电力电子技术.pptx

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1、1.1 1.1 引引 言言 电力电子器件是电力电子技术的基础， 新器件的诞生或器件特性的新进展，都带动了电力电子应用技术的新突破，或导致出现新的电路拓扑。 电力电子应用技术的发展又对电力电子器件提出了更新、更高的要求，进一步推动了高性能、新器件的研制。 电力电子器件在电力电子电路中一般都工作在开关状态，在通态时应能流过很大电流而压降很低；在断态时应能承受很高电压而漏电流很小；断态与通态间的转换时间很短且功率损耗较小。第1页/共132页1.2 1.2 电力电子器件的结构、特性和电力电子器件的结构、特性和主要常数主要常数功率二极管1. 功率二极管的结构AKAKa)IKAPNJb)c)图1-1 功率

2、二极管外形、结构和符号第2页/共132页2. 2. 功率二极管的工作原理 P型半导体和N型半导体结合一体，其中，N型半导体区电子浓度大，P型半导体区空穴浓度大，因此，N区电子要向P区扩散与P区空穴复合，在N区边界侧留下正离子层， P区空穴要向N区扩散与N区电子复合，在P区边界侧留下负离子层，在交界处渐渐形成空间电荷区； 多数载流子的扩散运动和少数载流子漂移运动到动态平衡，决定空间电荷区的宽度，形成PN结； PN结具有单向导电性，二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。第3页/共132页3. 3. 功率二极管的特性(1) 功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时

3、必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加，二极管被电击穿后将造成PN结的永久损坏。 图1-2 功率二极管的伏安特性第4页/共132页(2) 功率二极管的开关特性p因结电容的存在，功率二极管在通态和断态之间转换时，有一个过渡过程，这个过程中的特性为功率二极管的动态特性。p功率二极管由断态转为通态时，功率二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP，然后逐渐趋于稳态压降值。这一动态过程的时间，称为正向恢复时间tr。p当原处于正向导通的功率二极管的外加电压突然变为反向时，功

4、率二极管不能立即关断，其电流逐渐下降到零，然后有较大的反向电流和反向过冲电压出现，经过一个反向恢复时间才能进入截止。其中，td为延迟时间，tf为电流下降时间，trr为反向恢复时间， trr td tf 。 第5页/共132页图1-3 功率二极管的开关特性p 由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。p普通二极管的trr=210s，快速恢复二极管的trr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。第6页/共132页4. 4. 功率

5、二极管的主要参数(1) 额定电压URR 反向不重复峰值电压URSM是指即将出现反向击穿的临界电压； 二极管的额定电压URR（反向重复峰值电压URRM）取反向不重复峰值电压URSM的80； URRM(或URR)小于二极管的反向击穿电压URO。(2) 额定电流IFR 功率二极管的额定电流IFR被定义为在规定的环境温度为+40和散热条件下工作，其管芯PN结温升不超过允许值时，所允许流过的正弦半波电流平均值 。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为 (1-1)mIttdII1)(sin210mFR第7页/共132页(3) 最大允许的全周期均方根正向电流IFrms 二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR

6、时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms (1-2)由式(1-1)和(1-2)可得 (1-3) (4) 最大允许非重复浪涌电流IFSM 这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。功率二极管属于功率最大半导体器件，二极管参数是正确选用二极管依据。 m02mFrms21)()sin(21ItdtIIFRFRFrms57. 12III第8页/共132页晶闸管及派生器件 晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR, 普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。小电流塑封式小电流螺旋式大电流

7、螺旋式大电流平板式图形符号第9页/共132页第10页/共132页2. 2. 晶闸管的结构 晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。A图1-4 晶闸管的外形、结构和符号第11页/共132页3 3. . 晶闸管的工作原理IGIb2IC2(Ib1)IC1图1-5 晶闸管的双晶体管模型与工作电路图第12页/共132页欲使晶闸管导通需具备两个条件：应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来

8、实现。第13页/共132页4. 4. 晶闸管的特性(1) 晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。(2) 晶闸管的门极伏安特性图1-7 晶闸管的伏安特性第14页/共132页 由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,OABCO为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区。图1-8 晶闸管的门极伏安特性第15

9、页/共132页(3) 晶闸管的开关特性图1-9 晶闸管的双晶体管模型与工作电路图开通过程 p开通时间ton包括延迟时间td与上升时间tr，即 ton=td+ tr (1-4)p延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间第16页/共132页p上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间p普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s关断过程 p关断时间toff：包括 反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr，即 toff=trr+tgr (1-5)p反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；p正向阻断恢

