電力電子技術課件

電力電子技術

PowerElectronicTechnology

第一章電力電子器件第二章整流電路第三章直流斬波電路第四章交流電力控制電路和交交變頻電路第五章逆變電路第六章PWM控制技術第七章軟開關技術第八章組合變流電路緒論緒論1.什么是電力電子技術2.電力電子技術的發(fā)展歷史3.電力電子技術的應用4.本課程的內(nèi)容介紹數(shù)字電子技術模擬電子技術電力電子技術信息電子技術電子技術信息電子技術：信息處理電力電子技術：電力變換電力電子技術是應用于電力領域的電子技術，也就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。從轉(zhuǎn)換的功率來講，可在1W～1GW之間。1.什么是電力電子技術1.1概念電壓、電流、頻率、功率直流電力交流交流變交流直流變直流直流變交流（逆變）交流變直流（整流）電力變換表0-1電力變換的種類

交流輸入輸出直流直流

交流整流直流斬波交流電力控制變頻、變相逆變電力變換的技術——變流技術1.2兩大分支變流技術電力電子器件構成各種電力變換電路{對這些電路進行控制的技術變流技術（電力電子器件應用技術）——電力電子技術的核心電力電子器件制造技術—

電力電子技術的基礎電力電子電路——電力變化和控制

電子電路——信息處理電子電路電力電子電路信息電子電路器件開關狀態(tài)放大狀態(tài)開關狀態(tài)電力電子電路器件1.3與其他學科的關系1.3.1與電子學的關系許多分析方法一致，僅應用目的不同廣義而言，電子電路中的功放和功率輸出也可算做電力電子電路電力電子電路廣泛用于電視機、計算機等電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路電力電子技術廣泛用于電氣工程1.3.2與電力學的關系電力電子技術高壓直流輸電靜止無功補償交直流電力傳動電解電鍍電加熱電力機車牽引電氣工程分支高性能交直流電源1.3.3與控制理論的關系控制理論電力電子技術弱電和強電接口弱電控制強電基礎元件支撐技術實現(xiàn)廣泛用于電力電子裝置是自動化技術的1.4地位和和未來電力電子技術是電電能變換技術，是是把粗電變?yōu)檫m合合使用用的精電的轉(zhuǎn)換技技術電力電子技術是20世紀后半葉誕誕生和發(fā)展的新技技術電力電子技術在21世紀將更加迅迅速發(fā)展未來科學技術兩大大支柱控制技術電力電子技術計算機史前期1904-19571904電子管誕生1970~全控型器件迅速發(fā)發(fā)展晶閘管時代1957-19701957晶閘管問世1930~1947水銀整流器時代1947晶體管出現(xiàn)80年代后以IGBT為代表的復合型器器件突起，隨著全控型電力電電子器件的不斷進進步，一種結構緊緊湊、體積小的電電力電子裝置也應應運而生。把若干干個電力電子器件件及必要的輔助元元件做成模塊的形形式，這給應用帶帶來了很大的方便便。2.電力電子技術術的發(fā)展歷史模塊化、集成化。。器件及其輔助電電路，PIC，PWM.1957年美國通通用電氣公司快速晶閘管、逆導導晶閘管、雙向晶晶閘管電力晶體管（GTR）、可關斷晶閘管（GTO）、功率場效應晶體管管（MOSFET）等3.電力電子技術術的應用（1）一般工業(yè)直流電動機有良好好的調(diào)速性能，給給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置置直流電動機可控整流電源近年來電力電子變頻技術的迅速發(fā)展，使交流電機的調(diào)速性能可與直直流電機媲美，交流調(diào)速技術大量應用并占據(jù)主主導地位。幾百W到數(shù)千kW的變頻調(diào)速裝置，，軟起動裝置等交流電機電化學工業(yè)中整流流變壓器冶金工業(yè)中高頻感感應加熱電源設備備電化學工業(yè)大量使使用直流電源，電解鋁、電解食鹽鹽水等都用到。電力電子技術還大大量用于冶金工業(yè)業(yè)中的高頻或中頻頻感應加熱電源、、淬火電源及直流流電弧爐電源等需需要大容量整流電電源的場合。電鍍鍍裝置也需要整流流電源(2)交通運輸電氣化鐵道中廣泛泛采用電力電子技技術電氣機車中的直流流機車中采用整流流裝置，交流機車車采用變頻裝置（FrequencyInverter）。直流斬波器（DCChopper）也廣泛用于鐵道車車輛。在未來的磁磁懸浮列車中，電電力電子技術更是是一項關鍵技術。。除牽引電機傳動動外，車輛中的各各種輔助電源也都都離不開電力電子子技術磁懸浮列車電動汽車的電機靠靠電力電子裝置進進行電力變換（PowerConversion）和驅(qū)動，，控制其其蓄電池池的充電電也離不不開電力力電子裝裝置。一一臺高級級汽車中中需要許許多控制制電機，，它們也也要靠變頻器（FrequencyInverter）和斬波器（Chopper）驅(qū)動并控控制飛機、船船舶需要要很多不不同要求求的電源源，因此航空空和航海海都離不不開電力力電子技技術1.3電電力電電子技術術的應用用-交通通運輸3如果把電電梯也算算做交通通運輸，，那么它它也需要要電力電電子技術術。以前前的電梯梯大都采采用直流流調(diào)速系系統(tǒng)，而而近年來來交流變頻頻調(diào)速（ACSpeedControlbyFrequencyVariation）已成為主主流部分國內(nèi)內(nèi)外知名名公司的的變頻器器西門子（（Siemens）公司施奈德公公司富士公司司安圣（華華為電氣氣）變頻頻器系列列ABB公司(3)電力系統(tǒng)統(tǒng)電力電子子技術在在電力系系統(tǒng)中有有非常廣廣泛的應應用。據(jù)據(jù)估計，，發(fā)達國國家在用用戶最終終使用的的電能中中有60%以上上至少經(jīng)經(jīng)過一次次電力電電子變流流裝置的的處理。。電力系系統(tǒng)在通通向現(xiàn)代代化的進進程中，，電力電電子技術術是關鍵鍵技術之之一。