电力电子器件 1

电子技术的根底———电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的根底———电力电子器件本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。引见常用电力电子器件的任务原理、根本特性、主要参数以及选择和运用中应留意问题。第1章电力电子器件1第1章电力电子器件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及维护本章作业21.1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运用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类前往31.1.1电力电子器件的概念和特征1〕概念:电力电子器件〔PowerElectronicDevice〕——可直接用于主电路中，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，直接承当电能的变换或控制义务的电路。2〕分类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管)半导体器件(采用的主要资料硅〕〔√〕43〕同处置信息的电子器件相比，具有如下特征：能处置电功率的才干，普通远大于处置信息的电子器件。电力电子器件普通都任务在开关形状。电力电子器件往往需求由信息电子电路来控制。电力电子器件本身的功率损耗远大于信息电子器件，普通都要安装散热器。1.1.1电力电子器件的概念和特征5电力电子器件的损耗：

1.1.1电力电子器件的概念和特征主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗能够成为器件功率损耗的主要要素。前往61.1.2运用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为中心的主电路组成。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2维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转电气隔离控制电路图1-1电力电子器件在实践运用中的系统组成控制信号前往71.1.3电力电子器件的分类按照器件可以被控制的程度，分三类：不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需求驱动电路。半控型器件〔Thyristor〕——经过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件〔IGBT,MOSFET)——经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。8按照驱动电路信号的性质，分两类：电流驱动型——经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。电压驱动型——仅经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。1.1.3电力电子器件的分类9按照电子和空穴两种载流子参与导电的情况，分三类：单极型器件双极型器件复合型器件1.1.3电力电子器件的分类前往101.2不可控器件——电力二极管根本构造及任务原理电力二极管的根本特性电力二极管的主要参数电力二极管的主要类型前往11根本构造及任务原理

根本构造和任务原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图1-2电力二极管的外形、构造和电气图形符号a)外形b)构造c)电气图形符号12根本构造及任务原理

PN结的形状状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——二极管的根本原理就在于PN结的单导游电性这一主要特征。PN结的反向击穿〔两种方式)雪崩击穿齐纳击穿〔均可导致热击穿〕前往13电力二极管的根本特性1〕静态特性：主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开场明显添加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。接受反向电压时，只需微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU图1-4电力二极管的伏安特性142〕动态特性电力二极管在三种任务形状之间转换的时候都会阅历一个过渡过程。电力二极管的根本特性——二极管的电压-电流特性随时间变化的——结电容的存在延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtUFPuiiFuFtfrt02Va)b)图1-5a)正偏——反偏b)零偏——正偏15正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值〔如2V〕。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。图1-5(b)开经过程开经过程：关断过程须经过一段短暂的时间才干重新获得反向阻断才干，进入截止形状。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。图1-5(b)关断过程IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtUFPuiiFuFtfrt02V电力二极管的根本特性前往16电力二极管主要参数正向平均电流IF(AV)正向压降UF反向反复峰值电压URRM反向恢复时间trr最高任务结温TJM浪涌电流IFSM前往17电力二极管的主要类型常见电力二极管：普通二极管快〔速〕恢复二极管肖特基二极管〔SBD〕：以金属与半导体外表的适当接触构成势垒为根底，呈现类似于PN结的非线形特性。前往181.3半控型器件——晶闸管引言1.3.1晶闸管的构造与任务原理1.3.2晶闸管的根本特性1.3.3晶闸管的主要参数1.3.4晶闸管的派生器件前往19晶闸管〔Thyristor〕：晶体闸流管，可控硅整流器〔SiliconControlledRectifier——SCR〕1.3引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速开展和广泛运用的崭新时代。20世纪80年代以来，开场被全控型器件取代。能接受的电压和电流容量最高，任务可靠，在大容量的场所具有重要位置。前往201.3.1晶闸管的构造与任务原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器严密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图1-6SCR的外形、构造和电气符号a)外形b)构造c)电气符号1)SCR的构造211.3.1晶闸管的构造与任务原理管芯：四层三端的芯片〔主要部件，决议SCR的性能〕管壳：维护管芯散热器：把热量传送给冷却介质引线：阳极、阴极、门极〔P2区引出〕222〕SCR任务原理SCR二极管模型及阻断特性当uAK<0时，J1,J3反偏，J2正偏，称为反向阻断；当uAK>0时，J1,J3正偏，J2反偏，称为正向阻断。GJ1AKJ3J2PNPNNP1.3.1晶闸管的构造与任务原理23SCR的双晶体管模型及任务原理1.3.1晶闸管的构造与任务原理图1-7晶闸管的双晶体管模型及其任务原理a)双晶体管模型b)任务原理SCR的开通：在晶闸管阳极与阴极间施加正向阳极电压，IG=0时，正向阻断形状；给门极注入触发电流IG，将构成剧烈的正反响，使两管饱和导通，撤去IG，那么管子仍坚持导通。24根据晶体管的任务原理，得：从而，1.3.1晶闸管的构造与任务原理〔1-2〕〔1-1〕〔1-3〕〔1-4〕〔1-5〕在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。

