电力电子技术全套电子整本书电子教案教学教程.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2021/9/8,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2021/9/8,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2021/9/8,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2021/9/8,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2021/9/8,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2021/9/8,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2021/9/8,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2021/9/8,#,（第,5,版）,电力电子技术,课程目标,通过本课程的学习，使学生在熟悉和掌握典型电力电子系统模型的工作原理基础上，构建科学合理的设计方案，并能够对,电气工程领域复杂工程问题的系统模型和设计方案,进行,推理,和,验证,。,培养学生熟悉和掌握典型电力电子电路的电路模型原理，并进行关键参数计算、主要器件选型。并能够结合具体或特定需求进行合理的分析和初步设计电力变换装置。,培养学生在熟悉和掌握典型电力电子电路工作原理的基础上，根据要求制定基本合理的实验方案，并进行必要的计算或可行性分析。,考核及成绩评定方法,项目,形式,比例,平时作业,作业（,12,次）,30%,实验,实验,+,实验报告,10%,小测试,小,测试（,2,次）,20%,期末考试,选择题、填空题、简答题、综合题、思考题,60%,总成绩,100%,绪 论,电力电子技术的内容,电力电子技术的发展,电力电子技术的应用,本课程的学习要求,1.电力电子技术的内容,电力电子技术属电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要,研究各种电力电子器件,，以及由这些电力电子器件所,构成的各式各样的电路或装置,，以,完成对电能的变换和控制,。,电力电子技术是,电能的变换技术，是将一种能量形式变换成另一种能量形式,。,（,1,）变换器,电能有直流电(DC)和交流电(AC)两大类,。直流电有,电压幅值,和,极性,的不同,，交流电有,电压幅值,、,频率、相位,的差别。,实际应用中，常常需要在,两种电能之间,，或对,同种电能的一个或多个参数(如电压，电流，频率和功率因数等)进行变换,。,变换器共有四种类型：,交流-直流变换器,(AC-DC,Converter,Rectifier,),直流-交流变换器,(DC-AC,Converter,Inverter,)：有源逆变；无源逆变。,交流-交流变换器,(AC-AC,Converter,)：,交流调压,(AC Voltage Controller),；交-交变频,(Cycloconverter),。,直流-直流变换器,(DC-DC,Converter,Chopper,),（,2,）电力电子器件,功率二极管、晶闸管、可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管,根据其控制特性分,：,不可控型器件,：如功率二极管。,半控型器件,：晶闸管及其大部分晶闸管派生器件属于这一类器件。,全控型器件,：也称为自关断器件。可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管等。,按照内部载流子的工作性质分,：,单极型器件,：导通时只有空穴或电子一种载流子导电的器件。器件的特点主要是,工作频率高、导通压降较大，单个器件容量较小，驱动电路简单,。,双极型器件,：导通时的载流子既有空穴也有电子的器件。功率二极管、晶闸管及派生器件、可关断晶闸管、双极型功率晶体管、集成门极换流晶闸管等。器件的特点主要是,功率较高、而工作频率较低,。,复合型器件,：复合型既含有单极型器件的结构，又有双极型器件的结构，通常,其控制部分采用单极性结构，主功率部分采用双极型结构,。绝缘栅双极型晶体管。驱动电路简单，功率较高。,是电力电子器件的发展方向。,按照器件驱动的参量分,：,电流型控制器件,：,控制极由电流,驱动器件的通断，该类器件对驱动波形要求高，驱动电路比较复杂,。属于电流型控制器件的有晶闸管、可关断晶闸管、双极型功率晶体管。,电压型控制器件,：,控制极由电压,驱动器件的通断，该类器件对驱动波形要求低，驱动电路比较简单,。属于电压型控制器件的有功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。,GTO,已经被,IGCT,所替代，,BJT,已经被,IGBT,所替代。,电力电子器件的电压、电流、开关频率是影响它们使用的关键参数,电压容量,：功率场效应晶体管最低；晶闸管和集成门极换流晶闸管最高。,电流容量,：,功率场效应晶体管最低；晶闸管和集成门极换流晶闸管最高。,开关频率：,晶闸管最低；功率场效应晶体管最高。