高級(jí)工授課1課件

《電力電子變流技術(shù)》電子教案第一章：電力電子器件1第一章電力電子器件1.1半控型器件——晶閘管1.2典型全控型器件1.3不可控器件——電力二極管1.4其他新型電力電子器件1.5電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.6電力電子器件的保護(hù)1.7電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用小結(jié)

§1.1半控型器件——晶閘管晶閘管SCR（SiliconControlledRectifier）又稱：晶體閘流管(Thyristor)，可控硅整流器。1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管；1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化；開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代；20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代；能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。

1.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和外形封裝

2、晶閘管的其它封裝形式：還有塑封和模塊式兩種封裝。圖1-2晶閘管的其它封裝形式

1.1.2晶閘管的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)

〔簡(jiǎn)單描述〕晶閘管SCR相當(dāng)于一個(gè)半可控的、可開(kāi)不可關(guān)的單向開(kāi)關(guān)。圖1-3晶閘管的工作條件的試驗(yàn)電路〔解釋〕當(dāng)SCR的陽(yáng)極和陰極電壓UAK<0，即EA下正上負(fù)，無(wú)論門極G加什么電壓，SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)；UAK>0時(shí)，只有EGk>0，SCR才能導(dǎo)通。說(shuō)明SCR具有正向阻斷能力；SCR一旦導(dǎo)通，門極G將失去控制作用，即無(wú)論EG如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當(dāng)UAK<0時(shí)，無(wú)論SCR原來(lái)的狀態(tài)，都會(huì)使R熄滅，即此時(shí)SCR關(guān)斷。其實(shí)，在I逐漸降低（通過(guò)調(diào)整RW）至某一個(gè)小數(shù)值時(shí)，剛剛能夠維持SCR導(dǎo)通。如果繼續(xù)降低I，則SCR同樣會(huì)關(guān)斷。該小電流稱為SCR的維持電流。

1.1.2晶閘管的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)

綜上所述：SCR導(dǎo)通條件：UAK>0同時(shí)UGK>0由導(dǎo)通→關(guān)斷的條件：使流過(guò)SCR的電流降低至維持電流以下?；蛘呒臃磯宏P(guān)斷

1.靜態(tài)特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

從這個(gè)角度可以看出，SCR是一種電流控制型的電力電子器件。

1.1.5晶閘管的基本特性

1.額定電壓1)

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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3)

通態(tài)（峰值）電壓UTM——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)（π倍)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓（一般為2V）。

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。SCR一般來(lái)說(shuō)：100V~1000V，每100V一個(gè)等級(jí)；1000V～3000V，每200V一個(gè)等級(jí)。

1.1.5晶閘管的主要參數(shù)

2.額定電流1)

通態(tài)平均電流IT(AV)

額定電流-----晶閘管在環(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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許連續(xù)流過(guò)的單相工頻正弦半波電流的最大平均值。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。實(shí)際使用時(shí)應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍。IT(AV)=(1.5~2)ITM/1.57

1.1.5晶閘管的主要參數(shù)

1.雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

1.1.7晶閘管的派生器件

TRIAC可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成；有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G；正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性；I+III-,I-III-與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SolidStateRelay——SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多；通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。

1.1.7晶閘管的派生器件

著重介紹：門極可關(guān)斷晶閘管GTO電力晶體管GTR電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管POWERMOSFET門極絕緣柵雙極晶體管IGBT

§1.2典型全控型器件電力晶體管GTR（GiantTransistor，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代電流控制型，防止二次擊穿現(xiàn)象

1.2.2電力晶體管GTR(BJT)

GTR的二次擊穿現(xiàn)象(重要）與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿；只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)，如果繼續(xù)增高外接電壓，則Ic繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，Uce會(huì)突然降低至一個(gè)小值，同時(shí)導(dǎo)致Ic急劇上升，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿，見(jiàn)教材P138；二次擊穿的持續(xù)時(shí)間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞。必需避免。

1.2.2電力晶體管GTR(BJT)

安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線PSB限定圖1-18GTR的安全工作區(qū)

1.2.2電力晶體管GTR(BJT)

圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)

1.2.3電力場(chǎng)效應(yīng)管POWERMOSFET

G：柵極D：漏極S：源極

GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜；

MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成一些復(fù)合器件—Bi-MOS器件（如IGBT)。

1.2.3電力場(chǎng)效應(yīng)管POWERMOSFET

1.2.4絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated-gateBipolarTransistor）

IGBT為GTR和MOSFET復(fù)合，它結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有比它們各好的特性；

1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件；

目前正繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位；在價(jià)格方面期待進(jìn)一步降低。§1.3電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

1.3.1晶閘管的串聯(lián)1.3.2晶閘管的并聯(lián)

目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。問(wèn)題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻：靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過(guò)的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等；承受電壓高的器件首先達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個(gè)器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用；反向時(shí)，可能使其中一個(gè)器件先反向擊穿，另一個(gè)隨之擊穿。1.3.1晶閘管的串聯(lián)均壓措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件；采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。圖1-41晶閘管的串聯(lián)a)

伏安特性差異b)

串聯(lián)均壓措施1.3.1晶閘管的串聯(lián)均流措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)均流的根本措施；采用電阻均流，Rp的阻值應(yīng)顯著大于SCR導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻。還可以采用電感均流：當(dāng)SCR由于伏安特性差別，器件電流趨于不均衡時(shí)，電