电力电子技术西安交通大学王兆安第五版第17章研究报告.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,(第5版)第1章 绪论（第4版为“概述”，无章序号）,西安交通大学 电气工程学院 王兆安,2009.11.28,1,第1章 绪论,1.1 什么是电力电子技术,1.2 电力电子技术的发展史,1.3 电力电子技术的应用,1.4 本教材的内容简介,2,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术的概念,可以认为，所谓电力电子技术就是应用于,电力,领域的,电子,技术。,电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”，前者则更一般些。,电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。,3,1.1 什么是电力电子技术,具体地说，电力电子技术就是使用,电力电子器件,对,电能,进行,变换,和,控制,的技术。,电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基,础。,变流技术则是电力电子技术的核心,。,输入,输出,交流,（AC）,直流,（DC）,直流,（DC）,整流,直流斩波,交流,（AC）,交流电力控制,变频、变相,逆变,表1-1 电力变换的种类,4,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术和电子学,电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子,器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）,是一样的，其大多数工艺也是相同的。,电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也,是一致的。,电力电子技术和电力学,电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电,子学和电力学的主要关系。,6,1.1 什么是电力电子技术,各种电力电子装置广泛,应用于高压直流输电、静止,无功补偿、电力机车牵引、,交直流电力传动、电解、励,磁、电加热、高性能交直流,电源等之中，因此，无论是,国内国外，通常都把电力电,图1-2 电气工程的双三角形描述,子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传,动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电,气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学,科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学,科内各二级学科的关系。,7,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术和控制理论,控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电,子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种,需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技,术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实,现这种接口的一条强有力的纽带。,另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二,者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基,础元件和重要支撑技术。,8,1.2 电力电子技术的发展史,电力电子技术的发展史,图1-3 电力电子技术的发展史,一般认为，电力电子技术的诞生是以,1957年,美国通用电气公司研制出第一个,晶闸管,为标志的。,9,1.2 电力电子技术的发展史,晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎,明期。,1904年出现了,电子管,，它能在真空中对电子流进行控,制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电,力领域的先河。,20世纪30年代到50年代,，,水银整流器,广泛用于电化学,工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传,动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变,电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在,这一时期，也应用,直流发电机组,来变流。,1947年美国著名的贝尔实验室发明了,晶体管，,引发了,电子技术的一场革命。,10,1.2 电力电子技术的发展史,晶闸管时代,晶闸管,由于其优越的电气性能和控制性能，使,之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且,其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基,础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立,的。,晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不,能使其关断的器件，属于,半控型器件,。对晶闸管电,路的控制方式主要是相位控制方式，简称,相控方式,。,晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实,现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。,11,1.2 电力电子技术的发展史,全控型器件和电力电子集成电路（PIC）,70年代后期，以,门极可关断晶闸管（GTO）,、,电力双极型晶体管,（BJT）,和,电力场效应晶体管（Power-MOSFET）,为代表的,全控型器,件,迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控,制既可使其,开通,又可使其,关断,。,采用全控型器件的电路的主要控制方式为,脉冲宽度调制（PWM）,方式。相对于相位控制方式，可称之为,斩波控制方式,，简称,斩控方式,。,在80年代后期，以,绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）,为代表的,复合,型器件,异军突起。它是,MOSFET,和,BJT,的复合，综合了两者的优点。,与此相对，,MOS控制晶闸管（MCT）,和,集成门极换流晶闸管（IGCT）,复合了,MOSFET,和,GTO,。