,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,VT,1,VT,2,保护电路,（3）变换器的辅助电路,变换器必须在一些辅助电路的支持下才能正常工作，这些辅助电路包括：,控制电路,：控制电路的功能具有检测、控制和隔离功能。采集变换器工作状态，根据输入和输出的要求产生主电路开关管的通断控制信号，实现强电、弱电的隔离。,电气隔离,驱动电路,：驱动电路的功能是根据控制电路给出的通断控制信号，提供电力电子器件导通或关断要求的电流波形和电压波形，提供足够的驱动功率，以确保电力电子器件的迅速可靠导通和关断。,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,VT,1,VT,2,保护电路,缓冲电路,：缓冲电路的功能是在电力电子器件导通和关断的过程中减缓其电流或电压的大小及其上升率，以降低电力电子器件的开关损耗和开关应力。,每个电力电子器件都要有缓冲电路,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,VT,1,VT,2,保护电路,保护电路,：保护电路的功能是在电源或负载出现异常时，保护电力电子器件和设备免于损坏。,在主电路和控制电路中附加一些电路，对故障实施保护,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,VT,1,VT,2,保护电路,2.电力电子技术的发展,电力电子器件的发展,全控型器件迅速发展时期,史前期,（黎明期）,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(,年,),电子管问世,晶体管诞生,晶闸管问世,水银（汞弧）整流器时代,晶闸管时代,IGBT,、,IGCT,和功率集成器件出现和发展时代,GTOBJT,功率,MOSFET,出现和发展时代,碳化硅等宽禁带半导体材料发展,集成电路及微型计算机,的发展：分立元件集成电路专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。微型计算机的发展，运算精度提高、位数增加、运算速度增快、功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。,控制理论,的发展：各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，具有自诊断功能,、,有智能化的功能。将新的控制理论和方法应用在变换器中。,综上所述可以看出，,电力电子器件,、微电子技术、控制理论,是现代电力电子技术的发展动力。,3.电力电子技术的典型应用,（1）在电动机调速系统中的应用,无轨电车,、,城市地铁,、,电动汽车,、,机车牵引,等交通运输系统；,电动汽车,机车牵引,3.电力电子技术的典型应用,（1）在电动机调速系统中的应用,热轧机,、,冷轧机,、,飞剪机,等电动机调速系统；,轧钢机,冶金工业,3.电力电子技术的典型应用,（1）在电动机调速系统中的应用,各类起重机械、矿井提升机、堆料机、输送机、机床及各种自动化生产线；,供水系统、造纸、印染、纺织,等工业系统。,调速电梯、,风机、泵类负载,采用变频调速后，节能效果也很显著。,采用,软启动控制,可以减少交流电机启动时的电流冲击而被广泛应用。,数控机床,电机调速,（2）在电力系统中的应用,静止无功补偿器、有源电力滤波器、动态电压恢复器,等,，,有效地减少了传统变流装置形成的电网公害，提高了电网功率因数，抑制了电网谐波，防止了电网电压瞬时跌落、闪变，有效地改善了电力系统中电能的质量。,高压直流输电系统,；,柔性交流输电技术,可以大幅提高电力系统的稳定性。,高压直流装置,HVDC,静止无功补偿器,柔性交流输电,（2）在电力系统中的应用,据估计，在发达国家，用户使用的电能中有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子装置的处理。,在电力系统的,发电机的直流励磁与交流励磁系统,，,可以达到节能和提高电力系统稳定性的目的。,太阳能发电、风能发电,发出的电能,质量较差。,利用电力电子技术进,行能量储存和 缓冲，可以,有效,地改善电能质量。,太阳能、风能新型能源,（3）在交直流电源中的应用,大功率直流电源在,电解和电镀设备,中被广泛使用。,开关电源在,办公自动化设备、计算机设备、电子产品、通信电源、工业测控、电子仪器和仪表,中被广泛采用。,电解铝,电子装置,程控交换机,（3）在交直流电源中的应用,不间断电源（UPS）,被广泛地应用于计算机机房、医院、宾馆等重要的用电场所。,工业感应加热电源,主要应用于,钢水精炼,及,电磁搅拌改进结晶状态,和,金属表面的淬火热处理,等场合。,节能灯具,在,照明用电,领域的应用,：白炽灯发光效率低、热损耗大,，,日光灯必须有镇流器启辉，无功,功率,大。采用AC-DC-AC变换技术的,电子镇流器,体积小，可减少无功和有功损耗。采用交流调压实现照明的电子调光，也可节约能源。,在节能照明灯具中，目前推广使用的,LED灯、无极灯,等。,UPS,家用电器,在21世纪，电力电子不但将在全球工业化中产生重大影响，也将在能量交换、可再生能源、大容量储能、电动汽车等中发挥重要作用，也将对解决或减轻环境恶化问题产生积极影响。造成气候变化和全球变暖的原因一部分来自传统的化石燃料燃烧，通过电力电子技术，可以提升能源系统的效率，通过节约能源可以减少能源消耗，也意味着发电量的减少，可以减轻环境污染和全球变暖。