《高級(jí)工授》PPT課件.ppt

1、電力電子變流技術(shù)電子教案,第一章：電力電子器件,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（ Silicon Controlled Rectifier）又稱(chēng)：晶體閘流管(Thyristor)，可控硅整流器。 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）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

2、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,1、晶閘管的常見(jiàn)封裝外形有螺栓型和平板型兩種封裝： 引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端； 對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便； 平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。 圖1-1 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),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

3、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UAK0時(shí)，只有EGk0，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(mén)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)UAK0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(chēng)為SCR的維持電流

4、。,1.1.2 晶閘管的開(kāi)關(guān)特點(diǎn),綜上所述： SCR導(dǎo)通條件： UAK0 同時(shí) UGK0 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,圖1-4 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,1.1.3 晶閘管的工作原理分析,具體描述如果IG(門(mén)極電流)注入V2基極，V2導(dǎo)通，產(chǎn)生IC2（ 2IG ）。它同時(shí)為V1的基極電流，使V1導(dǎo)通，且IC1= 1IC2,IC1加上IG進(jìn)一步加大V2的基極電流，從而形成強(qiáng)烈的正反饋，使V1V2很快進(jìn)入完全飽和狀態(tài)。此時(shí)SCR飽和導(dǎo)通，通過(guò)SCR的電流由R確定為EA/R。UAK之間的壓降相當(dāng)于一個(gè)PN結(jié)加一個(gè)

5、三極管的飽和壓降約為1V。此時(shí)，將IG調(diào)整為0，即UGK0，也不能解除正反饋，G極失去控制作用。,在分析SCR的工作原理時(shí)，常將其等效為兩個(gè)晶體管V1和V2串級(jí)而成。 此時(shí)，其工作過(guò)程如下： UGK0 產(chǎn)生IG V2通產(chǎn)生IC2 V1通 IC1 IC2 出現(xiàn)強(qiáng)烈的正反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導(dǎo)通。,1. 靜態(tài)特性 承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)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(mén)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(mén)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

6、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(mén)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(mén)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)（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23倍。 SCR一般來(lái)說(shuō)：100V1000V，每100V一個(gè)等級(jí)；1000V3000V，每

7、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1.52倍。 IT(AV)=(1.52)ITM/1.57,1.1.5 晶閘管的主要參數(shù),2) 維持電流 IH 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 3) 擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通

8、所需的最小電流。 對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍。 4) 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。,1.1.5 晶閘管的主要參數(shù),1. 雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 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(mén)極G； 正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性；I

9、+ 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（Solid State RelaySSR）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(mén)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 POWER MOSFET 門(mén)極絕緣柵雙極晶體管 IGBT, 1.2典型全控型器件,1.2.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO,門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 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

10、、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。 電流控制型,電力晶體管GTR （Giant Transistor，直譯為巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱(chēng)為Power BJT 在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱(chēng)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

11、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(chēng)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)（Safe Operating AreaSOA） 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(xiàn)PSB限定 圖1-18 GTR的安全工作區(qū),1.2.2 電力晶體管GTR(

12、BJT),MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）分為結(jié)型和絕緣柵型。 電力場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOSFET）通常主要指絕緣柵型MOSFET 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管SIT（Static Induction TransistorSIT） POWER MOSFET的特點(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?。?開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高； 熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR； 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 ； 抗過(guò)載能力弱。,1.2.3 電力場(chǎng)效應(yīng)管POWER MOSFET,圖1-19 電力MOSFET的結(jié)

13、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POWER MOSFET,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(lèi)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POWER MOSFET,1.2.4 絕緣柵雙極晶體管,絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated-gate Bipolar Transistor）

14、 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. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E 圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào),E,1.2.4 絕緣柵雙極晶體管, 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

15、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),目的：多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流。特別是在有些頻率較高的逆變器中，有時(shí)為了減小SCR的開(kāi)關(guān)損耗和di/dt，減小關(guān)斷時(shí)間，達(dá)到所需的工作頻率和輸出功率，常常使用多個(gè)SCR并聯(lián)。 問(wèn)題：SCR會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。SCR導(dǎo)通后的內(nèi)阻極小是并聯(lián)時(shí)很難均流的根本原因。,1.3.2 晶閘管的并聯(lián),均流措施 選用參數(shù)和特性盡量一致的器