,12,1.2 电力电子技术的发展史,把,驱动,、,控制,、,保护电路,和,电力电子器件,集成在,一起，构成,电力电子集成电路（PIC）,，这代表了,电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成,技术包括以,PIC,为代表的,单片集成技术,、,混合集成,技术,以及,系统集成技术,。,随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子,电路的,工作频率,也不断提高。与此同时，,软开关技,术,的应用在理论上可以使电力电子器件的,开关损耗,降为零，从而提高了电力电子装置的,功率密度,。,13,1.3 电力电子技术的应用,电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于,一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信,系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调,等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。,一般工业,工业中大量应用各种,交直流电动机,，都是用电力电子装置进行调速的。,一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了,变频装置,，以达到节能的目的。,14,1.3 电力电子技术的应用,图1-4 AB变频器,有些并不特别要求调速的电机为,了避免起动时的电流冲击而采用了,软起动装置，这种软起动装置也是,电力电子装置。,电化学工业大量使用直流电源，,电解铝、电解食盐水等都需要大容,量整流电源。电镀装置也需要整流,电源。,电力电子技术还大量用于冶金工,业中的高频或中频感应加热电源、,淬火电源及直流电弧炉电源等场合。,15,1.3 电力电子技术的应用,交通运输,电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的,直流机车中采用,整流装置,，交流机车采用,变频装置,。,直流,斩波器,也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电,力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆,中的各种,辅助电源,也都离不开电力电子技术。,电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱,动控制，其,蓄电池,的充电也离不开电力电子装置。一台高,级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠,变频器,和,斩波器,驱动并控制。,飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。,16,1.3 电力电子技术的应用,电力系统,据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有,60%,以上的电能,至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。,直流输电,在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的,整,流阀,和受电端的,逆变阀,都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主,要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的,柔性交流输电（FACTS）,也是依靠电力电子装置才得以实现的。,晶闸管控制电抗器（TCR）,、,晶闸管投切电容器（TSC）,、,静止,无功发生器（SVG）,、,有源电力滤波器（APF）,等电力电子装置大量,用于电力系统的,无功补偿,或,谐波抑制,。在配电网系统，电力电子装置,还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行,电能质,量控制,，改善供电质量。,在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池,充电等都需要电力电子装置。,17,1.3 电力电子技术的应用,图1-5 中国南方电网公司安顺换流站,图1-6 静止无功发生器（上）和,晶闸管投切电容器（下）,18,1.3 电力电子技术的应用,电子装置用电源,各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流,电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电,源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型,器件的,高频开关电源,。大型计算机所需的工作电源、,微型计算机内部的电源现在也都采用,高频开关电源,。,在大型计算机等场合，常常需要,不间断电源,（Uninterruptible Power Supply_ UPS）,供电，不,间断电源实际就是典型的电力电子装置。,19,1.3 电力电子技术的应用,家用电器,电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量,能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。,空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、,电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。,其它,航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器,也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。,抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来,起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强,大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。,20,1.3 电力电子技术的应用,总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。,新能源、可再生能源发电比如风,力发电、太阳能发电，需要用电力,电子技术来缓冲能量和改善电能质,量。当需要和电力系统联网 时，更,离不开电力电子技术。,核聚变反应堆在产生强大磁场和,注入能量时，需要大容量的脉冲电,源，这种电源就是电力电子装置。,科学实验或某些特殊场合，常常需,要一些特种电源，这也是电力电子,技术的用武之地。,图1-7 风场,21,1.4 本教材的内容简介,本教材的内容,22,第2章 电力电子器件,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,本章小结,23,引言,模拟和数字电子电路的基础,晶体管和集成电路等电子器件,电力电子电路的基础,电力电子器件,本章主要内容：,对电力电子器件的,概念,、,特点,和,分类,等问题作了简要概述,。