电力电子器件-教案.ppt

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1、现代电力电子及变流技术第二章 电力电子器件第二章 电力电子器件2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 2.2 不可控器件不可控器件二极管二极管2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.6 2.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动2.7 2.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2.8 2.8 电力电子器件发展趋势电力电子器件发展趋势2.1 电力电子器件概述 电力变换器：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。控制电路检测电路驱动电路R

2、L主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行电气隔离控制电路主电路（Main Power Circuit）电力变换器中直接承担电能的变换或控制电力电子器件（Power Electronic Device）电力变换器的基础，在主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件一般特征 具有处理电功率的能力。一般都工作在开关状态。需要由控制电路来控制开通和关断。自身的功率损耗较大，一般都要安装散热器。电力电子器件的损耗主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时

3、，开关损耗成为器件功率损耗的主要因素。2.1 电力电子器件概述电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：半控型器件（Thyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断(自关断器件)不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。按照驱动信号的性质，分为两类：电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断。电压驱动型 通过在控制端和公共端之间施加电压信号可实现导通或者关断。电力二极管(Power Diode)PN结的状态 状态 参数正向导通

4、 反向截止 反向击穿电流 正向大 几乎为零 反向大电压 维持1V 反向大 反向大阻态低阻态 高阻态 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性2.2 不可控器件电力二极管电力二极管的基本特性伏安特性 门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。I0IFUTOUFU2.2 不可控器件电力二极管2.2 不可控器件电力二极管关断过程 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIR

5、Pd iFd td iRd t开通过程 正向压降先出现一个过冲 UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高UFPuiiFuFtfrt 02V电力二极管的主要参数2.2 不可控器件电力二极管1.正向平均电流IF(AV)额定电流允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)应按有效值相等的原则 选取电流定额，并应留有一定的裕量。2.正向压降UF 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3.反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压(应留有两倍的裕量)。4.反向恢复时间trr5.最高工作

6、结温TJM 指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度(通常125175 C)。6.浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。电力二极管的主要类型2.2 不可控器件电力二极管1.普通二极管 多用于开关频率不高（1kHz以下）的电路；其反向恢复时间较长；正向定额电流和反向定额电压可以达到很高。2.快速恢复二极管 trr短（可低于50ns）；UF很低（0.9V左右）；反向耐压多在1200V以下3.肖特基二极管 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下；反向恢复时间很短（1040ns）；开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。晶闸管(Thyristo

7、r)，以前称为可控硅。2.3 半控型器件晶闸管晶闸管的基本特性2.3 半控型器件晶闸管 正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通；随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低(意味导通电流增大)；晶闸管本身压降很小(1V左右)；反向特性类似二极管的反向特性；当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMIG2IG1IG2.3 半控型器件晶闸管开通过程 延迟时间td(0.51.5 s)上升时间tr(0.53 s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr 关断过程 反向

8、阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间 tq以上两者之和tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管正常工作时的特性总结2.3 半控型器件晶闸管 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管的主要参数1.电压断态重复峰值电压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

9、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。通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。2.3 半控型器件晶闸管使用注意：通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。晶闸管的主要参数1.电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值(额定电流的参数)。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流 IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL

10、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电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。2.动态参数断态电压临界上升率du/dt 指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(电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通)。通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率(如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏)。2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管

11、及模块 门极可关断晶闸管 GTO 电力晶体管 GTR 电力场效应晶体管 电力MOSFET 绝缘栅双极晶体管 IGBT2.4 典型全控型器件GTO，GTR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；GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。由于是电流驱动，开关频率不高。电力晶体管 GTR耐高电压、大电流的双极结型晶体管；20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。2.4 典型全控型器件MOSFETGSDP沟道GSDN沟道电力场效应晶体管 特点 电压驱动型

12、 驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高；电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 开关速度和Cin充放电有很大关系；可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度；关断过程非常迅速，开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的；2.4 典型全控型器件 MOSFETiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf开通过程 开通延迟时间td(on)上升时间tr 开通时间ton 开通延迟时间与上升时间之和关断过程 关断延迟时间td(off)下降时间tf 关断时间toff 关断延迟时间和下降时

