电力电子技术第章

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典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件电力电子器件的概念、特点和分类等问题。各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类

2.1电力电子器件的概述电力电子器件（powerelectronicdevice）——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。主电路（mainpowercircuit）——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。2.1.1电力电子器件的概念和特征1、概念：2、同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件主要损耗通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。2.1.2应用电力电子器件的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：2.1.3电力电子器件的分类绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）不可控器件电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。半控型器件按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：2)电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制1)电流驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：2)双极型器件3)复合型器件由一种载流子参与导电的器件

1)单极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型及典型应用2.2不可控器件—电力二极管1.正向平均电流IF(AV)

额定电流——在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。2.2.3电力二极管的主要参数2.正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压4.浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。1.普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2.2.4电力二极管的主要类型及典型应用分类：2.快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管.3.肖特基二极管反向恢复时间很短（10~40ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高二极圆管的岗典型魔应用2.液3半控秩器件—晶闸览管2.女3.穷1晶闸显管的邮结构长与工记作原个理2.万3.跟2晶闸复管的逮基本栗特性2.胀3.贿3晶闸乖管的支主要荡参数2.栗3.贞4晶闸车管的吗派生颈器件晶闸酸管（Th喷yr妥is肯to站r）：晶体劣闸流理管，烧可控硬硅整晋流器（Si终li然co报n罗Co修nt系ro肉ll饭ed献R丹ec早ti灰fi嚼er讨——叨SC絮R）19团56年美源国贝蝴尔实涂验室睛（Be诉ll炒L别ab）发明嫩了晶浆闸管;19拼57年美陕国通振用电牧气公急司（GE）开发披出第镰一只窑晶闸械管产死品;19版58年商极业化;开辟碧了电损力电返子技册术迅荣速发装展和楚广泛棒应用叔的崭没新时腹代;20世纪80年代肾以来拥，开徒始被霜性能露更好取的全竭控型伤器件肆取代;能承巴受的酱电压糠和电范流容咏量最耕高，夕工作魄可靠志，在兰大容佳量的欺场合领具有消重要袍地位.2.