电子技术的基础电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电子器件：晶体管和集成电路电路电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分类分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要参数要参数以及选择和使用中应注意问题。第第1章章 电力电子器件电力电子器件1电力电子器件(912)课件第第1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述1.2 1.2 不可控器件不可控器件不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力二极管电力二极管1.3 1.3 半控型器件半控型器件半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管1.41.41.41.4典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.6 1.6 电力电子器件的驱动及保护电力电子器件的驱动及保护电力电子器件的驱动及保护电力电子器件的驱动及保护本章作业本章作业本章作业本章作业2电力电子器件(912)课件1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类返回返回返回返回3电力电子器件(912)课件1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1 1）概念）概念: :电力电子器件电力电子器件（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（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 2）分类）分类: : 电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）（）4电力电子器件(912)课件 3）同处理信息的电子器件相比，具有如下特征：同处理信息的电子器件相比，具有如下特征：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。1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征5电力电子器件(912)课件电力电子器件的损耗：电力电子器件的损耗：电力电子器件的损耗：电力电子器件的损耗： 1.1.1 电力电子器件的概念和特征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，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。返回返回返回返回6电力电子器件(912)课件1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子系统电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。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图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制信号返回返回返回返回7电力电子器件(912)课件 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分三类：按照器件能够被控制的程度，分三类：不可控器件不可控器件( (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。半控型器件（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（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。8电力电子器件(912)课件按照驱动电路信号的性质，分两类：按照驱动电路信号的性质，分两类：电流驱动型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电力电子器件的分类9电力电子器件(912)课件按照电子和空穴两种载流子参与导电的情况，分三类：按照电子和空穴两种载流子参与导电的情况，分三类：单极型器件单极型器件双极型器件双极型器件复合型器件复合型器件 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类返回返回返回返回10电力电子器件(912)课件1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 基本结构及工作原理基本结构及工作原理 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型返回返回返回返回11电力电子器件(912)课件 基本结构及工作原理基本结构及工作原理基本结构及工作原理基本结构及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、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号12电力电子器件(912)课件 基本结构及工作原理基本结构及工作原理基本结构及工作原理基本结构及工作原理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)雪崩击穿齐纳击穿（均可导致热击穿）返回返回返回返回13电力电子器件(912)课件 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1）静态特性：）静态特性：主要指其伏安特性伏安特性门门槛槛电电压压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正向向电电压压降降UF 。承受反向电压时，只有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14电力电子器件(912)课件2）动态特性）动态特性 电力二极管在三种工作状态之间转换的时候都会经历一个过渡过程。电力二极管在三种工作状态之间转换的时候都会经历一个过渡过程。 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 二极管的电压二极管的电压- -电流特性随时间变化的电流特性随时间变化的 结电容的存在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电力电子器件(912)课件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)开通过程 开通过程开通过程： 关断过程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。图1-5(b)关断过程IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtUFPuiiFuFtfrt02V 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性返回返回返回返回16电力电子器件(912)课件电力二极管主要参数电力二极管主要参数电力二极管主要参数电力二极管主要参数1)正向平均电流正向平均电流IF(AV)2)正向压降正向压降UF3)反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM4)反向恢复时间反向恢复时间trr5)最高工作结温最高工作结温TJM6)浪涌电流浪涌电流IFSM返回返回返回返回17电力电子器件(912)课件电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型常见电力二极管：1)普通二极管2)快（速）恢复二极管3)肖特基二极管（SBD）：以金属与半导体表面的适当接触形成势垒为基础，呈现类似于PN结的非线形特性。返回返回返回返回18电力电子器件(912)课件1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管引言引言1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件返回返回返回返回19电力电子器件(912)课件晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）1.3 引言引言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发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。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。返回返回返回返回20电力电子器件(912)课件1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作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，能与散热器紧密联接且安装方便。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、结构和电气符号a)外形b)结构c)电气符号1)SCR的结构21电力电子器件(912)课件1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理管芯：四层三端的芯片（主要部件，决定SCR的性能）管壳：保护管芯散热器：把热量传递给冷却介质引线：阳极、阴极、门极（P2区引出）22电力电子器件(912)课件2）SCR工作原理vSCR二极管模型及阻断特性当uAK0时，J1,J3正偏，J2反偏，称为正向阻断。GJ1AKJ3J2PNPNNP1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理23电力电子器件(912)课件vSCR的双晶体管模型及工作原理1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理SCR的开通：1)在晶闸管阳极与阴极间施加正向阳极电压，IG=0时，正向阻断状态；2)给门极注入触发电流IG，将形成强烈的正反馈，使两管饱和导通，撤去IG，则管子仍保持导通。24电力电子器件(912)课件根据晶体管的工作原理，得根据晶体管的工作原理，得：从而，1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理（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。 阻阻断断状状态态：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。开开通通状状态态：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。25电力电子器件(912)课件SCR的关断：减少IA或增大R，使IAIG1IG27电力电子器件(912)课件（2）反向特性反向特性1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反反向向特特性性类类似似二二极极管管的的反反向向特性。特性。反反向向阻阻断断状状态态时时，只只有有极极小小的反相漏电流流过。的反相漏电流流过。当当反反向向电电压压达达到到反反向向击击穿穿电电压压后后，可可能能导导致致晶晶闸闸管管发发热热损坏。