电力电子技术：第一章 电力电子器件

电力电子技术

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.本章参考书：《电力电子器件及其应用》李序葆、赵永健编著机械工业出版社，2003《电力电子技术与电气传动》廖晓钟编著北京理工大学出版社，2000第一章电力电子器件Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

电力电子器件（PowerElectronicDevice）开关（Switch）电力电子器件的主要特征：（1）功率处理，而非信号处理（2）器件工作在开关状态（3）需要弱电信号通过驱动电路进行控制（4）开关损耗比较大Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

主电路（PowerCircuit）开关拓扑（SwitchTopology）Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

主电路开关拓扑吸收网络驱动保护信号检测控制电路Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

OpticalFibersCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

FilterCapacitorConverter220Vor380VMMotorolaDave’sControlCenterInverterMotorDrive2E72GbeMC56805SSAC0116-ACopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

爻Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

注：IPM(IntelligentPowerModule)，PEBB(PowerElectronicsBuildingBlock)Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

CommunicationPortSystemControlPowerPort(Source/Load)Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一节电力电子器件概述

第一节电力电子器件概述

4xIGBT4xDiodePowerexCM300DY-24HCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第二节功率二极管————————————————————++++++++++++++++++++内电场

P型区空间电荷区N型区

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第二节功率二极管静态特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第二节功率二极管动态特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第二节功率二极管1。正向平均电流2。正向压降3。反向重复峰值电压4。最高工作结温5。方向恢复时间6。浪涌电流主要参数：Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第二节功率二极管普通二极管（GeneralPurposeDiode）快恢复二极管（FastRecoveryDiode）肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode）Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管晶闸管：Thyristor、SRC1957年贝尔实验室发明晶闸管1958年GE开发出第一只产品Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管门极G

A阳极K阴极

P1

N1

P2

N2

PNPN四层三端结构符号（国标）G

A

KG

A

K

J1

J2

J3Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管GAK

P1

P2

N2

N1

N1

P2

AKGIA

IC1

IG

IC2

IK

V1

V2EG

REAIB2

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管AKGIA

IC1

IG

IC2

IK

V1

V2EG

REAIB2

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管触发条件：加门极电流阳极电压过高－－－雪崩效应阳极电压上升率du/dt过大结温过高光照－－－光触发Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管晶闸管的关断过程：晶闸管导通后，UAK很小，IA由电路负载R和外加电源E决定，调节E/R可以使IA减小，当减小到小于维持电流时，晶闸管关断。AKGIA

IC1

IG

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IK

V1

V2IB2

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管特性晶闸管伏安特性门极伏安特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管参数（1）断态不重复峰值电压UDSMURSM：

门极开路时，阳极特性上对应的曲线急剧弯曲处的最大正向与反向阳极电压。（2）断态重复峰值电压UDRMURRM：门极开路时，可以重复施加的最大正反向电压，约为UDSMURSM的90%。（3）额定电压：它是用UDRMURRM

中的较小值表示的，并用标准电压等级表示。例如：经测试UDRMURRM中较小的电压为810V，则把这个电压归为800V等级上。在使用时留有一定的裕量。（2~3倍）（4）额定电流：

它是用单相半波整流时流过电阻负载上的最大通态平均电流来表示，也可转换为等效的电流有效值。

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节晶闸管（5）门极触发电压和门极触发电流UGTIGT（6）

通态平均电压UT

用平均电压表示，也归结到电压等级上来。（7）

开通时间ton关断时间toff

晶闸管的开通与关断不是瞬间完成的，要经过一定的时间。

（8）临界电流上升率

di/dt；

临界电压上升率du/dt（9）掣住电流

IL维持电流IH

IL：晶闸管从断态转入通态时，要移除触发信号，而能够维持晶闸管导通的最小电流。

IH：指晶闸管导通后，要维持导通的最小电流。Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节特殊晶闸管双向晶闸管（TRIAC）Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节特殊晶闸管双向晶闸管伏安特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节特殊晶闸管双向晶闸管（TRIAC）的触发方式Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件快速晶闸管（FST）主要特点：高频特性好关断时间短（<3us）重复阻断电压比较低，约800～1000V承受直通电流能力差第三节特殊晶闸管Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节特殊晶闸管逆导晶闸管（RCT）Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节特殊晶闸管逆导晶闸管（RCT）伏安特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第三节特殊晶闸管光控晶闸管（LTT）Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件门极可关断晶闸管（GTO）Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件AKGIA