,智能电网的合理建设关系到我国电力行业的可持续发展，电力电子在智能电网中起着非常重要的作用，如最大化的利用可再生能源和大容量储能装置对系统频率和母线电压的控制、对电能质量的改善、为用户提供更加经济的电力、系统更高的利用效率、系统更高的可靠性、操作的容错功能等。另外，电力电子技术的智能化发展还为功率处理以及信息处理带来了新的结合方式，对我国今后经济以及生态的可持续发展产生深远影响。,4.电力电子技术课程的学习要求（知识、能力）,熟悉和掌握常用电力电子器件的特性和参数，能正确选择和使用它们。,熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中的电磁过程，掌握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初步设计计算。,设计开关管的驱动电路、缓冲电路和保护电路。,掌握各种变换器的特点、性能指标和使用场合。,掌握基本实验方法与训练基本实验技能。,教学日历,4.电力电子技术课程的学习要求（素养）,通过本课程的学习，学生应该了解电力电子学科最新进展，具有分析和解决电力电子学科的复杂工程问题的能力，具有一定的工程素养和创新精神。知晓电力电子学科应该具有的职业道德和工程伦理，具备相关电气节能技术、电气安全意识和治理电力电子公害的技术。通过本课程的学习，了解电力电子技术在我国国民经济发展中的重要作用，具有为我国电气工程的发展而刻苦钻研和奋斗的伟大理想。,第1章 电力电子器件,主要内容,：,常用电力电子器件分类；,常用电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性、主要参数和安全工作区；,常用电力电子器件的基本驱动电路、缓冲电路和保护方法；,1.1 引 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。,电力电子器件都,工作在开关状态,，也称为开关管，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,；电力电子器件在使用时都要加,散热器,。,1.2 电力电子器件的结构、特性和主要常数,开关管的外形常用的有,塑封型分立器件,、,塑封型模块,、,平板型分立器件,，,开关管外形与容量的关系如下图所示。,1.2.1,功率二极管,1.,功率二极管的结构,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。,功率二极管的电气符号,2.,功率二极管的特性,(1),伏安特性,二极管具有,单向导电能力,，二极管正向导电时必须克服一定的,门坎电压,U,th,(,又称死区电压,),。,当外加反向电压时，二极管的反向电流,I,S,是很小的，但是当外加反向电压超过,二极管反向击穿电压,U,RO,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。,功率二极管的伏安特性,门坎电压,U,th,反向击穿,电压,U,RO,(2),开关特性,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,。,1,）导通特性,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,U,FP,，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,t,fr,。,正向恢复时间,t,fr,功率二极管的开关过程的波形,2,）关断特性,当导通的功率二极管的突加反向电压，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，经过一个,反向恢复时间,t,rr,才能截止。其中，,t,d,为延迟时间，,t,f,为电流下降时间，反向恢复时间,t,rr,为,t,rr,t,d,t,f,。,普通二极管的,t,rr,=2,10s,，快速恢复二极管的,t,rr,为几十至几百,ns,超快恢复二极管的,t,rr,仅几个,ns,。,反向恢复,时间,t,rr,功率二极管的开关过程的波形,4.,功率二极管的主要参数,(1),额定电压,U,RR,反向不重复峰值电压,U,RSM,是指即将出现反向击穿的临界电压；,二极管的额定电压,U,RR,（反向重复峰值电压,U,RRM,）取反向不重复峰值电压,U,RSM,的,80,；,电压安全裕量是,23,倍！,(2),额定电流,I,FR,功率二极管的额定电流,I,FR,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,I,m,，则额定电流为,(3),最大允许的电流有效值,I,Frms,二极管流过半波正弦电流的平均值为,I,FR,时，与其发热等效的,全周期均方根正向电流,I,Frms,由上述两式可得,(4),最大允许非重复浪涌电流,I,FSM,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,。,功率二极管是,功率最大的电力电子器件。,datasheet1,1.2.2 晶闸管及派生器件,晶闸管,(Thyristor),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电力电子器件。,1.,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。