电力电子器件概述(7)课件

1、电力电子器件概述(7)课件2 电力电子器件概述电力电子器件概述学习目的：q 了解电力电子器件概念、特点和分类q 掌握主要电力电子器件的外特性及电压、电流和开关速度等性能。通过分析功率半导体器件的基本特性，将其简化为通过分析功率半导体器件的基本特性，将其简化为理想的开关模型理想的开关模型。采用器件的理想开关模型，可使课程第二部分中对采用器件的理想开关模型，可使课程第二部分中对于电能变换器的分析变得更加简明和容易。于电能变换器的分析变得更加简明和容易。功率半导体器件的物理结构、详细特性及驱动和保功率半导体器件的物理结构、详细特性及驱动和保护电路将在课程的第四部分中深入学习。护电路将在课程的第四部分

2、中深入学习。电力电子器件，又称功率半导体器件，是电力电子电路（变流技术）的基础电力电子器件概述(7)课件2.1 电力电子器件的特征和分类电力电子器件的特征和分类2.1.1 电力电子器件的概念和特征1）概念:电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（Main Power Circuit） 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。2）分类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅）电力电子器件概述(7)课件3 3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：同处理信息的电子器件相

3、比的一般特征： 电力电子器件能电力电子器件能处理电功率处理电功率的能力，一般远大的能力，一般远大于处理信息的电子器件。于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在电力电子器件一般都工作在开关状态开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制控制。电力电子器件自身的电力电子器件自身的功率损耗功率损耗远大于信息电子远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。器件，一般都要安装散热器。电力电子器件主要指半导体功率开关器件半导体功率开关与普通半导体器件有何区别半导体功率开关与普通半导体器件有何区别? ? 电力电子器件概述(7)课件v 通态损耗 Wonv 断态损

4、耗 Woffv 开关损耗 WSWv开通损耗v关断损耗 电力电子器件的损耗 通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器可能成为器件功率损耗的主要因素。件功率损耗的主要因素。电力电子器件概述(7)课件2.1.2 电力电子系统的组成 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路电气隔离控制电路电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统

5、正常可靠运行电力电子器件概述(7)课件2.1.3 电力电子器件的分类 l半控型器件半控型器件（ThyristorThyristor） 通过控制信号可以控制其导通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。通而不能控制其关断。l全控型器件全控型器件（GTO,GTR,MOSFET,IGBT)GTO,GTR,MOSFET,IGBT) 通过控制信号既可控制其导通通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。又可控制其关断，又称自关断器件。l不可控器件不可控器件(Power Diode)(Power Diode) 不能用控制信号来控制其不能用控制信号来控制其通断通断, , 因此也就不需要驱动电

6、路。因此也就不需要驱动电路。按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：电力电子器件概述(7)课件l电流驱动型电流驱动型 通过从控制通过从控制端注入或者抽出电端注入或者抽出电流来实现导通或者流来实现导通或者关断的控制。关断的控制。l电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端仅通过在控制端和公共端之间施加一定和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导的电压信号就可实现导通或者关断的控制。通或者关断的控制。按照驱动电路信号的性质，分为两类：从发展历程上看：首先开发了二极管，之后是晶闸管和晶体管系列器件。电力电子器件概述(7)课件2.2 电力二极管电力二极管整流二极管及模块整流二极管及模块q 电力二极管结构和原

7、理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。q 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。电力电子器件概述(7)课件A阳极阳极 K阴极阴极2.2.1 电力二极管的静态特性正向偏置时导通，导通压降很小（正向偏置时导通，导通压降很小（1V1V）反向偏置时关断，只流过很小的（可忽略）漏电流。反向偏置时关断，只流过很小的（可忽略）漏电流。正常工作时，反偏电压不应超过击穿电压。正常工作时，反偏电压不应超过击穿电压。静态特性主要指伏安特性电力电子器件概述(7)课件理想化的特性理想化的特性可用来分析变换器的拓扑可用来分析变换器的拓扑结构，但不能

8、用作实际变换器的设计结构，但不能用作实际变换器的设计.（如，实际应用中应考虑器件损耗和散（如，实际应用中应考虑器件损耗和散热问题等）热问题等）电力电子器件概述(7)课件2.2.2 电力二极管的动态特性动态特性指开通和关断过程的特性。 开通时，导通速度快（与电路动态过程相比），可近似为理想开关。 然而关断时，在电流降到零（并稳定）之前出现反向恢复电流（对应时间为反向恢复时间trr)。 该反向恢复电流用于抽取二极管中存储的大量少子以达到反向偏置的稳态（即反向阻断状态）。 在感性电路中，反向恢复电流会引起过压；在多数电路中，影响不大。所以，关断过程也可认为是理想的电力电子器件概述(7)课件 1) 1