IC1

IG

IC2

IK

V1

V2EG

REAIB2

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件AKGIA

IC1

IG

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IK

V1

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REAIB2

GTO的特点：α2设计的比较大V2控制灵敏易于关断Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTO的特点：α1＋α2接近于1AKGIA

IC1

IG

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IK

V1

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易于关断导通压降增大Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件多元结构阴极面积小P2区横向电阻小GTO的特点：门极可以抽出较大电流Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.AKGIA

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第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTO的开通过程Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.AKGIA

IC1

IG-

IC2

IK

V1

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REAIB2-

第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTO的关断过程Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTO的动态特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTO的主要参数最大可关断阳极电流IATO作为额定电流参数，与晶闸管额定电流定义不同电流关断增益βoff＝IATO/IGM会有比较大的损耗开通时间ton关断时间toffCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件电力晶体管（GTR）Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR的工作原理Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件达林顿结构GTRKAGCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR的静态特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR的动态特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件

开通时间ton=td+tr

包括延迟时间和上升时间；关断时间toff=ts+tf包括储存时间和下降时间。

延迟时间由发射结和集电结存在的势垒电容充电引起的。

储存时间是除去基区过剩的载流子的时间。缩短开通时间：①增大iB幅值②增加diB/dt。

缩短关断时间：①减小导通时的饱和深度②增大反向驱动电流iB。Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR的主要参数（1）最高工作电压（2）集电极允许最大电流ICM（3）集电极最大耗散功率PCM（4）最高工作结温Tj。

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR的二次击穿现象与安全工作区Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR的二次击穿现象与安全工作区集电极最大允许电流最高工作电压最大耗散功率二次击穿功率Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR的温度特性与散热功率损耗结温升高静态导通功耗动态开关损耗基极驱动功耗降低开关频率缓冲电路散热器冷却降低导通压降减小开关时间Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗纯电阻负载Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件1GTR开关过程分析及开关损耗阻感负载T1＝Lc/Rc<TUCE=Us+UL-UR=UBCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗阻感负载T1＝Lc/Rc>TUCE=Us+UL-UR=UBCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗二极管续流的阻感负载T1＝Lc/Rc>TCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗功率损耗=饱和导通损耗+开关损耗+基极驱动功耗+截止功率损耗动态损耗是开关工作的电力晶体管的主要损耗。

ton=td+trtoff=ts+tf

动态损耗主要是tr和tf两段时间内的开关损耗。

开关损耗与负载性质有关。

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗（1）纯电阻负载

开通过程

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗（1）纯电阻负载

关断过程

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗（1）纯电阻负载

一个周期的动态开关损耗

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗（2）带续流二极管的电感性负载开通过程：关断过程：Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗（2）带续流二极管的电感性负载一个周期的动态开关损耗Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件GTR开关过程分析及开关损耗

结论：1．开关工作状态的电力晶体管的损耗主要是动态损耗；2．动态开关损耗与开关时间和开关频率成正比，晶体管能够容许的开关损耗是对开关频率的主要限制；3．该结论也适用于其它的工作于开关状态的电力电子器件。

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一周（下周一交给助教）1、什么叫电力电子技术？2、什么叫变流技术？变流技术主要包括那些技术？3、电力变换有哪几种？4、电力电子器件有什么特征？5、晶闸管的导通条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由什么决定？负载上电压等于什么？晶闸管的关断条件是什么？6、晶闸管的主要参数有哪些？7、什么叫全控型器件？8、工作在开关状态的电力电子器件的主要损耗有哪些？如何减小损耗？

第一周作业Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件功率场效应晶体管（PowerMOSFET）优点：电压驱动，驱动功率小开关频率高无二次击穿问题安全工作区宽缺点：电流容量小耐压低Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件功率MOSFET的结构和工作原理Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件功率MOSFET的结构合工作原理沟道Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件功率MOSFET的结构合工作原理－－－－＋＋＋＋Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件功率MOSFET的结构和工作原理Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件功率MOSFET基本特性（1）静态特性输出特性：ID~UDS工作在截止区和非饱和区。Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件功率MOSFET基本特性转移特性ID~UG开启电压Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件

（2）动态特性功率MOSFET基本特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件功率MOSFET主要参数漏极击穿电压

