电路中 2.3.1 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 1) 晶闸管结构 2.3.1 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2) 晶闸管的工作原理 （1）反向阻断特性 （2）不加门极电压时正向阻断特性 此时PN结J1总是处于反偏 状态，因而晶闸管处于关 断状态 此时PN结J2 处于反偏状态，晶闸管仍处 于关断状态 （3）导通工作状态 2 晶闸管的工作原理 晶闸管处于阻断状态且 时，在门极加上

10、驱动电流 则： 0 AK u G i 正反馈过程将使晶体管进入饱和导通状态，晶闸 管导通，最后阳极电流由外部限流电阻决定。 从阻断到导通过程: （3）导通工作状态 2 晶闸管的工作原理 导通的维持: 晶闸管导通后，即使移 掉门极触发信号，此时 IC1大于触发所需电流值， 因此晶闸管会保持导通 状态不变。 导通条件:1 UAK0 2 给门极加触发脉冲 （4）关断条件 2 晶闸管的工作原理 1 给阳极加反压 此时PN结J1总是处 于反偏状态，晶闸 管关断 2 降低阳极电流，使晶闸 管内等效双晶体管进入阳极 电流减小的正反馈过程，最 终使阳极电流为零而关断 2.3.2 晶闸管的基本特性 1) 晶闸管

11、的伏安特性 伏安特性-阳极阴极间的电压和阳极电流间的关系 正向转折电压正向转折电压IG =0 对应的最大正向阻断电压 擎住电流擎住电流- - -由阻断态变 为导通态且维持导通的 最小阳极电流 维持电流维持电流-维持晶闸管 导通的最小电流 2.3.2 晶闸管的基本特性 1. 晶闸管的伏安特性 伏安特性-阳极阴极间的电压和阳极电流间的关系 反向击穿电压反向击穿电压-使晶闸 管由反向阻断状态变为 反向击穿的最小电压 晶闸管处于反向阻断/ 正向阻断时阳极漏电流 很小,相当于开路 2.3.2 晶闸管的基本特性 2) 晶闸管的动态特性 -开通和关断过程中 阳极电流、阳极与阴 极间电压及晶闸管的 损耗随时间

12、变化的特 性 2.3.2 晶闸管的基本特性 2) 晶闸管的动态特性 开通时间 ton = t d + tr 导通延时td tr 上升时间 trr反向阻断恢复时间 关断时间 toff=trr+tgr tgr 正向阻断恢复时间 2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管的参数很多，这里主要介绍阳极电 压和电流参数、动态参数、门极参数、温 度特性参数等. 1) 晶闸管阳极电压和电流参数 规定断态重复峰值电压为断态不重复峰值 电压（ ）的90%，而断态不重复峰值 电压的值应低于正向转折电压 ，所留 裕量由生产厂家自定。 DSM U FBO U 正向(断态)重复峰值电压 DRM U 2.3.3 晶闸管的主要参

13、数 1) 晶闸管阳极电压和电流参数 规定反向重复峰值电压为反向不重复峰值 电压（ ）的90%，而反向不重复峰值 电压的值应低于反向击穿电压 ，所留 裕量由生产厂家自定。 RSM U RBD U 反向重复峰值电压 RRM U 通常把 和 中的较小值标作 器件的额定电压 DRM U RRM U 选用器件时，应使器件的额定电压为 正常工作电压峰值的23倍。 1晶闸管阳极电压和电流参数 通态平均电流 )( AVT I ? 是在环境温度为+40度和规定的冷却条 件下，带电阻性负载时通过工频正弦半波工频正弦半波电 流，稳定结温不超过额定值时的最大平均电 流值。 按我国相关标准，取该参数的整数值标 作器件的

14、额定电流。 )( AVT I 晶闸管的额定电流是以平均电流方式定义的， 但从发热方面来看，决定管子结温的是电流 有效值而不是电流平均值，因此在应用中应 按电流有效值相等的原则选择晶闸管电流有效值相等的原则选择晶闸管。 1) 晶闸管阳极电压和电流参数 通态平均电流 )( AVT I avav M M M Mav III I tdtIKI I I ttdII 57. 1 2 2 )sin( 2 1 : sin 2 1 0 2 0 从而有 与峰值关系为相应的有效值 正弦半波电流平均值与有效值的关系 在实际选用晶闸管时，还应留有 一定的余量。通常选择额定电流 为正常工作值1.52倍的晶闸管。 1) 晶