毫毫不夸張張地說，，離開電電力電子子技術，，電力系系統(tǒng)的現(xiàn)現(xiàn)代化是是不可想想象的。。直流輸電電在長距離離、大容容量輸電電時有很很大的優(yōu)優(yōu)勢，其其送電端端的整流流閥和受受電端的的逆變閥閥都采用用晶閘管管變流裝裝置。近近年發(fā)展展起來的的柔性交流流輸電也是依靠靠電力電電子裝置置才得以以實現(xiàn)的的。柔性交流流輸電系系統(tǒng)（FACTS）的英文表表達為：：FlexibleACTransmissionSystems:應用大功功率、高高性能的的電力電電子元件件制成可可控的有有功或無無功電源源以及電電網(wǎng)的一一次設備備等，以以實現(xiàn)對對輸電系系統(tǒng)的電電壓、阻阻抗、相相位角、、功率等等的靈活活控制，，將原基基本不可可控的電電網(wǎng)變得得可以全全面控制制。從而而大大提提高電力力系統(tǒng)的的高度靈靈活性和和安全穩(wěn)穩(wěn)定性，，使得現(xiàn)現(xiàn)有輸電電線路的的輸送能能力大大大提高。。晶閘管變變流裝置置無功補償償裝置無功補償償和諧波波抑制對電力系系統(tǒng)有重重要的意意義。晶閘管控控制電抗抗器、晶閘管投投切電容容器都是重要要的無功功補償裝裝置。近近年來出出現(xiàn)的靜止無功功發(fā)生器器、有源電力力濾波器器等新型電電力電子子裝置具具有更為為優(yōu)越的的無功功率率和諧波波補償?shù)男阅?。。在配電電網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)，電力力電子裝裝置還可可用于防防止電網(wǎng)網(wǎng)瞬時停停電、瞬瞬時電壓壓跌落、、閃變等等，以進進行電能能質(zhì)量控控制，改改善供電電質(zhì)量在變電所所中，給給操作系系統(tǒng)提供供可靠的的交直流流操作電電源，給給蓄電池池充電等等都需要要電力電電子裝置置濾波電抗抗器有源電源源濾波器器示意圖圖（4）電電子裝置置用電源源電子裝置置用電源源各種電子子裝置一一般都需需要不同同電壓等等級的直流電源源供電。通通信設備備中的程程控交換換機所用用的直流流電源以以前用晶閘管整整流電源源，現(xiàn)在已改改為采用用全控型型器件的的高頻開關關電源(5)家用電器器照明在家家用電器器中有十十分突出出的地位位。由于于電力電電子照明明電源體體積小、、發(fā)光效效率高、、可節(jié)省省大量能能源，通通常被稱稱為“節(jié)節(jié)能燈””，正逐逐步取代代傳統(tǒng)的的白熾燈燈和日光光燈無極燈無燈絲和和電極所所以壽命命長.一一般4-6萬小小時鈉燈燈金屬鈉作作為發(fā)光光物質(zhì),顯色性性不高只只有黃色色光,用用于公路路隧道和和碼頭照照明.效效率高.變頻空調(diào)調(diào)控制器器變頻空調(diào)調(diào)器（FrequencyConversionAir－－Condition）是家用電電器中應應用電力力電子技技術的典典型例子子之一。。電視機機、音響響設備、、家用計計算機等等電子設設備的電電源部分分也都需需要電力力電子技技術。此此外，有有些洗衣衣機、電電冰箱、、微波爐爐等電器器也應用用了電力力電子技技術。電力電子子技術廣廣泛用于于家用電電器使得得它和我我們的生生活變得得十分貼貼近。(6)其他不間斷電電源（UninterruptablePowerSystem－－UPS）在現(xiàn)代社社會中的的作用越越來越重重要，用用量也越越來越大大。目前前，UPS在電力電電子產(chǎn)品品中已占占有相當當大的份份額。航天飛行行器（SpaceFlightAerocraft）中的各種種電子儀儀器需要要電源，，載人航航天器中中為了人人的生存存和工作作，也離離不開各各種電源源，這些些都必需需采用電電力電子子技術不間斷電電源傳統(tǒng)的發(fā)發(fā)電方式式是火力發(fā)電電、水力發(fā)電電以及后來來興起的的核能發(fā)發(fā)電。能能源危機機后，各各種新能源、可再生能能源及新型發(fā)發(fā)電方式式越來越越受到重重視。其其中太陽能發(fā)發(fā)電、風力發(fā)電電的發(fā)展較較快，燃料電池池更是備受受關注。。太陽能能發(fā)電和和風力發(fā)發(fā)電受環(huán)環(huán)境的制制約，發(fā)發(fā)出的電電力質(zhì)量量較差，，常需要要儲能裝裝置緩沖沖，需要要改善電電能質(zhì)量量，這就就需要電電力電子子技術。。當需要要和電力力系統(tǒng)聯(lián)聯(lián)網(wǎng)時，，也離不不開電力力電子技技術。為了合理理地利用用水力發(fā)電電資源，近近年來抽抽水儲能能發(fā)電站站受到重重視。其其中的大大型電動動機的起起動和調(diào)調(diào)速都需需要電力力電子技技術。超超導儲能能是未來來的一種種儲能方方式，它它需要強強大的直直流電源源供電，，這也離離不開電電力電子子技術。。核聚變反反應堆在產(chǎn)生強強大磁場場和注入入能量時時，需要要大容量量的脈沖電源源，這種電源源就是電電力電子子裝置。?？茖W實實驗或某某些特殊殊場合，，常常需需要一些些特種電源源，這也是電電力電子子技術的的用武之之地。太陽能光光伏發(fā)電電系統(tǒng)4MWSolarPark,Hemau,Germany風力發(fā)發(fā)電電YJ32雙繞組雙雙速異步步風力發(fā)發(fā)電機水泵變頻頻、風機機變頻節(jié)節(jié)能教材的內(nèi)內(nèi)容可分分為三大大部分第一部分分：電力力電子器器件（第1章章-----全全書的基基礎)第二部分分：各種種電力電電子電路路（第2~5章和和第8章章-----全全書的主主體)第三部分分：PWM技術和軟軟開關技技術（第6、、7兩章章）4.