10、复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间第17页/共132页5. 5. 晶闸管的主要参数（1）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。（2）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。（3）额定电压 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取(23)倍的安全裕量。第18页/共132页(4) 额定电流IT(AV) 在环境温度为+40和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(

11、导通角 170)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。 晶闸管流过正弦半波电流波形 如图所示 图1-10 晶闸管流过正弦半波电流波形第19页/共132页它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： (1-6)正弦半波电流的有效值为： (1-7) (1-8)式中 Kf为波形系数 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。 m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTfIIK第20页/共132页(5

12、)浪涌电流 这是晶闸管所允许的半周期内使结温超过额定结温的不重复正向过载电流。该值比晶闸管的额定电流要大得多。实际上它体现了晶闸管抗短路冲击电流的能力。可用来设计保护电路。(6)通态电压UTM 晶闸管通以规定数倍额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减少功耗和发热的观点出发，应该选择通态电压较小的晶闸管。(7)维持电流 IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流第21页/共132页(8) 擎住电流 IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(24

13、)倍。(9) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。(10) 门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。第22页/共132页(11) 断态电压临界上升率du/ dt 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。(12) 通态电流临界上升率di / dt 在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶

14、闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。第23页/共132页例1-1 两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A，试计算各波形下晶闸管的电流平均值Id1、Id2，电流有效值I1、I2 ， 并计算波形系数Kf1、Kf2。图1-11 流过晶闸管的电流波形第24页/共132页解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：A3 .33333. 0)(21m3/20md2ItdII67. 1222dfIIKA2 .27272. 0)(sin21m4/md1ItdtIIA4 .47477. 0)()sin(21m42m1

15、ItdtIIA7 .5531m2II74. 1111dfIIK第25页/共132页思考1：如果晶闸管的额定电流是100A,考虑晶闸管的安全裕量,请问在以上的情况下, 允许流过的平均电流是多少?AIIAVTT15757. 1)(AKIIfTd2 .9074. 115711AKIIfTd9467. 115722思考思考2：如果考虑晶闸管的安全裕量, 请问在以上的情况下, 允许流过的平均电流是多少?第26页/共132页6.6.晶闸管的派生器件(1)快速晶闸管 快速晶闸管的关断时间50s，常在较高频率(400Hz)的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供

16、最大平均电流1200A、最高断态电压1500 V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25s50s。第27页/共132页(2)双向晶闸管 双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。图1-12 双向晶闸管等效电路及符号图1-13 双向晶闸管的伏安特性p双向晶闸管在第和第象限有 对称的伏安特性。第28页/共132页(3)逆导晶闸管 逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。 由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低和配线

17、简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。图1-14 逆导晶闸管的等效电路及伏安特性第29页/共132页(4)光控晶闸管 光控晶闸管(Light Activated Thyristor)是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。 光控晶闸管符号和等效电路 光控晶闸管的伏安特性图1-15 光控晶闸管的符号及等效电路图1-16 光控晶闸管的伏安特性第30页/共132页可关断晶闸管GTO 可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，门极信号不仅能控制其导通，也能控制其关断。1. 可关断晶闸管的结构 GTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门

18、极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。第31页/共132页 可关断晶闸管的结构、等效电路和符号图1-17可关断晶闸管的结构、等效电路和符号第32页/共132页2. 可关断晶闸管的工作原理(1) 开通过程 GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数值不同。晶闸管的回路增益1+2常为1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。(2) 关断过程 当GTO已处于通态时，对门极加负的关断脉冲，形成IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2

19、N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。第33页/共132页当IC2和IC1的减小使1+21.6Ud， 电阻功率是 (1-27) )F( 10 2%) 1(047. 16-ddo2UIfikC)( ) 12(k2ddIUR)W( 800800dddRIUPP第94页/共132页(5) 非线性电阻保护 非线性电阻具有近似稳压管的伏安特性，可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围； 常采用压敏电阻实现过压保护，压敏电阻是一种金属氧化物的非线性电阻； 压敏电阻具有正、反两个方向相同但很陡的伏安特性正常工作时漏电流很小(微安级)，故损耗小。当

