第1部分电力电子器件-13-09-11

第1部分电力电子器件上海电力学院电子教研室

现代电力电子技术2023/2/3上海电力学院电子技术教研室2本章主要内容1.1电力电子器件的特征及分类1.2决定电力电子器件实际效能的主要因素1.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响1.4电力电子器件的缓冲电路和驱动电路第1部分电力电子器件2023/2/3上海电力学院电子技术教研室31.1.1

电力电子器件的特征同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：(1)电功率大小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都远大于处理信息的电子器件(2)工作在开关状态1.1电力电子器件的特征和分类导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替第1部分电力电子器件2023/2/3上海电力学院电子技术教研室4(4)散热在主电路和控制电路之间，对控制电路的信号进行放大，为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。应用电力电子器件的系统组成(3)需要由信息电子电路来控制第1部分电力电子器件1.1电力电子器件的特征和分类1.1.1

电力电子器件的特征电气隔离2023/2/3上海电力学院电子技术教研室5对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一电力电子器件的损耗包括：通态损耗、断态损耗、开关损耗导通时器件上有一定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流开通损耗和关断损耗的总称器件开通或关断的转换过程中产生器件功率损耗的主要成因断态漏电流极小，器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大可能成为器件功率损耗的主要因素1.1.1电力电子器件的特征第1部分电力电子器件1.1电力电子器件的特征和分类2023/2/3上海电力学院电子技术教研室61.1.2

电力电子器件的分类电力电子器件控制功能不控型可控型导电机理PN结型势垒型反向恢复速度普通型快速及超快速型反向电流衰减速度硬恢复型软恢复型开关状态可控性控制信号性质半控型全控型电流控制型电压控制型载流子类型单极型双极型复合型芯片材料硅（多晶硅和单晶硅）碳化硅、金刚石等集成度分立型功率模块集成电路第1部分电力电子器件1.1电力电子器件的特征和分类2023/2/3上海电力学院电子技术教研室71.2决定电力电子器件实际效能的主要因素所有电力电子器件在其装置中的实际效能取决于两方面：●电力电子器件的设计和制作（参数设计、结构安排、材料性能、工艺水平和散热能力等）；●器件所在电路的运行条件（电路结构、负载性质、控制信号、开关频率、环境温度和冷却条件等）。★本节重点：分析开关环境对器件性能的影响。实践证明，器件开关性能与电路结构、负载性质、控制策略、开关频率和开关方式等条件密切相关。第1部分电力电子器件2023/2/3上海电力学院电子技术教研室81.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1部分电力电子器件——IGBT的开关过程分析1、IGBT开关电路2、IGBT的开通过程、关断过程Lko包括：外引线分布电感、器件内引线分布电感、

外接附加电感Lko

：负载Ugeo：临界驱动栅压2023/2/3上海电力学院电子技术教研室91.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1部分电力电子器件——IGBT的开关过程分析1）结温对单次开关能耗的影响3、电路环境对开关能耗的影响（IGBT内置反并联二极管）2023/2/3上海电力学院电子技术教研室101.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1部分电力电子器件——IGBT的开关过程分析3、电路环境对开关能耗的影响（IGBT内置反并联二极管）2）栅极串联电阻RG对单次开关能耗的影响2023/2/3上海电力学院电子技术教研室111.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1部分电力电子器件——IGBT的开关过程分析3、电路环境对开关能耗的影响（IGBT内置反并联二极管）2）栅极串联电阻RG对单次开关能耗的影响表1-13栅极电阻RG的推荐值2023/2/3上海电力学院电子技术教研室121.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1部分电力电子器件——IGBT的开关过程分析4、短路状态下IGBT的载流能力电路初态负载短路后的电路终态保护动作后的电路终态VG1：短接负载的无触点高速开关VG2：被测试器件2023/2/3上海电力学院电子技术教研室131.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1部分电力电子器件——IGBT的开关过程分析4、短路状态下IGBT的载流能力短路时升流过程：ic2↗至ISC后再上升，VG2→放大状态，uce↗→ic2

↗，ic2↗至ISCm→uce

使ucgc2↗→Rg产生反压→uge2>Ug1→VG2

增益↘→ic2↘ISC2023/2/3上海电力学院电子技术教研室14负载正常时关断轨迹处于SOA中1.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1部分电力电子器件——IGBT的开关过程分析4、短路状态下IGBT的载流能力切断短路电流：短路后撤去栅压直接关断VG2，强制ic2下降，产生电压超量ΔU，Uces/VUdUd/VLkuHdic/dtkA/us△U/VUcem/V12000.6Uces5500.30.51507002.57501300短路关断轨迹超出SOA2023/2/3上海电力学院电子技术教研室151.3电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1部分电力电子器件——IGBT的开关过程分析4、短路状态下IGBT的载流能力短路安全工作区SCSOA短路电流耐量负载短路动态轨迹不应超出SCSOASCSOA在单脉冲（非重复）条件下测得，过流保护方法必须精确可靠，防止连续出现短路—保护—再短路的情况。2023/2/3上海电力学院电子技术教研室161.4电力电子器件的缓冲电路和驱动电路第1部分电力电子器件1、缓冲电路——改善器件开关环境卓有成效——实现软开关方法之一（1）正常开关状态下的负载