1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管 1.4 全控型电力电子器件 1.5 电力电子器件的驱动1.6 电力电子器件的保护第1章 电力电子器件与保护1.1 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 电力电子器件组成的应用系统 1.1.3 电力电子器件的分类1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件 1.概念 1）主电路（Power Circuit）-在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）电力电子器件（Power Electronic Device） -可以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。 2.分类 R 不可控器件（电力二极管等） R 半控型器件（普通晶闸管SCR等） R 全控型器件（GTR,GTO,IGBT,Power MOSFET等）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。3.同处理信息的电子器件相比的一般特 征：1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子 器件的损耗通态损耗断态损耗开关损耗驱动损耗开通损耗关断损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 电力电子器件组成的应用系统u 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路构成的一个完整的系统。 1.1.2 电力电子器件组成的应用系 统u 我们通常将电力电子系统简单的分为主电路和控制电路。主电路中的电压和电流都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处；检测电路与主电路的连接处，一般都需要进行电气隔离，通常采用光电转换、磁电转换等技术手段来传递信号。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。控制电路检测 电路驱动 电路RL主电路V1V2保护 电路控制电路电气隔离在主 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。1.1.2 电力电子器件组成的应用系 统1.1.3 电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度 分为下列三类：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。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（IGBT,MOSFET)-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。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端 之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件 分为电流驱动型和电压驱动型两类： v 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。 v 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。1.1.3 电力电子器件的分类1.2 不可控器件电力二极 管 1.2.1 电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性与参数一、电力二极管的伏安特性二、电力二极管的开关特性三、电力二极管的主要参数1.2.1 电力二极管的工作原 理 基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 是一样的。 由一个面积较大 的PN结和两端引 线以及封装外壳 组成。 从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 PN结的状态状态 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1.2.1 电力二极管的工作原 理1.2.1 电力二极管的工作原 理二极管的基本原理就在于PN结的 单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式)p 雪崩击穿p 齐纳击穿均可能导致热击穿(永久性击穿） 电力二极管与信息电子电路中的普通二极管 的区别 u 由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。 1.2.1 电力二极管的工作原 理1.2.2 电力二极管的基本特性与参 数 一、静态特性（伏安特性）图1-3 电力二极管的伏安特性门槛电压UTO，正向电 流IF开始明显增加所 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 。承受反向电压时，只 有微小而数值恒定的 反向漏电流IRR。反向击穿电压UB1.2.2 电力二极管的基本特性与 参数 二、 动态特性（开关特性）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。a)FUFtFt0trr tdtft1t2tURURPIRPdiF dtdiR dtb)UFPu iiFuFtfrt02V图1-4 电力二极管的动态过程波形 （a) 正向偏置转换为反向偏置 （b) 零偏置转换为正向偏置电力二极管的电压-电流特性是随时间变化的关断过程须经过一段短暂的时间才能重新 获得反向阻断能力，进入截止状 态。 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 。开通过程：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 。IFUFtFt0trr tdtft1t2tURURPIRPdiF dtdiR dt图1-4(a)关断过程UFPuiiFuFtfrt02V图1-4(b)开通过程1.2.2 电力二极管的基本特性与 参数电力二极管的应用范围很广，我们主要常见的有以下几种类型。普通二极管普通二极管又称为整流二极管（Rectifier Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路中，其反向恢复时间在5s以上，额定电流可达数千安培，额定电压达数千伏以上。1.2.2 电力二极管的基本特性与参 数1.2.2 电力二极管的基本特性与参 数快恢复二极管反向恢复时间在5s以下的称为快恢复二极管（Fast Recovrery Diode简称为FRD）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数ns以上，后者的反向恢复时间则在100ns以下，多用于高频整流和逆变电路中。肖特基二极管反向恢复时间为1040ns，反向耐压在200V以下。多用于高频小功率整流或高频控制电路。三、电力二极管的主要参数 1、额定正向平均电流IF(AV)器件长期运行在规定管壳温度和散热条件下允许流过 的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发 热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电 流定额，并应留有一定的裕量。2、正向压降UF指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压（又称管压降）。1.2.2 电力二极管的基本特性与参 数3、反向重复峰值电压URRM指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压 ）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照电路 中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选定此项 参数。4、反向漏电流IRR指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。5、最高工作温度TJM指器件中PN结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175范围内。1.2.2 电力二极管的基本特性与 参数1.3 半控型器件-晶闸管 1.3.1 晶闸管的结构及工作原理一、晶闸管的结构二、晶闸管的工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数一、晶闸管的伏安特性二、晶闸管的主要特性参数1.3 半控型器件-晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled RectifierSCR），也 称为可控硅，是能够承受高电压、大电流的半控 型电力电子器件。 q 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。q 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品 。q 1958年开始商业化。q 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的新时代。q 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。q 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。1.3 半控型器件-晶闸管 晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管 （SCR），但随着电力电子技术的发展。晶闸管还应包括许多类型的派生器件。包 括快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（ TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。在本书中所说的晶闸管都是指普通晶闸管。1.3.1 晶闸管的结构及工作原理 普通晶闸管也可称为可控硅整流管（ Silicon Controlled Rectifier）简称SCR。 耐压高、电流容量大（目前可以达到 4.5KA/6.5KV），开通的可控性。 已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调 压、直流变换等领域。 是低频（200HZ以下）、大功率变流装置 中的主要器件。 1.3.1 晶闸管的结构及工作原理一、晶闸管的结构图15 晶闸管的外形及图形符号 图15（e）图形符号 晶闸管有三个电极，它们分别是 阳极A、阴极K和 门极G（或称为 栅极）,图15（a）小电流塑封式图15（d）大电流平板式 额定电流在200A以上图15（c）大电流螺拴式 额定电流在200A以上图15（b）小电流螺拴式按照外形封装形式可分为1.3.1 晶闸管的结构及工作原理图16 晶闸管所使用的散热器 晶闸管是大功率器件， 工作时将产生大量的热量 ，因此，必须安装散热器 。螺旋式晶闸管可以紧栓 在铝制散热器上，采用自 然散热冷却方式，如图1 6（a）所示。平板式晶 闸管由两个彼此绝缘的散 热器紧紧的夹在中间，散 热方式可以采用风冷或水 冷，以获得较好的散热效 果，如图16（b）、（c ）所示。1.3.1 晶闸管的结构及工作原理二、晶闸管的工作原理由于通过门极我们可以控制晶 闸管的开通；而通过门极我们不 能控制晶闸管的关断，因此，晶 闸管才被我们称为半控型器件。图17 晶闸管的管芯结构和等效电路 按照等效电路和晶体管 的工作原理，我们可列出如下方 程：IC11IAICO1 (11)IC22IKICO2 (12) IKIAIG (13)IAIC1IC2 (1 4) 1IC1/IA、2IC2/IK分别是 晶体管V1和V2的共基极接法的电流 放大倍数，ICO1和ICO2则分别是V1 和V2的共基极漏电流。推出： （1-5） 1.3.1 晶闸管的结构及工作原 理在低发射极电流下 是很小的，而当发射 极电流建立起来之后， 迅速增大。阻断状态：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。饱和导通：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实际由外电路决定。1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管导通的必要条件是：Y 必须在晶闸管的阳极、阴极加上正向电压。Y 必须在门极和阴极之间加上正向门极电压，也称为触发电压。Y 流过晶