第1部分電力電子器件-13-09-11

第1部分電力電子器件上海電力學(xué)院電子教研室

現(xiàn)代電力電子技術(shù)2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室2本章主要內(nèi)容1.1電力電子器件的特征及分類1.2決定電力電子器件實(shí)際效能的主要因素1.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響1.4電力電子器件的緩沖電路和驅(qū)動(dòng)電路第1部分電力電子器件2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室31.1.1

電力電子器件的特征同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：(1)電功率大小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí),大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件(2)工作在開關(guān)狀態(tài)1.1電力電子器件的特征和分類導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定作電路分析時(shí)，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替第1部分電力電子器件2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室4(4)散熱在主電路和控制電路之間，對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成(3)需要由信息電子電路來控制第1部分電力電子器件1.1電力電子器件的特征和分類1.1.1

電力電子器件的特征電氣隔離2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室5對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一電力電子器件的損耗包括：通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開關(guān)損耗導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流開通損耗和關(guān)斷損耗的總稱器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生器件功率損耗的主要成因斷態(tài)漏電流極小，器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大可能成為器件功率損耗的主要因素1.1.1電力電子器件的特征第1部分電力電子器件1.1電力電子器件的特征和分類2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室61.1.2

電力電子器件的分類電力電子器件控制功能不控型可控型導(dǎo)電機(jī)理PN結(jié)型勢壘型反向恢復(fù)速度普通型快速及超快速型反向電流衰減速度硬恢復(fù)型軟恢復(fù)型開關(guān)狀態(tài)可控性控制信號(hào)性質(zhì)半控型全控型電流控制型電壓控制型載流子類型單極型雙極型復(fù)合型芯片材料硅（多晶硅和單晶硅）碳化硅、金剛石等集成度分立型功率模塊集成電路第1部分電力電子器件1.1電力電子器件的特征和分類2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室71.2決定電力電子器件實(shí)際效能的主要因素所有電力電子器件在其裝置中的實(shí)際效能取決于兩方面：●電力電子器件的設(shè)計(jì)和制作（參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安排、材料性能、工藝水平和散熱能力等）；●器件所在電路的運(yùn)行條件（電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載性質(zhì)、控制信號(hào)、開關(guān)頻率、環(huán)境溫度和冷卻條件等）。★本節(jié)重點(diǎn)：分析開關(guān)環(huán)境對(duì)器件性能的影響。實(shí)踐證明，器件開關(guān)性能與電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載性質(zhì)、控制策略、開關(guān)頻率和開關(guān)方式等條件密切相關(guān)。第1部分電力電子器件2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室81.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響第1部分電力電子器件——IGBT的開關(guān)過程分析1、IGBT開關(guān)電路2、IGBT的開通過程、關(guān)斷過程Lko包括：外引線分布電感、器件內(nèi)引線分布電感、

外接附加電感Lko

：負(fù)載Ugeo：臨界驅(qū)動(dòng)?xùn)艍?023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室91.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響第1部分電力電子器件——IGBT的開關(guān)過程分析1）結(jié)溫對(duì)單次開關(guān)能耗的影響3、電路環(huán)境對(duì)開關(guān)能耗的影響（IGBT內(nèi)置反并聯(lián)二極管）2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室101.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響第1部分電力電子器件——IGBT的開關(guān)過程分析3、電路環(huán)境對(duì)開關(guān)能耗的影響（IGBT內(nèi)置反并聯(lián)二極管）2）柵極串聯(lián)電阻RG對(duì)單次開關(guān)能耗的影響2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室111.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響第1部分電力電子器件——IGBT的開關(guān)過程分析3、電路環(huán)境對(duì)開關(guān)能耗的影響（IGBT內(nèi)置反并聯(lián)二極管）2）柵極串聯(lián)電阻RG對(duì)單次開關(guān)能耗的影響表1-13柵極電阻RG的推薦值2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室121.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響第1部分電力電子器件——IGBT的開關(guān)過程分析4、短路狀態(tài)下IGBT的載流能力電路初態(tài)負(fù)載短路后的電路終態(tài)保護(hù)動(dòng)作后的電路終態(tài)VG1：短接負(fù)載的無觸點(diǎn)高速開關(guān)VG2：被測試器件2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室131.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響第1部分電力電子器件——IGBT的開關(guān)過程分析4、短路狀態(tài)下IGBT的載流能力短路時(shí)升流過程：ic2↗至ISC后再上升，VG2→放大狀態(tài)，uce↗→ic2

↗，ic2↗至ISCm→uce

使ucgc2↗→Rg產(chǎn)生反壓→uge2>Ug1→VG2

增益↘→ic2↘ISC2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室14負(fù)載正常時(shí)關(guān)斷軌跡處于SOA中1.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響第1部分電力電子器件——IGBT的開關(guān)過程分析4、短路狀態(tài)下IGBT的載流能力切斷短路電流：短路后撤去柵壓直接關(guān)斷VG2，強(qiáng)制ic2下降，產(chǎn)生電壓超量ΔU，Uces/VUdUd/VLkuHdic/dtkA/us△U/VUcem/V12000.6Uces5500.30.51507002.57501300短路關(guān)斷軌跡超出SOA2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室151.3電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能的影響第1部分電力電子器件——IGBT的開關(guān)過程分析4、短路狀態(tài)下IGBT的載流能力短路安全工作區(qū)SCSOA短路電流耐量負(fù)載短路動(dòng)態(tài)軌跡不應(yīng)超出SCSOASCSOA在單脈沖（非重復(fù)）條件下測得，過流保護(hù)方法必須精確可靠，防止連續(xù)出現(xiàn)短路—保護(hù)—再短路的情況。2023/2/3上海電力學(xué)院電子技術(shù)教研室161.4電力電子器件的緩沖電路和驅(qū)動(dòng)電路第1部分電力電子器件1、緩沖電路——改善器件開關(guān)環(huán)境卓有成效——實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)方法之一（1）正常開關(guān)狀態(tài)下的負(fù)載