,晶闸管的电气符号,2,.,晶闸管的工作原理,i,G,i,B2,i,C2,(,i,B1,),i,C1,晶闸管结构和双晶体管模型,双晶体管,模型,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。,晶闸管关断条件：,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实现。,4.,晶闸管的特性,(1),伏安特性,晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压,U,AK,和阳极电流,I,A,之间的关系特性。是,稳态特性,。,晶闸管,的伏安特性,门坎电压,晶闸管的伏安特性,(2),门极伏安特性,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,Q,G,和一条极限,低阻门极伏安特性,Q,D,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,I,FGM,允许的瞬时最大功率,P,GM,和正向峰值电压,U,FGM,划定的区域称为。,P,G,为门极允许的最大平均功率。其中,QABCQ,为不可靠触发区,ABCGFEDA,为可靠触发区。,晶闸管的门极伏安特性,最大平均功率,最大功率,不可靠,触发区,晶闸管的开关过程的波形,(3),开关特性,1,）导通特性,导通时间,t,on,包括,延迟时间,t,d,与,上升时间,t,r,，即,t,on,=,t,d,+,t,r,延迟时间,t,d,：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,上升时间,t,r,：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间,普通晶闸管的导通时间约为几微妙。,导通时间,t,on,2,）关断特性,关断时间,t,off,：包括,反向阻断恢复时间,t,rr,与,正向阻断恢复时间,t,gr,，即,t,off,=,t,rr,+,t,gr,反向阻断恢复时间,t,rr,：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；,正向阻断恢复时间,t,gr,：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间；,普通晶闸管的关断时间约为几十至几百微妙。,关断时间,t,off,晶闸管的开关过程的波形,5.,晶闸管的主要参数,（,1,）断态重复峰值电压,U,DRM,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,U,RRM,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。,断态重复峰值电压,反向重复峰值电压,（,3,）,额定电压,实测晶闸管,U,DRM,和,U,RRM,中较小的那个数值作为器件型号上的额定电压,。,而根据实际承受最大电压,选用晶闸管时，电压选择应取,(2,3),倍的安全裕量,。,(4),额定电流,I,T(AV),在环境温度为,+40,和规定冷却条件下，在电阻性负载的单相工频,正弦半波,电路中,晶闸管,全导通,(,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,。,正弦半波电流波形如图所示,晶闸管流过正弦半波电流波形,阴影面积,它的通态平均电流,I,T(AV),和正弦电流最大值,I,m,之间的关系表示为：,正弦半波电流的有效值为：,式中,K,f,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，选用晶闸管时，,电流选择应取,(1.5,2),倍的安全裕量,。,规定波形下的波形系数,(5),浪涌电流,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电流。,该值比晶闸管的额定电流要大得多,。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,U,TM,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,I,H,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,。,(8),擎住电流,I,L,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,I,L,约为维持电流,I,H,的,(2,4),倍。,datasheet2,(9),门极触发电流,I,GT,在室温且阳极电压为,6,V,直流电压时，使晶闸管从阻断到完全导通所必需的,最小门极直流电流,。,(10),门极触发电压,U,GT,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,U,GT,和,I,GT,上限，但不应超过其峰值,I,GFM,和,U,GFM,。,(11),断态电压临界上升率,d,u/,d,t,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,d,i/,d,t,在规定条件下，晶闸管导通时能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管导通时，如果电流上升过快，造成局部过热而,使晶闸管损坏,。