第1章電力電子器件2014

第1章電力電子器件2014第一頁，共46頁。1.1電力電子器件的特點與分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆半控型器件

?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。?器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

◆全控型器件?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

?通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。

◆不可控器件

?功率二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。第二頁，共46頁。1.1電力電子器件的分類■按照驅(qū)動信號的性質(zhì)◆電流驅(qū)動型

?通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。

◆電壓驅(qū)動型

?僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制?！龈鶕?jù)器件內(nèi)部帶電粒子參與導(dǎo)電的種類不同

◆單極型

?器件內(nèi)部只有一種帶電粒子參與導(dǎo)電，如PowerMOSFET。

◆雙極型和復(fù)合型

?器件內(nèi)有電子和空穴兩種帶電粒子參與導(dǎo)電，如GTR和GTO?！綦p極型和復(fù)合型?由雙極型器件與單極型器件復(fù)合而成的新器件，如IGBT。

第三頁，共46頁。1.2晶閘管及派生器件

1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-5晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號晶閘管就是硅晶體閘管也稱為可控硅整流器。普通晶閘管是一種具有開關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。第四頁，共46頁。1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理-封裝第五頁，共46頁。1.3晶閘管-螺栓式第六頁，共46頁。1.3晶閘管-平板式第七頁，共46頁。1.3晶閘管-模塊式第八頁，共46頁。水冷式風(fēng)冷式自冷式模塊式1.3晶閘管-散熱片第九頁，共46頁。P1N1P2N2A陽極（Anode）G門極（Gate）K陰極（Cathode）結(jié)構(gòu)

AG K電氣符號1.3晶閘管-結(jié)構(gòu)第十頁，共46頁。EgS

AG KEAR晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷實驗電路1.3晶閘管-實驗第十一頁，共46頁。

AG KEgSEAR門極加負(fù)電壓1.3晶閘管-實驗第十二頁，共46頁。門極加正電壓

AG KEgSEARIgIA1.3晶閘管-實驗第十三頁，共46頁。導(dǎo)通后門極加負(fù)電壓

AG KEgSEARIA1.3晶閘管-實驗第十四頁，共46頁。導(dǎo)通后撤除門極電壓S

AG KEgEARIA1.3晶閘管-實驗第十五頁，共46頁。導(dǎo)通后減小陽極電流

AG KEgSEAnRIAR1.3晶閘管-實驗第十六頁，共46頁。

AG KEgSR導(dǎo)通后減小陽極電壓或去除陽極電壓EA1.3晶閘管-實驗第十七頁，共46頁。

AG KEgSEAR導(dǎo)通后陽極加反壓1.3晶閘管-實驗第十八頁，共46頁。1.3晶閘管-導(dǎo)通和關(guān)斷條件

1、欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個條件：①應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓；②應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。2、晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。3、為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實現(xiàn)。第十九頁，共46頁。1.3晶閘管-工作原理圖1-6晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖N2N1P2AKGP1N1P2第二十頁，共46頁。1.2.2晶閘管的工作特性及主要參數(shù)-靜態(tài)伏安特性圖1-7晶閘管伏安特性曲線

第二十一頁，共46頁。1.3晶閘管-基本工作特性歸納晶閘管承受反向電壓時，不論門極有否觸發(fā)電流，晶閘管都不導(dǎo)通，反向伏安特性類似于二極管。(2)晶閘管承受正向電壓時，僅門極有正向觸發(fā)電流的情況下才能導(dǎo)通。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿，壓降在1V左右；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。(3)要使晶閘管關(guān)斷，必須使晶閘管的電流下降到某一數(shù)值以下。(4)晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出；為保證可靠、安全地觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)，既保證有足夠的觸發(fā)功率，又確保不損壞門極和陰極之間的PN結(jié)。第二十二頁，共46頁。1.3晶閘管-動態(tài)特性圖1-8晶閘管開通和關(guān)斷過程波形第二十三頁，共46頁。1.3晶閘管-電壓參數(shù)(1)斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM晶閘管在門極開路時，施加于晶閘管的正向陽極電壓上升到正向伏安特性曲線急劇彎曲處所對應(yīng)的電壓值。UDSM值小于轉(zhuǎn)折電壓Ubo。(2)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM(UDRM=80%UDSM)(3)反向不重復(fù)峰值電壓URSM晶閘管門極開路，晶閘管承受反向電壓時,對應(yīng)于反向伏安特性曲線急劇彎曲處的反向峰值電壓值。

(4)反向重復(fù)峰值電壓URRMURRM=80%URSM(5)額定電壓MIN(UDRM,URRM)

第二十四頁，共46頁。1.3晶閘管-電壓參數(shù)(6)通態(tài)平均電壓UT(AV)

