电力电子元器件的学习与应用

1、 第1章 绪论 电力电子技术已成为一门新兴的高新技术学科，是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。在以后电力电子元器件充当了很重要的角色，所以说学习电力电子元器件很有必要。1.1电力电子元器件的概念和特征 在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（Main power Circuit）。电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件相比，它一般具有如下特征： 1.处理电功率的能力大 电力电子元器件处理电功率

2、的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子元器件能够承受高电压和大电流，所以，电压和电流是电力电子元器件的两个最重要参数。 2.工作在开关状态 电力电子元器件处理的电功率较大，所以为减少损耗，提高效率，电力电子元器件在工作时处于开关状态。导通时阻抗很小，接近于短路，两端的压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端的电压由外电路决定。 3.需要由信息电子电路来控制 由于电力电子元器件处理的电功率较大，因此不能直接用普通的电子电路信号来控制电力电子元器件的导通或关断，而是需要一个中间环节对普通的电子电路信号进行放大处理，从而实现弱电对强电的控制，这就

3、是所谓的电力电子元器件驱动电路。 4.需要安装散热器 电力电子器件虽然工作在开关状态，但其在导通或阻断状态下，并不是处于理想的短路或开路。加在电力电子元器件上的电压和流过它的电流较大，所以，导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗；阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗。开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。为了使电力电子器件不至于因损耗导致器件温度过高而损坏，不仅器件在封装时要安装散热器，而且还要考虑器件在工作时散热器的安装问题。1.2电力电子元器件分类1按器件被控程度分类 （1）不可控器件 这类器件一般为两端器件，一端是阳极，另一端是阴极。具有单向导电性。 其开关操作取绝于其在主

4、电路中施加在阳、阴极间的电压和流过它的电流，正向电压使其导通，负向使其关断，流过它的电流是单向的。不可控器件不能用控制信号来控制通断，因此也不需要驱动电路。这类器件就是功率二极管（Power Diode),也称为电力二极管。 （2）半控型器件 这类器件是端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制门极。半控型器件也具有单向导电性，但开通不仅需要在其阳、阴极间施加正向电压，而且还必须在门极和阴极间施加正向控制电压。门极和阴极间的控制电压不仅控制其开通个不能控制其关断，器件的关断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。这类通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的器件称为半控型器件。半控型器件是指晶

5、闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 （3）全控型器件 这类器件也是带有控端的端器件，其控制端不仅可控制其开通，还能控制其关断。这类通过控制信号既要控制其导通又要控制其关断的器件你为全控型器件，又称为自关断器件。这类器件很多，包括门极关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。目前常用的是功率MOSFET和IGBT。2.按控制信号的性质分类（1）电流驱动型器件-通过从控制注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。例如晶闸管、GTO、GTR； （2）电压驱动型器件-仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现导通或者关断

6、的控制。例如IGBT、MOSFET；3. 按驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类 （1）脉冲触发型-不需要持续施加控制端信号维持开通或关断（如：晶闸管） （2）电平控制型-需要持续施加控制端信号开通或关断（如：MOSFET、IGBT)4.按参与导电的情况分类 接照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子元器件可分为三类：由一种载流子参与导电的器件称为单极型器件；由电子和空穴两种载流子参与导电的器件称为双极型器件；由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件称为复合型器件。 单极型器件-电力二极管、晶闸管、GTR、GTO；双极型器件有-IGBT、MOSFET,

7、复合型器件-MCT(MOS控制晶闸管)。1.3电力电子元器件的发展历程l1876年 发明硒整流器。 1896年 发明单相桥式整流电路。 1897年 发明三相桥式整流电路。 1904年 发明了电子管。 1904年 发明金属封装水银整流器。 1925年 提出逆变器原理。 1926年 发明闸流管。 1947年 半导体硅二极管诞生。 1948年 发明了硅晶体管。 1953年 发明了100A锗功率二极管。 1955年 美国通用电气公司发明了第一个大功率5A硅整流二极管。 1957年 美国通用电气公司发明第一个半导体晶闸管。 1958年 半导体晶闸管商业化。 1961年 发明小功率门极关断（GTO)晶闸管