,分别介绍各种常用电力电子器件的,工作原理,、,基本特性,、,主要参数,以及选择和使用中应注意的一些问题。,24,2.1 电力电子器件概述,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,2.1.2 应用电力电子器件的系统组成,2.1.3 电力电子器件的分类,2.1.4 本章内容和学习要点,25,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念,电力电子器件（Power Electronic Device）,是指可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,。,主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。,广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。,26,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的特征,所能处理,电功率,的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。,为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在,开关状态,。,由信息电子电路来控制,而且需要,驱动电路,。,自身的,功率损耗,通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装,散热器,。,27,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,通态损耗,是电力电子器件功率损耗的主要成因。,当器件的开关频率较高时，,开关损耗,会随之增,大而可能成为器件功率损耗的主要因素。,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,电力电子器件的功率损耗,28,2.1.2 应用电力电子器件的系统组成,电力电子器件在实际应用中，一般是由,控制电路,、,驱动,电路,和以电力电子器件为核心的,主电路,组成一个系统。,电气隔离,图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,29,2.1.3 电力电子器件的分类,按照能够被控制电路信号所控制的程度,半控型器件,主要是指,晶闸管（Thyristor）,及其大部分派生器件。,器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。,全控型器件,目前最常用的是,IGBT,和,Power MOSFET,。,通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。,不可控器件,电力二极管（Power Diode）,不能用控制信号来控制其通断。,30,2.1.3 电力电子器件的分类,按照驱动信号的性质,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的控制。,电压驱动型,仅通过在控制端和公共端之间施加一定的,电压,信号就可实现导通或者关断的控制。,按照驱动信号的波形（电力二极管除外,）,脉冲触发型,通过在控制端施加一个电压或电流的,脉冲,信号来实现器件的开通或者关断的控制。,电平控制型,必须通过,持续,在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并,维持,在导通状态或者关断并维持在阻断状态。,31,2.1.3 电力电子器件的分类,按照载流子参与导电的情况,单极型器件,由一种,载流子,参与导电。,双极型器件,由,电子,和,空穴,两种载流子参与导电。,复合型器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。,32,2.1.4 本章内容和学习要点,本章内容,按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的,工作原理,、,基本特性,、,主要参数,以及选择和使用中应注意的一些问题。,学习要点,最重要的是掌握其,基本特性,。,掌握电力电子器件的,型号命名法,，以及其,参数,和,特性曲线,的使用方法。,了解电力电子器件的,半导体物理结构,和,基本工作原理,。,了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。,33,2.2 不可控器件电力二极管,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,2.2.2 电力二极管的基本特性,2.2.3 电力二极管的主要参数,2.2.4 电力二极管的主要类型,34,2.2 不可控器件电力二极管,引言,电力二极管（Power Diode）,自20世纪50年代初期就获得,应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二,极管仍然大量应用于许多电气设备当中。,在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少,的，特别是开通和关断速度很快的,快恢复二极管,和,肖特基,二极管,，具有不可替代的地位。,整流二极管及模块,35,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),c),A,K,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,电力二极管是以半,导体,PN结,为基础的,实际上是由一个面积,较大的,PN结,和,两端引,线,以及,封装,组成的。,从外形上看，可以有,螺栓型,、,平板型,等多,种封装。,图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号,a)外形 b)基本结构 c)电气图形符号,36,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,二极管的基本原理PN结的,单向导电性,当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为,正向电流,I,F,，这就是PN结的正向导通状态。,当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为,高阻态,，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。,PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫,反向击穿,。,按照机理不同有,雪崩击穿,和,齐纳击穿,两种形式,。,反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。,否则PN结因过热而烧毁，这就是,热击穿,。,37,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的电容效应,称为,结电容,C,J,，又称为,微分电容,按其产生机制和作用的差别分为,势垒电容,C,B,和,扩散电容,C,D,势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。,扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。,结电容影响PN结的,工作频率,，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。,38,2.2.2 电力二极管的基本特性,静态特性,主要是指其,伏安特性,正向电压大到一定值（,门槛,电压,U,TO,），正向电流才开始,明显增加，处于稳定导通状态。,与,I,F,对应的电力二极管两端的,电压即为其,正向电压降,U,F,。,承受反向电压时，只有,少子,引起的微小而数值恒定的,反向,漏电流,。,I,O,I,F,U,TO,U,F,U,图2-5 电力二极管的伏安特性,39,2.2.2 电力二极管的基本特性,a),I,F,U,F,t,F,t,0,t,rr,t,d,t,f,t,1,t,2,t,U,R,U,RP,I,RP,d,i,F,d,t,d,i,R,d,t,u,b),U,FP,i,i,F,u,F,t,fr,t,0,2V,图2-6 电力二极管的动态过程波形,正向偏置转换为反向偏置,零偏置转换为正向偏置,动态特性,因为,结电容,的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的,开关特性,。,由正向偏置转换为反向偏置,电力二极管并不能立即关断，而是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。,在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。,延迟时间,：,t,d,=t,1,-t,0,电流下降时间,：,t,f,=t,2,-t,1,反向恢复时间,：,t,rr,=t,d,+t,f,恢复特性的软度,：,t,f,/,t,d,，或称恢复系 数，用,S,r,表示。,t,0,:正向电流降为零的时刻,t,1,:反向电流达最大值的时刻,t,2,:电流变化率接近于零的时刻,40,2.2.2 电力二极管的基本特性,U,FP,u,i,i,F,u,F,t,fr,t,0,2V,由零偏置转换为正向偏置,先出现一个,过冲,U,FP,，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,t,fr,出现电压过冲的原因:,电,导调制效应,起作用所需的大量,少子需要一定的时间来储存，,在达到稳态导通之前管压降较,大；正向电流的上升会因器件,自身的,电感,而产生较大压降。,电流上升率,越大，,U,FP,越高。,图2-6 电力二极管的动态过程波形,b)零偏置转换为正向偏置,41,2.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流,I,F(AV),指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用,T,C,表示）和散热条件下，其允许流过的最大,工频正弦半波电流,的平均值。,I,F(AV),是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按,有效值相等,的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。,正向压降,U,F,指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的,稳态正向电流,时对应的正向压降。,反向重复峰值电压,U,RRM,指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。,使用时，应当留有,两倍,的裕量。,42,2.2.3 电力二极管的主要参数,最高工作结温,T,JM,结温是指管芯PN结的平均温度，用,T,J,表示。,最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的,最高平均温度,。,T,JM,通常在125175,C范围之内。,反向恢复时间,t,rr,浪涌电流,I,FSM,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,。,43,2.2.4 电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性,能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用,的电力二极管。,普通二极管（General Purpose Diode）,又称,整流二极管（Rectifier Diode）,，多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。,其,反向恢复时间,较长，一般在5,s以上,。,其,正向电流定额,和,反向电压定额,可以达到很高。,44,2.2.4 电力二极管的主要类型,快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）,恢复过程,很短，特别是,反向恢复过程,很短（一,般在5,s,以下）。,快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial,DiodesFRED），采用,外延型P-i-N,结构，其,反向恢复时间更短（可低于50,ns,），正向压降也很,低（0.9V左右）。,从性能上可分为,快速恢复,和,超快速恢复,两个等,级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则,在100,ns,以下，甚至达到2030,ns,。,45,2.2.4 电力二极管的主要类型,肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）,属于,多子,器件,优点在于：,反向恢复时间,很短（1040,ns,），正向恢,复过程中也不会有明显的,电压过冲,；在反向耐压较低的情,况下其,正向压降,也很小，明显低于快恢复二极管；因此，,其,开关损耗,和,正向导通损耗,都比快速二极管还要小，效率,高。,弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其,正向压降,也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场,合；,反向漏电流,较大且对,温度,敏感，因此,反向稳态损耗,不,能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。,46,2.3 半控型器件晶闸管,2.3.1 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,2.3.4 晶闸管的派生器件,47,2.3 半控器件晶闸管引言,晶闸管（Thyristor）是,晶体闸流管,的简称，又称作,可控硅整流器,（Silicon Controlled RectifierSCR）,，以前被简称为可控硅。,1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到,1957年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只,晶闸管产品，并于1958年使其商业化。