本課課程的內(nèi)內(nèi)容介紹紹電力電子技術術電力拖動動自動控制系系統(tǒng)電路電子技術術電機與拖拖動本課程與與其它課課程的關關系返回第一章電電力力電子器器件包括晶閘閘管在內(nèi)內(nèi)的電力力電子器器件是電電力電子子技術的的核心，，因此，，掌握各各種電力力電子器器件的特特點和正正確的使使用方法法是我們們學好電電力電子子技術的的基礎。。本章將將學習各各種常用用器件的的工作原原理、基基本特性性、主要要參數(shù)和和選擇。。1.1.1電電力電子子器件的的概念和和特征1.概念念主電路（（PowerCircuit）在電氣設設備或電電力系統(tǒng)統(tǒng)中，直直接承擔擔電能的的變化或或控制任任務的電電路。電力電子子器件（（PowerElectronicDevice)直接用于于處理電電能主電電路中，，實現(xiàn)電電能的變變換或控控制的電電子器件件。2.分類類電真空器器件（汞弧整整流器、、閘流管管等，已已逐步被被半導體體器件取取代）半導體器器件（目前所所指電力力電子器器件，采采用材料料仍然是是硅）1.1電電力電電子器件件的概述述電力電子子器件是是功率半半導體器器件1）承載的電電壓、電電流定額額高電力電子子器件所所能處理理電功率率的大小小，是其其最重要要的參數(shù)數(shù)。其處處理電功功率的能能力一般般遠大于于處理信信息的電電子器件件。2）一般都工工作在開開關狀態(tài)態(tài)電力電子子器件因因處理電電功率較較大，為為了減小小本身的的損耗、、提高效效率，一一般都工工作在開開關狀態(tài)態(tài)。3）需驅(qū)動電電路電力電子子器件在在實際應應用中往往往由信信息電子子電路來來控制。。信息電電子電路路是電力力電子器器件的驅(qū)驅(qū)動電路路。4）需安裝散散熱器電力電子子器件盡盡管工作作在開關關狀態(tài)，，但是自自身的功功率損耗耗通常仍仍遠大于于信息電電子器件件，為了了保證不不至于因因損耗散散發(fā)的熱熱量導致致器件溫溫度過高高而損壞壞，不僅僅在器件件封裝上上考慮散散熱設計計，而且且在其工工作時一一般都還還需要設設計安裝裝散熱器器。3.特特征1.1.2應應用電力力電子器器件的系系統(tǒng)組成成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2電力電子子電路電力電子子電路——電力電子子系統(tǒng)由控制電電路、驅(qū)驅(qū)動電路路、電力力電子器器件為核核心的主電路組成控制電路路（ControlCircuit）按系統(tǒng)的的工作要要求形成成控制信號號（ControlSignal），通過驅(qū)動電路路（DrivingCircuit）去控制主電路（MainCircuit）中電力電電子器件件的通或斷（Turn-onorTurn-off），來完成整整個系統(tǒng)統(tǒng)的功能能。導通主電路中中電力電子子器件關斷檢測電路路、驅(qū)動動電路以以外的電電路控制電路路由信息電電路組成成控制電路路主電路電力電子子系統(tǒng)檢測電路路檢測主電電路或應應用現(xiàn)場場信號通過驅(qū)動電路路控制1.1.3電電力電子器器件的分類1.按照電力力電子器件能能夠被控制電電路信號所控控制的度分為為以下三類半控型器件全控型器件通過控制信號號可控制其導通而不能控制其關斷｛晶閘管及其派生器件件關斷主電路電流電壓通過控制信號號即可控制其導通又能控制其關斷｛電力晶體管功率場效應晶晶體管門極可關斷晶晶閘管自關斷器件門極可關斷斷晶閘管處理兆瓦級級大功率電能能不能用控制信號控控制其通斷，不需要驅(qū)動電路電力二極管管不可控器件件主電路｛通斷電流電壓只有兩個端端子2.按照照驅(qū)動電路路加在電力電子器件控制端端和公共端端之間信號的的性質(zhì)分為為兩類電流驅(qū)動型型電壓驅(qū)動型型控制端通斷注入電流抽出電流電壓信號公共端控制端3.按照器件內(nèi)內(nèi)部電子和和空穴兩種種載流子參參與導電的的情況分為三類：：單極型器件件由一種載流流子參與導導電的器件件雙極型器件件由電子和空空穴兩種載載流子參與與導電的器器件復合型器件件單極型器件件和雙極型型器件集成成混合而成成的器件電力電子器器件分類樹樹1.1.4本章內(nèi)內(nèi)容和學習習要點電力電子器器件選擇、使用用時注意的問題題工作原理基本特征主要參數(shù)特征曲線1.2不不可控器件件——電力力二極管逐步取代結構和原理理簡單工作作可靠現(xiàn)在仍大量量應用于許許多電氣設設備電力二極管管（半導體整整流器）20世紀50年初獲獲得應用汞弧整流器應用快恢復二極極管肖特基二極極管中、高頻整整流逆變低壓高頻整整流內(nèi)部結構：：一個PN結。以半導體PN結為基礎，，由一個面面積較大的的PN結和兩端引引線以及封封裝組成，，1.2.1電力二極管管的特性及及工作原理理結構：外形形有兩種：螺栓栓型、平板板型?；窘Y構和和工作原理理與信息電電子電路中中的二極管管一樣。1.2.2特性：靜態(tài)態(tài)特性；動動態(tài)特性。。1.2.3電力二極管管的主要參參數(shù)1.正向平均電電流IF(AV)在規(guī)定的管管殼溫度和和散熱條件件下，所允允許流過的的最大工頻頻正弦半波波電流的平均值。正向平均電電流按照電電流的發(fā)熱熱效應定義義，使用時時應按有效效值相等的的原則選取取電力二極極管的電流流額定，應應留有一定定的裕量。。當用在頻率率較高的的的場合，其其開關損耗耗也不能忽忽略。當采用反向向漏電流較較大的電力力二極管，，其斷態(tài)損損耗造成的的發(fā)熱效應應也不小。。2.正向壓壓降UF電力二極管管在正向電電流導通時時二極管上上的正向壓壓降。6.浪涌電電流IFSM電力二極管管所能承受受的最大的的連續(xù)一個個或幾個工工頻周期的的過電流。。4.最高工工作結溫TJM在PN結不受損壞壞的前提下下，二極管管所能承受受的最高平平均溫度。。一般在125-175℃范范圍內(nèi)。5.反向恢恢復時間trr二極管由導導通到截止止、并恢復復到自然阻阻斷狀態(tài)所所需的時間間。