,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,I,m,=100A,，试计算各波形下晶闸管的电流平均值,I,d1,、,I,d2,，电流有效值,I,1,、,I,2,，,并计算波形系数,K,f1,、,K,f2,。,流过晶闸管的电流波形,解：如图所示的平均值和有效值可计算如下,：,思考题1：如果晶闸管的额定电流是100A，不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?,思考题,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,?,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,50,s,，常在较高频率,(400Hz),的整流器、逆变器和变频器中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。,(2),双向晶闸管,双向晶闸管可以看成是,一对反并联的普通晶闸管,。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。,双向晶闸管在第,和第,象限有对称的伏安特性。,双向晶闸管等效电路和电气符号,双向晶闸管的伏安特性,(3),逆导晶闸管,逆导晶闸管是将晶闸管和整流二极管制作在同一管芯上的集成元件。,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。,逆导晶闸管的等效电路和伏安特性,(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。,光控晶闸管的符号和等效电路,光控晶闸管的伏安特性,第,1,章作业一,习题一,1-1,1-2,1-3,1-4,1-5,1.2.3 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。,可关断晶闸管的结构、等效电路和电气符号,GTO,的双,晶体管,模型图,双晶体管模型,3.,可关断晶闸管的特性,(1),伏安特性,和晶闸管的特性相似,GTO,的双晶体管模型和伏安特性,(2),开关特性,1,）导通特性,导通时间,t,on,由,延迟时间,t,d,和,上升时间,t,r,组成。,GTO的延迟时间一般为1-2s，上升时间随着阳极电流的增大而增大。,2,）,关断特性,关断时间,t,off,由,存储时间,t,s,、,下降时间,t,f,、,尾部时间,t,t,组成。,GTO的存储时间随着阳极电流的增大而增大，下降时间一般为2s。,GTO,的开关过程的波形,导通时间,t,on,关断时间,t,off,4.,可关断晶闸管的主要参数,GTO,有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。,(1),最大可关断阳极电流,I,ATO,电流过大时,1,+,2,稍大于,1,的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。,(2),关断增益,off,GTO,的关断增益,off,为最大可关断阳极电流,I,ATO,与门极负电流最大值,I,gM,之比,off,通常只有,5,左右。,datasheet3,重要的参数,1.2.4,集成门极换流晶闸管,1.,集成门极换流晶闸管的结构,集成门极换流晶闸管,IGCT,是通过对,GTO,的结构进行重大改进，引入缓冲层、可穿透发射区和集成续流快速恢复二极管结构，形成了,GCT,。又将门极驱动电路集成在,GCT,旁，形成,IGCT,。,GCT,是,IGCT,的核心器件，在相同阻断电压下和,GTO,结构相比可选用更薄的硅片厚度，从而大大降低开关损耗。当,IGCT,导通时，它具有晶闸管的工作机理，其特点为大电流和低导通电压。当门极电压反偏时，通过器件的全部电流瞬间从门极抽走，即瞬间从通态转变为断态，这样使,IGCT,具有承受很大的,d,u/,d,t,冲击的能力，在关断过程中不需要缓冲电路。,IGCT,有阳极、阴极、门极驱动电源、传输门极控制信号和反馈开关管状态的光纤端口。,2.,集成门极换流晶闸管的特点,IGCT,导通特性像晶闸管，其关断特性像晶体管，具有以下特点：,阻断电压高；,功率容量大；,通态压降低；,开关速度快，特别是关断时间小（小于,3,s,）；,开关损耗低；,与标准,GTO,相比，,IGCT,的最显著特点是存储时间短。因此，开关管关断时间的差异很小，可方便地将,IGCT,进行串并联，适合应用于大功率的范围。,3.,集成门极换流晶闸管的主要参数,IGCT,既有晶闸管的电压和电流参数，也有,GTO,的关断参数。另外，,IGCT,的开关特性参数还有门极导通状态反馈延迟时间、关断状态反馈延迟时间、通态最小时间（,10s,）、断态最小时间（,10s,）以及光纤传输的相关参数等。,由于,IGCT,的以上优点，实际应用中，,IGCT,已经替代了,GTO,。,1.2.5,双极型功率晶体管,1.,双极型功率晶体管的结构,单个双极型功率晶体管的结构与三极管的结构相同。,单个BJT电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，为了提高电流增益，常采用达林顿结构。