8、。 1967年 发明了用于高压直流输电系统的晶闸管。 1970年 发明500V/20A硅双极型晶体管（BJT)。 1975年 发明了300V/400A巨型晶体管(GTR)。 1978年 发明了100V/25A功率场效应晶体管（MOSFET)。 1980年 矩阵变换器的发明；4kV/1.5kA光触发晶闸管的发明。 1981年 2500V/1000A GTO晶闸管的发明。 1982年 在美国发明了IGBT,与1984年商业化。 1983年 谐振式DC-DC变换器的发明。 1989年 85MW变速泵储能系统的完成； 准谐振变换器的发明。 1991年 80Mvar静止无功功率补偿器(SVC)的发明。

9、1992年 6kV/2.5kA，300MW直流输电成功。 1993年 模糊逻辑神经元网络在电力电子学及电力传动上应用。 38MVA GTO牵引逆变器的发明； 400MW 变速泵储能系统的完成。 1995年 3电平GTO/IGBT逆变器在球磨机传动中的应用（15/1.5MV 100Mvar(1var=1W)静止无功补偿装置（TVA)应用。 1996年 IGCT问世。 1997年 IEGT问世。 1998年 5MW 3电平直接转矩控制变换器实现； 300MW GTO高压输电变换系统的完成。 1999年 6.5kV/600AIGBT模块在3000V直流输电系统成功替代GTO 2000年 IGCT45

10、MVA动态电压补偿器(DVR)应用成功。 2003年 碳化硅（SICGT)高压模块研究成功。 1.4 电力电子元器件发展趋势和创新 随着电力电子器件的迅速发展，电力电子技术也迅速发展成为一门独立的技术和学科。其应用已渗透到经济、国防、科技和社会生活的各个方面，并已成为电气工程技术领域最为活跃、最为关键的技术之一。大容量化、高效化、小型化、模块化、智能化和低成本化，是电力电子技术的发展趋势。 目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。日本新电元公司的IPM智能化功率模块的主要特点是：1.它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电路，使

11、主电路的结构为最简。 2.其功率芯片采用的是开关速度高，驱动电流小的IGBT，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。3.在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。4.自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实施双重保护，以保证其运行的可靠性。展望未来，随着具有高可靠性的集成电力电子模块（Integrated Power Electronic Modules,IPEM)技术及具有导通损耗小、耐压高、高结温等特点的新一代宽禁带器件（Silicon)的应用，电力电子技

12、术将会发生新一轮革命性变化，从而带动国民经济其装备技术水平的飞速发展。 第2章 不可控器件 电力二极管 （Power Diode) 自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器（Semiconductor SR),并已开始逐步取代汞孤整流器。虽然是不可控器件，但其结构和原理简单，工作可靠，所以直到现在电力极管仍然应用于许多电气设备当中。2.1 电力二极管的结构和工作原理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是一样的，都是由N型半导体和P型半导体结和构成PN结，具有单向导电性。 图2-1 PN结的形成 当PN结外加反向电压（正向偏置），即外加电压的正

13、端接P区、负端接N区时，外加电场与PN结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少了的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF。当外加电压升高时，自建电场将进一步被削弱，扩散电流进一步增加。这就是PN结的正向导通状态。 当PN结外加反向电压时（反向偏置），外加电场与PN结自 建电场方向相同，使得少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变宽，而在外电路上则形成自N区流入而从P区流出的电流，被称为反向电流IR。但是少子的浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电流IS，一般仅为

