电力能源电子器件概述

第2章电力电子器件

1.1电力电子器件的概述

1.2不可控器件—电力二极管(SR)1.3半控型器件——晶闸管(SCR)1.4典型全控型器件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

1.1.1电力电子器件的概念和特征概念:主电路：在电力设备或电力系统中，直接承担电能变换控制任务的电路被为主电路。电力电子器件：实现电能变换或控制的电子器件。1.1电力电子器件的概述特征:①电力电子器件所能处理的电功率小至毫瓦级，大至兆瓦。②工作在开关状态③驱动电路④散热器1.1.2电力电子器件的分类不可控器件：电力二极管半控型器件：晶闸管及其派生器件全控型器件：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、门极可关断晶闸管⑴按照电力电子器件的开关控制能力可分为：⑵按照控制信号性质可分为：电压控制型：控制功率小电流控制型开通、关断时间短，工作频率可达500kHz

输入阻抗高，通常大于40MΩ

适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备。特点：二次击穿的可能性极小

⑶按照器件内部载流子的类型可分为：单极型：功率场效应管、静电感应晶体管双极型：SCR、GTO、GTR特点：通态压降较低，阻断电压高，电压和电流额定值较高。适用于大中容量的变流设备。复合型：IGBT

特点：电流密度高、导通压降低、输入阻抗高、响应速度快综合性能较好。1.1.3应用电力电子器件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正常可靠运行电气隔离控制电路1.2不可控器件—电力二极管(SR)1.2.1电力二极管的结构与工作原理200A以上的大电流整流管大多采用平板型。1.2.2基本特性1.静态特性2.动态特性1.2.3主要参数1.额定正向平均电流IF(Av)允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

有效值相等的原则0πωt2πi2.正向平均电压UF3.反向重复峰值电压URRM

4.最高工作结温TJM：125～175℃

5.反向恢复时间trr

6.浪涌电流IFSM1.2.4主要类型1.普通二极管——又称整流二极管数千安和数千伏以上2.快恢复二极管5μs以下3.肖特二极管1KHZ以下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1.3半控型器件——晶闸管(SCR)

1.3.1晶闸管的结构与工作原理螺栓式晶闸管在安装和更换时比较方便，但散热效果较差。平板式晶闸管的散热效果较好，但安装和更换时比较麻烦。额定通态平均电流小于200A的一般不采用平板式结构1.反向阳极电压时，关断状态；2.关断—导通，正向阳极电压和正向门极电压二个条件。3.门极失去控制作用。4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。a1=IC1/IAa2=IC2/IKIA=IC1+IC2+ICBOIA=a1IA+a2IK+ICBOIG=0（a1+a2）很小，

IA=ICBO

1-（a1+a2）≈0，IG=0，门极失去控制作用

1-（a1+a2）≈1时，晶闸管恢复阻断状态。

（a1+a2）≈11.3.2晶闸管的基本特性1.晶闸管的伏安特性

2.晶闸管门极伏安特性3.动态特性⑴开通过程⑵关断过程1.3.3晶闸管的主要参数1.电压定额⑴断态重复峰值电压UDRM

UDRM=90%UDSM

UDSM＜Ubo

⑵反向重复峰值电压URRMURRM=90%URSM

⑶通态（峰值）电压UTM

⑷额定电压使用注意：选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2～3倍。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。工频正弦半波的通态电流在一个整周期内的平均值2.电流定额⑴通态平均电流IT(AV）：0πωt2πi0π2πωti0π2ππ/3ωti有效值相等的原则Kf——波形系数例如：流经晶闸管的电流波形如图所示。试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为2，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的平均值及最大值为多少？0π2ππ/3ωti⑵维持电流IH

使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。⑶擎住电流IL⑷浪涌电流ITSM

这个参数可用来作为设计保护电路的依据。

3.动态参数断态电压临界上升率du/dt:不导致从断态到通态转换的最大主电压上升率。通态电流临界上升率di/dt:晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。1.3.4晶闸管的派生器件1.快速晶闸管FST

