《電力電子器件》PPT課件.ppt

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1、1,第1章 電力電子器件,1.1 概 述 1.2 電力二極管 1.3 晶閘管及其派生器件 1.4 門極可關(guān)斷晶閘管 1.5 電力晶體管 1.6 功率場效應(yīng)晶體管 1.7 絕緣柵雙極晶體管 1.8 其他新型電力電子器件,2,1.1.1 電力電子器件的概念與特征 1.1.2 電力電子器件的基本類型 1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化 1.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域 1.1.5 本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點,1.1 概 述,3,電力電子器件： 專指直接用于主電路，實現(xiàn)電能的變換或控制的半導(dǎo)體器件。,主電路： 在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能變換或控制的電路。,,控制電路,電氣隔離,（1）

2、基本概念,1.1.1 電力電子器件的概念與特征,4,電力電子器件處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于信息處理中的電子器件。 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制（或稱為驅(qū)動）。 電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都需要安裝散熱器（自然風(fēng)冷、強迫風(fēng)冷、水冷等）。,1.1.1 電力電子器件的概念與特征,（2）主要特征,5,1.1.1 電力電子器件的概念與特征,（3）電力電子器件的功率損耗,功率損耗主要包括：通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關(guān)損耗。 通態(tài)損耗是通態(tài)電流與通態(tài)（管）壓降作用的結(jié)果。 斷態(tài)損耗是斷態(tài)（漏）電流與斷態(tài)電壓作用的結(jié)果。 開關(guān)損耗又包括：開

3、通損耗和關(guān)斷損耗，是開關(guān)過程中電壓與電流作用的結(jié)果。 因斷態(tài)漏電流極小，一般認(rèn)為通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要因素。 當(dāng)器件工作頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為電力電子器件功率損耗的主要因素。,6,不可控器件（如：電力二極管SR） 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路，外電路決定通斷。 半控型器件（如：晶閘管SCR） 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。 全控型器件（如：電力場效應(yīng)管，絕緣柵雙極晶體管） 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。,1.1.2 電力電子器件的基本類型,（1）按照器件被控程度分為三類,7,電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽

4、出一定的電流，實現(xiàn)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷控制。如SCR、GTO、GTR等。 電壓控制型 僅通過在器件控制端和公共端之間施加一定的電壓信號，實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷控制。如MOSFET、IGBT等。,1.1.2 電力電子器件的基本類型,（2）可控器件按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分為兩類,8,單極型器件 只有一種載流子參與導(dǎo)電。如MOSFET。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。如GTO、GTR 混合型器件 由單極型器件與雙極型器件通過集成而構(gòu)成的復(fù)合型器件。如IGBT。,1.1.2 電力電子器件的基本類型,（3）按照器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電情況分為三類,9,1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化,（1）電力電

5、子器件模塊化與集成化的研發(fā)是目前重要的發(fā)展方向。 （2）模塊化與集成化不僅可減小裝置尺寸，更重要的是提高了裝置的安全性與可靠性，縮短了裝置的設(shè)計研發(fā)周期。 （3）特別值得一提的是智能功率模塊（IPM），該功率模塊同時具有驅(qū)動、控制、保護等功能，整體性能大為提高。 （4）目前，在裝置研發(fā)中優(yōu)先選用模塊化器件。,10,1.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域,詳見教材第9頁圖1-1,,11,集中介紹典型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇和使用中應(yīng)注意的一般問題。 簡單介紹電力電子器件的驅(qū)動、保護以及串、并聯(lián)使用等特殊問題。,1.1.5 本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點,（1）核心內(nèi)容,了解典型器件的基本特性

6、曲線。 掌握典型器件主要參數(shù)的含義。 學(xué)會典型器件的合理選用。,（2）學(xué)習(xí)要點,12,1.2.1 PN結(jié)的工作原理 1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1.2.4 電力二極管的主要類型,1.2 電力二極管,13,二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征,1.2.1 PN結(jié)的工作原理,（1）PN結(jié)的狀態(tài),（2）PN結(jié)的反向擊穿,包括雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。 均可能導(dǎo)致PN結(jié)熱擊穿，造成二極管永久損壞。,14,1.2.1 PN結(jié)的工作原理,（3）PN結(jié)的電容效應(yīng),PN結(jié)的電荷量隨外加電壓的變化而變化，呈現(xiàn)出電容效應(yīng)，稱之為結(jié)電容，又稱為微分電