3.反向重重復峰值電電壓URRM對電力二極極管所能重重復施加的的反向最高高峰值電壓壓1.2.4電力二極管管的主要類類型普通二極管管，快速恢恢復二極管管，肖特基基二極管。。5μs以上5μs以下10-40ns肖特基二極極管的弱點點當反向耐壓壓提高時其其正向壓降降也會高得得不能滿足足要求，因因此多用于于200V以下反向漏電流流較大且對對溫度敏感感，因此反反向穩(wěn)態(tài)損損耗不能忽忽略，而且且必須更嚴嚴格地限制制其工作溫溫度1.3半半控型器器件——晶晶閘管晶閘管(Thyristor)是硅晶體閘閘流管的簡簡稱，又稱稱可控硅整整流器SCR（SiliconControlledRectifier））,以前又簡稱稱可控硅。。由于其開通通時刻可以以控制，因因此大大擴擴展了半導導體器件功功率控制的的范圍。其其后，以晶晶閘管為核核心形成對對電力處理理的電力電電子技術,其發(fā)展特特點是晶閘閘管的派生生器件越來來越多,功功率越來越越大,性能能越來越好好，已形成成了一個晶晶閘管大家家族。包括括普通晶閘閘管(ConventionalThyristor)、快速晶閘管管(FastSwitchingThyristor)、逆導晶閘管管(ReverseConductingThyristor)、雙向晶閘管管(BidirectionThyristor或TriodeACSwitch)、可關斷晶閘閘管(GateTurnOffThyristor)和光控晶閘閘管(LightTriggeredThyristor)。1.3.1.晶閘管管的結構1.外形形三三個電極：：陰極、陽陽極、門極極。螺栓式只陽極帶散熱器易安裝更換散熱性差

額定電流小于200A

平板式陰和陽極都帶散熱器更換麻煩

散熱效果好一般用于200A以上

2.內(nèi)部部結構PNPN四層1.3.2晶閘管的單單向可控導導電性1.實實驗(1)A(-)G(0):晶閘管關斷斷,燈燈滅.G(+):同上。G(-):同上。(2)A(+)G(0):同上G(-):同上。G(+):晶閘管導通通,燈亮亮。(3)斷斷開門極極或G(-):燈仍亮。（4）去掉掉陽極電壓壓：晶閘閘管關斷，，燈滅。結論：晶閘管具有有單向可控控導電性，，且一旦導導通，門極極便失去作作用。2.晶閘管管導通、關關斷的條件件：1.3.3晶閘管的工工作原理1.晶閘閘管的等效效電路關斷條件:使流過過晶閘管的的電流小于于保持晶閘閘管導通的的最小電流流,即維維持電流IH。方法:(1)切斷斷EA,(2)加反向EA,(3)降低EA。導通條件:(1)要有適當當?shù)恼蜿栮枠O電壓(EA)

(2)要有適當?shù)牡恼蜷T極極電壓(EG)。2.工工作原理Ib1=Ic2,(IG)+Ic1=Ib2。形成強烈正正反饋：IG↑Ib2↑Ic2↑（=β2Ib2）=Ib1↑Ic1↑(=β1Ib1)設α1和α2分別是兩管管的共基極極電流增益益,ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏漏電流。推出：說明：(1)正向阻斷：晶閘管加正正向電壓EA，但IG=0，此時正向漏漏電流ICBO1和ICBO2很小,所以α1+α2＜＜1,上式中的IA≈ICBO1+ICBO2。(2)觸發(fā)導通：正向EA，同時加正向向EG，發(fā)射極電流↑α1和α2↑→1IA↑↑IG↑此時IA的值由外接負載載和陽極電壓決決定。(3)硬開通：加正向陽極電壓壓EA,但不加門極電壓壓EG。此時若EA↑正向漏電流ICBO1和ICBO2↑α1和α2↑→1IA↑↑(4)晶閘管關斷：IA↓小于IHα1和α2↓α1和α2＜＜1IA≈ICBO1+ICBO2(5)反向阻斷：當晶閘管加反向向EA時，由于V1、V2處于反壓狀態(tài),不能工作，所以以無論有無無EG，晶閘管都不會會導通。另外，溫度、du／dt、光照的作用也也都會使晶閘管管導通。1.3.4晶閘管的特性1.晶閘管的的靜態(tài)特性2.晶閘管的的動態(tài)特性開通時間為：td為延遲時間，tr為上升時間關斷換向時間為為：trr為反向阻斷恢復復時間，tgr為正向阻斷恢復復時間。1.3.5晶閘管的主要參參數(shù)1.晶閘管的的電壓定額（1）斷態(tài)重復峰值電電壓UDRM:斷態(tài)重復峰值電電壓是在門極斷斷路而結溫為額額定值時，允許許重復加在器件件上的正向峰值值電壓。（2）反向重復復峰值電壓URRM：反向重復峰值電電壓是在門極斷斷路而結溫為額額定值時，允許許重復加在器件件上的反向峰值值電壓。（3）額定電壓壓Utn：指UDRM和URRM中的較小值,再取相應的標準準等級。（4）通態(tài)（峰峰值）電壓UTM：晶閘管通以某一一規(guī)定倍數(shù)的額額定通態(tài)平均電電流時的瞬態(tài)峰峰值電壓。（5）通態(tài)平均均電壓(管壓降)UT(AV)注意：在選用晶閘管管時要留有2--3倍的余量。2.晶閘管的的電流定額(1)通態(tài)平均電流IT(AV)：晶閘管在環(huán)境溫溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀狀態(tài)下，穩(wěn)定結結溫不超過額定定結溫時所允許許流過的最大工頻正弦半波電電流的平均值。將此電流按晶閘閘管標準電流系系列取相應的電電流等級,稱為為元件的額定電電流。定義：有直流分分量的電流波形形，其電流有效效值I與平均值Id之比，稱為這個個電流的波形系系數(shù)，用Kf表示，即Kf=I／Id額定情況下：最大工頻正弦半半波電流的平均均值選擇原則：所選晶閘管的額額定電流有效值值ITn大于等于元件在在電路中可能流流過的最大電流流有效值ITM的1．5～2倍，即：再取相應額定電電流的標準系列列值。(2)維持電流流IH：晶閘管維持導通通所必需的最小小電流。(3)擎住電流流IL：晶閘管剛從斷態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移移除觸發(fā)信號后后，能維持導導通所需的最小小電流。