20、过压时，可通过高达数千安的放电电流IY，因此抑制过压的能力强。此外，它对浪涌电压反应快，体积小，是一种较好过压保护器件。 缺点是持续平均功率很小，如正常工作电压超过它的额定值，则在很短时间内就会烧毁图1-66 压敏电阻的伏安特性第95页/共132页 由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需一个，三相电路用3个，联接成Y形或形 压敏电阻的主要参数： 额定电压U1mA 指漏电流为1mA时的电压值。 残压比UYU1mA UY为放电电流达规定值IY时的电压。 允许的通流容量 指在规定的波形下(冲击电流前沿10s，持续时间20s)允许通过的浪涌电流。图1-67 压敏电阻保护的接法第96页/共13

21、2页变换器的过流保护1. 1. 引起过流的原因 外部出现负载过载、交流电源电压过高或过低、缺相时引起的电路过电流 ； 电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、线路绝缘老化失效、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，引起的电路过电流 ； 控制电路、触发电路、驱动电路的故障或干扰信号的侵入引起的误动作，引起的电路过电流； 配线等人为的错误引起的电路过电流。第97页/共132页2. 2. 过流保护的方法 图1-68 过电流保护的方法 第98页/共132页(1) 交流进线电抗器，或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗限制短路电流。但正常工作时有较大的交流压降。(2) 直流快速开关。对于大、中容量变换器

22、，快速熔断器的价格高且更换不方便。为避免过流时烧断快速熔断器，采用动作时间只2ms的直流快速开关，它可先于快速熔断器动作而保护电力电子器件。(3) 电流检测装置，过流时发出信号，过流信号一方面可以封锁触发电路，使变换器的故障电流迅速下降至零，从而有效抑制了电流。另一方面控制过电继电器，使交流接触器触点跳开，切断电源。但过流继电器和交流接触器动作都需一定时间(100200ms)。故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。第99页/共132页(4) 快速熔断器 在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。 交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路

23、起保护作用，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护 作用较差。 直流侧接快速熔断器只 对负载短路起保护作用， 对元件无保护作用。只 有晶闸管直接串接快速 熔断器才对元件的保护 作用最好。 图1-69 快速熔断器在电路中的接法 第100页/共132页曲线1是额定电流300A的快速熔断器的安秒特性，表明当流过快速熔断器的电流大于额定电流后，电流越大，熔断时间越短；在额定电流以下时，可以长期工作。曲线2是额定电流200A的晶闸管的安秒特性。在交点A左侧，快速熔断器的熔断时间小于晶闸管烧毁的时间，所以快速熔断器可以起到保护晶闸管的作用。在交点A右侧，晶闸管烧毁的时间小

24、于快速熔断器的熔断时间，即快速熔断器保护不了晶闸管。因此快速熔断器适用于短路过流保护，而不适宜过载保护。 图1-70 快速熔断器和晶闸管的安秒特性第101页/共132页 与晶闸管串联的快速熔断器的选用原则： 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。 快速熔断器熔体的额定电流IKR是指电流有效值，晶闸管额定电流是指通态电流平均值。选用时要求 (1-28) 式中 IT(AV)晶闸管通态电流平均值IKR快速熔断器的熔体额定电流IT流过晶闸管的电流有效值 熔断器(安装熔体的外壳)的额定电流应大于或等于熔体额定电流值。q一般装置中多采用过流信号控制触发脉冲的方法抑制过流，再配合采用快熔，使快熔

25、作为过流保护的最后措施。快熔适用于短路保护!TKRT(AV)57. 1III第102页/共132页1. 电压上升率dudt 的限制(1) 产生电压上升率dudt的原因 由电网侵入的过电压。 由于电力电子器件换相时产生的dudt(2) 电压上升率du/dt的限制方法 阻容保护线路同串接的电感一起在出现电压突变时，能起到限制电压上升率du/dt 的作用。第103页/共132页 变换器交流侧如有整流变压器和阻容保护电路，则变压器漏感和阻容电路同样能起到衰减侵入过电压，减小过电压上升率的作用。 在无整流变压器的变换器中，则应在电源输入端串入交流进线电感LT，配合阻容吸收装置对du/dt进行抑制。图1-

26、71 晶闸管电压上升率的简化等效电路第104页/共132页2. 电流上升率didt的限制(1) 变换器中产生过大的didt 的原因 电力电子器件从阻断到导通的电流增长过快。 交流侧电抗小或交、直流侧阻容吸收装置电容量太大，当电力电子器件导通时，流过过大的附加电容的充、放电电流。 与电力电子器件并联的缓冲保护电路在晶闸管开通时的放电电流。(2) 电流上升率di/dt的限制方法 上述的电力电子器件桥臂串联的电感Lk和交流进线侧的串联进线电感LT(或整流变压器的漏感)都能同时起到限制didt的作用。在交流侧采用图所示的整流式阻容保护，使电容放电电流不经过导通时的电力电子器件，亦能减小管子开通时的电流