15、闸管阳极电压和电流参数 通态平均电流 )( AVT I 电流有效值相等的原则选择晶闸管电流有效值相等的原则选择晶闸管 额定电流为 时，容许通过的电流有 效值为 。另一方面，电路设计有 效值为 时，应选择额定电流为 )(AVT I )( 2 AVT I I 2 I 示例 AI AI AI IdtI T I M T M 1001001,1 7.57100 3 1 ,3/1 3.33100 9 1 ,9/1 )( 1 3 2 1 0 2 时 时 时 先计算实际有效值: ;150,1212 57. 1 ;100,708 .692 57. 1 7 .57 2 57. 1 ;50,4021. 13 .33

16、2 57. 1 3 .33 2 57. 1 3 )( 2 )( 1 )( 的晶闸管选定额为 的晶闸管选定额为 的晶闸管选定额为 AA I I AAA I I AA I I AVT AVT AVT 解: 器件额定电流为 时，其电流有效值为 I= 。 根据有效值相等原则， 并 考虑到 2倍余量，额定电流可选择为： )( AVT I )( 2 AVT I 2 2 I 示例 2. 晶闸管的动态参数 -开通时间 -关断时间 -断态电压临界上升率 -通态电流临界上升率 3. 门极定额参数 -门极触发电流 -门极触发电压 4. 温度特性参数 -额定结温 -结壳热阻 2.3.3 2.3.3 晶闸管的主要参数晶

17、闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的门极触发电路 对门极触发信号的要求是： 1) 门极电流上升率：触发脉冲前沿要陡 2) 门极电流幅值：合理的电流幅值可使 器件导通，脉冲前沿较大的电流幅值 可使器件更快的导通，减少开通损耗 3) 门极脉冲信号宽度：器件导通有一个过 程，需要门极脉冲信号具有一定宽度 4) 门极脉冲信号应不超过门极电压、电流、 功率等最大限定值 5) 触发可靠，抗干扰能力强 2.3.4 晶闸管的门极触发电路 电容C的作用是：在T刚导通 时，C上电压为零，VD全部 加在Tm原边，此后C上电压 上升，Tm原边电压将下降， 这样副边输出一个前沿幅值 较高的脉冲波形。D1、RD的 作用是

18、T关断时释放储存在 Tm中的磁场能量，防止关断 时因脉冲变压器原边电感产 生过高的反电势而击穿晶体 管T。D3的作用是将关断时 脉冲变压器副边产生的负电 压信号短路，防止其损坏晶 闸管门极。 2.3.5 晶闸管的派生器件 1) 双向晶闸管 -通常采用负脉冲触发 -采用电流有效值作为额定电流参数 -多用于交流调压、固态继电器等电路 2) 逆导晶闸管 -逆导晶闸管的正向特性与普通晶闸管相 同，具有开通可控性，而反向特性与二极 管正向导电特性相同。 -用于不需要阻断反向电压的电路 2.3.5 晶闸管的派生器件 2.4 全控型器件 电流控制型电流控制型电流控制型器件从控制极注 入或抽取电流信号来控制器

19、件的开通或关 断. 如可关断晶闸管（GTO）、 集成门极 换流晶闸管（IGCT）。 全控型器件利用控制信号可控制开通与关断 的器件。通常也称为自关断器件。 分类：电流控制型 电压控制型 主要特点是：控制功率较大、控制电路复 杂、工作频率较低。 电压控制型电压控制型通过在控制极建立电场提 供电压信号实施器件的开通与关断控制. 如功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极 晶体管（IGBT） 2.4 全控型器件 主要特点是：控制功率小、控制电路简单、 工作频率较高。 2.4.1可关断晶闸管 1) 可关断晶闸管的结构与工作原理 GTO的结构示意图、等效电路与电气符号 2.4.1可关断晶闸管 -GTO的

20、开通原理和普通晶闸管相同 -GTO能关断的关键是：能从门极抽取电流 改变二个晶体管的工作状态。GTO是从制造 工艺上做到这点的。 GTO能从门 极抽取电流 使双晶体管 进入放大状 态 而关断 2.4.1可关断晶闸管 2.4.1可关断晶闸管 2. 主要参数 最大可关断阳极电流 ATO I 利用门极脉冲可以关断的最大阳极电流. 这是标称GTO额定电流容量的参数. 门极关断电流 GMI 使GTO从通态转为断态所需的门极反向瞬 时峰值电流的最小值. | GM ATO off I I 5 off 通常 10电流关断增益 2.4.2 功率场效应管 场效应管分为结型、绝缘栅型两类。 本节以绝缘栅场效应管绝缘