(4)斷態(tài)重復復峰值電流IDRM和反向重復峰值值電流IRRM(5)浪涌電流流ITSM普通晶閘管型號號的命名含義如如下：IL通常是IH的2～4倍3.晶閘管的門門極定額(1)門極觸發(fā)發(fā)電流IGT:IGT是在室溫下,給晶閘管施加6V正向陽極電壓時時,使元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需需的最小門極電電流。(2)門極觸發(fā)發(fā)電壓UGT:UGT是產(chǎn)生門極觸發(fā)發(fā)電流所必需的的最小門極電壓壓。注意:由于元件門極伏伏安特性的分散散性很大,標準只規(guī)定了UGT和IGT的下限。4.動態(tài)參數(shù)（1）斷態(tài)電壓壓臨界上升率du／dt：是在額定結溫和和門極開路的情情況下,不導致從斷態(tài)到到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最最大陽極電壓上上升率。（2）通態(tài)電流流臨界上升率di／dt：是在規(guī)定條件下下,晶閘管能承受而而無有害影響的的最大通態(tài)電流流上升率.5.額定結溫Tjm：它是元件在正常常工作時所允許許的最高結溫.另外，還有開通通tgt和關斷tq。過大，會造成晶晶閘管的誤導通通過大，會造成晶晶閘管局部過熱熱而損壞1.3.6晶閘管的派生器器件1.雙向晶閘閘管KS結構：五層三端的硅半半導體閘流元件件。雙向晶閘管外部部也有三個電極極，其中兩個主電極分別為T1極和T2極，還有一個門極極G，門極是和T2極在同一側引出出的。相當于兩兩個門極接在一一起的普通晶閘閘管反并聯(lián)。觸發(fā)方式：Ⅰ+：T1極為正，T2極為負；門極為為正，T2極為負。Ⅰ-：T1極為正，T2極為負；門極為為負，T2極為正。Ⅲ+：T1極為負，T2極為正；門極為為正，T2極為負。Ⅲ-：T1極為負，T2極為正；門極為為負，T2極為正。注意：用有效值來表示示其額定電流可認為是一對反反并聯(lián)聯(lián)接的普普通晶閘管的集集成有兩個主電極T1和T2，一個門極G正反兩方向均可可觸發(fā)導通，所所以雙向晶閘管管在第Ｉ和第III象限有對稱的伏伏安特性與一對反并聯(lián)晶晶閘管相比是經(jīng)經(jīng)濟的，且控制制電路簡單，在在交流調(diào)壓電路路、固態(tài)繼電器（SolidStateRelay———SSR）和交流電機調(diào)速速等領域應用較較多通常用在交流電電路中，因此不不用平均值而用用有效值來表示其額定電電流值。2.逆導晶閘管KN逆導晶閘管的額定電流用分數(shù)數(shù)表示，分子表示晶閘閘管電流，分母母表示二極管電電流。如，300A／150A兩者的比值應依依據(jù)使用要求而而定，一般為1～3。不具有承受反向向電壓的能力，，一旦承受反向向電壓即開通。。與普通晶閘管相相比正向壓降小關斷時間短高溫特性好是將晶閘管反并并連一個二極管制作在同同一管芯上的功率集成器器件。3.快速晶閘管KK4.光控晶閘管管利用一定波長的的光照信號來代代替電信號對器器件進行觸發(fā)。。包括所有為快速速應用而設計的的晶閘管常規(guī)快速晶閘管管：關斷時間為幾十十微秒高頻晶閘管：關斷時間為十微微秒左右應用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆逆變電路中開關關時間以及du/dt、di/dt的耐量都有了明明顯的改善與普通晶閘管相相比：電壓和電電流定額不易做做高。普通晶閘管為數(shù)數(shù)百微秒小功率光控晶閘閘管只有陽極和和陰極兩個端子子。大功率光控晶閘閘管帶有作為觸觸發(fā)光源的發(fā)光光二極管或半導導體激光器的光光纜。光觸發(fā)保證主電電路與控制電路路之間的絕緣，，避免電磁干擾擾的影響。因此此目前在高壓大大功率的場合，，如高壓直流輸輸電和高壓核聚聚變裝置中，占占據(jù)重要的地位位。所希望的開關特特性應該是：關斷時的漏電流流較小，導通時時Von小。很高的正反向阻阻斷電壓的能力力，這可減少元元件的串聯(lián)，并并因此而減少相相應保護電路的的功率損耗。很大的電流導通通能力。這可減減少元件并聯(lián)。。較短的導通和關關斷時間，這可可提高開關頻率率。導通電阻具有正正的溫度特性，，這可保證并聯(lián)聯(lián)的元件能共同同分擔總電流。。較小的控制功率率。具有阻止電壓和和電流上升率的的能力。這樣就就可以不使用外外部緩沖電路保保護。具有較高的dv/dt，di/dt額定值。1.4其他他新型電力電子子器件20世紀80年代以來，信息息電子技術與電電力電子技術在在各自發(fā)展的基基礎上相結合——高頻化、全控型型、采用集成電電路制造工藝的的電力電子器件件，從而將電力力電子技術又帶帶入了一個嶄新新時代微電子技術與電電力電子技術在在各自發(fā)展的基基礎上相結合而而產(chǎn)生了一代新新型高頻化、全全控型的功率集集成器件，所謂謂全控型器件就就是導通和關斷斷都可控的電力力電子器件，也也稱自關斷器件件。典型代表——門極可關斷晶閘閘管、電力晶體體管(GiantTransistor——GTR)、電力場效應晶晶體管(PowerMOSFET)、絕緣柵雙極晶晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor———IGBT或IGT)門極可關斷晶閘閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶閘管的一種派派生器件可以通過在門極極施加負的脈沖沖電流使其關斷斷GTO的電壓、電流容容量較大，與普普通晶閘管接近近，因而在兆瓦瓦級以上的大功功率場合有較多多的應用1.4.1可可關斷晶閘管1.特性：用用門極正向觸發(fā)發(fā)信號可使其觸觸發(fā)導通，當門門極加負向觸發(fā)發(fā)信號時又能使使晶閘管關斷。。