7、容。 結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的不同又分為勢壘電容CB和擴散電容CD。 結(jié)電容的存在主要影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速開關(guān)狀態(tài)時其影響顯得更為突出。,15,基本結(jié)構(gòu)和基本特性與信息電子中討論的二極管相同。 內(nèi)部由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及外部封裝組成。 外型主要有螺栓型、平板型和模塊型三種封裝形式。,,1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性,16,,1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性,電力二極管原理和結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就得到了廣泛的應(yīng)用。,17,主要指伏安特性 門檻電壓UTO：正向電流IF開始明顯增加時所對應(yīng)的電壓。 正向管壓降UF ：與IF對應(yīng)的二極管兩

8、端電壓。 承受反向電壓時，正常情況下只有微小且數(shù)值基本恒定的反向漏電流。 當(dāng)反向電壓達到一定數(shù)值時（ UBR ），則會造成反向擊穿。,1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性,,電力二極管的伏安特性,（1）靜態(tài)特性,18,1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性,（2）動態(tài)特性,開通過程 正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨近于某一穩(wěn)態(tài)壓降值（ 12V）。 正向恢復(fù)時間tfr。 電流上升率越大，UFP過沖越高。,19,1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性,（2）動態(tài)特性,關(guān)斷過程 須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止?fàn)顟B(tài)。 關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的

9、反向電壓過沖。,延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf,影響開關(guān)速度的主要因素是反向恢復(fù)時間。,20,為電力二極管的電流定額。 定義為：在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，允許長期流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)根據(jù)有效值相等的原則來選取電流定額，并考慮留有一定的裕量。計算方法在SCR時再說明。 舉例：計算正弦半波電流有效值與平均值的比值。,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),（1）正向平均電流 IF(AV),21,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),例：計算正弦半波電流有效值與

10、 平均值的比值。,解：,即：,22,（2）正向通態(tài)管壓降 UF 在規(guī)定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。顯然，UF 越小越好。 （3）反向重復(fù)峰值電壓 URRM 為電力二極管的電壓定額。 定義為：電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 使用時為安全起見應(yīng)當(dāng)留有23倍的裕量。 （4）反向恢復(fù)時間 trr= td+ tf,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),23,（5）最高工作結(jié)溫 TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度，通常在125175C范圍之內(nèi)。 （6） 浪涌電流 IFSM 指電力二極管所能承受最大的連

11、續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),24,（1）普通二極管 又稱整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高（一般在1kHz以下）的整流電路。 其反向恢復(fù)時間較長（一般為幾十微秒）。 正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高（一般達數(shù)千安培、數(shù)千伏特以上）。,1.2.4 電力二極管的主要類型,25,（2）快恢復(fù)二極管 簡稱快速二極管 從性能上又可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒至幾微秒，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。 管壓降較低（約為0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下，低于普通二極管。,1.2.4 電力二極管的主要類型,26,（3

12、）肖特基二極管 肖特基二極管的優(yōu)點 反向恢復(fù)時間很短（1040ns）。 正向恢復(fù)過程中沒有明顯的電壓過沖。 正向壓降為0.30.6V，明顯低于快恢復(fù)二極管，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。 肖特基二極管的弱點 反向耐壓偏低，多用于200V以下場合。 反向漏電流的溫度敏感性很強，使用中必須嚴(yán)格限制其工作溫度。,1.2.4 電力二極管的主要類型,27,1.3 晶閘管及其派生器件,1.3.1 簡介 1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù) 1.3.4 晶閘管的派生器件,28,1.3.1 簡 介,又稱為可控硅整流器（Silicon Controlled Re