21、栅场效应管为例介绍场效应管的 工作原理及其主要特性、参数。 绝缘栅型场效应管利用栅极与源极间的电压 来控制漏极与源极间的等效电阻从而控制器 件的开通与关断状态。 1) 功率场效应管的结构与工作原理 垂直导电扩散场效应管结构、电路符号 绝缘 层 1) 功率场效应管的结构与工作原理 -反向导通特性： 漏极源极间的电压 uDS0） VGS0 时，栅源结相当 于一电容，栅极带正电荷， 将在靠近栅极的P内感应产 生电子，即在P区内 形成 一个反型层反型层（P P变到变到N N）。 反型层 反型层作为导电沟道将源极 与漏 极 连接在一起，形成电流通道 N N 单极型器 件？ 注： 撤除栅源电压，反型层消失

22、，DS间恢复阻断状态 1) 功率场效应管的结构与工作原理 使MOSFET导通只需建立栅源间电场, 即给 栅源间结电容充电即可，而给栅源间结电容 放电即可使MOSFET关断 电压控制型器件电压控制型器件 MOSFET栅源间结电容很小，栅源间结电 容冲放电时间很短，因此MOSFET驱动功率 小，开关速度快。 漏源间电流由反型层提供通道，容许通过 电流的能力有限 功率MOSFET主要用于高频、小功率场合。 2) 功率MOSFET的基本特性 MOSFET的基本特性包括静态特性与动态特性。 MOSFET的静态特性指其转移特性与输出特性， 动态特性主要指其开关特性。 1.转移特性 转移特性:一定漏源电压下

23、漏 极电流和栅源电压之间的关系。 开启电压 2) 功率MOSFET的基本特性 2. 输出特性 描述一定栅源电压下，漏极电流与漏源电压的关系 区-非饱和区 区-饱和区， 也称恒流区 区-截止区 IV区-雪崩击穿区 电力电子电路中MOSFET主要工作在非饱 和区、截止区，即工作在开关状态 2) 功率MOSFET的基本特性 3. 动态特性 -反映MOSFET的开关过程 上升延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间 ton=td(on)+tr 下降延迟时间td(off) 下降时间tf 关断时间 toff=td(off)+tf 3) 功率MOSFET的主要参数 主要参数 场效应管能承受的最高工作电压

24、 在规定测试条件下场效应管能承受的最 大漏极连续电流、漏极脉冲电流的幅值 一定栅源电压下，MOSFET从可变电 阻区进入饱和区时的直流电阻值 通态电阻越小，通态损耗越少 漏极击穿电压UDS 漏极连续电流ID /漏极脉冲电流幅值 IDM 通态电阻RON 3) 功率MOSFET的主要参数 主要参数 漏源之间形成导电沟道所需的最小栅源电压。 开启电压多为5V左右。 开启电压UGS(th) 保证栅源绝缘不被击穿的最高电压 BUGS通常为20伏 栅源击穿电压BUGS 开通时间 ton与关断时间toff 4) MOSFET的栅极驱动电路 MOSFET是电压控制型器件，开关过程中只开关过程中只 要对等效输入

25、电容充放电要对等效输入电容充放电即可。 设MOSFET稳态导通时栅源电压为UGS 等效栅极输入电容为Cin 开通时驱动电路提供的充电电流近似为: 关断时驱动电路抽取的电流近似为: on GSin onG t UC I )( off GSin offG t UC I )( 4) MOSFET的栅极驱动电路 采用光耦隔离的MOSFET的典型驱动电路 t ub t ua t uGS t ui ? 输入电容在开 通过程中是变 化的! 2.4.3 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 1) 绝缘栅双极晶体管的结构与工作原理 IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor C-集电极

26、 E-发射极 G-栅极 2.4.3 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 1) 绝缘栅双极晶体管的结构与工作原理 MOSFET关断时，PNP管也 关断，IGBT处于阻断状态 MOSFET导通时PNP管随 之导通，IGBT处于导通状态。 通过控制MOSFET来控制 PNP三极管，从而控制IGBT 的开通与关断。 2) 绝缘栅双极晶体管的基本特性 1. 转移特性 指在一定C、E电压下，输出集电极电流 iC与G、E间电压uGE之间的关系。 开启电压 )(thGE U )(thGEGE UU 才产生集电极电流 时IGBT 2. 伏安特性 2) 绝缘栅双极晶体管的基本特性 指以栅极电压uGE为参变量时，集电极电