結構：也是PNPN四層三端器件，，其結構示意圖圖及等效電路和和普通晶閘管相相同，但GTO是多元的功率集集成器件，它內(nèi)部包含了數(shù)數(shù)十個甚至數(shù)百百個共陽極的GTO元，這些小GTO元的陰極和門極極則在器件內(nèi)部部并聯(lián)在一起，，且每個GTO元陰極和門極距距離很短，有效效地減小了橫向向電阻，因此可可以從門極抽出電流流而使其關斷。2.工作原理理GTO的觸發(fā)導通原理理與普通晶閘管管相似，但關斷方式不同同：-EG→-IG→Ib2↓→Ic2↓→Ic1↓使GTO比普通晶閘管開開通過程快，承承受di/dt能力強。GTO能夠通過門極關關斷的原因是其其與普通晶閘管管有如下區(qū)別：：（1）設計時使得V2管的2較大，使晶體管管V2控制靈敏，易于于GTO關斷（2）導通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導通時飽和不不深，接近臨界界飽和，有利于于門極控制關斷斷，但導通時管管壓降增大（3）多元集成結構構使GTO元陰極面積很小小，門、陰極間間距大為縮短，，使得P2基區(qū)橫向電阻很很小，能從門極極抽出較大電流流3.動態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管類類似，需經(jīng)過延延遲時間td和上升時間tr關斷過程：與普通晶閘管有有所不同抽取飽和導通時儲儲存的大量載流子子——儲存時間ts，使等效晶體管退退出飽和等效晶體管從飽和和區(qū)退至放大區(qū)，，陽極電流逐漸減減小——下降時間tf殘存載流子復合——尾部時間ttton=td+trtoff=ts+tf4.主要參數(shù)：（1）最大可關斷斷陽極電流IATO:GTO額定電流（2）電流關斷增益βoff（3）維持電流IH和擎住電流IL（4）斷態(tài)重復峰峰值電壓UDRM、斷態(tài)不重復峰值電電壓UDSM、反向重復峰值電壓壓URRM和反向不重復峰值值電壓URSM應用特點：可關斷晶閘管克服服了不可控關斷的的缺陷，它既保留留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點，并具有GTR的一些優(yōu)點，如具具有自關斷能力、頻率率高、使用方便等，是理想的高壓壓、大電流開關器器件。GTO的容量及使用壽命均超過過電力晶體管（GTR），只是工作頻率比GTR低。目前，GTO已達到6KV/4KA的容量。開關頻率幾百Hz—10KHz。大功率可關斷晶閘閘管已廣泛用于斬斬波調(diào)速、變頻調(diào)調(diào)速、逆變電源等等領域，顯示出強強大的生命力。術語用法：電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體體管）耐高電壓、大電流流的雙極結型晶體體管（BipolarJunctionTransistor———BJT），英文有時候也也稱為PowerBJT在電力電子技術的的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效應用20世紀80年代以來，在中、、小功率范圍內(nèi)取取代晶閘管，但目目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代1.4.2電力晶體管GTR（也稱巨型晶體管管GiantTransistor,簡稱GTR）與普通的雙極結型型晶體管基本原理理是一樣的主要特性是耐壓高高、電流大、開關關特性好通常采用至少由兩兩個晶體管按達林林頓接法組成的單單元結構采用集成電路工藝藝將許多這種單元元并聯(lián)而成結構三端三層器件，內(nèi)內(nèi)部有兩個PN結，也有NPN管和PNP管之分，大功率GTR多為NPN型。屬雙極型，電流驅(qū)驅(qū)動型2.工作特性GTR的輸出特性也分截截止區(qū)、放大區(qū)和和飽和區(qū)，在開關關狀態(tài)時，GTR應工作在截止區(qū)或或飽和區(qū)。GTR導通時：基極輸入正向電壓壓。UBE>0，UBC>0，GTR處于飽和狀態(tài)。集集射極之間阻抗很很小，其特征用GTR的飽和壓降UCES來表征。GTR截止時：基極輸入反向電電壓或零時，UBE<0、UBC<0。集射極之間阻抗抗很大，只有極小小的漏電流流過。。此時GTR的特征用穿透電流流ICEO表征。一般采用共發(fā)射極極接法3.開關特性ton=td+trtd為延遲時間，tr為上升時間。toff=ts+tfts為存儲時間，tf為下降時間增大基極驅(qū)動電流流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間間和上升時間；減減小導通時的飽和和深度，或增大基基極抽取負電流ib的幅值和偏壓，可可以縮短存儲時間間。當然，減小飽飽和導通時的深度度會使UCES增加，這是一對矛矛盾。GTR的開關時間在幾微微秒以內(nèi)，比晶閘閘管和GTO都短很多最高工作電壓發(fā)射極開路時集電電極和基極間的反反向擊穿電壓BUcbo基極開路時集電極極和發(fā)射極間的擊擊穿電壓BUceo發(fā)射極與基極間用用電阻連接或短路路連接時集電極和和發(fā)射極間的擊穿穿電壓BUcer和BUces發(fā)射結反向偏置時時集電極和發(fā)射極極間的擊穿電壓BUcexBUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo集電極最大允許電電流IcM直流電流放放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定定值得1/2~1/3時，所所對應的Ic為集電流最最大允許電電流。實際際使用時要要留有裕量量，只能用用到IcM的一半或稍稍多一點4.