电力电子器件综合概述

1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——电力二极管1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件1.6电力电子器件的驱动1.7电力电子器件的保护1.8电力电子器件的串联和并联使用本章小结第1章电力电子器件1第一页，共八十三页。1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2电力电子电路系统组成1.1.3电力电子器件的分类2第二页，共八十三页。电力电子器件的概念和特征1.概念主电路（PowerCircuit）

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（PowerElectronicDevice)直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。3第三页，共八十三页。电力电子器件的概念和特征1.概念电力电子器件理想模型它有三个电极1和2代表开关的两个主电极，3是控制开关通断的控制。它只有两种工作状态——“通态”和“断态”

通态时其电阻为零，相当于开关闭合；

断态时其电阻无穷大，相当于开关断开。4第四页，共八十三页。1）处理电功率的能力>>信息电子器件。2）一般工作在开关状态。3）一般由信息电子电路驱动。4）功率损耗>>信息电子器件。2.特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件是功率半导体器件5第五页，共八十三页。2.特征电力电子器件的概念和特征如何考查电力电子器件导通压降(损耗)运行频率(开通时间/关断时间)器件容量(电能处理、变换的能力)可靠性耐冲能力6第六页，共八十三页。导通主电路中电力电子器件关断控制电路信息电子电路组成控制电路主电路电力电子系统通过驱动电路控制控制电路检测驱动RL主电路V1V2电力电子电路系统组成驱动电路检测保护电路7第七页，共八十三页。电力电子器件的分类1.控制方式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结构简单、工作可靠。8第八页，共八十三页。电力电子器件的分类1.控制方式半控型器件通过控制信号可控制其导通但不能控制其关断｛晶闸管及其派生器件关断主电路电流电压反应快、可靠性高、寿命长、功率大、价格低，且具有节能的特点。9第九页，共八十三页。电力电子器件的分类1.控制方式全控型器件通过控制信号既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电力晶体管自关断器件门极可关断晶闸管驱动电路通

断电流电压具有集成化、高频化、多功能化的特点，应用很广。处理兆瓦级大功率电能10第十页，共八十三页。通

断电力电子器件的分类2.驱动信号的性质电流驱动型电压驱动型控制端注入电流抽出电流电压信号公共端控制端11第十一页，共八十三页。3.导电方式单极型器件只有一种载流子（多数）参与导电双极型器件电子和空穴两种载流子同时参与导电复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成电力电子器件的分类12第十二页，共八十三页。晶闸管的结构与工作原理AGK晶闸管外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构

c)图形符号

外形：螺栓型平板型P1N1P2N2J1J2J3阳极阴极门极1.结构和符号13第十三页，共八十三页。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14第十四页，共八十三页。实验电路晶闸管的结构与工作原理2.导通和关断条件AKGEAEGRAA+-15第十五页，共八十三页。导通条件：阳极与阴极之间加正向电压，同时门极与阴极之间也加正向电压。关断条件：阳极电流IA小于维持电流IH晶闸管的结构与工作原理实验结论实现方法：1）减小阳极电源电压或增大阳极回路电阻；2）将阳极电源反向。16第十六页，共八十三页。实质——正反馈过程产生注入门极的触发电流IG的电路触发门极触发电路对晶闸管的驱动晶闸管的结构与工作原理IGIB2IC2=IB1IC1电流驱动型IGSEGREAIc2Ic1IKIAAGNPNPNPKV1V2P1AGKN1P2P2N1N2IB2IB1晶闸管导通17第十七页，共八十三页。

1）

晶闸管具有可控的单向导电性。

与二极管比较，相同点：都具有单向导电性；不同点：晶闸管的单向导电受门极控制。

2）晶闸管属半控型器件。

门极只能用来控制晶闸管的导通，导通后门极就失去控制作用。

3）晶闸管具有开关作用。

导通时：相当于开关闭合；阻断时：相当于开关断开。晶闸管的基本特点：晶闸管的结构与工作原理18第十八页，共八十三页。电路如图，已知u2和ug波形，试画出电阻Rd两端的电压ud波形。晶闸管的导通时刻由u2和ug共同决定，关断则仅取决于u2的过零时刻例题π2π3π19第十九页，共八十三页。晶闸管的基本特性1.静态特性伏安特性：——阳极伏安特性

