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1,2,2012年10月25日,2,2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块,第2章 电力电子器件,3,一、电力电子器件的概念和特征,2.1 电力电子器件概述,1.概念,主电路（Power Circuit）：,电力电子器件（Power Electronic Device)：,直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。,在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。,4,1）处理电功率的能力信息电子器件。2）一般工作在开关状态。3）一般由信息电子电路驱动。4）功率损耗信息电子器件。,电力电子器件是大功率半导体器件,2.1 电力电子器件概述,一、电力电子器件的概念和特征,2.特征,5,电力电子器件理想模型,有三个电极。1和2代表开关的两个主电极，3是控制开关通断的控制极。只有两种工作状态“通态”和“断态”。通态时其电阻为零，相当于开关闭合；断态时其电阻无穷大，相当于开关断开。开通及关断时间为零。,2.1 电力电子器件概述,一、电力电子器件的概念和特征,2.特征,6,如何考查电力电子器件？,导通压降(损耗)运行频率(开通时间/关断时间)器件容量(电能处理、变换的能力)可靠性耐冲能力,2.1 电力电子器件概述,一、电力电子器件的概念和特征,2.特征,7,导通,主电路中电力电子器件,关断,控制电路,信息电子电路组成,控制电路,主电路,电力电子系统,通过驱动电路控制,驱动电路,检测保护电路,2.1 电力电子器件概述,二、应用电力电子器件的系统组成,8,不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路,电力二极管,不控型器件,主电路,通 断,电流,电压,只有两个端子,结构简单、工作可靠。,2.1 电力电子器件概述,三、电力电子器件的分类,1.控制方式,9,半控型器件,通过控制信号可控制其导通但不能控制其关断,晶闸管及其派生器件,关 断,主电路,电流,电压,反应快、可靠性高、寿命长、功率大、价格低，且具有节能的特点。,2.1 电力电子器件概述,三、电力电子器件的分类,1.控制方式,10,全控型器件,绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管电力晶体管,通过控制信号既可控制其导通又能控制其关断,自关断器件,门极可关断晶闸管,驱动电路,通 断,电流,电压,具有集成化、高频化、多功能化的特点，应用很广。,2.1 电力电子器件概述,三、电力电子器件的分类,1.控制方式,11,通 断,电流驱动型,电压驱动型,控制端,注入电流,抽出电流,电压信号,公共端,控制端,2.1 电力电子器件概述,三、电力电子器件的分类,2.驱动信号的性质,12,单极型器件,只有一种载流子（多数载流子）参与导电。,双极型器件,电子和空穴两种载流子同时参与导电。,复合型器件,单极型器件和双极型器件集成混合而成。,2.1 电力电子器件概述,三、电力电子器件的分类,3.导电方式,13,2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块,第2章 电力电子器件,14,2.3 半控器件晶闸管（SCR）,晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件,15,晶闸管的结构与工作原理,外形：螺栓型 平板型,1.结构和符号,A,G,K,阳极,阴极,门极,16,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管,17,螺栓型,返回,平板型,常用晶闸管的结构,18,SL16螺栓型散热器,模块散热器,SS11型水冷散热器,SF11型风冷散热器,常用晶闸管的散热器,19,实验电路,晶闸管的结构与工作原理,2.导通和关断条件,EA,EG,RA,A,20,实验电路,晶闸管的结构与工作原理,EA,EG,RA,A,增大电阻RA,或减小电源EA,2.导通和关断条件,21,实验电路,晶闸管的结构与工作原理,EA,EG,RA,A,2.导通和关断条件,22,导通条件：,阳极与阴极之间加正向电压，同时门极与阴极之间也加正向电压。,关断条件：,阳极电流IA小于维持电流IH,晶闸管的结构与工作原理,实验结论,实现方法：1）减小阳极电源电压或增大阳极回路电阻；2）将阳极电源反向。,2.导通和关断条件,23,实质正反馈过程,产生注入门极的触发电流IG的电路,触发,门极触发电路,对晶闸管的驱动,晶闸管的结构与工作原理,电流驱动型,晶闸管导通,3.工作原理,24,实质正反馈过程,产生注入门极的触发电流IG的电路,触发,门极触发电路,对晶闸管的驱动,晶闸管的结构与工作原理,电流驱动型,晶闸管导通,3.工作原理,25,4.晶闸管的基本特点：,晶闸管的结构与工作原理,1）晶闸管具有可控的单向导电性。与二极管比较：相同点都具有单向导电性；不同点晶闸管的单向导电受门极控制。2）晶闸管属半控型器件。