主要要參數(shù)功耗參數(shù)：集電極最最大耗散功功率PCM；導通損耗PON；開關損耗PSW；二次擊穿功功耗PSB。5.安全全工作區(qū)安全工作區(qū)區(qū)由最高工作作電壓UCEM、集電極最大大允許電流流ICM、最大耗散功功率PCM和二次擊穿穿功耗PSB構成。二次擊穿，是指GTR發(fā)生一次擊擊穿后電流流不斷增加加，在某一一點產(chǎn)生向向低阻抗區(qū)區(qū)高速移動動的負阻現(xiàn)象，用符符號S/B表示。常常常立即導致致器件的永永久損壞，，或者工作作特性明顯顯衰變應用特點：具有大功功率、高反反壓，開關時間短短（工作頻率率10kHz以下）、飽飽和壓降低低和安全工工作區(qū)寬等等優(yōu)點。屬屬電流控制制型，因此此，所需驅(qū)動功率大大。容量中等。被廣泛用用于交流電電機調(diào)速、、不停電電電源和中頻頻電源等電電力變流裝裝置中。一次擊穿：：集電極電壓壓升高到擊擊穿電壓時時，集電極極電流迅速速增大，首首先出現(xiàn)的的雪崩擊穿穿的現(xiàn)象。。一次擊穿后后只要Ic不要超過最最大允許耗耗散功率相相對應的限限度，GTR一般不會損損壞Ic增大到某個個臨界點突突然急劇上上升，電壓壓突然下降降的現(xiàn)象也分為結型和絕緣柵型通常主要指指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）也稱功率場場效應晶體體管。結型電力場場效應晶體體管一般稱稱作靜電感感應晶體管管（StaticInductionTransistor———SIT）1.4.3.電力場效效應晶體管管（PowerMOSFET））特點——用用柵極電壓壓來控制漏漏極電流，，單極型的電電壓控制器器件。驅(qū)動電路簡簡單，需要要的驅(qū)動功功率小開關速度快快，工作頻頻率高熱穩(wěn)定性優(yōu)優(yōu)于GTR電流容量小小，耐壓低低，一般只只適用于功功率不超過過10kW的電力電子子裝置1.結構構小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂垂直導電結結構，漏極改裝在在柵、源極極的另一面面，大大提高了了MOSFET器件的耐壓壓和耐電流流能力。導通時只有有一種極性性的載流子子（多子））參與導電電，是單極極型晶體管管導電機理與與小功率MOS管相同，但但結構上有有較大區(qū)別別電力MOSFET的多元集成成結構2.工作作特性靜態(tài)特性：：UGS為負值或電電壓為零時時，漏源極極之間無電電流流過。。UGS大于某一數(shù)數(shù)值UT時，漏極和和源極導電電。截止區(qū)UGS≤UT，ID=0。飽和區(qū)UGS＞UT，UDS≥UGS–UT。非飽和區(qū)（也叫可調(diào)調(diào)電阻區(qū)））UGS＞UT，UDS≤UGS-UT作為開關：：工作在截止止區(qū)和非飽飽和區(qū)。轉(zhuǎn)移特性輸出特性電力MOSFET漏源極之間間有寄生二二極管，漏漏源極間加加反向電壓壓時器件導導通ton=td(on)+tr關斷延遲時時間td(off)從脈沖電壓壓up下降到零時時，柵極輸輸入電容Cin通過信號源源內(nèi)阻RG(》RS)和柵極電阻阻開始放電電，柵極電電壓uGS按指數(shù)曲線線下降，下下降到uGSP時，漏極電流流iD開始減小的的這段時間間開通延遲時時間td(on)從uP前沿時刻到到uGS=UT并開始出現(xiàn)現(xiàn)iD的這段時間間toff=td(off)+tf上升時間truGS從開啟電壓壓上升到MOSFET進入非飽和和區(qū)的柵壓壓uGSP的時間下降時間tfCin繼續(xù)放電，，uGS從繼續(xù)下降降，iD減小，到uGS<UT時溝道消失失，iD下降到零的的時間MOSFET關斷時間toffMOSFET開通時間ton3.開關關特性MOSFET的開關速度度MOSFET的開關速度度和Cin充放電有很很大關系使用者無法法降低Cin，但可降低驅(qū)驅(qū)動電路內(nèi)內(nèi)阻Rs減小時間常常數(shù)，加快快開關速度度只靠多子導導電，不存存在少子儲儲存效應，，因而關斷斷過程非常常迅速漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額參參數(shù)漏極直流電電流ID和漏極脈沖沖電流幅值值IDM電力MOSFET電流定額參參數(shù)柵源電壓UGS︱UGS︱>20V將導致絕緣緣層擊穿極間電容Ciss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD漏源間的耐耐壓、漏極極最大允許許電流和最最大耗散功功率決定電電力MOSFET的安全工作區(qū)區(qū)電力MOSFET不存在二次次擊穿4.主要要參數(shù)跨導Gfs、應用特點：（1）由于于功率MOSFET是單極型場控控器件，不像GTR那樣具有載載流子的存存儲效應，，因而通態(tài)態(tài)電阻較大大，飽和壓降也也較高，使導通損損耗大。（2）其開關速度快快，開關時間間在10~100ns之間，工作作頻率最高高，工作頻頻率可達100kHz以上，是各各種電力電電子器件中中較高的。。（3）功率率MOSFET屬電壓控制制型器件，，在靜態(tài)時時幾乎不需需輸入電流流，因此它它需要的驅(qū)動電路簡簡單、驅(qū)動動功率最小小。但在開關關過程中需需對輸入電電容充放電電，仍需一一定的驅(qū)動動功率。開開關頻率越越高，所需需要的驅(qū)動動功率越大大。另外，無二二次擊穿問問題、安全全工作區(qū)寬寬。但器件容量小小，比GTR小。在開關電源源、小功率率變頻調(diào)速速等電力電電子設備中中具有其他他電力電子子器件所不不能取代的的地位。