逆变器和斩波器（400HZ）关断时间短、反响恢复电荷少、开通时间短、耐du/dt和di/dt能力高。2.双向晶闸管TRIAC⑴可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。⑵有两个主电极T1和

T2，一个门极G。⑶在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。⑷不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。3.逆导晶闸管RCT正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高。元件数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低、配线简单、经济性好。4.光控晶闸管LTT

⑴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。⑵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。⑶在高压大功率的场合占有重要地位。1.4典型全控型器件门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。1.4.1门极可关断晶闸管(GTO)1.GTO的结构和工作原理(a1+a2)=1临界导通(a1+a2)＞1(a1+a2)＜1器件饱和导通关断⑴a2较大，V2控制灵敏，GTO易关断。⑵使(a1+a2)更接近于1，(a1+a2)≈1.05

⑶GTO元阴极面积很小⑴GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。⑵GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。⑶多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。结论：2.GTO的动态特性3.GTO的主要参数⑴开通时间ton1～2s⑵关断时间toff2s⑶

最大可关断阳极电流IATO——GTO额定电流。⑷

电流关断增益off1.4.2电力晶体管(GTR)1.GTR的结构和工作原理2.GTR的基本特性静态特性bcebce动态特性开关时间在几微秒以内3.GTR的主要参数⑴最高工作电压⑵集电极最大允许电流ICM

⑶集电极最大耗散功率PCM4.GTR的二次击穿现象与安全工作区1.4.3电力场效应晶体管(MOSFET)栅极的静态内阻极高、驱动功率小、自行关断、不存在二次击穿、开关速度快、工作频率高、热稳定性好。电流容量小、耐压低（10kW）1.电力MOSFET的结构和工作原理N沟道增强型2.电力MOSFET的基本特性⑴静态特性⑵动态特性开通过程关断过程开关时间10～100ns

工作频率100KHZ以上(3)电力MOSFET的主要参数

①漏极电压UDS

②

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM③栅源电压UGS——电力MOSFET电压定额——电力MOSFET电流定额——UGS>20V将导致绝缘层击穿。④极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS⑷

MOSFET的开关速度①MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。②可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。③不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。④开关时间在10～100ns之间，工作频率可达100kHZ

以上，是主要电力电子器件中最高的。⑤场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。⑥开关频率越高，所需要的驱动功率越大。1.4.4绝缘栅双极晶体管（IGBT）GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，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。MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。IGBT的优点——高输入阻抗和低导通压降。1.IGBT的结构和工作原理2.IGBT基本特性⑴静态特性ICUGE(th)UGEOO正向阻断区饱和区反向阻断区ICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性输出特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM⑵动态特性3.特性和参数特点：⑴开关速度高，开关损耗小。⑵

IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。⑶

IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。⑷输入阻抗高，其输入特性与电力

MOSFET类似。1.6电力电子器件的驱动1.6.1概述图1-25光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型1.6.2晶闸管的触发电路⑴触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通⑵触发脉冲应有足够的幅度⑶提供的触发脉冲应不超过晶闸管的电压、电流和功率定额⑷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图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形5V的负偏压图1-28推荐的GTO门极电压电流波形正的门极电流OttOuGiG1.6.3典型全控型器件的驱动电路图1-29典型的直接耦合式GTO驱动电路2.电压驱动型器件的驱动电路1.7电力电子器件的保护1.7.1过电压的产生及过电压保护交流侧过电压1.大气雷电所产生的过电压：避雷器

2.高压电源供电的变压器：附加屏蔽绕组，二次绕组上并联适当的电容

4.非线性电阻的保护3.在变压器空载情况下，当电源电压过零时，使变压器突然拉闸所造成的过电压很严重。阻容保护或整流式阻容保护（RC1，RC2）1.7.2过电流保护1.在交流进线中串接电抗器2.在交流侧设置电流检测装置3.过流继电器4.直流快速开关5.快速熔断器1.7.3缓冲电路图1-38

di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO

图1-39关断时的负载线1.开通缓冲电路开通缓冲电路箝位式RCD缓冲电路充放电式RCD缓冲电路2.关断缓冲电路馈能式复合缓冲电路耗能式复合缓冲电路3.复合缓冲电路1.8电力电子器件的串联和并联使用1.8.1晶闸管的串联开通时间小1.8.2晶闸管的并联1.串联电阻法2.串联电抗法先串后并本章小结1.主要内容全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。2.电力电子器件类型归纳单极型：电力MOSFET和SIT双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型：IGBT和MCT图1-42电力电子器件分类“树”⑴电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。⑵电流驱动型：双极型器件中除SITH外3.当前的格局:IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达