9、) 普通二极管普通二极管（General Purpose DiodeGeneral Purpose Diode） 又称整流二极管（又称整流二极管（Rectifier DiodeRectifier Diode） 其其反向恢复时间较长反向恢复时间较长，一般在，一般在5 5s s以上以上 多用于多用于开关频率不高开关频率不高（1kHz1kHz以下）的整流电以下）的整流电路（如工频整流电路）路（如工频整流电路） 正向电流定额和反向电压定额正向电流定额和反向电压定额可以达到很高可以达到很高（几千安，几千伏）（几千安，几千伏）按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同来区分二极管不

10、同的类型。2.2.3 电力二极管的主要类型电力电子器件概述(7)课件3）肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 正向压降低（典型0.3V) 用于输出电压非常低的电路反向耐压能力较低，为50100伏器件说明书器件说明书2）快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 简称快速二极管 其反向恢复时间较短，一般在5s以下 用于高频电路中正向电流定额和反向电压定额为几百安和几百伏电力电子器件概述(7)课件2.3 晶闸管晶闸管晶闸管（Thyristor）： 即晶体闸流管，又称可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCRSCR）

11、l1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。l开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，标志着电力电子技术的诞生。l能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。（半控型器件）包括两大类器件：包括两大类器件：电力电子器件概述(7)课件 晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。(全控型器件） 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仍有较多的应用。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管: : （Gate-Turn-Off Thyristor Gate-Turn-Off Thyristor

12、 GTOGTO）电力电子器件概述(7)课件常用常用晶闸管的结构晶闸管的结构螺螺栓栓型型晶晶闸闸管管晶晶闸闸管管模模块块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构电力电子器件概述(7)课件2.3.1 晶闸管l 晶闸管的静态特性A阳极阳极K阴极阴极G门极门极电力电子器件概述(7)课件晶闸管正常工作时的特性总结如下： 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。半控型器件主要参数：正向和反向阻断电压最大电流和平均电流电力电子

13、器件概述(7)课件:rrqtt反向恢复时间关断时间l 晶闸管的动态特性器件说明书器件说明书课间为了可靠关断，为了可靠关断，施加反压的时间施加反压的时间应大于应大于t tq q电力电子器件概述(7)课件(1) 普通晶闸管（SCR) 也称相控晶闸管，常用于工频相控整流功率等级高，通态压降低（典型值：5000V，4000A，通态压降2V）(2) 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST) 包括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10s左右。）常用于中高频（400Hz和10

14、KHz以上）的斩波或逆变电路中。不足在于其电压和电流定额都不易做高。（典型值：2500V，1500A）l 晶闸管的种类电力电子器件概述(7)课件(3) (3) 双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）双向晶闸管的电气图形符号双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2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。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。常

15、用于交流电力控制电路中电力电子器件概述(7)课件(4) (4) 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCTReverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性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。具有正向压降小、关断时间短等优点。可用于不需要阻断反向电压的电路中电力电子器件概述(7)课件(5)(5)光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered Thyr

16、istorLTTLight Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管的电气图形符号和光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性伏安特性a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性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。常应用在高压大功率的场合。电力电子器件概述(7)课件 与晶闸管相似与晶闸管相似，GTOGTO在在承受正向电压时，仅在承受正向电压时，仅在门极有门极有触发电流触发电流的情况下才能的情况下才能开通开通，导通后，导通后可自锁保持而不需要门

17、极电流可自锁保持而不需要门极电流 。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO）2.3.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管A阳极阳极K阴极阴极G门极门极电力电子器件概述(7)课件 晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。现。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。（全控型器件）（全控型器件） GTOGTO的通态压降（的通态压降（2 23V3V）比晶闸管略高。）比晶闸管略高。 GTOGTO开关速度为几微妙到几十微妙，开关频率在数开关速度为几微妙到几十微妙，开关频率在数百百HzH