27、上升率。第105页/共132页全控器件的过电压及过电流保护 1. 过电压保护(1) 栅源间的过电压保护 对于功率MOSFET和IGBT来说，如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会引起极间电容耦合到栅级而产生相当高的UGS电压过冲，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏。如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。采取的措施有： 为适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源间并接阻尼电阻。 有些型号的功率MOSFET和IGBT内部输入端接有齐纳保护二极管。 第106页/共132页(2) 集射极或漏源极的过电压保护 电路中有感性负载，或回路中有等效电感时，则当器件关断时，电流的突变会产生比电源电压还

28、高得多的集射极或漏源极的电压过冲，导致器件的损坏。 对GTO、BJT、MOSFET、IGBT应采取前面介绍的稳压管钳位，二极管RC钳位或RCD缓冲电路等保护措施。 2. 2. 过电流保护 自关断电力电子器件的热容量极小，过电流能力很低，其过流损坏在微秒级的时间内，远远小于快速熔断器的熔断时间，所以诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对自关断型电力电子器件来说是无用的。第107页/共132页 为了使自关断型器件组成的电力电子装置安全运行，保护的主要做法是：利用参数状态识别对单个器件进行保护；利用互锁的办法对桥臂中两个器件进行保护；利用电流检测等办法进行保护。(1) 电压状态识别保护 当BJT、GT

29、O、IGBT等电力电子器件处于过载或短路故障状态时,随着集电极电流或阳极电流的增加,其集射极电压UCE或阳极阴极的电压UAK均发生相应变化, BJT的基射极电压UBE也发生变化，可利用这一特点对BJT等自关断器件进行过载和短路保护。第108页/共132页 基极电压状态识别保护 在基极电流和结温一定时，UBE随IC正比变化，其关系曲线如图所示，BJT的基极电压UBE与基准值电压UR 通过比较器进行比较，正常工作条件 下：UBEUR，比较器输出低电平保证 驱动管V的导通，一旦UBEUR，比较 器输出 高电平使驱动管V截止，阻断了 BJT的驱动信号，关断已经过流的BJT。 集射极电压状态识别保护电路

30、 检测UCE也可达到过电流保护的目的， 集射极电压UCE与IC的关系曲线如图 所示 图1-72 监测基极电压状态识别保护电路图1-73 监测集射极电压状态识别保护电路第109页/共132页(2) 桥臂互锁保护 逆变器运行时，同一桥臂的两个开关管不能同时导通，由于开关管有关断时间，只有确认一个开关管关断后，另一个开关管才能导通。为防止同一桥臂的两个开关管同时导通，应该设置桥臂互锁时间，防止桥臂短路故障。桥臂互锁时间的长短与开关管的关断时间相关。 (3) 过饱和保护 BJT的二次击穿多由于BJT工作于过饱和状态引起的，而基极驱动引起的过饱和使BJT的存储时间不必要地加长，直接影响着BJT的开关频率

31、，所以BJT的过饱和保护对它的安全可靠工作有着极其重要的作用。通常过饱和保护可根据被驱动BJT的基射极电压降的高低来自动调节基极驱动电流的大小，构成准饱和基极驱动电路来完成。GTO、IGBT在过饱和时也会使关断时间增大，造成关断损耗增大的问题，也可以采用准饱和驱动电路实现过饱和保护 。第110页/共132页3. 3. 静电保护 功率MOSFET和IGBT的栅极绝缘的氧化层很薄，在静电较强的场合，容易引起静电击穿，造成栅源短路。此外，静电击穿电流易将栅源的金属化薄膜铝熔化，造成栅极或源极开路。故应采取如下措施： 应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中，不能放在塑料袋或纸袋中。取用器件时

32、，应拿器件管壳，而不要拿引线。 将开关管接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好是用内热式烙铁，先焊栅极，后焊漏极与源极或集电极和发射极，最好使用12V24V的低电压烙铁，且前端作为接地点。 在测试开关管时，测量仪器和工作台都必须良好接地，并尽量减少相同仪器的使用次数和使用时间，开关管的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压。 第111页/共132页1.6 1.6 电力电子器件的串并联技术电力电子器件的串并联技术 尽管电力电子器件的电流容量和电压等级在不断提高，但仍然不能满足大容量整机应用的要求，需要串联使用以提高它们的电压等级或并联使用以提高它们