阻断形状：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通形状：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实践由外电路决议。25SCR的关断：减少IA或增大R，使IA<IH才干使SCR自然关断。通常是施加一定时间的反压。结论接受反向电压时，不论门极能否有触发电流，晶闸管都不会导通。接受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才干开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。1.3.1晶闸管的构造与任务原理前往261.3.2晶闸管的根本特性1〕静态特性〔1〕正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只需很小的正向漏电流，为正向阻断形状。正向电压超越正向转机电压Ubo，那么漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转机电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG27〔2〕反向特性1.3.2晶闸管的根本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断形状时，只需极小的反相漏电流流过。当反向电压到达反向击穿电压后，能够导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG282〕动态特性〔了解〕1.3.2晶闸管的根本特性1)开经过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr〔1-6〕2)关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr〔1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图1-9晶闸管的开通和关断过程波形前往291〕电压定额〔1〕断态不反复峰值电压Udsm〔2〕断态反复峰值电压Udrm〔3〕反向不反复峰值电压Ursm〔4〕反向反复峰值电压Urrm〔5〕通态〔峰值〕电压Utm〔6〕额定电压通常取晶闸管的Udrm和Urrm中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，普通取额定电压为正常任务时晶闸管所接受峰值电压2~3倍。1.3.3晶闸管的主要参数302〕电流定额〔1〕通态平均电流IT(AV〕——在环境温度为40C和规定的冷却形状下，稳定结温不超越额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——运用时应按有效值相等的原那么来选取晶闸管。IT(AV〕的计算：公式：举例：1.3.3晶闸管的主要参数31〔2〕维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。〔3〕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。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍〔4〕浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超越额定结温的不反复性最大正向过载电流。1.3.3晶闸管的主要参数323〕动态参数〔1〕开通时间tgt：从门极加触发脉冲到SCR进入导通所需求的时间。〔2〕关断时间tq：SCR由通态到断态所需求的时间间隔。〔3〕断态电压临界上升率du/dt指在额定结温暖门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。〔4〕通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最大通态电流上升率。假设电流上升太快，能够呵斥部分过热而使晶闸管损坏。1.3.3晶闸管的主要参数前往331.3.4晶闸管的派生器件1〕快速晶闸管〔FastSwitchingThyristor——FST)有快速晶闸管和高频晶闸管。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。高频晶闸管的缺乏在于其电压和电流定额都不易做高。由于任务频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。342〕双向晶闸管〔TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor〕1.3.4晶闸管的派生器件可以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。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。a)b)IOUIG=0GT1T2图1-10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351.3.4晶闸管的派生器件逆导晶闸管〔ReverseConductingThyristor——RCT〕将晶闸管反并联一个二极控制造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。a)KGAb)UOIIG=0图1-11逆导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361.3.4晶闸管的派生器件光控晶闸管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕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，且可防止电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场所。前往371.4典型全控型器件门极可关断晶闸管GTO电力晶体管GTR电力场效应晶体管MOSFET绝缘栅双极晶体管IGBT前往38门极可关断晶闸管GTOGate-Turn-OffThyristor—GTO1〕GTO的构造和任务原理构造：与普通晶闸管的一样点：PNPN四层半导体构造，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。见图1-13电气符号：