13、ctifier） 簡稱為可控硅（縮寫為SCR） 1956年由美國貝爾實驗室發(fā)明。 1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，且于1958年商業(yè)化。 晶閘管的誕生，開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。 20世紀(jì)80年代以來，開始部分被全控型器件所取代。 晶閘管受壓和通流的能力最高，工作可靠，應(yīng)用成熟，在大容量的場合仍占有重要的不可替代的地位。,晶閘管是晶體閘流管（Thyristor）的簡稱,29,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,螺栓型封裝，通常螺栓一端是陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。 平板型晶閘管使用時是由兩個散熱器將其夾在中間。 模塊使用時，金屬底面（一般

14、為銅質(zhì)）要與散熱器緊密接觸，使元件內(nèi)部的熱量有效導(dǎo)出。,（1）符號及外形,為三端四層元件，三端分別為陽極 A、陰極 K 和控制極 G。 外形有螺栓型、平板型和模塊型三種封裝形式。,圖形符號,四層結(jié)構(gòu),30,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）符號及外形,31,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）符號及外形,32,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）符號及外形,33,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）符號及外形,34,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）符號及外形,35,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,式中：1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；

15、 ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。,按晶體管工作原理 ，可得：,整理得 ：,（2）工作原理分析,而且：,,,晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,36,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理, 1 與 2數(shù)值與發(fā)射極電流有關(guān)，當(dāng)發(fā)射極電流很小時，其數(shù)值小于0.1；當(dāng)發(fā)射極電流上升時，（ 1+ 2）近似等于1； 共基極漏電流很小，有時可以忽略不計； 當(dāng)IG = 0，陽極電流近似為0，處于阻斷狀態(tài)； 當(dāng)控制極注入觸發(fā)電流，正反饋作用使晶閘管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，陽極電流由外電路決定，此時控制極電流失去作用。 器件關(guān)斷需依靠外電路的輔助作用，使陽極電流減

16、小到一定數(shù)值。,（3）原理說明,37,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值，造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率du/dt 過高 結(jié)溫較高 反向電壓過高 只有門極觸發(fā)才是精確、迅速而可靠的控制手段 。,（4）晶閘管其他幾種非正常導(dǎo)通的情況,38,1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管在承受反向電壓時，不論控制極是否有觸發(fā)電流都不會導(dǎo)通。 晶閘管承受正向電壓時，僅在控制極有觸發(fā)電流的情況下才能開通。 晶閘管一旦導(dǎo)通控制極就失去控制作用。 要使晶閘管關(guān)斷，只能使流過晶閘管的電流減小到接近于零的某一數(shù)值 。 顯然，晶閘管為電流控制型器件。,（5）晶閘管開通及關(guān)斷條件,39,1.

17、3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),正向特性 IG=0時，當(dāng)器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，此為正向阻斷狀態(tài)。 正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓UDB，則漏電流急劇增大，器件非正常開通。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓相應(yīng)降低。 晶閘管一旦導(dǎo)通，其正向?qū)▔航岛苄。s為1V左右。,,（1）靜態(tài)特性,40,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),反向特性 反向特性類似于二極管的反向特性。 反向呈阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流。 當(dāng)反向電壓達到反向擊穿電壓后，電流急劇增加，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱而永久損壞。,,（1）靜態(tài)特性,41,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),開通過程 延遲時間td ： (

18、約為0.51.5s) 上升時間tr ： (約為0.53s) 開通時間ton為以上兩者之和： ton=td+tr,,（2）動態(tài)特性,42,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),關(guān)斷過程 反向恢復(fù)時間trr 門極恢復(fù)時間tgr 關(guān)斷時間toff 為以上兩者之和： toff =trr+tgr 普通晶閘管的關(guān)斷時間約為幾百微秒。,,（2）動態(tài)特性,,43,選用注意,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。,取UDRM與URRM中

19、較小值作為晶閘管的電壓定額。 選用時應(yīng)留有裕度，一般取正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。,（3）電壓定額,通態(tài)（峰值）電壓UT（簡稱管壓降） 晶閘管通以額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。,44,選用注意,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),通態(tài)平均電流 IT(AV）： 在環(huán)境溫度為 40C 和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時，將所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值，標(biāo)稱為晶閘管的額定電流。,（4）電流定額,使用時應(yīng)根據(jù)實際通過電流的波形，按有效值相等（即等效發(fā)熱）的原則來選取。 并需留有一定的裕量。,45,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),（4）電流定額,維持電流 IH