门极只能用来控制晶闸管的导通，晶闸管导通后门极就失去控制作用。3）晶闸管具有开关作用。导通相当于开关闭合；阻断相当于开关断开。,26,【例题】电路如图，已知u2和ug波形，试画出电阻Rd两端的电压ud波形。,晶闸管的导通时刻由u2和ug共同决定，关断则仅取决于u2的过零时刻,晶闸管的结构与工作原理,27,2.3 半控器件晶闸管（SCR）,晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件,28,晶闸管的基本特性,1.静态特性,伏安特性：阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极之间的电压ua与阳极电流ia之间的关系。,29,正向导通,IG0=0,IH,URO,UBO,IG1,IG2,IG3IG2IG1IG0,1.静态特性,正向阻断,硬开通,正向特性,反向特性,反向阻断,反向击穿,正向阻断反向阻断正向导通,正常工作区,晶闸管的基本特性,（不允许）,IG3,30,2.动态特性,反映晶闸管在开通和关断时的动态工作过程。,晶闸管的开通时间约为几微秒；晶闸管的关断时间约几百微秒。,开关时间：开通时间 ton 关断时间 toff,晶闸管的基本特性,31,2.3 半控器件晶闸管（SCR）,晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件,32,晶闸管的主要参数,断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。,取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。,1电压定额,额定电压的选取要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。,即 UTn=（23）UTM,UTM 为晶闸管在实际工作中所承受的最大正反向电压,33,晶闸管的额定电压等级,34,3,2012年10月30日,35,要点复习,2.晶闸管的符号,3.导通条件,阳极与阴极之间加正向电压，同时门极与阴极之间也加正向电压。,5.工作特点,具有可控的单向导电性。,6.门极作用,只能用来控制晶闸管的导通，不能控制晶闸管的关断。,7.额定电压的选取,4.关断条件,阳极电流IA小于维持电流IH。,UTn=（23）UTM,1.电力电子器件的种类（控制方式）,不控型、半控型、全控型,36,2.3 半控器件晶闸管（SCR）,晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件,37,通态平均电流IT(AV)在规定的条件下，晶闸管所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,2.电流定额,维持电流 IH 维持晶闸管继续导通所必需的最小阳极电流。擎住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小阳极电流。对同一晶闸管，通常IL约为IH的24倍。,晶闸管的主要参数,38,通态平均电流IT(AV),正弦半波电流的有效值,波形系数Kf,则 正弦半波电流,或 ITn=1.57IT(AV),即 100A的晶闸管允许通过的电流有效值为157A,晶闸管的主要参数,正弦半波电流波形,2.电流定额,39,注意：管子的发热与有效值有关，要求实际电流有效值IT一定不能大于额定电流有效值ITn。,IT ITn=1.57IT(AV),故,额定电流的选取要留有一定裕量，一般取1.52倍。,即,IT(AV)=（1.52）,晶闸管的主要参数,2.电流定额,40,断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。位移电流 在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在逐段状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。,3.动态参数（自学）,晶闸管的主要参数,41,4.晶闸管型号的命名方法：,例如：KP100-12G,表示额定电流100A、额定电压1200V、管压降1v的普通型晶闸管。,晶闸管的主要参数,K P,表示晶闸管,普通反向阻断型,额定通态平均电流,正反向重复峰值电压等级,通态平均电压组别,42,2.3 半控器件晶闸管（SCR）,晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件,43,晶闸管的派生器件,常规快速 晶闸管,高频 晶闸管,包括所有为快速应用而设计的晶闸管,与普通晶闸管相比,快速 晶闸管关断时间为数十微秒,高频 晶闸管关断时间为10s左右电压和电流定额不易做高,应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中,1.快速晶闸管,44,2.双向晶闸管,有两个主电极T1和T2，一个门极G。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。可等效为一对反并联的普通型晶闸管。