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IG2IG1IG28电力电子器件(912)课件2） 动态特性（了解）动态特性（了解）1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1) 开通过程延迟时间延迟时间td (0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开开通通时时间间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返回返回返回返回29电力电子器件(912)课件1）电压定额）电压定额（1）断态不重复峰值电压）断态不重复峰值电压Udsm （2）断态重复峰值电压）断态重复峰值电压Udrm（3）反向不重复峰值电压）反向不重复峰值电压Ursm（4）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压Urrm （5）通态（峰值）电压）通态（峰值）电压Utm（6）额定电压）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额定电压。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23倍。1.3.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数30电力电子器件(912)课件 2）电流定额）电流定额（1）通态平均电流）通态平均电流IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过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最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。 IT(AV） 的计算：的计算：公式：公式：举例：举例：1.3.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数31电力电子器件(912)课件（2） 维持电流维持电流 I IH H 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 （3）擎住电流擎住电流 I IL L 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。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常I IL L约为约为I IH H的的2424倍倍（4）浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。1.3.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数32电力电子器件(912)课件3）动态参数）动态参数（1）开通时间）开通时间tgt：从门极加触发脉冲到：从门极加触发脉冲到SCR进入导通所需要的时间。进入导通所需要的时间。（2）关断时间）关断时间tq ：SCR由通态到断态所需要的时间间隔。由通态到断态所需要的时间间隔。（3）断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，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通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。1.3.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数返回返回返回返回33电力电子器件(912)课件1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor 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。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。34电力电子器件(912)课件2 2）双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件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不用平均值而用有效值来表示其额定电流值示其额定电流值。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35电力电子器件(912)课件1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3)逆逆导导晶晶闸闸管管（Reverse Conducting ThyristorRCT）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、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36电力电子器件(912)课件1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件4)光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）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。因此目前在高压大功率的场合。返回返回返回返回37电力电子器件(912)课件1.4 典型全控型器件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返回返回返回返回38电力电子器件(912)课件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTOGate-Turn-OffThyristorGTO1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构结构：与普通晶闸管的相相同同点点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。见图1-13电气符号：KAG39电力电子器件(912)课件工作原理工作原理：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的导通过程与SCR相似，经过一个正反馈过程，不同之处是 1 1+ + 2 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 1+ + 2 2 0uGSuT关断条件：uGS=048电力电子器件(912)课件2）电力）电力MOSFET的特点的特点 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力电力电力MOSFETMOSFET单极型，用栅极电压来控制漏极电流。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。返回返回返回返回49电力电子器件(912)课件 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBTGTR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。v两类器件取长补短结合而成的复合器件IGBTv结构：IGBT是以GTR为主功率元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构。v电气符号:E50电力电子器件(912)课件 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT IGBT的原理的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：u uGEGE大于开开启启电电压压U UGE(th)GE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关关断断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。51电力电子器件(912)课件IGBT的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。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，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT返回返回返回返回52电力电子器件(912)课件 1.5 其他新型电力电子器件（自学、了解）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集成门极换流晶闸管IGCT功率模块与功率集成电路返回返回返回返回53电力电子器件(912)课件 1.6 电力电子器件的驱动及保护电力电子器件的驱动及保护1 1）驱动电路）驱动电路驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。54电力电子器件(912)课件1.6 电力电子器件的驱动及保护电力电子器件的驱动及保护驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气气隔隔离离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器55电力电子器件(912)课件 2 2）晶闸管的触发电路）晶闸管的触发电路作作用用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。SCR触发电路应满足下列要求触发电路应满足下列要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。触发脉冲应与主电路电源电压同步，并能在一定范围内移相。 1.6 电力电子器件的驱动及保护电力电子器件的驱动及保护IIMt1t2t3t4图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）56电力电子器件(912)课件常见触发脉冲波形常见触发脉冲波形：尖脉冲尖脉冲矩形脉冲矩形脉冲强触发脉冲强触发脉冲全控型器件的驱动电路：全控型器件的驱动电路： （了解）（了解）电流驱动型：电流驱动型：GTO, GTR电压驱动型：电压驱动型：MOSFET, IGBT 1.6 电力电子器件的驱动及保护电力电子器件的驱动及保护57电力电子器件(912)课件 3 3）电力电子器件的保护）电力电子器件的保护）电力电子器件的保护）电力电子器件的保护 过电压保护过电压保护过电压保护过电压保护 过电流保护过电流保护过电流保护过电流保护 du/dt du/dt 保护（断态电压临界上升率）保护（断态电压临界上升率）保护（断态电压临界上升率）保护（断态电压临界上升率） di/dt di/dt 保护保护保护保护 （通态电流临界上升率）（通态电流临界上升率）（通态电流临界上升率）（通态电流临界上升率） 1.6 电力电子器件的驱动及保护电力电子器件的驱动及保护缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。实际应用中，实际应用中，SCR一般采用一般采用RC吸收电路，以抑制换相过程中产吸收电路，以抑制换相过程中产生得过电压。生得过电压。RC吸收电路：适用于小容量器件吸收电路：适用于小容量器件RCD吸收电路：中、大容量器件吸收电路：中、大容量器件返回返回返回返回58电力电子器件(912)课件本章作业本章作业P42:1,2,3,4返回返回返回返回59电力电子器件(912)课件