20、： 能使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小陽極電流。 擎（掣）住電流 IL： 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持繼續(xù)導(dǎo)通所需的最小電流。 通常I L=（ 24 ）I H,（5）門極定額,包括門極觸發(fā)電壓 U GT 與門極觸發(fā)電流 I GT。 注意同一型號的器件存在較大的離散性。,46,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),（6）動態(tài)參數(shù),斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt ： 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換為通態(tài)的外加電壓最大上升率。 由于結(jié)電容的存在，當(dāng)電壓上升率過大使充電電流足夠大時，將會使晶閘管誤導(dǎo)通 。,除了開通時間 ton 和關(guān)斷時間 toff 外，動態(tài)參數(shù)還包

21、括：,47,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),（6）動態(tài)參數(shù),通態(tài)電流臨界上升率di/dt ： 指在規(guī)定條件下，晶閘管所能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 晶閘管導(dǎo)通時，電流在管芯硅片上有一個從門極向外擴散的過程，如果電流上升太快，可能造成門極附近局部電流密度過大，使晶閘管過熱而損壞。,48,1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù),設(shè)晶閘管導(dǎo)通時流過的電流波形如下圖所示，,試問：額定電流為100A的晶閘管所能提供的平均電流 Id 及相應(yīng)的電流最大值 Im 分別為多少安？（暫不考慮安全裕度）,（7）有關(guān)晶閘管電流定額的舉例,49,解：,因為額定電流為100A的晶閘管允許通過電流的有效值為15

22、7A，按有效值相等的原則，可得：,即：,而：,思考：若考慮2倍的電流安全裕度情況又如何？,50,（1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor）,1.3.4 晶閘管的派生器件,又分常規(guī)快速晶閘管（400Hz）和高頻晶閘管（10kHz）。 開關(guān)時間以及du/dt 和di/dt 承受能力都有明顯改善。 普通晶閘管關(guān)斷時間約在幾百微秒，常規(guī)快速晶閘管為幾十微秒，高頻晶閘管為10s左右。 快速晶閘管的缺點在于其電壓和電流定額均較普通晶閘管低。 由于工作頻率較高，其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)不容忽視。,51,（2）逆導(dǎo)晶閘管（ Reverse Conducting Thyristor ）,1

23、.3.4 晶閘管的派生器件,將晶閘管反并聯(lián)一只二極管制作在同一個管芯上的功率集成器件。,具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。 僅應(yīng)用于某些特殊場合，如電壓型串聯(lián)諧振逆變電路。,等效圖,伏安特性,圖形符號,52,（3）雙向晶閘管（ Bidirectional triode thyristor ）,1.3.4 晶閘管的派生器件,可認(rèn)為是由兩只普通晶閘管反并聯(lián)集成。 也是三端元件，有兩個主電極T1和T2，一個門極（控制極）G。,等效圖,圖形符號,在第象限和第III象限具有對稱的伏安特性。 因用于交流控制場合，故額定電流不用平均值而用有效值來標(biāo)定。,伏安特性,53,（4）光控晶閘

24、管（ Light Triggered Thyristor ）,1.3.4 晶閘管的派生器件,又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光信號照射觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。,光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的電氣絕緣，并且可有效地避免電磁干擾的影響。 應(yīng)用于高壓大功率的場合，如高壓直流輸電。,圖形符號,54,典型全控器件介紹,1.4 門極可關(guān)斷晶閘管 1.5 電力晶體管 1.6 功率場效應(yīng)晶體管 1.7 絕緣柵雙極晶體管,55,1.4 門極可關(guān)斷晶閘管,1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)簡介 1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理 1.4.3 GTO的主要參數(shù) 1.4.4 GTO的優(yōu)缺點,56,1.4.1 門極

