2 电力电子器件概述,学习目的： 了解电力电子器件概念、特点和分类 掌握主要电力电子器件的外特性及电压、电流和开关速度等性能。 通过分析功率半导体器件的基本特性，将其简化为理想的开关模型。 采用器件的理想开关模型，可使课程第二部分中对于电能变换器的分析变得更加简明和容易。 功率半导体器件的物理结构、详细特性及驱动和保护电路将在课程的第四部分中深入学习。,电力电子器件，又称功率半导体器件，是电力电子电路（变流技术）的基础,2.1 电力电子器件的特征和分类,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device） 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（Main Power Circuit） 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）分类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅）,3）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 电力电子器件能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。,电力电子器件主要指半导体功率开关器件,半导体功率开关与普通半导体器件有何区别?,通态损耗 Won 断态损耗 Woff 开关损耗 WSW 开通损耗 关断损耗,电力电子器件的损耗,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，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。,2.1.2 电力电子系统的组成,电力电子器件在实际应用中的系统组成,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,V,1,V,2,保护电路,电气隔离,控制电路,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。,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,2.1.3 电力电子器件的分类,半控型器件（Thyristor） 通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（GTO,GTR,MOSFET,IGBT) 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。 不可控器件(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,电流驱动型 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。,电压驱动型 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。,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,从发展历程上看：首先开发了二极管，之后是晶闸管和晶体管系列器件。,2.2 电力二极管,整流二极管及模块,电力二极管结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。,A阳极 K阴极,2.2.1 电力二极管的静态特性,正向偏置时导通，导通压降很小（1V） 反向偏置时关断，只流过很小的（可忽略）漏电流。 正常工作时，反偏电压不应超过击穿电压。,静态特性主要指伏安特性,理想化的特性可用来分析变换器的拓扑结构，但不能用作实际变换器的设计. （如，实际应用中应考虑器件损耗和散热问题等）,2.2.2 电力二极管的动态特性,动态特性指开通和关断过程的特性。,开通时，导通速度快（与电路动态过程相比），可近似为理想开关。 然而关断时，在电流降到零（并稳定）之前出现反向恢复电流（对应时间为反向恢复时间trr)。 该反向恢复电流用于抽取二极管中存储的大量少子以达到反向偏置的稳态（即反向阻断状态）。 在感性电路中，反向恢复电流会引起过压；在多数电路中，影响不大。所以，关断过程也可认为是理想的,1) 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 其反向恢复时间较长，一般在5s以上 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路（如工频整流电路） 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高（几千安，几千伏）,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同来区分二极管不同的类型。,2.2.3 电力二极管的主要类型,3）肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 正向压降低（典型0.3V) 用于输出电压非常低的电路 反向耐压能力较低，为50100伏,器件说明书,2）快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 简称快速二极管 其反向恢复时间较短，一般在5s以下 用于高频电路中 正向电流定额和反向电压定额为几百安和几百伏,2.3 晶闸管,晶闸管（Thyristor）： 即晶体闸流管，又称可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCR） 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，标志着电力电子技术的诞生。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。（半控型器件）,包括两大类器件：,晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。(全控型器件） GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,门极可关断晶闸管: （Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,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,2.3.1 晶闸管,晶闸管的静态特性,A阳极K阴极G门极,晶闸管正常工作时的特性总结如下： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 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。 半控型器件,主要参数： 正向和反向阻断电压 最大电流和平均电流,晶闸管的动态特性,器件说明书,课间,为了可靠关断，施加反压的时间应大于tq,(1) 普通晶闸管（SCR) 也称相控晶闸管，常用于工频相控整流 功率等级高，通态压降低（典型值：5000V，4000A，通态压降2V）,(2) 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST) 包括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。） 常用于中高频（400Hz和10KHz以上）的斩波或逆变电路中。不足在于其电压和电流定额都不易做高。（典型值：2500V，1500A）,晶闸管的种类,(3) 双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,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,可认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。 常用于交流电力控制电路中,(4) 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,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,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。 具有正向压降小、关断时间短等优点。 可用于不需要阻断反向电压的电路中,(5)光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,光控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,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，且可避免电磁干扰的影响。 常应用在高压大功率的场合。,与晶闸管相似，GTO在承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下才能开通，导通后可自锁保持而不需要门极电流 。,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO）,2.3.2 门极可关断晶闸管,A阳极 K阴极 G门极,晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。（全控型器件） GTO的通态压降（23V）比晶闸管略高。 GTO开关速度为几微妙到几十微妙，开关频率在数百Hz到10KHz间。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近（可达数KV,和数KA），因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,与晶闸管不同，GTO关断时，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。关断时所需负的门极脉冲电流幅值很高，常达到被关断的阳极电流的1/3。,包括：电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。都属于全控型器件。,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,2.4 功率晶体管,2.4.1 电力晶体管,电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。 是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,过渡产品 是晶体管类电力电子器件的基础,开通时，基极电流应足够大， , 使器件进入饱和导通状态。 电流控制型器件，必须持续施加基极电流以维持导通。 导通压降较小（12V），通态损耗小。,C集电极 E发射极 B基极,BJT在关断时有明显的存储时间，典型的开关时间在几百ns到几s之间。 功率等级可达到：1400V，数百A 。,大功率GTR的直流电流增益hFE比小功率的晶体管小得多，通常为5-10左右，经常采用达林顿接法来增大电流增益。,2.4.2 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,电力场效应晶体管,开通时，VGSVGS(th)（开启电压），使器件进入饱和导通状态。 电压控制型器件，必须持续施加栅极源极电压以维持导通。 需要的驱动功率小（只在开关过程中门极电容充放电时有门极电流），控制方便。但通态电阻较高。,D漏极 S源极 G栅极,开关速度快，工作频率高。（开关时间：数十ns数百ns） 电流容量小，耐压低（1000V以下） 最大栅源电压20V。,器件说明书,2.4.3 绝缘栅双极晶体管,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT） GTR和MOSFET两种器件取长补短结合而成的复合器件，同时具备这两种器件的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,与MOSFETL类似，IGBT是电压控制型器件，门极输入阻抗高，所需驱动功率小。 与GTR类似，IGBT具有较小的通态压降。 与GTO类似，IGBT具有阻断反向电压的能力。 开关速度快，工作频率高。（开关时间：us级） 功率等级可达到：2-3KV，1-2KA,(a),1.电力电子开关器件的性能比较,新器件仍在不断研发 器件发展趋势是更大的功率、更快的速度和更小的损耗,2.5 器件的应用问题,2. 电力电子开关器件的应用准则,通态电压和通态电阻表明器件的导通损耗。 开关时间表明了器件的开关损耗及允许的最高