27、流iC与 集射极电压iCE之间的关系。 UFBR 正向击穿电压 URM 反向击穿电压 3.动态特性 指IGBT开通和关断过程中集电极电流、集射 极电压及动态损耗随时间变化的特性。 3) 擎住效应 很小，通常情况下 上压降不足以使 导 通,MOSFET的开通与关断可控制 的开与关 b R 2 T 1 T b R 擎住效应 上压降较大使 导通， 开与关不受MOSFET控制 b R 2 T 1 T .过大的 C i 原因 .过快集射极 电压变化 .过高集射 极电压 4) IGBT的主要参数 栅极发射极开启电压 栅极发射极击穿电压 集电极发射极正向击穿电压 最大集电极电流 饱和压降 开关时间 结壳热阻

28、 IGBT驱动电路工作原理和MOSFET的驱动电 路是相同的。目前对大中容量器件常采用集 成驱动电路如EXB840等。 4) IGBT的主要参数 目前IGBT的最高栅极电压通常为20V， 最高容许结温为150。 中小容量IGBT的开关工作频率在20 kHz40 kHz, 大容量IGBT的开关工作频率通常在5 kHz左右 IGBT的栅极驱动电压通常为1215V 目前商用IGBT的集电极电流最大可做到3600A， 集射极电压可达到4500V以上 IGBT是目前应用最为广泛的电力电子器件, 使用功率范围从几百瓦到数百千瓦。 2.4.4 集成门极换流晶闸管(IGCT) IGCT：Integrated

29、Gate Commutated Thyristor 集成门极换流晶闸管是将门极换流晶闸管 GCT与其门极驱动电路集成于一体形成的器件。 IGCT自1997年商品化以来，已成功应用于 工业和牵引传动、电力传输等大功率应用场合， 是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。 1) GCT的结构及其等效电路 与GTO的重要差别是：GCT阳极内侧P与N-半 导体之间多了N型缓冲层，同时阳极是由利于 电子通过的较薄的P型半导体构成。 2) GCT工作原理 忽略N和N-半 导体间的差异， 则GCT和GTO结 构相同，都可用 双晶体管模型来 模拟 GCT正向偏置时从门极注入电流可使其导通 从门极抽取足够多电流可使G

30、CT关断 2) GCT工作原理 采用“硬驱动”很快将阴极电流转换到门极 （门极换流概念的来源），从而使T2首先关断 GCT的关断采用“硬驱动” 技术-“硬驱 动”是指在GCT开关过程中的短时间内给其 门极加以电流幅值及其上升率都很大的驱动 信号。 GCT关断过程说明 T2关断后,GCT相当于一个基极断开的PNP 管与驱动电路串联，因为此时等效PNP晶体管 基极开路，因而将很快关断 GCT门极关断增益仅为1 , 因此驱动脉冲电流很大 3) GCT的驱动电路 GCT门极驱动电路通常分为通信电路、逻辑 控制电路、开通电路、关断电路及电源部分。 2.5 功率集成电路 功率集成电路功率集成电路（PIC：

31、Power Integrated Circuit） 是指将功率半导体器件和其驱动电路等组合在 同一个芯片或是同一个封装中。 目前功率集成电路内部使用的功率器件通 常为MOSFET或IGBT。 采用功率集成电路可以提高电路的功率密 度，简化安装工艺，提高电力电子装置性能。 功率集成电路有很多品种: 智能功率模块 (IPM) 用户专用智能功率模块（ASIPM) 简单PIC 2.5 功率集成电路 IPM将电力电子器件与驱动电路、保护电 路、检测电路等集成在一个芯片或模块内 ASIPM按照用户提供的整机线路，把所有元 器件以裸片(或半裸片)和芯片的形式集成到一 个模块中 简单PIC 指处理功率较小、包

32、含控制电路等部 分的功能较完整的一种功率集成电路 典型的IPM功能框图 变频器用IPM模块内常含有6个或7个IGBT 2.6 电力电子器件的保护 电力电子电路中可能出现过压、过流、 过热及过高的电压电流上升率等不利器件 可靠工作的因素 应采用一定手段避免/降低这些因素对电 力电子器件造成损害 常用过压保护、过流保护、过热保护等措施 2.6.1 过电压保护 过电压原因：外因过电压与内因过电压 外因过电压主要来自雷击和系统操作过程等 内因过电压主要来自装置内部器件的开关过程 开关操作导致电感电流急剧变 化从而容易产生很高的感应电压 过电压抑制措施及配置位置 F 避雷器 D 变压器静电屏蔽层 C 静电感应过电压抑制电容 RC1 /RC2浪涌过电压抑制用RC电路 RC电路 RV 压敏电阻过电压抑制器 RCD 开关器件关断过电压抑制用RCD电路 2.6.1 过电压保护 典型RC过电压抑制电路联结形式 2.6