晶闸管的阳极与阴极之间的电压ua与阳极电流ia之间的关系。20第二十页，共八十三页。正向导通IG0=0IHUROUBOIG1IG2IG2>IG1>IG0IAUA01.静态特性正向阻断硬开通正向特性反向特性反向阻断1）IG=0时，若UA＞UBO，则晶闸管会出现“硬开通”现象——不允许2）IG增加时，正向转折电压减小。3）晶闸管一旦导通，门极失去控制作用。4）当晶闸管加反向电压时，工作在反向阻断状态。5）当反向电压足够大时，晶闸管被反向击穿。——不允许反向击穿正向阻断反向阻断正向导通正常工作区晶闸管的基本特性21第二十一页，共八十三页。2.动态特性反映晶闸管在开通和关断时的动态工作过程。晶闸管的开通时间约为几微秒；晶闸管的关断时间约几百微秒。开关时间：开通时间ton关断时间toff晶闸管的基本特性22第二十二页，共八十三页。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。

取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。1．电压定额额定电压的选取要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍。即

UTn=（2~3）UTM

UTM

为晶闸管在实际工作中所承受的最大正反向电压23第二十三页，共八十三页。

通态平均电流IT(AV)

在规定的条件下，晶闸管所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

2.电流定额维持电流

IH

维持晶闸管继续导通所必需的最小阳极电流。

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，通常IL约为IH的2~4倍。晶闸管的主要参数24第二十四页，共八十三页。正弦半波电流波形

通态平均电流IT(AV)

正弦半波电流的有效值

波形系数Kf则正弦半波电流

或ITn=1.57IT(AV)

即

100A的晶闸管允许通过的电流有效值为157A

电流定额25第二十五页，共八十三页。注意：管子的发热与有效值有关，要求实际电流有效值IT一定不能大于额定电流有效值ITn。IT≤ITn=1.57IT(AV)

故额定电流的选取要留有一定裕量，一般取1.5～2倍。即

IT(AV)=（1.5~2）

IT(AV)≥

电流定额26第二十六页，共八十三页。断态电压临界上升率du/dt

在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。位移电流在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在逐段状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。通态电流临界上升率di/dt

在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。3．动态参数（自学）晶闸管的主要参数27第二十七页，共八十三页。晶闸管型号的命名方法：例如：KP100-12G

表示额定电流100A、额定电压1200V、管压降1v的普通型晶闸管。晶闸管的主要参数KP

□－□□表示晶闸管普通反向阻断型额定通态平均电流正反向重复峰值电压等级通态平均电压组别28第二十八页，共八十三页。晶闸管的派生器件常规快速晶闸管高频晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管与普通晶闸管相比快速晶闸管关断时间为数十微秒高频晶闸管关断时间为10μs左右电压和电流定额不易做高应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中快速晶闸管29第二十九页，共八十三页。IG=0IU0双向晶闸管

有两个主电极T1和T2，一个门极G。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。可等效为一对反并联的普通型晶闸管。在第Ⅰ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。晶闸管的派生器件30第三十页，共八十三页。IG=0IU0双向晶闸管晶闸管的派生器件-++I++---I-四种触发方式++Ⅲ+-+-Ⅲ-触发灵敏度I+、Ⅲ-相对较高。常用I+、Ⅲ-两种触发方式31第三十一页，共八十三页。IU0I=0GAKG逆导晶闸管是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。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流晶闸管的派生器件32第三十二页，共八十三页。KK---快速晶闸管KP---普通晶闸管KN---逆导晶闸管晶闸管常见型号认识KS---双向晶闸管晶闸管的派生器件33第三十三页，共八十三页。门极可关断晶闸管（GTO）晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。34第三十四页，共八十三页。与普通晶闸管的相同点:PNPN四层半导体结构外部引出阳极、阴极和门极。与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元功率集成器件。门极可关断晶闸管GTO符号1.GTO的结构和工作原理35第三十五页，共八十三页。GTO导通条件与导通过程——与普通晶闸管一样（饱和程度较浅）。GTO关断条件与关断过程——门极加入负脉冲电流，即从门极抽出电流，在强烈正反馈作用下迅速退出饱和而关断。工作原理门极可关断晶闸管（GTO）36第三十六页，共八十三页。3.GTO的主要参数最大可关断阳极电流IATO——GTO额定电流电流关断增益off——

最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。开关时间——开通时间ton和关断时间toff

开关时间几个微秒到几十微秒，导通压降2-3V、比晶闸管稍高。门极可关断晶闸管（GTO）off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。37第三十七页，共八十三页。电力晶体管（GTR）1.GTR的结构和工作原理

单管GTR与普通晶体管相同。

具有耐压高、电流大、开关特性好等特点。

通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。

β≈β1β2

采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成——达林顿模块。38第三十八页，共八十三页。模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型，其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。