300MVA，容量最大。电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。某一晶闸管，额定电压为300V，额定电流为100A，维持电流为4mA，适用如图所示的各电路是否合理？说明其理由。（不考虑电压、电流裕量）思考题：a图小于维持电流，所以不合适。b图晶闸管承受的最大正、反向电压为大于额定电压300V，所以不合适。c图通过晶闸管的电流有效值大于157A，所以不合适。（额定电流为100A的晶闸管，其允许的电流有效值为157A）.（.....）成立于2004年，专注于企业管理培训。提供60万企业管理资料下载，详情查看：/map.htm提供5万集管理视频课程下载，详情查看：/zz/提供2万GB高清管理视频课程硬盘拷贝，详情查看：/shop/2万GB高清管理视频课程目录下载：/12000GB.rar高清课程可提供免费体验，如有需要请于我们联系。咨询电话：020-.值班手机：.网站网址：在线文档：

《化妆品术语》起草情况汇报中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所一、标准的立项和下达时间2006年卫生部政法司要求各标委会都要建立自己的术语标准。1ONE二、标准经费标准研制经费：3.8万三、标准的立项意义术语标准有利于行业间技术交流、提高标准一致性、消除贸易误差，作为标准体系中的基础标准，术语标准在各个领域的标准体系中均起着重要的作用。随着我国化妆品卫生标准体系建设逐步加快，所涉及的术语和定义的数量也在迅速增长，在此情形下，化妆品术语标准的制定就显得尤为重要。四、标准的制订原则1.合法性遵守《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》中关于化妆品的定义。2.协调性直接引用或修改采用的方式，与相关标准中的术语和定义相协调。3.科学性对于没有国标或定义不统一的术语，在定义时体现科学性的原则。4.实用性在标准体系中出现频率较高，与行业联系较紧密的术语优先选用。五、标准的起草经过

第一阶段：资料搜集

搜集国内外相关法规、标准、文献并对国外文献如美国21CFR进行翻译。第二阶段：2007年末形成初稿

初稿内容包括一般术语、卫生化学术语、毒理学术语、微生物术语、产品术语、人体安全和功效评价术语，常用英文成份术语等７部分。第三阶段：专家统稿1.2007年12月第一次专家统稿会（修订情况：1.在结构上增加原料功能术语、相关国际组织和科研机构等内容；2.在内容上增加一般术语、产品术语的种类，将化妆品行业的新产品类别纳入本标准；3.对于毒理学、卫生化学、微生物学术语进行修改；4.删除与化妆品联系不紧密、无存在必要的常用英文成分术语。2.2009年1月第二次专家统稿会会议意见：1.修改能引用国家标准的尽量引用国家标准；对存在歧义的个别用词进行修改。2.删除由于本标准中的“产品术语”一章和香化协会所制定的某个标准存在重复，因此删除“产品术语”一章的内容；对“原料功能术语”的内容进行梳理，删除了20余条内容。3.增加专家建议增加“化妆品限用物质”等若干项术语。第四阶段：征求意见2009年2月面向全国公开征求意见。第五阶段：征求意见的处理与形成送审稿。在征求意见的处理阶段再次征求了相关专家的意见。六、标准的内容依据1.《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》;2.《化妆品卫生规范》;3.美国21CFR；4.相关领域国家标准如：GB5296.3-2008消费品使用说明化妆品通用标签，GB/T14666-2003分析化学术语等；5.国内外化妆品的相关文献，如《化妆品监督管理及安全性评价》等。七、标准的结构和主要内容（一）结构：1.范围2.一般术语3.毒理学试验方法术语4.卫生