18、z到到10KHz10KHz间。间。 GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近（可达数（可达数KV,KV,和数和数KAKA），因而在兆瓦级以上的，因而在兆瓦级以上的大功大功率场合率场合仍有较多的应用。仍有较多的应用。 与晶闸管不同与晶闸管不同，GTOGTO关断时，可以通过在门极施加关断时，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其负的脉冲电流使其关断关断。关断时所需负的关断时所需负的门极脉门极脉冲电流幅值很高，常达到被关断的阳极电流的冲电流幅值很高，常达到被关断的阳极电流的1/31/3。电力电子器件概述(7)课件包括：电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双

19、极晶体管。都属于全控型器件。常用的典型全控型器件电力电力MOSFETMOSFETIGBTIGBT单管及模块单管及模块2.4 2.4 功率晶体管功率晶体管电力电子器件概述(7)课件2.4.1 2.4.1 电力晶体管电力晶体管 电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGiant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）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是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管管（Bipolar Junction TransistorBipolar Junction TransistorBJTBJT），），英文有时候也称为英文有时候也称为P

20、owerPower BJT。 2020世纪世纪8080年代以来，在中、小功率范围内年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多取代晶闸管，但目前又大多被被IGBTIGBT和电力和电力MOSFETMOSFET取代取代。过渡产品过渡产品是晶体管类电力电子器件的基础是晶体管类电力电子器件的基础电力电子器件概述(7)课件 开通时，基极电流应足够大，开通时，基极电流应足够大， , , 使器使器件进入饱和导通状态。件进入饱和导通状态。 电流控制型器件，必须电流控制型器件，必须持续持续施加基极电流以维施加基极电流以维持导通。持导通。 导通压降较小（导通压降较小（1 12V2V），通态损耗小。），通态

21、损耗小。CBFEIIhC集电极集电极E发射极发射极B基极基极电力电子器件概述(7)课件 BJTBJT在关断时有明显的存储时间，典型在关断时有明显的存储时间，典型的开关时间在几百的开关时间在几百nsns到几到几s s之间。之间。 功率等级可达到：功率等级可达到：1400V1400V，数百，数百A A 。大功率GTR的直流电流增益hFE比小功率的晶体管小得多，通常为5-10左右，经常采用达林顿接法来增大电流增益。电力电子器件概述(7)课件2.4.2 2.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的通常主要指绝缘栅型中的MOSMOS型型（Meta

22、l Oxide Semiconductor FETMetal Oxide Semiconductor FET）简称电力简称电力MOSFETMOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管体管（Static Induction TransistorSITStatic Induction TransistorSIT）电力场效应晶体管电力电子器件概述(7)课件 开通时，VGSVGS(th)（开启电压），使器件进入饱和导通状态。 电压控制型器件，必须持续施加栅极源极电压以维持导通。 需要的驱动功率小（只在开关过程中门极电容充放电时

23、有门极电流），控制方便。但通态电阻较高。D漏极漏极S源极源极G栅极栅极电力电子器件概述(7)课件 开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。（开关时间：数十（开关时间：数十nsns数百数百nsns） 电流容量小，耐压低（电流容量小，耐压低（1000V1000V以下）以下） 最大栅源电压最大栅源电压20V20V。器件说明书器件说明书电力电子器件概述(7)课件2.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorInsulated-gate Bipolar TransistorIGBT或或IGTIGT）

24、 GTRGTR和和MOSFETMOSFET两种器件取长补短结合而成的两种器件取长补短结合而成的复合器件，同时具备这两种器件的优点。复合器件，同时具备这两种器件的优点。 19861986年投入市场，是年投入市场，是中小功率中小功率电力电子设备电力电子设备的主导器件。的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。电力电子器件概述(7)课件 与与MOSFETLMOSFETL类似，类似，IGBTIGBT是电压控制型器件，门极是电压控制型器件，门极输入阻抗高，输入阻抗高，所需驱动功率小。所需驱动功率小。 与与GTRGTR类似，类似，IGBTIGBT具有较小的通态压降。具有较小的通态压降。 与与GTOGTO类似，类似，IGBTIGBT具有阻断反向电压的能力。具有阻断反向电压的能力。 开关速度快，工作频率高。（开关时间：开关速度快，工作频率高。（开关时间：usus级）级） 功率等级可达到：功率等级可达到：2-3KV2-3KV，1-2KA1-2KAGCECiCiCEvCEvGEv(a)电力电子器件概述(7)课件1.电力电子开关器件的性能比较 新器件仍在不断研发新器件仍在不断研发 器件发展趋势是更大器件发展趋势是更大的功率、更快的速度的功率、更快的速度和更小的损耗和更小的损耗2.5