KAG39任务原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。开通：GTO的导经过程与SCR类似，经过一个正反响过程，不同之处是1+2更接近于1，饱和程度较浅，更接近临界饱和。关断：门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当1+2<1时，器件退出饱和而关断。门极可关断晶闸管GTO402〕GTO的动态特性开经过程：与普通晶闸管一样关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt—残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图1-14GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管GTO413〕GTO主要参数门极可关断晶闸管GTO许多参数和普通晶闸管相应的参数意义一样，以下只引见意义不同的参数。〔1〕开通时间ton延迟时间与上升时间之和。延迟时间普通约1~2s，上升时间那么随通态阳极电流的增大而增大。〔2〕关断时间toff普通指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间普通小于2s。42门极可关断晶闸管GTO〔3〕最大可关断阳极电流IATO——GTO额定电流。〔4〕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之比称为电流关断增益。〔1-8〕前往43又称：巨型晶体管，大功率晶体管，双极型功率晶体管BJT.是电流控制型的全控开关器件。电力晶体管GTR与普通的双极结型晶体管根本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元构造。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。44目前常用的GTR有单管、达林顿管和模块三大系列。单管：构造简单，电流增益低，普通为10~20.达林顿GTR：由两个或多个晶体管复合而成，可提高电流增益，开关速度慢。GTR模块：目前作为大功率开关运用最多，将GTR、VD、R制成在一个硅片上并封装构成一个复合组件，称之为模块，方便运用。电力晶体管GTR45电力晶体管GTRGTR的二次击穿景象与平安任务区一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。只需Ic不超越限制，GTR普通不会损坏，任务特性也不变。二次击穿：一次击穿发生时，Ic忽然急剧上升，电压陡然下降。经常立刻导致器件的永久损坏，或者任务特性明显衰变。平安任务区〔SafeOperatingArea——SOA〕最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界限限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图1-18GTR的平安任务区前往46电力场效应晶体管——电力MOSFET1〕电力MOSFET的构造和任务原理电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。加强型——对于N〔P〕沟道器件，栅极电压大于〔小于〕零时才存在导电沟道。

电力MOSFET主要是N沟道加强型。47电力场效应晶体管——电力MOSFET电力MOSFET的构造图1-19电力MOSFET的构造和电气图形符号是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管一样，但构造上有较大区别。采用多元集成构造，不同的消费厂家采用了不同设计。开通条件：uDS>0uGS>uT关断条件：uGS=0482〕电力MOSFET的特点电力场效应晶体管——电力MOSFET

单极型，用栅极电压来控制漏极电流。驱动电路简单，需求的驱动功率小。开关速度快，任务频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，普通只适用于功率不超越10kW的电力电子安装。前往49绝缘栅双极晶体管IGBTGTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流才干很强，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。两类器件取长补短结合而成的复合器件—IGBT构造：IGBT是以GTR为主功率元件，MOSFET为驱动元件的达林顿构造。电气符号:E50绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的原理

驱动原理与电力MOSFET根本一样，场控器件，通断由栅射极电压uGE决议。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内构成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消逝，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。51IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。一样电压和电流定额时，平安任务区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击才干。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流才干还可以进一步提高，同时坚持开关频率高的特点。绝缘栅双极晶体管IGBT前往521.5其他新型电力电子器件〔自学、了解〕MOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