栅源击穿电压

最大漏极电流开启电压跨导因为为电压控制器件，所以用跨导表示其放大能力，即转移特性的斜率。通态电阻Ron极间电容Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件绝缘栅双极晶体管（IGBT）GTRMOSFETIGBTCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件绝缘栅双极晶体管（IGBT）基本特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件绝缘栅双极晶体管（IGBT）动态特性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件绝缘栅双极晶体管（IGBT）主要参数最大集射极间电压UCES最大集电极电流IC最大集电极功耗PCMCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件IGBT的擎住效应和安全工作区Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件IGBT的擎住效应和安全工作区（1）Ic太大；（2）若关断时，dUCE/dt过高。会使寄生晶闸管工作，栅极失去对集电极的控制作用，称为掣住效应。Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第四节典型全控型器件IGBT的擎住效应和安全工作区FBSOARBSOACopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第五节电力电子器件的驱动概述目的弱电信号控制强电Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件功能概述控制隔离保护第五节电力电子器件的驱动Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第五节电力电子器件的驱动驱动电路的分类电压型MOSFETIGBT

电流型GTOGTRSCR

形式分立元件

集成电路

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件晶闸管对触发电路的基本要求：（1）触发信号可以是交流、直流或脉冲第五节电力电子器件的驱动Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件（2）触发脉冲要有足够的功率（3）触发脉冲的移相范围必须满足装置的要求（4）触发脉冲的宽度、幅度和陡度（5）触发脉冲必须与主电路同步（6）触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额（7）应有良好的抗干扰能力、温度稳定性以及与主电路电气隔离第五节电力电子器件的驱动Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第五节电力电子器件的驱动常见晶闸管对触发电路GKCopyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第五节电力电子器件的驱动典型全控型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路推荐的GTO门极电压电流波形GTO驱动电路要求：触发前沿的幅值和上升率－－高整个导通器件加正门极电流关断需加负门极电流，幅值和上升率－－更高关断后门极施加负偏压Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第五节电力电子器件的驱动典型全控型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路理想GTR基极驱动电流波形GTR驱动电路要求：基极驱动电流幅值和上升率－－高开通后降低基极电流－－进入准饱和区关断需加负基极电流，关断后基极施加负偏压Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第五节电力电子器件的驱动典型全控型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路MOSFET、IGBT驱动电路要求：驱动电路输出阻抗－－小关断后门极施加负偏压Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护保护包括： 过电压 过电流

过热 du/dt di/dt

保护目的： 使电力电子器件工作在安全区

Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件一、过电压的产生及电压保护1、产生原因：外因过电压和内因过电压外因过电压：网侧开关引起的冲击电压，雷击等。内因过电压：器件关断时的电流变化在电感上的感应电势，引起器件过电压。2、解决方法：一般采用RC回路抑制外界冲击电压，或用压敏电阻。第六节电力电子器件的保护Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护RC回路的过压保护Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护二、过电流的产生原因及电流保护

过流会使结温升高，引起器件损坏。1、原因：过载和短路两种原因。2、解决方法：快速熔断器、断路器或过流继电器。也可以采用电子电路进行检测，输出关断器件的保护信号。Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护三、di/dt、du/dt保护缓冲电路

缓冲电路又称为吸收电路。作用：将过大的电压或者电流上升率分流，减轻功率开关器件的电应力。Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护缓冲电路的目的：降低浪涌电压降低dv/dt,di/dt减少器件开关损耗避免二次击穿抑制电磁干扰提高可靠性Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护缓冲电路耗能式缓冲电路馈能式缓冲电路Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护耗能式关断缓冲电路Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护耗能式开通缓冲电路Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护耗能式复合缓冲电路Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护馈能式关断缓冲电路Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护馈能式开通缓冲电路Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第六节电力电子器件的保护馈能式复合缓冲电路Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一章小结电力电子技术、变流技术、电力变换、电力电子学。第一章1．几个概念主电路、半控型器件、全控型器件、不可控型器件2．电力电子器件的特点（1）

功率参数是主要参数（2）

工作在开关状态，动态特性是主要参数（3）

由弱电控制强电（4）

采取散热措施Copyright©2004PEMC.BIT.Allrightsreserved.第一章电力电子器件第一章小结

SCRGTRGTOPowerMOSFETIGBT符号

结构特点四层三端