25、可關(guān)斷晶閘管(GTO)簡介,英文名稱：Gate-Turn-Off Thyristor 簡 稱：GTO 實際上是晶閘管的一種派生器件 在門極施加正的脈沖電流可以使其開通，在門極施加負(fù)的脈沖電流可以使其關(guān)斷（即：門極可關(guān)斷）。 GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管相近，因此在兆瓦級以上的大功率場合應(yīng)用較多。,57,1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）GTO的結(jié)構(gòu),與普通晶閘管的相同點： 同為P-N-P-N四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點： GTO是一種多元化的功率集成器件，其內(nèi)部可看成由多個小晶閘管并聯(lián)而成。 這些小晶閘管陽極共用，而門極和陰極獨立，單獨

26、引線后在器件內(nèi)部并聯(lián)再引出。（見下頁圖）,58,1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）GTO的結(jié)構(gòu),各單元的陰極、門極間隔排列的圖形,并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖,圖形符號,59,1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理,（2）GTO的工作原理,與普通晶閘管一樣，GTO仍可用雙晶體管模型來分析。,晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,1+2=1 是器件的臨界導(dǎo)通條件 1+2 1，飽和導(dǎo)通 1+2 <1，關(guān)斷 GTO屬于電流控制型器件 門極電流為正器件導(dǎo)通 門極電流為負(fù)器件關(guān)斷,60,1.4.3 GTO的主要參數(shù),GTO的許多參數(shù)與普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)有著相同的含義，以下

27、僅介紹意義不同的主要參數(shù)： （1）最大可關(guān)斷陽極電流IATO 又稱可關(guān)斷陽極峰值電流，為GTO的額定電流。 （2）電流關(guān)斷增益off 指最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值之比。,即：,61,1.4.4 GTO的優(yōu)缺點,優(yōu)點：耐壓及通流能力強，適于大功率場合。 缺點： off一般較小，僅約為45，結(jié)果使門極關(guān)斷負(fù)脈沖電流較大。 例如一只額定電流為1000A的GTO，關(guān)斷時所需門極負(fù)脈沖電流峰值需要達到200A 左右。 驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 開關(guān)頻率相對較低，一般低于2kHz，但高于普通晶閘管（普通晶閘管的開關(guān)頻率一般低于400Hz）。 需要指出：GTO根據(jù)其應(yīng)用一般都做成逆導(dǎo)

28、型，若需要GTO承受反向電壓，使用時應(yīng)與電力二極管串聯(lián)使用。,62,1.5 電力晶體管,1.5.1 電力晶體管（ GTR ）簡介 1.5.2 GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理 1.5.3 GTR的主要參數(shù) 1.5.4 GTR的優(yōu)缺點 1.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū),63,英文名稱：Giant Transistor 直 譯：巨型晶體管 簡 稱：GTR 本質(zhì)上為：高耐壓大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor） 故又簡稱：BJT,1.5.1 電力晶體管（ GTR ）簡介,64,1.5.2 GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理,GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動

29、 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 共射極接法內(nèi)部載流子的流動,（1）GTR的結(jié)構(gòu),65,1.5.2 GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理,與普通的雙極結(jié)型晶體管工作原理基本一樣。 屬于電流控制型器件。 主要特點是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。 僅工作在晶體管伏安特性的飽和區(qū)或截止區(qū)，即工作在開關(guān)狀態(tài)。,為提高電流放大倍數(shù)，增強控制能力，內(nèi)部通常至少由兩個晶體管采用達林頓接法組成單元結(jié)構(gòu)。,,（2）GTR的工作原理,66,1.5.3 GTR的主要參數(shù),GTR上電壓超過規(guī)定值時將會被擊穿。 擊穿電壓一方面和晶體管本身特性有關(guān)，另一方面還與外電路的接法有關(guān)。,BUCBO BUCEO BUCES

30、BUCER BUCEX,,BUCBO BUCEX BUCES BUCER BUCEO。 實際使用時最高工作電壓UCEM比BUCEO還要低。,（1）最高工作電壓（額定電壓）,67,1.5.3 GTR的主要參數(shù),（2）集電極最大允許電流 ICM （額定電流）,通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)hFE （或稱為）下降到規(guī)定值的（1/21/3）時所對應(yīng)的IC值。 實際使用時還要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一點。,（3）集電極最大耗散功率 PCM,,指最高工作溫度下允許的耗散功率。 因耗散功率等于集電極電流與飽和導(dǎo)通壓降的乘積，當(dāng)最大耗散功率及飽和壓降一定時，也就確定了集電極最大允許電流。,68,1.5