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,晶闸管的派生器件,45,IG=0,I,U,0,晶闸管的派生器件,-,+,+,I+,+,-,-,-,I-,四种触发方式,+,+,+,-,+,-,-,触发灵敏度I+、-相对较高。,实际常用I+、-两种触发方式,2.双向晶闸管,46,3.逆导晶闸管,是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。,与普通晶闸管相比,正向压降小关断时间短高温特性好,额定电流,晶闸管电流反并联的二极管的电流,晶闸管的派生器件,47,KK-快速晶闸管,KP-普通晶闸管,KN-逆导晶闸管,晶闸管常见型号认识,KS-双向晶闸管,晶闸管的派生器件,48,2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块,第2章 电力电子器件,49,2.4 典型全控型器件,门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管,50,门极可关断晶闸管（GTO）,晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,51,相同点PNPN四层半导体结构外部引出阳极、阴极和门极。,不同点GTO是一种多元功率集成器件。,门极可关断晶闸管GTO,符号,1.GTO的结构和工作原理,与普通晶闸管比较：,52,GTO导通条件与导通过程与普通晶闸管一样（饱和程度较浅）。GTO关断条件与关断过程门极加入负脉冲电流，即从门极抽出电流，在强烈正反馈作用下迅速退出饱和而关断。,工作原理,门极可关断晶闸管（GTO）,53,2.GTO的主要参数,最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流,电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流 最大值IGM之比。,开关时间 开通时间ton和关断时间toff,开关时间几微秒到几十微秒，导通压降2-3V、比普通晶闸管稍高。,门极可关断晶闸管（GTO）,off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。,54,2.4 典型全控型器件,门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管,55,电力晶体管（GTR）,1.GTR的结构和工作原理,单管GTR与普通晶体管相同。具有耐压高、电流大、开关特性好等特点。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。1 2 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成达林顿模块。,56,模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型，其容量范围从30A450V800A1400V不等。,在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。,电力晶体管（GTR）,1.GTR的结构和工作原理,57,在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。,电力晶体管（GTR）,1.GTR的结构和工作原理,模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型，其容量范围从30A450V800A1400V不等。,58,2.GTR的基本特性,静态特征,电力晶体管（GTR）,三个工作区：截止区、放大区、饱和区,59,GTR的开通和关断过程电流波形,GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短。,电力晶体管（GTR）,2.GTR的基本特性,开通时间ton=td+tr,关断时间toff=ts+tf,动态特征,提高工作速度方法：减小导通时的饱和深度。增大Ib2的幅值和负偏压。,60,3.GTR的主要参数,最高工作电压 集电极最大允许电流IcM 集电极最大耗散功率PcM,电力晶体管（GTR）,极限参数：,61,一次击穿：集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象。二次击穿：一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，电压突然下降的现象。,4.二次击穿现象与安全工作区,二次击穿会立即导致器件的永久损坏，对GTR危害极大。,电力晶体管（GTR）,一次击穿,二次击穿,二次击穿临界线,62,二次击穿临界线,最高工作电压,集电极最大电流,最大耗散功率,电力晶体管（GTR）,安全工作区,GTR工作时不能超过,4.二次击穿现象与安全工作区,63,2.4 典型全控型器件,门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管,64,电力场效应晶体管(P-MOSFET),1.