晶閘管陽極與陰極間電壓降的平均值,管壓降。

表1-1晶閘管正、反向重復(fù)峰值電壓等級第二十五頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)(1)通態(tài)平均電流IT(Av)在環(huán)境溫度為+40℃和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管在導(dǎo)通角不小于170o的電阻性負(fù)載電路中，在額定結(jié)溫時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取整數(shù)值，稱為該晶閘管的通態(tài)平均電流，定義為該元件的額定電流。（2）波形系數(shù)各種有直流分量的電流波形都有一個電流平均值(一個周期內(nèi)電流波形面積的平均)，也就是直流電流表的讀數(shù)值；也都有一個有效值(均方根值)?，F(xiàn)定義電流波形的有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數(shù)，用Kf表示。如整流電路直流輸出負(fù)載電流id的波形系數(shù)為式中，I—負(fù)載電流有效值；

Id—負(fù)載電流平均值。第二十六頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)根據(jù)規(guī)定條件，流過晶閘管為工頻正弦半波電流波形。設(shè)電流峰值為Im，則通態(tài)平均電流

該電流波形的有效值正弦半波電流波形系數(shù)Kf應(yīng)有

額定電流為100A的晶閘管，其允許通過電流有效值為1.57×100=157

第二十七頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)

在實際電路中，流過晶閘管的波形可能是任意的非正弦波形，如何去計算和選擇晶閘管的額定電流值，應(yīng)根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則，將非正弦半波電流的有效值IT或平均值Id折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值，即實際選用時，一般考慮1.5～2倍的安全裕量

第二十八頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)

例1.1：實際流過晶閘管的電流波形i1和i2如圖，其峰值分別為Im1和Im2。計算結(jié)果如下：i10π/2π 2π5π/2 ωtIm1i2Im202π/3π 2π8π/3

ωt若不考慮安全裕量，求KP100型晶閘管中流過i1和i2電流時所能承受的最大平均電流值。第二十九頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)（1）實際電流波形i1的平均值、有效值和波形系數(shù)i10π/2π 2π5π/2ωtIm1平均值有效值波形系數(shù)第三十頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)（1）若不考慮安全裕量，求KP100型晶閘管中流過i1電流時所能承受的最大平均電流值。i10π/2π 2π5π/2 ωtIm1考慮安全裕量Id1=70.7/(1.5～2)=35.35～47.13A第三十一頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)（2）實際電流波形i2的平均值、有效值和波形系數(shù)平均值有效值波形系數(shù)第三十二頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)（2）若不考慮安全裕量，求KP100型晶閘管中流過i2電流時所能承受的最大平均電流值?？紤]安全裕量Id2=90.7/(1.5～2)=45.35～60.46A第三十三頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2：圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量時，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？有效值波形系數(shù)波形系數(shù)平均值第三十四頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2：圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）第三十五頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2：圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量時，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？波形系數(shù)平均值有效值第三十六頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2：圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）第三十七頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2：圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量時，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？波形系數(shù)平均值有效值第三十八頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2：圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）第三十九頁，共46頁。1.3晶閘管-電流參數(shù)(2)維持電流IH晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通以后，在室溫和門極開路的條件下，減小陽極電流，使晶閘管維持通態(tài)所必需的最小陽極電流。(3)掣住電流IL晶閘管一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通就去掉觸發(fā)信號，能使晶閘管保持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流。(4)斷態(tài)重復(fù)平均電流IDR和反向重復(fù)平均電流IRR額定結(jié)溫和門極開路時，對應(yīng)于斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓下的平均漏電流。(5)浪涌電流ITSM在規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內(nèi)所允許的最大過載峰值電流。

第四十頁，共46頁。1.3晶閘管-動態(tài)參數(shù)(1)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt在額定結(jié)溫和門極開路下，使晶閘管保持?jǐn)鄳B(tài)所能承受的最大電壓上升率。(2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規(guī)定條件下，晶閘管用門極觸發(fā)信號開通時，晶閘管能夠承受而不會導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率。(3)開通時間tON開通時間tON由延遲時間td和上升時間tr組成。圖1-9門極控制開通時間第四十一頁，共46頁。1.3晶閘管-動態(tài)參數(shù)(4)關(guān)斷時間方tOFF關(guān)斷時間包括反向恢復(fù)時間trr和門極恢復(fù)時間tgr兩部分。從通態(tài)電流降至零瞬間起，到晶閘管開始能承受規(guī)定的斷態(tài)電壓瞬間止的時間間隔。圖1-10晶閘管電路換向關(guān)斷時間

第四十二頁，共46頁。1.3晶閘管-觸發(fā)第四十三頁，共46頁。1.3晶閘管-派生器件1、快速晶閘管普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10μs左右。與普通晶閘管相比，高頻晶閘管的不足在于其電