31、.4 GTR的優(yōu)缺點,為電流控制型器件，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 開關(guān)頻率相對較低，一般低于100kHz，但高于GTO（一般低于2kHz）和普通晶閘管（一般低于400Hz）。 存在二次擊穿現(xiàn)象，一旦發(fā)生將使器件永久損壞。,（1）優(yōu)點,耐壓高，通流能力強，適于大功率場合。 開關(guān)特性好，飽和壓降低。,（2）缺點,69,1.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū),（1）一次擊穿,集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大出現(xiàn)的雪崩擊穿稱為一次擊穿。 此時只要集電極電流不超過與最大允許耗散功率相對應(yīng)的限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不會明顯改變。,（2）二次擊穿,一次擊穿發(fā)生后，集電極電流增加

32、達到一定程度后會突然急劇上升，電壓陡然下降，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為二次擊穿。 二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。,70,1.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū),（3）安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）,由集電極最大電流 ICM 、最高工作電壓UCEM、集電極最大耗散功率 PCM 線和二次擊穿臨界線四者限定。 器件生產(chǎn)廠家應(yīng)以圖形方式向用戶提供GTR的安全工作區(qū)。,GTR正向偏置的安全工作區(qū),集電極最大電流,最高工作電壓,集電極最大耗散功率線,二次擊穿臨界線,71,1.6 功率場效應(yīng)晶體管,1.6.1 功率場效應(yīng)晶體管（ MOSFET ）簡

33、介 1.6.2 功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理 1.6.3 功率MOSFET的特性 1.6.4 功率MOSFET的主要參數(shù) 1.6.5 功率MOSFET的優(yōu)缺點,72,1.6.1 功率場效應(yīng)晶體管（ MOSFET ）簡介,場效應(yīng)管（ Field Effect Transistor）分為結(jié)型和絕緣柵型。 功率場效應(yīng)管通常主要指絕緣柵型中的金屬氧化物半導(dǎo)體型（Metal Oxide Semiconductor ）。 簡稱功率MOSFET（Power MOSFET） 功率MOSFET又分N溝道和P溝道兩種類型。 其中每一類型又分增強型與耗盡型。 功率MOSFET主要為N溝道增強型。 為單極型電壓控

34、制器件，且具有自關(guān)斷能力。,73,1.6.2 功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）功率M0SFET的結(jié)構(gòu),功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號,導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。 采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同生產(chǎn)廠家采用的設(shè)計不同。 為三端元件：分別為柵極G、漏極D和源極S 。,74,1.6.2 功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理,導(dǎo)通： 漏極與源極之間加正向電壓，柵極與源極之間加正電壓UGS，當(dāng)UGS大于開啟電壓UT 時，漏極與源極之間導(dǎo)通。 截止： 漏極與源極之間加正向電壓，柵極與源極之間電壓為零時，漏極與源極之間無電流流過，此時處于截止?fàn)顟B(tài)。,（2）功率M0SFET的工作原理

35、,75,1.6.3 功率MOSFET的特性,轉(zhuǎn)移特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。 當(dāng)ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)gm。,（1）靜態(tài)特性,,,功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性,76,1.6.3 功率MOSFET的特性,輸出特性 在柵源間電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏源電壓間的關(guān)系稱為輸出特性。 管子工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)（線性導(dǎo)電區(qū)）之間來回跳轉(zhuǎn)。,（1）靜態(tài)特性,,,功率MOSFET的輸出特性,77,1.6.3 功率MOSFET的特性,MOSFET開關(guān)速度與輸入電容Ciss充放電有很大關(guān)系。 輸入電容又與極間分布電容有關(guān)，由產(chǎn)

