電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章1

電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章2024/3/11電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.1.1電力電子器件的概念和特征2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子器件的分類(lèi)

2.1電力電子器件的概述電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]電力電子器件（powerelectronicdevice）——可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（mainpowercircuit）——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。2.1.1電力電子器件的概念和特征1、概念：電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2、同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]電力電子器件主要損耗通態(tài)損耗：導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降斷態(tài)損耗：阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò)開(kāi)關(guān)損耗：開(kāi)通損耗：在器件開(kāi)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類(lèi)：2.1.3電力電子器件的分類(lèi)絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）不可控器件電力二極管（PowerDiode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。半控型器件電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類(lèi)：2)電壓驅(qū)動(dòng)型通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制1)電流驅(qū)動(dòng)型僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類(lèi)：2)雙極型器件3)復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件

1)單極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.2.3電力二極管的主要參數(shù)2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型及典型應(yīng)用2.2不可控器件—電力二極管電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]1.正向平均電流IF(AV)

額定電流——在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。2.2.3電力二極管的主要參數(shù)2.正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]3.反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓4.浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5

s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型及典型應(yīng)用分類(lèi)：電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5

s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管.電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]3.肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]二極管的典型應(yīng)用電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.3半控器件—晶閘管2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.3.2晶閘管的基本特性2.3.3晶閘管的主要參數(shù)2.3.4晶閘管的派生器件電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）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.電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)結(jié)構(gòu)電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]工作原理分析!結(jié)論：觸而導(dǎo)通，通而不斷，斷則反壓。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.3.2晶閘管的基本特性1.靜態(tài)特性（伏安特性）電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.動(dòng)態(tài)特性晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形延遲時(shí)間上升時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間開(kāi)通時(shí)間：tgt=td+tr關(guān)斷時(shí)間：tq=trr+tgr電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]1.電壓定額2.3.3晶閘管的主要參數(shù)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。1)

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——正向折轉(zhuǎn)電壓的80%2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM——反向折轉(zhuǎn)電壓的80%3)

通態(tài)（峰值）電壓UTM——額定電流管壓降峰值電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]

使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。4)浪涌電流ITSM3)

擎住電流IL(=2-4IH)2)

維持電流IH

注意：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。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍。1)

通態(tài)平均電流IT(AV)

2.電流定額電流的有效值是從電流的熱效應(yīng)來(lái)考慮的，是電流的平方在時(shí)間積累效應(yīng)上的平均效果電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]——指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率?！冈谝?guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。(2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類(lèi)似門(mén)極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。(1)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：3.動(dòng)態(tài)參數(shù)電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.3.4晶閘管的派生器件包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10

s左右。1.快速晶閘管（FST)電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC）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（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。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]3.逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位，利用8KV/3.5KA光控晶閘管構(gòu)成的300MV.A容量的電力電子裝置是目前最大的電力電子裝置。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]思考：1下圖為一晶閘管調(diào)試電路，以檢測(cè)晶閘管工作后輸出電壓是否正確，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)Rd斷開(kāi)電壓表讀數(shù)不正常，而Rd接通讀數(shù)正常，請(qǐng)分析原因。u2QUdvRd電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2下圖中，要使晶閘管VT導(dǎo)通，門(mén)極觸發(fā)信號(hào)最小要維持多長(zhǎng)時(shí)間？已知：E=50V，R=0.5Ω,L=0.5H,IH=10mA,IL=15mA。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]3型號(hào)為KP100-3、IH=4mA，晶閘管在下圖中應(yīng)用是否合理？為什么？（不考慮裕量）電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.4典型全控型器件2.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管2.4.2電力晶體管2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.4.4絕緣柵雙極晶體管電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，耐壓耐流可達(dá)6KV和6KA，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]工作原理：

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)

1+

2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)

1+

2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。開(kāi)通原理和SCR一樣。設(shè)計(jì)時(shí)

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。iB2+ic2=ikic2=α2．ikik=iB2/(1-α2)=iAiB2電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：(1)設(shè)計(jì)

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。(3)多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。(2)導(dǎo)通時(shí)

1+

2更接近1（

1.05，普通晶閘管

1+

2

1.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.GTO的主要參數(shù)——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2

s。——一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2

s。關(guān)斷時(shí)間toff開(kāi)通時(shí)間ton

電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]3)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO電流關(guān)斷增益

off——GTO額定電流?！畲罂申P(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A。

GMATOoffII=β電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]術(shù)語(yǔ)用法：電力晶體管（GTR，巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，耐壓和耐流可達(dá)1.5KV,1KA,可在10KHZ以內(nèi)開(kāi)關(guān)頻率下工作?，F(xiàn)商品化的GTR耐壓、耐流不超過(guò)1200V，800A。2.4.2電力晶體管電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]1.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理開(kāi)通和關(guān)斷可由基極電流來(lái)控制，故稱為全控型器件和電流型驅(qū)動(dòng)器件。開(kāi)通條件：Uce正偏，提供基極電流。關(guān)斷：Ib小于等于零。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。2.GTR的基本特性

(1)

靜態(tài)特性在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]3.GTR的主要參數(shù)

1)

最高工作電壓GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo（基極開(kāi)路時(shí)，集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓）低得多。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE（電流放大系數(shù)）下降到規(guī)定值的1/2-1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。3)集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]4.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(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)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]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、二次擊穿臨界線限定。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]一般分為結(jié)型（SIT）和絕緣柵型但通常主要指絕緣柵型中的MOS型簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

特點(diǎn)——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，最高耐壓為：1000V，最高耐流為200A，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置，但開(kāi)關(guān)頻率為電力電子器件中最高，可達(dá)500KHZ。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]1.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理（分析）電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]2.電力MOSFET的基本特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]3.電力MOSFET的主要參數(shù)

——電力MOSFET電壓定額1)

漏極電壓UDS

2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS——柵源之間的絕緣層很薄，

UGS

>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS

這些電容都是非線性的漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。

一般電力MOSFET不存在二次擊穿問(wèn)題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)。電力電子技術(shù)王兆安第五版第2章[1]GTR的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，通流能力很強(qiáng)，耐壓高，耐流大，可用在大功率場(chǎng)合。但開(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。MOS