33、的电流容量。晶闸管的串并联晶闸管的串并联1. 1. 晶闸管的串联连接晶闸管的串联连接第112页/共132页图1-74 晶闸管串联后的反向电压（1）静态均压 由于串联各器件的正向(或反向)阻断特性不同，但在电路中却流过相等的漏电流，因而各器件所承受的电压是不同的。p选用特性比较一致的器件进行串联p给每个晶闸管并联均压电阻Rj。如果均压电阻Rj大大小于晶闸管的漏电阻，则电压分配主要决 定于Rj，但如Rj过小，则会 造成Rj上损耗增大，因此要 综合考虑。第113页/共132页（2） 动态均压晶闸管在开通和关断的过程中，由于各器件的开通时间和关断时间等参数不一致，而造成的动态不均压问题。晶闸管在开关过

34、程中瞬时电压的分配决定于各晶闸管的结电容导通时间和关断时间等差别，为了使开关过程中的电压分配均匀，减小电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容C支路中串联电阻R。晶闸管串联连接时应尽可能选择参数比较接近的晶闸管 串联，串联的各晶闸管开通时间之差 要小；要求门极触发脉冲的前沿要陡，触发 脉冲的电流要大，使晶闸管的开通时 间短，趋于一致。 图1-75 晶闸管串联均压电路第114页/共132页 由于晶闸管制造工艺的改进，器件的电压等级不断提高，因此要求晶闸管串联连接的情况会逐步减少。 器件串联后，必须降低电压的额定值使用，串联后选择晶闸管的额定电压为 (1-30)式中 Um作用于串联器件上

35、的峰值电压 ns串联器件个数MTNs(2.2 3.8)UUn第115页/共132页2. 2. 晶闸管的并联连接 串联电阻法由于串联电阻增大损耗，对电力电子器件而言无实用价值。 串联电抗法用一个均流电抗器(铁心上带有两个相同的线圈)接在两个并联的晶闸管电路中。但因铁心笨重，线圈绕制不便，在并联支路数很多时，线路的配置就较复杂了。图1-76 晶闸管并并联时的电流分配图1-77 晶闸管并联均流电路第116页/共132页采用两个耦合较好的空心电感，也可起到一定的均流效果。它的优点是接线简单，还有限制di/dt和du/dt的作用。由于空心电抗器的线圈都有电阻，因此实际上它是电阻串电感均流。器件并联后，必

36、须降低电流的额定值使用，并联后选择晶闸管的额定电流为 (1-31) 式中 I允许过载时流过的总电流平均值 np并联器件个数晶闸管并联连接时应尽可能选择参数比较接近的晶闸管进行并联；触发脉冲前沿要陡，电流要大，使各晶闸管开通时间之差要小。适当增大电感，可以减少各并联支路中动态电流的偏差。安装时使各支路铜线长短相同，使各支路分布电感和导线电阻相近。需要同时采取串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法T(AV)p(1.7 2.5)1.57IIn第117页/共132页GTO的串并联 1. GTO的串联连接GTO串联时，采用与晶闸管相似的方法解决均压问题。GTO的动态不均压的过电压产生于器件开通瞬间电

37、压的后沿和关断瞬间电压的前沿，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，以消除动态不均压的影响。GTO串联均压电路2. GTO的并联连接 一个GTO内部就是由几百个小GTO单元 并联工作的，这就给多个GTO之间 的并联工作创造了先天性的有利条件。图1-78 GTO串联均压电路第118页/共132页 GTO并联均流电路 GTO并联要解决的是在开通和关断过程中产生的动态不均流问题。随结温的上升，开通时间将缩短，而关断时间却有延长的趋势，这就更加大了并联工作的GTO1与 GTO2之间的开关时间差异，从而导致GTO 的开关损耗进一步增大，温度再增高，这样继续下去，恶性循环的结果就会烧坏器件。 除了严格

38、挑选并联工作的GTO通态电压相等外，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，力争做到并联的GTO同时开通和同时关断。第119页/共132页BJT的串并联1. BJT的串联连接由于BJT对过电压敏感，通常BJT是不进行串联运行的2. BJT的并联连接大电流BJT管芯中采用了若干小电流的BJT并联，因此用并联来增大BJT电流容量是比较常用的方法。当负载电流比较小时，并联的两个管子的集电极电流分配是极不均匀的，但是随着负载电流的增大，电流分配将大为改善。使用同一个厂家同一型号的管子，多管并联时可以不采用负载均衡措施。开关过程中，BJT的负载分配是不均匀的，必须设计一种合适的电路，使它能够在动态下自