视3.眯1晶闸妹管的选结构增与工老作原肢理晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号结构工作控原理分析!结论悟：触禁而导子通，爱通而廊不断胸，断佳则反买压。其他饥几种纳可能雅导通绣的情赴况：阳极南电压串升高孔至相与当高榴的数范值造通成雪课崩效口应阳极肝电压家上升率du/dt过高结温胸较高光直眠接照凡射硅裤片，伯即光孔触发只有蜜门极及触发辆（包植括光少触发叛）是丙最精裁确、锄迅速忙而可敢靠的君控制覆手段2.侧3.煎2晶闸腊管的劝基本沸特性1.静态芬特性衣（伏翅安特尤性）2.动态门特性晶闸管的开通和关断过程波形延迟返时间上升藏时间反向编阻断全恢复恶时间正向泰阻断奏恢复啄时间开通狡时间真：tgt=td+tr关断兰时间旗：tq=trr+tgr1.电压贺定额2.跨3.晶3晶闸言管的讯主要愈参数通常截取晶辉闸管费的UDR败M和URR跌M中较垮小的鞠标值鸽作为扒该器鲁件的撇额定流电压占。选眠用时瓦，额忌定电露压要设留有芽一定遣裕量,一般释取额脾定电鸽压为方正常蛋工作虑时晶铁闸管芽所承磁受峰身值电耕压2~堪3倍。1)断态碎重复毒峰值劲电压UDR庭M——正向维折转索电压既的80岛%2)反向涉重复颗峰值托电压URR日M——反向饮折转息电压母的80岁%3)通态推（峰阻值）负电压UTM——额定庙电流姐管压团降峰砌值使晶零闸管屯维持蜘导通明所必旧需的衰最小绞电流构，一窗般为否几十捏到几驳百毫徐安，敬与结快温有出关。扑结温卵越高监，则IH越小梨。4)浪涌皂电流ITS茎M3)擎住矛电流IL(=消2-多4IH)2)维持聪电流IH注意昼：使带用时余应按歪实际剩电流嚷与通阵态平菊均电刘流有挣效值睁相等京的原是则来啄选取束晶闸橡管。隔应留年一定喘的裕猛量，粥一般敢取1.某5~择2倍。1)通态瞧平均林电流IT(黑AV鱼)2.电流您定额电流倒的有继效值俩是从猎电流冠的热膛效应蜜来考铜虑的核，荡是电供流的侄平方撇在时剖间积挽累效掌应上少的平扔均效谈果——指在我额定第结温争和门挠极开为路的馋情况触下，维不导逢致晶遭闸管城从断剖态到孙通态鲜转换忙的外狠加电骄压最亚大上臭升率神。——指在姜规定诸条件陵下，正晶闸河管能伟承受胆而无泼有害稼影响守的最于大通沙态电执流上贷升率渐。如果呈电流愤上升羊太快纲，则作晶闸习管刚悦一开所通，贝便会屑有很巷大的问电流泽集中听在门抗极附舞近的绳小区阀域内兼，从滥而造鄙成局厦部过峰热而处使晶脆闸管灭损坏予。(2够)通态底电流售临界柄上升货率di/dt在阻摊断的编晶闸红管两策端施逗加的窜电压夹具有喘正向声的上惭升率兴时，泳相当斜于一哲个电显容的J2结会艳有充形电电只流流四过，艳被称宝为位慕移电滴流。旨此电价流流身经J3结时丝式，起园到类茫似门具极触扑发电食流的跟作用另。如跟果电液压上牵升率纸过大拘，使妄充电番电流妈足够必大，脚就会港使晶帝闸管摇误导按通致。(1衫)断态诉电压糖临界造上升铃率du/dt除开矿通时啊间tgt和关伟断时昼间tq外，这还有税：3.动态功参数2.贞3.犬4晶闸息管的启派生赖器件包括净所有灿专为纹快速访应用军而设袋计的纽奉晶闸犹管，皇有快迷速晶丸闸管无和高若频晶免闸管盖。管芯最结构纹和制天造工购艺进偏行了悟改进散，开立关时糖间以在及du/dt和di/dt耐量仆都有捞明显邀改善遭。普通贼晶闸纲管关靠断时届间数弱百微艇秒，宗快速妖晶闸叉管数场十微烤秒，你高频闪晶闸钩管10s左右翅。1.快速哄晶闸织管（FS离T)2.双向势晶闸咐管（Tr忙io笑de筐A报C峡Sw帐it停ch放——晋TR相IA鉴C）与一色对反麦并联帽晶闸占管相化比是蝇经济惹的，腰且控制制电牺路简塌单，巧在交柳流调嫁压电赔路、久固态环继电拒器（SS仪R）和交击流电应机调史速等廊领域异应用誓较多烤。通常章用在苦交流哥电路迈中，闻因此怒不用穴平均遗值而何用有貌效值嘱来表论示其群额定响电流庸值。3.逆导唐晶闸倚管（Re目ve售rs惰e绒Co舟nd蝇uc蝇ti驶ngTh鞠yr昆is副to拨r——掘RC尸T）将晶验闸管智反并绵联一令个二知极管贞制作村在同肤一管择芯上萄的功企率集爽成器凑件。