13、间之和2.4 典型全控型器件MOSFET电力MOSFET的主要参数 开启电压UT以及td(on)、tr、tf、td(off)漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额 栅源电压UGS UGS20V将导致绝缘层击穿 极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS2.4 典型全控型器件IGBT绝缘栅双极晶体管 IGBTGCE GTR和GTO的优点双极型，电流驱动，通流能力很强。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，驱动电路简单。特点：GTR和MOSFET复合，取GTR和GTO 通流能力强的优点，取MOSFET电压驱动

14、(开关速度快)优点；是中小功率电力电子设备的主导器件；继续提高电压和电流容量，以期在大功率应用中取代GTO。2.4 典型全控型器件IGBT绝缘栅双极晶体管工作原理 导通 uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；关断 栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2.4 典型全控型器件IGBTttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM开通过程

15、 开通延迟时间td(on)、电流上升时间tr、开通时间ton。uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段：tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和 PNP晶体管同时工作的电压下降过程。关断过程 关断延迟时间td(off）、电流下降时间tf、关断时间toff；电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段：tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。2.4 典型全控型器件IGBTIGBT的主要参数 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定；最大集电极电流 包括额定直流

16、电流IC和1ms脉宽最大电流ICP；最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗。使用注意：擎住效应或自锁效应 NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于施加正偏压，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。2.5 其他新型电力电子器件 集成门极换流晶闸管IGCT 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。功率集成电路（Power Integrated CircuitPI

17、C）：20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上。高压集成电路（High Voltage ICHVIC）：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成；智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成；智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）：专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）2.6 电力电子器件的驱动电力电子器件驱动的一般知识驱动电路主电路与控制电路之间的接口

18、，提供控制电路与主电路之间的电气隔离，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器；磁隔离的元件通常是脉冲变压器。a)普通型 b)高速型 c)高传输比型注：目前的趋势是采用专用集成驱动电路。2.6 电力电子器件的驱动晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；触发脉冲应有足够的幅度；不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内；有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。IIMt1t2t3t4理想的晶闸管触发脉冲电流波形2.6 电力电子器件的驱动常见的晶闸管触发电路 V2

19、、V3构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。V2、V3导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。2.6 电力电子器件的驱动GTO的驱动电路 GTO的开通控制与普通晶闸管相似；GTO关断控制需施加负门极电流；GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。OttOuGiG正的门极电流5V的负偏压2.6 电力电子器件的驱动GTR的驱动电路 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之

20、间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib2.6 电力电子器件的驱动MOSFET的驱动电路 电力MOSFET是电压驱动型器件；为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；使MOSFET开通的驱动电压一般1015V；关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗；在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。电气隔离和晶体管放大电路两部分注：专 为 驱 动 电 力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的 M57918L，输出驱动电压+15V和-10V。2.6 电力电子器件的驱动IGBT的驱动电路 IGBT是电压驱动型器件；驱动电路输出电阻尽量选择推荐值；使IGB

21、T开通的驱动电压一般15 20V；关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗；在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。注：常用的有三菱公司的M579系列（如 M57962L和 M57959L和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）；采用专用驱动板更为可靠，如德国西门康公司的驱动板。2.7 电力电子器件的保护过电压保护过电压主要来自器件的开关过程 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感

22、在器件两端感应出的过电压。(对于高频工作的器件，关断过电压没有很好的解决方案)注：过电压保护主要采用缓冲电路。但对于高频大功率器件，采用缓冲电路的方案解决关断过电压也存在一定的问题，因此目前并没有很好的解决方案。2.7 电力电子器件的保护缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit)：又称吸收电路。抑制器件的过电压、du/dt、di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路（du/d t抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/d t，减小关断损耗；开通缓冲电路（d i/d t抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和d i/d t，减小器件的开通损耗；按能量的去向分类法：耗能式缓冲电

23、路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）2.7 电力电子器件的保护缓冲电路举例b)tuCEiCOd id t抑制电路 无 时d id t抑制电路 有 时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC适用于中等容量的场合主要用于小容量主要用于中大容量器件2.7 电力电子器件的保护过流保护快速熔断器：主要用于过载保护；检测过电流：主要用于过电流保护；驱动电路中设置过电流保护环节：主要用于短路保护。(例如：对于10kHz工作的IGBT，容许短路时间小于10us)2.8 电力电子器件发展趋势 IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO；GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA；光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大；电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固；功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。