,达林顿晶体管,2.,双极型功率晶体管的特性,(1),输出特性,（,仅工作在饱和区、截止区,）,(2),输入特性,二极管特性,工作在,开关状态,BJT,的输出特性和输入特性,饱和区,截止区,输入特性,(3),开关特性,1,）导通特性,导通时间,t,on,t,on,=,t,d,+,t,r,2,）,关断特性,关断时间,t,off,t,off,=,t,s,+,t,f,BJT的导通时间,t,on,和关断时间,t,off,都是几微,秒,。,BJT,开关过程的波形,延迟时间,t,d,上升时间,t,r,下降时间,t,f,存储时间,t,s,导通时间,t,on,关断,时间,t,off,1.2.,6,功率场效应晶体管,1.,功率场效应晶体管的结构,功率,MOSFET,特性上的优势是没有热电反馈引起的二次击穿、输入阻抗,高，具有正的温度系数、,跨导的线性度好和工作频率高。,功率场效应晶体管的结构和电气符号,功率,MOSFET,的全称是金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管。主要是,N,沟道增强型,。,2.,功率场效应晶体管的特性,(1),转移特性,转移特性表示功率,MOSFET,的输入栅源电压,U,GS,与输出漏极电流,I,D,之间的关系，表示功率,MOSFET,的放大能力，由于功率,MOSFET,是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示,。,功率场效应晶体管的转移特性,栅极开启电压,U,G(th,）,(2),输出特性,当,U,GS,一定时，,I,D,与,U,DS,间关系曲线称为,MOSFET,的输出特性。当,U,GS,超过,U,G(th),时，,MOSFET,导通。,U,GS,越大，,I,D,越大，可见,I,D,受,U,GS,的控制。输出特性分为三个区域。,：,可调电阻区,，器件的电阻值是变化的。当,U,GS,一定时，器件内的沟道已经形成，若,U,DS,很小时，对沟道的影响可忽略，沟道的宽度和电子的迁移率几乎不变，所以,I,D,与,U,DS,几乎呈线性关系。,：,饱和区,，当,U,GS,不变时，,I,D,趋于不变。,：,雪崩区,，当,U,DS,增大使漏源极,PN,结反偏电压过高，发生雪崩击穿，,I,D,突然增加，此时进入雪崩区,，直至器件损坏。,输出特性,可调电阻区,饱和区,雪崩区,(3),开关特性,1,）,导通特性,在,t,t,0,时，加,u,G,=,U,G,，,i,G,呈指数曲线下降，,u,GS,呈指数曲线上升，,u,GS,t,1,时，,u,GS,U,G(th),，器件开始导通，随着,u,GS,增加，,i,D,按指数曲线上升。当,t,t,2,时，,i,D,上升到,i,D,I,o,，此时，,u,GS,达到恒定值,u,GS,U,G,，,i,G,下降。,当,t,t,2,时，,i,G,全部流入C,GD,，,i,D,使C,D,S,放电，直到,t=t,3,，,u,DS,达到由其通态电阻决定的最小值,U,DS(ON),，,i,G,在此期间维持不变。,当,t,t,3,时，,u,DS,保持通态最小值,U,DS(ON),，此时,i,G,继续对C,GD,充电，,u,GS,按指数曲线上升，直到,t,4,时刻，,u,GS,达到,u,GG,，,i,G,0，器件进入完全导通状态。,2,）关断特性,在,t,t,5,时，,u,G,降到零，此时C,GS,和C,GD,通过R,G,放电，,u,GS,呈指数曲线下降，,i,G,突变到负最大值后呈指数曲线下降，,在,t,t,6,时，,u,GS,达到恒定值并保持，此时,i,G,全部从C,GD,中吸取，,u,DS,线性变化，当,t,t,7,时，,u,DS,u,DD,，,当,t,t,7,时，,i,G,、,u,GS,和,i,D,均呈指数曲线下降，当,t,t,8,时，,u,GS,U,G(th),，,i,D,为零，MOSFET关断。,当,t,t,8,时，,u,GS,继续按指数曲线下降到零，此时,i,G,继续下降。当,t=t,9,时，,i,G,0。,功率,MOSFET,开关过程的波形,导通时间,t,on,t,10,t,1,-,t,0,称为导通延迟时间,t,d,1,;,从,i,D,开始上升到,i,D,达到稳态值,t,21,t,2,-,t,1,称为上升时间,t,r,。,t,on,t,d,1,t,r,关断时间,t,off,t,75,t,7,-,t,5,称为关断延时时间,t,d2,，,t,87,t,8,-,t,7,称为下降时间,t,f,。,t,off,t,d2,t,f,由于MOSFET多数载流子导电，不存在存储效应，因此开关过程比较快，开关时间在10-100ns之间，是常用电力电子器件中开关频率最高的。,导通时间,t,on,关断时间,t,off,(4),安全工作区,功率,MOSFET,具有非常宽的安全工作区,(SOA),，特别是在高电压范围内，但是功率,MOSFET,的通态电阻比较大，所以受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。,正向偏置安全工作区,正向偏置安全工作区,(FBSOA),由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线。,反向偏置安全工作区,反向偏置安全工作区,(FBSOA),是关断时工作的极限范围。由最大漏极电流和漏源击穿电压组成，是功率,MOSFET,可靠性的一个重要参数。,3.,功率场效应晶体管的主要参数,（,1,）漏源击穿电压,BU,DS,它是功率,MOSFET,的最高工作电压。