在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。

电力晶体管（GTR）1.GTR的结构和工作原理39第三十九页，共八十三页。模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型，其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。

在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。

电力晶体管（GTR）1.GTR的结构和工作原理40第四十页，共八十三页。2.GTR的基本特性ib2ib1ib3ib1<ib2<ib3截止区Ic0Uce饱和区放大区静态特征电力晶体管（GTR）三个工作区：截止区、放大区、饱和区41第四十一页，共八十三页。trtdtstontftoff90%Icsic10%IcsIb2t0t1t2t3t4t5t90%Ib110%Ib1Ib1t00ibGTR的开通和关断过程电流波形GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短。电力晶体管（GTR）2.GTR的基本特性开通时间ton=td

+tr关断时间toff=ts+tf动态特征提高工作速度方法：减小导通时的饱和深度。增大Ib2的幅值和负偏压。42第四十二页，共八十三页。3.GTR的主要参数最高工作电压集电极最大允许电流IcM

集电极最大耗散功率PcM电力晶体管（GTR）极限参数：43第四十三页，共八十三页。一次击穿：集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象。二次击穿：一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，电压突然下降的现象。4.二次击穿现象与安全工作区二次击穿会立即导致器件的永久损坏，对GTR危害极大。电力晶体管（GTR）44第四十四页，共八十三页。二次击穿临界线最高工作电压集电极最大电流最大耗散功率电力晶体管（GTR）安全工作区GTR工作时不能超过4.二次击穿现象与安全工作区45第四十五页，共八十三页。电力场效应晶体管(P-MOSFET)1.结构和工作原理简称：电力MOSFET（PowerMOSFET）P沟道导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型N沟道增强型耗尽型增强型耗尽型46第四十六页，共八十三页。uGS↑→导电沟道宽度↑→漏极电流iD↑——电压驱动方式电力场效应晶体管(P-MOSFET)1.结构和工作原理栅极漏极源极简称：电力MOSFET（PowerMOSFET）符号导通时只有多数载流子参与导电——单极型晶体管N沟道P沟道uGS＞UT（开启电压）导通条件：DSGDSG47第四十七页，共八十三页。2.基本特性和主要参数（自学）电力场效应晶体管(P-MOSFET)主要优点：开关时间短（ns级）、工作频率高（100kHz以上）、驱动功率小、驱动电路简单、热稳定性好且不存在二次击穿现象等。缺点：通流能力较差，且通态电阻值较大。

48第四十八页，共八十三页。GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。电力MOSFET的特点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT)

GTR和MOSFET复合，集二者优点于一体。1986年投入市场，是目前中小功率电力电子设备的主导器件。

几种电力电子器件性能比较：电力场效应晶体管(P-MOSFET)49第四十九页，共八十三页。1.结构和工作原理ECG电气图形符号简化等效电路绝缘栅双极晶体管（IGBT）GERNC驱动方式：由P-MOSFET决定——栅射极电压控制输出特性：由GTR决定——通流能力强、通态压降低50第五十页，共八十三页。2.基本特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加分为三个区：正向阻断区、有源区和饱和区。转移特性输出特性开启电压开关时间：开通时间约为0.5～1.2μs关断时间约为0.55～1.5μs导通条件：

uGE＞UGE(th)

（开启电压）工作特点：

uGE↑→集电极电流ic↑——电压驱动型绝缘栅双极晶体管（IGBT）静态特性51第五十一页，共八十三页。绝缘栅双极晶体管（IGBT）

IGBT的主要优点：开关速度快，开关损耗小。

安全工作区大，耐冲能力强。通态压降低。输入阻抗高。52第五十二页，共八十三页。驱动电路的基本任务将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路主电路与控制电路之间的接口性能良好的驱动电路使电力电子器件理想的开关状态缩短开关时间减小开关损耗对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义电力电子器件驱动电路概述要求：驱动电路提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。（一般采用光隔离或磁隔离）。53第五十三页，共八十三页。驱动电路关断信号开通信号对全控型器件电流驱动型电压驱动型晶闸管的驱动电路电力电子器件驱动电路概述触发电路驱动电路分类：驱动信号性质驱动电路结构形式分立元件驱动电路专用集成驱动电路对半控器件开通信号54第五十四页，共八十三页。晶闸管的触发电路晶闸管触发电路作用