结构和工作原理,简称：电力MOSFET（Power MOSFET）,P沟道,导电沟道,电力MOSFET主要是N沟道增强型,N沟道,增强型耗尽型,增强型耗尽型,65,uGS导电沟道宽度漏极电流iD 电压驱动方式,电力场效应晶体管(P-MOSFET),1.结构和工作原理,栅极,漏极,源极,简称：电力MOSFET（Power MOSFET）,符号,导通时只有多数载流子参与导电单极型晶体管,N沟道,P沟道,uGSUT（开启电压）,导通条件：,绝缘栅场效应管,66,2.基本特性和主要参数（自学）,电力场效应晶体管(P-MOSFET),主要优点：开关时间短（ns级）、工作频率高（100kHz以上）、驱动功率小、驱动电路简单、热稳定性好且不存在二次击穿现象等。缺点：通流能力较差，且通态电阻值较大，通态压降较高。,67,4,2012年11月8日,68,要点复习,1.晶闸管额定电流的选取,正弦半波电流波形系数 Kf=1.57,2.双向晶闸管,1）可用一对反并联的普通晶闸管等效代替；,2）用有效值来标定额定电流。,3.全控型电力电子器件,GTR由基极电流iB驱动集电极电流iC。,GTO由门极电流iG驱动阳极电流iA。,电流驱动型,电力MOSFET由栅源极电压uGS驱动漏极电流iD。,电压驱动型,69,GTR的特点双极型，电流驱动，容量较大，通流能力很强。但开关速度较低，所需驱动功率较大，驱动电路复杂。电力MOSFET的特点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单。但通流能力较差，且通态压降较高。,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT)GTR和MOSFET复合，集二者优点于一体。1986年投入市场，是目前中小功率电力电子设备的主导器件。,电力电子器件性能比较：,电力场效应晶体管(P-MOSFET),70,2.4 典型全控型器件,门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管,71,1.结构和工作原理,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,三端器件：栅极G、集电极C、发射极E,电气图形符号,简化等效电路,驱动方式：由电力MOSFET决定栅射极电压控制,输出特性：由GTR决定通流能力强、通态压降低,72,2.基本特性,分为三个区：正向阻断区、有源区和饱和区。,转移特性,输出特性,开启电压,开关时间：,开通时间约为0.51.2s,关断时间约为0.551.5s,导通条件：uGEUGE(th)（开启电压）,工作特点：uGE集电极电流ic电压驱动型,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,静态特性,比电力场效应管的开关时间略长。,73,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,IGBT的主要优点：开关速度快，开关损耗小。安全工作区大，耐冲能力强。通态压降低。输入阻抗高。,3.主要参数（自学）,74,2.4 典型全控型器件,门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管,75,请问：你认识以下的电力电子器件吗？它们的全称和简称各为什么？,2.4 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管IGBT,电力场效应晶体管 电力MOSFET,门极可关断晶闸管 GTO,电力晶体管 GTR,GTR由基极电流iB驱动集电极电流iC。,GTO由门极电流iG驱动阳极电流iA。,IGBT由栅射极电压uGE驱动集电极电流iC。,电力MOSFET由栅源极电压uGS驱动漏极电流iD。,电流驱动型,电压驱动型,76,2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块,第2章 电力电子器件,77,控制方式,不可控型电力二极管,半控型晶闸管,全控型GTR、GTO、MOSFET、IGBT,本 章 小 结,一、电力电子器件类型,导电方式,双极型SCR、GTR、GTO,单极型电力MOSFET,混合型IGBT,驱动信号,电流驱动SCR、GTR、GTO,电压驱动MOSFET、IGBT,78,电力二极管：具有单向导电性晶闸管：具有可控的单向导电性全控型器件：具有自关断特性,二、电力电子器件的工作特点,共同特点开关作用,本 章 小 结,三、电力电子器件的开关条件,晶闸管的导通及关断条件,GTO的关断条件,GTR、电力MOSFET、IGBT的导通条件。,79,掌握所学过的各种电力电子器件的图形符号、电极名称。掌握晶闸管的工作特点、开关条件及主要参数。熟悉全控器件的工作特点和驱动方式。,重 点,本 章 小 结,80,正向导通,IG0=0,IH,URO,UBO,IG1,IG2,晶闸管的基本特性,1.静态特性,正向阻断,硬开通,正向特性,反向特性,反向阻断,反向击穿,UDSM,UDRM,URSM,URRM,IG3IG2IG1IG0,（不允许）,IG3,