,（,2,）栅源击穿电压,BU,GS,它是功率,MOSFET,栅源极能承受的最高电压。,（,3,）漏极最大电流,I,DM,它是功率,MOSFET,的最大电流容量。,（,4,）开启电压,U,G(th),又称阈值电压，它是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。,datasheet5,(5)通态电阻R,on,是指在确定的栅源电压,U,GS,下，功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。,(6),极间电容,是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为,C,GS,和,C,GD,，它们由,MOS,结构的绝缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是,C,DS,，它由,PN,结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。,1.2.,7,绝缘栅双极型晶体管IGBT,绝缘栅双极型晶体管,IGBT,是,80,年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有,MOSFET,的快速响应、高输入阻抗和,BJT,的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。,1.,绝缘栅双极型晶体管的结构,IGBT,相当于一个由,MOSFET,驱动的厚基区,BJT,。其控制级是一个,MOSFET,，而功率级是,BJT,。相当于,MOSFET,控制的,BJT,，是电压控制型器件，,IGBT,的低掺杂,N,漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。,(1)IGBT,的转移特性,(2)IGBT,的输出特性,伏安特性分3个区域：正向阻断区、有源放大区和饱和区。,当,u,GE,U,G(th),，MOS管沟道体区内形成导电沟道，IGBT 进人正向导通状态。,IGBT,的转移特性,和输出特性,2.,绝缘栅双极型晶体管的特性,IGBT,开关过程的波形,(3),开关特性,IGBT,的,导通时间,t,on,等于,导通延迟时间,t,d1,+,上升时间,t,r,；,IGBT,的,关断时间,t,off,等于,关断延迟时间,t,d2,+下降时间,t,f1,+尾部时间,t,f2,。,导通时间,t,on,关断时间,t,off,(4),擎住效应,IGBT,为四层结构，存在一个,寄生晶体管,，在,NPN,晶体管的基极与发射极之间存在一个电阻，,P,型体区的电流流过此电阻会对,NPN,晶体管的基射极,加了正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使,NPN,晶体管导通；当,I,C,大到一定程度时，使,NPN,晶体管导通，栅极失去控制作用，这就是所谓的,擎住效应,。,(5),安全工作区,IGBT,等效电路,3.,绝缘栅双极型晶体管的主要参数,(1),集射极额定电压,U,CEO,它是,IGBT,集射极承受的最大耐压值。,(2),栅射极额定电压,U,GES,它是是栅极的电压额定值。栅射电压应小于额定值，才能使,IGBT,导通而不损坏。,(3),栅射极开启电压,U,G(th),使,IGBT,导通所需的最小栅射电压，通常,IGBT,的开启电压,U,G(th),在,3V,5.5V,之间。,(4),集电极额定电流,I,C,在额定的测试温度,(,壳温为,25),条件下，,IGBT,所允许的集电极最大直流电流。,(5),集射极饱和电压,U,CES,IGBT,在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压。通常,IGBT,的集射极饱和电压在,1.5V,3V,之间,。,datasheet6,由于,IGBT,的以上优点，实际应用中，,IGBT,已经替代了,BJT,。,第,1,章作业二,习题一,1-8,1-12,1-13,1-15,1.3 电力电子器件的驱动电路,驱动电路是电力电子器件与控制电路之间的环节，,驱动电路应该,提供足够的功率,使电力电子器件快速的导通或关断，并保持低开关损耗,。,驱动电路分为是单电源驱动和双电源驱动，是直接驱动还是隔离驱动。,驱动电路性能不好，轻则使开关管不能正常工作，重则导致开关管损坏。是决定电流上升率和动态饱和压降大小的重要因素之一。,增加驱动电流使电流上升率增大，使开关管饱和压降降低，减小导通损耗。过大的驱动电流，使开关管饱和过深，退出饱和时间越长，对关断过程和减小关断损耗越不利。,驱动电路是否具有快速保护功能，是决定开关管不损坏的关键因素之一。,1.,晶闸管对门极驱动电路的基本要求,驱动信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，驱动信号常采用脉冲形式。,驱动脉冲应有足够的功率。驱动电压和驱动电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。,驱动脉冲应有足够的宽度和陡度。脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通。驱动脉冲前沿陡度大于,10V/,s,或,800mA/,s,。,1.3.1,晶闸管的门极驱动电路,2.,门极驱动,电路的型式,控制电路应该和主电路隔离，可采用