39、动保持并联的管子的均衡负载能力。第120页/共132页 单管自适应驱动电路 多管自适应驱动电路 通过二极管VDAS的自适应作用，BJT总是能使基极电流自动和集电极电流相适应图1-80 多管自适应驱动电路图1-79 单管自适应驱动电路第121页/共132页功率MOSFET的串并联1. 功率MOSFET的串联连接一般来说，因功率MOSFET经常工作在高频开关电路中，常用的电阻与电容串并联在解决动态均压时，由于分布参数的影响，难以做到十分满意，所以除非必要，通常不将它们串联工作。2. 功率MOSFET的并联连接由于功率MOSFET的导通电阻是单极载流子承载的，具有正的电阻温度系数。当电流意外增大时，

40、附加发热使导通电阻自行增大，对电流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET对电流有一定的自限流能力，比较适合于并联使用而不必采用并联均流措施。第122页/共132页IGBT的串并联1. IGBT的串联连接与BJT一样，通常IGBT不串联使用。2. IGBT的并联连接 (1) 并联时的注意事项当并联使用时，使用同一等级UCES的模块。并联时，各IGBT之间的IC不平衡率18%。并联时，各IGBT的开启电压应一致，如开启电压不同，则会产生严重的电流分配不均匀第123页/共132页(2) 并联时的接线方法 在各模块的栅极上分别接上各模块推荐值的RG。栅极到各模块驱动级的配线长短及引线电感要相等，否则

41、会引起各模块电流的分配不均匀，并会造成工作过程中开关损耗的不均匀。 控制回路的接线应使用双芯线或屏蔽线。 主电路需采用低电感接线。使接线尽量靠近各模块的引出端，使用铜排或扁条线，以尽可能降低接线的电感量。第124页/共132页1.7 1.7 器件的热传导和散热器的选择器件的热传导和散热器的选择热传导热传导 p传导的功率dTAPcond图1-81 绝缘长方形棒的传热示意图第125页/共132页p加入散热器的功率模块的热传递示意图和对应的等效电路p制造商非常注意使热阻尽量小。这意味着为保证击穿电压、机械强度和其它一些要求而保持长度d不变的情况下，尽量使热流动的路径缩短；横截面积A应该尽量的大，以便

42、与设计中其它要求相匹配，使寄生电容最小。p封装外壳应该用高热传导率的材料制成。大功率器件的外壳应该固定在具有风冷或水冷的散热器上。通过上述措施，有可能使PN结到衬底的热阻 Rjc小于1/W。 图1-82 多层结构中稳态时的热流示意图和热阻等效电路图第126页/共132页电力电子器件的功率损耗 功率器件的耗散功率和结温是散热器设计的基本出发点，是关系到器件安全使用的两个重要参数。 电力电子器件的工作波形图1-86 关断过程电压、电流波形第127页/共132页1. 1. 耗散功率耗散功率p开关损耗Ps p通态损耗Pc p断态损耗Pco p驱动损耗Pg 2. 2. 结温 对于一定型号的功率器件，厂商

43、一般都给出了最高结温TJmax。 器件运行时的最高结温是不能突破的，否则将造成器件的永久性损坏。 第128页/共132页散热器 散热器和电力电子器件间要加入绝缘体（如云母绝缘体）使散热器绝缘 加入热润滑脂用来去除器件和散热器表面间的细微不平之间的空气提高散热效果 用螺栓紧固器件和散热 器，也会保证器件和散 热器间良好的接触。 图1-88 散热器的外形第129页/共132页小 结1 1. 根据开关器件是否可控分类(1) 不可控器件二极管是不可控器件。(2) 半控器件普通晶闸管SCR是半控器件。(3) 全控器件GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。2. 根据门极(栅极)驱动信号的不同(1)

44、 电流控制器件 驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。该类器件有SCR、GTO、BJT。(2) 电压控制器件 驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。该类器件有功率MOSEET、IGBT。第130页/共132页3. 根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。(1) 单极型器件功率MOSFET 。 (2) 双极型器件二极管、SCR、GTO、BJT。(3) 复合型器件IGBT，是电力电子器件发展方向。 电力电子器件中电压，电流额定值从高往低的器件是SCR、GTO、IGBT和BJT、功率MOSFET。 工作频率从高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO、SCR。第131页/共132页感谢您的观看！第132页/共132页