36、品手冊提供。 為提高開關(guān)速度，可降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs以減小時間常數(shù)。 雖然導(dǎo)通與截至要跨越飽和區(qū)，使漏極電流增加或減少需要延時，但其開關(guān)速度在目前主要電力電子器件中是最高的，約在10100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上。 場控器件靜態(tài)時輸入電流幾乎為零，但在開關(guān)過程中需對輸入電容進行充放電，因此仍需一定的驅(qū)動功率，而且開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率相應(yīng)增大。,（2）動態(tài)特性,78,1.6.4 功率MOSFET的主要參數(shù),（1）漏源擊穿電壓 UBDS ：功率MOSFET的電壓定額。 （2）柵源擊穿電壓 UBGS ：UGS20V導(dǎo)致絕緣層擊穿。 存放：三端短接； 取用：手環(huán)接地； 焊接

37、：烙鐵可靠接地或短時斷電利用余熱。 （3）漏極連續(xù)電流 ID 和漏極峰值電流幅值 IDM 功率MOSFET的電流定額，一般 IDM = (24) ID 。 （4）極間電容：決定了器件的開關(guān)速度。 （5）正向通態(tài)電阻：決定了器件的通態(tài)損耗。 （6）最大功耗：與管殼溫度有關(guān)。,79,1.6.5 功率MOSFET的優(yōu)缺點,耐壓低，通流能力弱。 僅適于功率不超過10kW的電力電子裝置。,（1）優(yōu)點,（2）缺點,輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。 開關(guān)速度快，工作頻率高，達100kHz以上。 不存在二次擊穿問題。,80,1.7 絕緣柵雙極晶體管,1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介 1

38、.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理 1.7.3 IGBT的主要參數(shù) 1.7.4 IGBT的特殊問題,81,1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介,絕緣柵雙極晶體管的縮寫來歷 （Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT） GTR的優(yōu)點是：耐壓高，通流能力強，飽和壓降低。 MOSFET的優(yōu)點是：輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快。 IGBT結(jié)合了GTR與MOSFET二者的優(yōu)點復(fù)合而成。 相當(dāng)于利用MOSFET來驅(qū)動GTR。 顯然屬于電壓控型自關(guān)斷器件。 1986年投放市場，目前是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。,82,1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

39、簡介,塑料封裝適用于小功率器件。 小功率的晶閘管、MOSFET等往往也采用此種封裝形式。,83,1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介,模塊上面的螺絲用于固定主回路接線,模塊右側(cè)的焊片為控制極,84,1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介,側(cè)面是模塊的型號、生產(chǎn)廠家及其內(nèi)部的接線圖,注意此模塊為逆導(dǎo)型,85,1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介,模塊使用時，金屬底面（一般材質(zhì)為導(dǎo)熱性能好的銅）要與散熱器緊密接觸，將元件工作時內(nèi)部產(chǎn)生的熱量有效導(dǎo)出。,86,1.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）IGBT的結(jié)構(gòu),IGBT為三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E。 其內(nèi)部是由

40、GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)。 是一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。,,IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號,87,1.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理,導(dǎo)通： 柵極和發(fā)射極間uGE大于開啟電壓UT，IGBT導(dǎo)通。 開啟電壓與溫度有關(guān)，在25C時約為26V。 為了可靠開通，柵射極間的驅(qū)動電壓一般取+15+20V。 關(guān)斷： 柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號，IGBT關(guān)斷。 為可靠關(guān)斷，并減少關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷時柵射極間一般施加5 15V的負(fù)驅(qū)動電壓。,（2）IGBT的工作原理,88,1.7.3 IGB

41、T的主要參數(shù),（1）集射極擊穿電壓UCES 為IGBT的最高工作電壓，由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。 （2）最大柵射極電壓 一般<20V，以15V左右為宜。 （3）集電極連續(xù)電流和峰值電流 為IGBT的額定電流，包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。通常峰值電流為額定直流電流的2倍左右，主要受結(jié)溫的制約。 （4）最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大耗散功率。,89,1.7.4 IGBT的特殊問題,（1）掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)） 撤銷觸發(fā)信號后器件仍維持導(dǎo)通。 （2）正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA） 由最大集電極電流、最大集射極間