14、微安数量级，因此反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 2.2电力二极管的符号和认识图2.1为电力二极管的外形、结构和图形符号。 图图2.1电力二极管的外形、结构、电气符号和实体图 如上图所示，有螺栓型、平板型和模块型三种结构。2.3电力二极管的基本特性2.3.1静态特性 电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，如图2.6所示。当电力极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流对应的电力极管两端的电压即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的么微小而数值恒定的反向漏电流。 图2.2 电力二极管的伏

15、安特性 2.3.2 动态特性 因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置三个状态之间转换时，心然经过一个过渡过程，这个过程中的伏安特性是随时间变化的。此种随时间变化的特性，称为电力二极管的动态特性。 b) 图2. 3电力二极管的动态特性 a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的关断特性如图2.3a)所示。当原来处于正向导通的功率二极管外加压在加电压时刻突然从正向变为反向时，正向电流开始下降，到时刻二极管电流降为零，此时PN结两侧存有大量的少子，器件并没有恢复反向阻断能力，直到时PN结内储存的少子被抽尽时，反向电流达到最大值。在时刻后二极管开始恢复反向阻断，反

16、向恢复电流迅速减小。外电路中电感产生的高感应电动势使器件承受很高的反向电压。当电流降到基本为零的时刻（反向电流降为10），二极管两端的反向电压才降到外加反向电压UR，功率二极管完全恢复反向阻断能力。反向恢复时间，是关管的重要参数。图2.3b)给出了电力二极管由零偏置转为正向偏置时的波形。由此波形图可知，在这一动态过程中，电力二极管的正向压降也会出现一个过冲，然后逐渐趋于稳态压降值。这一动态过程的时间，称为正向恢复时间。通常反向恢复时间比正向恢复时间长。2.4电力二极管的主要参数 (1)正向平均电流。（额定电流）是指在规定的管壳温度和散热件下允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值，元件标称的额定

17、电流就是这个电流。 当正向半波电流幅值为时，则正向平均电流为 (1-1) 实际应用中，发热多以有效值来衡量，而幅值为的正弦半波电流对应的有效值为 （1-2) 本着有效值相等的原则，当一只元器件的额定电流为时，其允许通过的有效值为。 实际应用中，功率二极管所流过的最大有效电流，则其额定电流一般 选择为 （1-3) 式（1-3）中的系数是安全系数。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。 （2）正向压降。是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所想正向压降。元件发热和损耗与有关，一般应选取管压降小的元件，以降低损耗。 （3）反向重复峰值电压。是指电力二极管在指定温度下，所能重复施加

18、的反向最高峰值电压，通常是反向击穿电压的2/3。使用时，一般按照2倍的来选择二极管。 （4）最高工作结温。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，用表示。通常在之间。 （5）反向恢复时间。反向恢复时间是指电力二极管从施加反向偏置电流到恢复反向阻断能力为止的时间。 （6）涌浪电流。指电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 表1.1 部分功率二极管主要性能参数 型号额定正向平均电流反向重复峰值电压 反向电压 正向平均电压反向恢复时间 备注140 0.4110s 320001004000 140 0.41100ns 1 400 1

19、.235ns 3 200 0.98100ns 5.5 800 1.740ns 10 400 1.145ns 25 300 1.2560ns 90 400 1.25140ns模块结构 180 600 1.5140ns模块结构 75 400 1.3100ns模块结构 280 600 1.6140ns模块结构快恢复功率二极管 50 600 50A 1.4400ns超快恢复功率 二极管 50 200 25mA 1.1300V,所以不合理。 C:合理 =150V1=150A,=1.57100=157A ,满足要求。 =300V,=150V ,满足要求。 =150A,满足要求 故C合理。3.5.3 晶闸管

20、引脚的判别检测 将数字万用表拨至R*1或R*100档，分别测量各引脚间的正反向电阻，如测得某俩引脚之间的电阻较大（约80K左右），在将两表笔对调，重新测量这两引脚间的电阻，如阻值较小（约2K左右），则黑表笔所接触的引脚为门极G,红表笔所接触的引脚为阴极K,则剩余的一个引脚为阳极A。在测量中如果正反向电阻都很大，则应该更换引脚位置重新测量，直到出现上述情况为止。3.6 晶闸管使用注意事项选用可控硅的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电压的大小，并留出一定的余量。1、选用可控硅的额定电流时，除了考虑通过元件的平均电流外，还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温