产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻可靠地由阻断转为导通状态。对触发时刻进行相位控制。对晶闸管触发电路的要求触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。55第五十五页，共八十三页。触发电路的种类分立元件触发电路：简单触发电路单结管触发电路正弦波触发电路锯齿波触发电路集成触发器：KJ004移相触发器TC787移相触发器计算机控制数字触发电路晶闸管的触发电路56第五十六页，共八十三页。几种常见的触发脉冲晶闸管的触发电路57第五十七页，共八十三页。理想触发脉冲电流波形t1

~t2

—脉冲前沿上升时间(<1μs)t2~t3

—强脉冲宽度IM—强脉冲幅值(3IGT~5IGT

)t3

~t4

—脉冲宽度I—脉冲平顶幅值(1.5IGT~2IGT

)晶闸管的触发电路IIMt1t2t3t4——强触发脉冲58第五十八页，共八十三页。V1、V2构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。

V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。常见的晶闸管触发电路晶闸管的触发电路59第五十九页，共八十三页。

GTR的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTR1.电流驱动型器件的驱动电路60第六十页，共八十三页。2.电压驱动型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件当有输入信号时，放大器A输出高电平，V2导通输出正驱动电压

，电力MOSFET导通。当无输入信号时，放大器A输出低电平，V3导通输出负驱动电压，电力MOSFET关断。61第六十一页，共八十三页。过电压保护过电压外因过电压内因过电压操作过电压雷击过电压换相过电压关断过电压过电压的产生62第六十二页，共八十三页。保护原理：利用电容两端电压不能突变的特点吸收尖峰电压。保护措施阻容吸收保护保护原理：出现过电压时，可通过很大峰值电流，而电压基本不变。（类似稳压管）压敏电阻保护——非线性电阻基本特性：正反向对称，可实现双向限压。由成组串联的硒整流片构成，现已很少采用。硒堆保护——非线性元件过电压保护63第六十三页，共八十三页。

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阀侧浪涌过电压抑制用RC吸收电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC吸收电路（整流式阻容吸收电路）RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC吸收电路RC4直流侧RC吸收电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路过电压保护过电压抑制措施及配置位置网侧阀侧直流侧交流侧整流器64第六十四页，共八十三页。交流侧过电压保护1）阻容保护：在变压器二次侧并入电阻R和电容C。过电压保护65第六十五页，共八十三页。2）非线性电阻保护—压敏电阻保护一般情况下，为使系统更加精确，往往在交流侧采用双重保护，即阻容保护和非线性保护同时使用。过电压保护交流侧过电压保护66第六十六页，共八十三页。一般采用非线性保护，即引入压敏电阻。一般采用阻容保护。返回过电压保护直流侧过电压保护晶闸管两端的过电压保护67第六十七页，共八十三页。过电流保护外因：负载过载、负载短路、电源过高或过低、逆变失败等。过电流的产生内因：晶闸管损坏、触发电路故障等。串接交流进线电抗或采用漏抗较大的整流变压器电子电路保护过电流继电器保护直流快速开关保护快速熔断器保护保护措施68第六十八页，共八十三页。过电流保护措施及配置位置过电流保护措施过电流继电器快速熔断器直流快速断路器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性过电流短路时的部分区段的保护整定在电子电路动作之后实现保护整定在过载时动作短路过载电子电路作为第一保护措施过电流保护过流继电器快速熔断器直流快速开关电子保护电路69第六十九页，共八十三页。返回过电流保护快速熔断器的几种接法70第七十页，共八十三页。

快速熔断器

——是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施，归纳阻容吸收电路——是电力电子装置中最简单、应用最广的一种过电压保护措施。晶闸管的保护过电压保护过电流保护71第七十一页，共八十三页。缓冲电路缓冲电路（吸收电路）作用抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路（du/dt抑制电路）用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗开通缓冲电路（di/dt抑制电路）用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小开通损耗缓冲电路分类缓冲电路构成：一般由R、L、C、VD等元件组成通常缓冲电路一般指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路称为di/dt抑制电路72第七十二页，共八十三页。di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形缓冲电路缓冲电路实例73第七十三页，共八十三页。当单只晶闸管额定电压小于实际要求时，可将多只同型号晶闸管串联起来使用。实际存在的问题：理想情况：各串联的晶闸管承受的电压相等。静态不均压问题——由于器件静态参数和特性不同而造成动态不均压问题——由于器件动态参数和特性不同而造成电压分配不均衡。解决方法：静态均压——并联均压电阻Rj动态均压——并联均压阻容RC应尽量选用特性参数一致的器件晶闸管的串联74第七十四页，共八十三页。晶闸管的并联实际存在的问题：因静态和动态特性参数差异导致电流分配不均衡。理想情况：各并联的晶闸管承担的电流相等。解决方法：串联均流电阻R串