42、電壓和最大集電極功耗確定。 （3）反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA） 由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 （4）制成逆導(dǎo)型器件 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起。,90,1.8 其他新型電力電子器件,1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（SIT） 1.8.2 MOS控制晶閘管（MCT） 1.8.3 集成門極換向型晶閘管（IGCT） 1.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢,91,1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（SIT）,缺點： 柵極不加信號時導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。 通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備

43、中得到廣泛應(yīng)用。,SIT（Static Induction Transistor）又稱結(jié)型場效應(yīng)晶體管 工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)（甚至更高），功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。,92,1.8.2 MOS控制晶閘管（MCT）,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合 MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點： 承受極高di/dt和du/dt，開關(guān)過程快速，開關(guān)損耗小。 高電壓、大電流、高載流密度、低導(dǎo)通壓降。 一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT單元組成。 每個單元的組成為：一個PNPN晶

44、閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達到預(yù)期的數(shù)值，因而未能投入實際應(yīng)用。,93,1.8.3 集成門極換向型晶閘管（IGCT）,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） 20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，其容量與GTO相當(dāng)，其開關(guān)速度比GTO快10倍。 可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。 目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。,94,1.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢,自20世紀(jì)80年代

45、中后期開始，電力電子器件趨向于模塊化方向發(fā)展，即將多個器件封裝在一只模塊中，稱為功率模塊。 模塊化可縮小裝置體積，降低成本，提高運行可靠性。 對工作頻率較高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。,（1）基本概念,95,1.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢,高壓集成電路（High Voltage ICHVIC） 一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。 智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC） 一般

46、指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。 智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM） 專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。,（2）實際應(yīng)用,96,1.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢,早期功率集成電路的研究與開發(fā)主要面向中小功率應(yīng)用場合，目前大容量的功率集成電路的研發(fā)已成為熱點。 功率集成電路的主要技術(shù)難點是高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升與散熱的有效處理。 智能功率模塊（IPM）在一定程度上回避了上述兩個難點，只是將保護、驅(qū)動與IGBT器件封裝在一起。 功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，

47、成為機電一體化的理想接口，具有廣闊的應(yīng)用前景。,（3）發(fā)展現(xiàn)狀,97,補充內(nèi)容：電力電子器件的保護,過電壓的產(chǎn)生及其保護 過電流的產(chǎn)生及其保護,98,過電壓的產(chǎn)生及其保護,外因過電壓：主要指雷擊和系統(tǒng)操作過程等外界因素。 雷擊過電壓：由雷電引起。 操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起。 內(nèi)因過電壓：主要指電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程中，電流突變在線路電感上感應(yīng)出的高電壓。 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會因線路電感的存在在器件兩端感應(yīng)出過電壓。 關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。,（1）電力電

48、子裝置可能遇到的過電壓,99,過電壓的產(chǎn)生及其保護,（2）過電壓保護措施的配置,F避雷器 D變壓器靜電屏蔽層 C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容 RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路 RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路 RV壓敏電阻過電壓抑制器 RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路 RC4直流側(cè)RC抑制電路 RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路,電力電子裝置可視具體情況采用其中的幾種保護措施。 其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，又屬于緩沖電路范疇。,100,過電壓的產(chǎn)生及其保護,附圖RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式,在抑制外因過電壓的措施中，采用RC過電壓抑制電路（又稱為阻容吸收電路）最為常

49、見。,101,過電流的產(chǎn)生及其保護,（1）過電流的產(chǎn)生 分過載和短路兩種情況，均為故障狀態(tài)。,（2）過電流保護措施的配置,102,過電流的產(chǎn)生及其保護,電子保護電路作為第一保護措施。 快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護。 直流快速斷路器整定在電子保護電路動作之后實現(xiàn)保護。 過電流繼電器整定在過載時動作。 一般綜合采用幾種過電流保護措施，以提高其可靠性。,103,過電流的產(chǎn)生及其保護,快熔對器件的保護方式又分全保護和短路保護兩種。 全保護：過載、短路均由快速熔斷器進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。 短路保護：快速熔斷器只在短路電流較大的區(qū)段起到保護作用。,104,過電流的產(chǎn)生及其保護,對于重要且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備或全控型器件，往往需采用電子保護電路進行過電流保護。 常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，其響應(yīng)速度最快。,105,本章參考書,