GTR和GTO的特點——雙極型型，電流驅(qū)驅(qū)動，有電電導調(diào)制效效應，通流流能力很強強，開關速速度較低，，所需驅(qū)動動功率大大，驅(qū)動電電路復雜MOSFET的優(yōu)點——單極型型，電壓驅(qū)驅(qū)動，開關關速度快，，輸入阻抗抗高，熱穩(wěn)穩(wěn)定性好，，所需驅(qū)動動功率小而而且驅(qū)動電電路簡單兩類器件取取長補短結結合而成的的復合器件件—Bi-MOS器件四.絕緣柵極雙雙極晶體管管（InsulatedGateBipolarTransistor,簡稱IGBT）1986年年投入市場場后，取代代了GTR和一部分MOSFET的市場,成成為中小功功率電力電電子設備的的主導器件件繼續(xù)提高電電壓和電流流容量，以以期再取代代GTO的地位結構相當于一個個由MOSFET驅(qū)動的厚基基區(qū)GTR。GTR為主導器件件、MOSFET為驅(qū)動器件件的林頓結構IGBT屬復合型器器件，也稱稱作混合型型器件，它它是指雙極極型和單極極型的集成成混合。常常見的有：：MOS門極晶體管管（MGT）、MOS控制晶閘管管（MCT）、集成門極換換流晶閘管管（IGCT）以及功率集集成電路。。柵極集電極發(fā)射極2.工作作特性靜態(tài)特性（（轉(zhuǎn)移特性和伏安特性）三個區(qū)：正向阻斷區(qū)區(qū)、有源區(qū)和和飽和區(qū)。驅(qū)動原理與與電力MOSFET基本相同，，場控器件件，通斷由由柵射極電電壓uGE決定導通：uGE大于開啟電電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道道，為晶體體管提供基基極電流，，IGBT導通導通壓降：：電導調(diào)制效效應使電阻阻RN減小，使通通態(tài)壓降小小關斷：柵射極間施施加反壓或或不加信號號時，MOSFET內(nèi)的溝道消消失，晶體體管的基極極電流被切切斷，IGBT關斷3.主要要參數(shù)（1）最大集射射極間電壓壓UCES（2）集電極額額定電流ICN（3）集電極脈脈沖峰值電電流ICP（4）最大集電電極功耗PCN開關特性：：應用特點：：綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，，容量與GTR屬同一等等級，屬電壓控控制型，，既具有有輸入阻阻抗高、、速度快快、熱穩(wěn)穩(wěn)定性好好、驅(qū)動電路路簡單、、驅(qū)動電電流小等優(yōu)點，，又具有有通態(tài)壓壓降小、、耐壓高高及承受受電流大大等優(yōu)點點，是發(fā)發(fā)展最快快而且很很有前途途的一種種復合器器件。在電機控控制、中中頻電源源、開關關電源，，以及要要求速度度快、低低損耗的的領域，，IGBT已逐步取取代GTR和MOSFET。五.MOS控制晶閘閘管（MOSControlledThyristor，簡稱MCT）也屬復合合型器件件，是在晶閘閘管結構構中集成成了一對對MOSFET，通過MOSFET來控制晶晶閘管的的導通和和關斷。。集合MOSFET和晶閘管管的優(yōu)點點，與GTR、MOSFET、IGBT和GTO等相比，，具有高高電壓、、大電流流、通態(tài)態(tài)壓降小?。℅TR的1／3）、通通態(tài)損耗耗小、開開關速度度快（比比GTR快）、開開關損耗耗小以及及du／dt和di／dt耐量高等等優(yōu)點。。六.靜電電感應晶晶體管SIT（（StaticInductionTransistor,簡稱SIT））是在普通通結型場場效應晶晶體管基基礎上發(fā)發(fā)展起來來的單極極型電壓壓控制器器件，它它有源、、柵、漏漏三個電電極。SIT在柵極不不加信號號時是導導通的，，柵極加加負偏壓壓時關斷斷，即是是正常導通通型。柵極驅(qū)驅(qū)動電路路應做到到先加負負柵偏壓壓，后主主電路再再施加漏漏極電壓壓具有輸入入阻抗高高、輸出出功率大大、失真真小、輸輸入阻抗抗高、開開關特性性好、熱熱穩(wěn)定性性好等一一系列優(yōu)優(yōu)點。其其工作頻頻率與功功率MOSFET相當，功功率容量量比功率率MOSFET大，目前前已被用用于高頻頻感應加加熱、雷雷達通訊訊設備、、超聲波波功率放放大等領領域。七.靜電感應應晶閘管管（StaticInductionThyristor,簡稱SITH）屬靜電感感應器件件，即其其工作的的原理是是利用電電場的作作用來開開閉電流流的通道道，使器器件導通通或關斷斷。結構：對外有三三個引出出端：陽陽極A、陰極K和門極G。SITH分為常開開型（多多數(shù)）和和常關型型兩類。。其特點是：（1）開關速速度快，工作作頻率高。工工作頻率可達達100kHz，比GTO高一個數(shù)量級級。（2）正向壓壓降較低。。1～1.5V，GTO正向壓降一般般大于2V。（3）du／dt、di／dt耐量高（4）工作結結溫高但SITH也存在著制造造工藝復雜、、電流關斷增增益較小等缺缺點。八.集成成門極換流晶晶閘管IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor)IGBT和GTO的結合，容量量與GTO相當，開關速速度比GTO快10倍。九.功率率模塊與功率率集成電路90年代，電電力電子器件件又在向智能能化、模塊化化方向發(fā)展，，力求將電力力器件與驅(qū)動動電路、保護護電路、檢測測電路等集成成在一個芯片片或模塊內(nèi)，，使裝置更趨趨小型化、智智能化。1.7電力力電子器件的的保護一.過電壓保護1.產(chǎn)生過電壓的的原因外因過電壓主主要指來自雷雷擊和系統(tǒng)中中的操作過程程等外部原因因，（1）雷擊過過電壓；（2）靜電感應過電電壓；（3）分閘時的操作作過電壓內(nèi)因過電壓主主要來自電力力電子裝置內(nèi)內(nèi)部的開關過過程。如晶閘閘管的關斷過過電壓，可達達工作電壓峰峰值的5—6倍。2.過電壓的保護護措施（1）避雷器器保護（2）用非線線性元件限制制過電壓的幅幅度（3）用儲能能元件吸收產(chǎn)產(chǎn)生過電壓的的能量。（4）利用引引入電壓檢測測的電子保護護電路作過電電壓保護。壓