具有吧正向浸压降较小、烘关断知时间笔短、引高温闻特性脉好、液额定细结温碧高等迷优点您。逆导胞晶闸伴管的碰额定蓝电流贤有两柏个，屑一个孟是晶喝闸管响电流订，一沫个是骡反并躁联二赴极管齿的电篇流。4.光控讲晶闸址管（Li略gh圆t密Tr罢ig盈ge勇re斗dTh尖yr桂is随to摆r——女LT赔T）光触先发保怖证了县主电例路与挖控制蔬电路惭之间达的绝泽缘，胶且可粱避免食电磁忆干扰趟的影曾响，匆因此甚目前喘在高劫压大灭功率笨的场来合，送如高汪压直奇流输贪电和免高压勿核聚含变装霸置中厕，占鄙据重耗要的冰地位策，利用8K连V/猛3.灭5K亡A光控社晶闸挨管构萌成的30革0M蜜V.析A容量撤的电爹力电鼓子装优置是斜目前崖最大的电裙力电钻子装堂置。思考站：1下图丽为一舅晶闸灰管调工试电诞路，删以检骗测晶舰闸管币工作宏后输粥出电贷压是糖否正蓬确，签调试征中发治现Rd断开橡电压默表读狸数不妈正常旨，而Rd接通雪读数启正常标，请甚分析冤原因荡。u2QUdvRd2下图肌中，营要使激晶闸耐管VT导通茧，门掉极触卷发信江号最碑小要杨维持允多长字时间异？已知产：E=由50波V，R=痛0.渔5Ω,应L=名0.摧5H屯,窄IH=1虎0m向A,株IL=1选5m抖A。3型号矛为KP绣10催0-债3、IH=4捡mA，晶易闸管掠在下泥图中市应用倘是否尿合理铲？为称什么粪？（绞不考示虑裕京量）2.赶4典型朽全控琴型器六件2.4慰.1门极主可关舒断晶凉闸管2.也4.顶2电力项晶体击管2.年4.扛3电力唱场效蓄应晶刻体管2.返4.抽4绝缘香栅双判极晶借体管2.妙4.丽1门极妥可关跟断晶闸管门极榴可关咏断晶恢闸管撞（GT智O）晶闸邀管的田一种私派生蜜器件可以客通过宣在门罗极施致加负哀的脉桐冲电抹流使壳其关散断GT撑O的电敢压、僻电流参容量勒较大歪，与促普通演晶闸售管接膨近，为耐压副耐流盐可达6K宿V和6K段A，因衫而在芝兆瓦似级以拦上的冲大功桶率场策合仍骄有较点多的慈应用1.剑G郊TO的结雷构和安工作遭原理结构：工作尽原理扣：1+2=1是器额件临耗界导母通的敲条件华。当1+2>1时，写两个唇等效桥晶体阶管过右饱和徐而使糊器件泼导通候；当1+2<1时，疼不能都维持券饱和浩导通瓶而关博断。阔开通麻原理呀和SC么R一样圾。设计广时2较大旧，使鱼晶体歌管V2控制善灵敏所，易联于GT垂O关断漏。iB2+ic2=ikic2=α2．ikik=iB2/(窃1-α2)=iAiB2GT烛O能够炸通过晋门极息关断疗的原炎因是怪其与却普通料晶闸她管有惑如下枣区别鼓：(1爷)设计2较大穿，使料晶体呼管V2控制汗灵敏创，易粮于GT姿O关断弱。(3银)多元砌集成粮结构披使GT肠O元阴车极面谅积很霞小，盈门、边阴极注间亦距大锋为缩绕短，承使得P2基区据横向怎电阻群很小植，能榨从门鼻极抽子出较铁大电斜流。(2盈)导通项时1+2更接接近1（1.肌05，普丢通晶槐闸管1+21.辞15）导略通时热饱和原不深咬，接毒近临定界饱印和，占有利振门极窗控制愧关断鹊，但外导通朱时管湾压降形增大炼。2.饭G馋TO的主兵要参顾数——延迟驰时间赠与上咬升时卖间之婶和。醉延迟狠时间球一般另约1~巩2s。——一般活指储键存时息间和呢下降晕时间拘之和醒，GT彻O的储壶存时业间随俭阳极累电流龟的增怨大而比增大熟，下尘降时乔间一曲般小临于2s。关断最时间tof片f开通舟时间ton3)最大皆可关唤断阳解极电羊流IAT贯O电流季关断资增益of造f——代GT化O额定裂电流尸。——最大正可关荐断阳唉极电饭流与虹门极窑负脉交冲电辣流最变大值IGM之比赛称为撤电流化关断腊增益佣。of江f一般露很小间，只塑有5左右肺，这炕是GT吨O的一锁个主老要缺胜点。10内00疼A的GT课O关断拦时门挪极负胶脉冲隶电流危峰值科要20导0A。GMATOoffII=β术语率用法泽：电力拣晶体业管（GT风R，巨型垄晶体植管）耐高处电压瘦、大归电流饮的双辱极结槽型晶夺体管砌（Bi薄po证la舒r渣Ju能nc仪ti废on蜜T悟ra遵ns抄is虎to肝r—右—B滚JT）在电枕力电谷子技律术的浮范围蹦内，GT员R与BJ姿T这两促个名诱称等蜻效。应用20世纪80年代谷以来雄，在个中、莲小功恼率范衡围内皆取代秒晶闸爱管，耐压举和耐首流可表达1.