21、度不超过相应电流下的允许值。2、使用可控硅之前，应该用万用表检查可控硅是否良好。发现有短路或断路现象时，应立即更换。3、严禁用兆欧表（即摇表）检查元件的绝缘情况。4、电流为5A以上的可控硅要装散热器，并且保证所规定的冷却条件。为保证散热器与可控硅管心接触良好，它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂，以帮于良好的散热。5、按规定对主电路中的可控硅采用过压及过流保护装置。6、要防止可控硅控制极的正向过载和反向击穿。 晶闸管在工作过程中会因损耗而发热，因此必须安装散热器。螺栓形晶闸管，螺栓是阳极，它与散热器紧密地连接在一起，粗辫子是阴极。平板形晶闸管是由两个彼此独立的散热器紧紧地夹在中间，呈圆饼形，两侧

22、分别为阴极和阳极，细辫子线为门极。由于两侧加装散热器，其散热效果比螺栓形晶闸管好。目前额定电流200A以上的晶闸管，通常采用平板形结构。图3-7为几种散热器外形。1) SF11型风冷散热器 2）SS11型水冷散热器3） SL16螺栓型散热器 4）模块散热器 图3-7 几种散热器外形图3.7 晶闸管损坏原因判别当晶闸管损坏后需要检查分析其原因时，可把管芯从冷却套中取出，打开芯盒再取出芯片，观察其损坏后的痕迹，以判断是何原因。下面介绍几种常见现象分析。1、电压击穿。晶闸管因不能承受电压而损坏，其芯片中有一个光洁的小孔，有时需用扩大镜才能看见。其原因可能是管子本身耐压下降或被电路断开时产生的高电压击

23、穿。2、电流损坏。电流损坏的痕迹特征是芯片被烧成一个凹坑，且粗糙，其位置在远离控制极上。3、电流上升率损坏。其痕迹与电流损坏相同，而其位置在控制极附近或就在控制极上。4、 边缘损坏。他发生在芯片外圆倒角处，有细小光洁小孔。用放大镜可看到倒角面上有细细金属物划痕。这是制造厂家安装不慎所造成的。它导致电压击穿。3.8 晶闸管的派生器件随着生产实际需求的增加，在普通晶闸管的基础上又派生出一些特殊型晶闸管，如快速晶闸管（KK），双向晶闸管（KS）和逆导晶闸管（KN）等。1. 快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管

24、。管芯结构和制造工艺进行了改进，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。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，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。2. 双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 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。 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。 与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在

25、交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。其电气图形符号和伏安特性如图3-8所示。 图3-8 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3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 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、高温特性好、额定结温高等优点。 逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。其电气图形符号和伏安特性如图3-9所示。 图3-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安

26、特性 a)电气图形符号 b)伏安特性4.光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 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。其电气图形符号和伏安特性如图3-10所示。 图3-10 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)伏安特性几种特殊晶闸管的类型及主要用途见表2-4. 表2-4 晶闸管的类型及主要用途 名称 型号 符号 特征 用途 普通 晶闸管 KP 反向阻断 正向门极正信号开通 整流器 逆变器 变频器 快速 晶闸管 KK 反向阻断，正向门极正信号开通，关断时间短，开通速度快。中频冶炼电源逆变器超声波电源高频控制设备 双向 晶闸管 KS两个方向均可用门极信号开通（相当于两只普通晶闸管反并联）电子开关直流可逆调速调光器，调温器门极关断晶闸管 KG 门极正信号开通 门极负信号关断步进电动机电源 变频器 斩波器 逆导晶闸管 KN反向导通，正向门极正信号