漫5K捕V,林1K激A,可在10省KH弟Z以内剥开关捕频率粥下工肉作。乖现商亿品化产的GT摸R耐压珠、耐隶流不日超过12弱00降V，80盘0A。2.借4.替2电力娱晶体蕉管1.倚G想TR的结拌构和捐工作伤原理开通哥和关茅断可然由基易极电码流来慢控制垄，故驶称为碌全控忆型器吸件和谷电流信型驱期动器饱件。开通百条件凝：Uc凡e正偏绣，提体供基饱极电谢流。届关延断：Ib小于脖等于陆零。共发例射极错接法刃时的挖典型苍输出罗特性圣：截执止区址、放谣大区鄙和饱双和区。2.旬G首TR的基农本特窄性(1稼)静态涌特性在电讲力电适子电委路中GT绪R工作克在开侮关状拌态，漂即工汁作在战截止亚区或承饱和亚区3.唉G大TR的主泼要参别数1)最高建工作拔电压GT闯R上电每压超毫过规判定值胃时会祖发生以击穿实际揉使用相时，烟为确舒保安稻全，虽最高狼工作抢电压谁要比BUce攀o（基亩极开皱路时海，集格电极荷和发始射极掩间的拉击穿作电压烘）低右得多舅。2)集电竟极最灰大允梢许电机流IcM通常匠规定目为hFE（电促流放逐大系皱数）唉下降能到规械定值彻的1/渠2-己1/欧3时所吸对应临的Ic实际袍使用踢时要先留有侮裕量桌，只制能用摄到IcM的一纠半或私稍多羞一点找。3)集电依极最援大耗许散功歇率PcM最高摸工作警温度怎下允站许的袜耗散拆功率4.错G叔TR的二气次击登穿现披象与阿安全宜工作盐区一次利击穿集电察极电明压升逝高至机击穿依电压受时，Ic迅速仰增大停，出身现雪倦崩击尚穿。只要Ic不超拴过限仗度，GT墨R一般悼不会勿损坏触，工宁作特毁性也踏不变餐。二次例击穿一次期击穿每发生翼时Ic增大刚到某捞个临音界点矿时会搏突然茅急剧污上升猎，并还伴随塘电压维的陡束然下拦降。常常职立即省导致怒器件屯的永先久损貌坏，着或者掉工作涛特性间明显杰衰变叫。安全畜工作爱区（Sa拥fe介O摄pe恼ra猾ti苗ng狂A稍re性a—毅—S损OA）最高尿电压Uce苗M、集电舅极最恰大电池流IcM、最大湖耗散皆功率PcM、二次绘击穿弄临界辣线限果定。一般讯分为铁结型征（SI屿T）和各绝缘站栅型但通争常主考要指添绝缘处栅型拨中的MO鹅S型简醋称电哥力MO括SF道ET（Po允we田r歉MO直SF刮ET）2.病4.羡3电力蜘场效裤应晶击体管特点——用栅止极电莫压来关控制渣漏极象电流驱动须电路欠简单炸，需溉要的悬驱动蜓功率号小。开关言速度响快，撇工作丸频率补高。热稳利定性洪优于GT目R。电流壶容量页小，蝴耐压苏低，最高煌耐压枯为：10昆00铃V，最陪高耐盯流落为20袍0A，一文般只阅适用孙于功弄率不狠超过10磨kW的电舟力电运子装绿置仍，但议开关荒频率走为电秀力电奔子器尚件中硬最高嫁，可锋达50织0K张HZ。1.电力MO载SF微ET的结庭构和腾工作犬原理（分盒析）2.电力MO对SF如ET的基谦本特玻性a)转移特性b)输出特性3.电力MO摆SF原ET的主势要参书数——电力MO喷SF街ET电压流定额1)漏极住电压UDS2)漏极成直流怨电流ID和漏晌极脉卫冲电好流幅撒值IDM——电力MO素SF只ET电流融定额3)栅源沾电压UGS——栅源蜓之间灭的绝的缘层挂很薄喜，UGS>2腿0V将导占致绝桐缘层它击穿龙。4)极间捡电容极间匙电容CGS、CGD和CDS这些秃电容炎都是姐非线兽性的漏源桂间的纵耐压陷、漏汤极最找大允犯许电灵流和挤最大钩耗散腾功率搞决定烂了电青力MO俗SF劝ET的安过全工译作区稳。一般爬电力MO次SF狼ET不存戏在二阻次击什穿问穷题，懂这是况它的循一大神优点赴。GT械R的特字点——双极娃型，会电流傍驱动育，通它流能葡力很垮强，未耐压签高，盛耐流贤大，教可用前在大缘瑞功率懒场合朽。但奸开关详速度茶较低钟，所推需驱恳动功言率大第，驱相动电踩路复阔杂。MO躺SF子ET的优律点——单极呆型，忧电压走驱动旧，开击关速堆度最励快，援输入万阻抗超高，筝热稳浸定性档好，穴所需显驱动桌功率唤小而锹且驱羡动电皂路简牺单。驾但耐腹压耐踪蝶流均斗不高串，只应能用汉在10存KW以下念的场渔合。◆两类国器件丘取长脸补短福结合茂而成厅的复召合器石件—I浴GB蜻T1.把I嘉GB迫T的结离构和扩工作蛛原理2.幕4.柿4绝缘裁栅双阵极晶席体管2.踩I扫G