,由于其能承受的,电压和电流容量,仍然是目前电力电子器件中最高,的，而且工作可靠，因此在,大容量,的应用场合仍然具有比较重要的地,位。,晶闸管及模块,48,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的结构,从外形上来看，晶闸管也主要有,螺栓型,和,平板型,两种封装结构。,引出,阳极A,、,阴极K,和,门极（控制端）G,三个联接端。,内部是,PNPN,四层半导体结构。,图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号,a)外形 b)结构 c)电气图形符号,49,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,a)双晶体管模型 b)工作原理,晶闸管的工作原理,按照晶体管工作原理，可列出如下方程：,（2-2）,（2-1）,（2-3）,（2-4）,式中,1,和,2,分别是晶体管V,1,和V,2,的共基极电流增益；,I,CBO1,和,I,CBO2,分别是V,1,和V,2,的共基极漏电流。,50,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶体管的特性是：在低发射极电流下,是很小的，而当,发射极电流建立起来之后，,迅速增大。,在晶体管,阻断状态,下，,I,G,=0,，而,1,+,2,是很小的。由上式,可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管,漏电流之和。,如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致,1,+,2,趋近于,1,的话，流过晶闸管的电流,I,A,（阳极电流）,将,趋近于,无穷大,，从而实现器件,饱和导通,。,由于外电路负载的限制，,I,A,实际上会维持,有限值,。,由以上式（2-1）（2-4）可得,(2-5),51,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,除门极触发外,其他几种可能导通的情况,阳极电压升高至相当高的数值造成,雪崩效应,阳极电压上升率,d,u,/d,t,过高,结温,较高,光触发,这些情况除了,光触发,由于可以保证控制电路与,主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中,之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只,有,门极触发,是最精确、迅速而可靠的控制手段。,52,2.3.2 晶闸管的基本特性,静态特性,正常工作时的特性,当晶闸管承受,反向电压,时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通,。,当晶闸管承受,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，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通,。,若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的,电流降到接近于零的某一数值以下,。,53,2.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性,正向特性,当,I,G,=0,时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向,阻断状态,，只有很小的正向漏电流流过。,如果正向电压超过临界极限即,正向转折电压,U,bo,，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，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。,如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值,I,H,以下，则晶闸管又回到,正向阻断,状态，,I,H,称为,维持电流,。,图2-9 晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,正向转折电压,U,bo,正向,导通,雪崩,击穿,O,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,+,54,2.3.2 晶闸管的基本特性,反向特性,其伏安特性类似,二极管,的反向特性。,晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的,反向漏电流,通过。,当反向电压超过一定限度，到,反向击穿电压,后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。,图2-9 晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,正向转折电压,U,bo,正向,导通,雪崩,击穿,O,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,+,55,2.3.2 晶闸管的基本特性,动态特性,开通过程,由于晶闸管内部的,正反馈,过程,需要时间，再加上,外电路,电感,的限制，晶闸管受到触发,后，其阳极电流的增长不可能,是,瞬时,的。,延迟时间,t,d,(0.51.5,s),上升时间,t,r,(0.53,s),开通时间,t,gt,=t,d,+t,r,延迟时间随,门极电流,的增,大而减小,上升时间除反映晶,闸管本身特性外，还受到,外电,路电感,的严重影响。提高,阳极,电压,延迟时间和上升时间都,可显著缩短。,图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形,阳极电流稳态值的,90%,100%,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,阳极电流稳态值的,10%,56,2.3.2 晶闸管的基本特性,关断过程,由于,外电路电感,的存在，原处,于导通状态的晶闸管当外加电压突,然由正向变为反向时，其阳极电流,在衰减时必然也是有过渡过程的。,反向阻断恢复时间,t,rr,正向阻断恢复时间,t,gr,关断时间,t,q,=,t,rr,+,t,gr,关断时间约几百微秒。,在,正向阻断恢复时间,内如果重,新对晶闸管施加,正向电压,，晶闸管,会重新正向导通，而不是受门极电,流控制而导通。,图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形,100%,反向恢复电流最大值,尖峰电压,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,57,2.3.3 晶闸管的主要参数,电压定额,断态重复峰值电压,U,DRM,是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,（见图2-9）。,国标规定断态重复峰值电压,U,DRM,为断态不重复峰值电压（即,断态最大瞬时电压）U,DSM,的,90%,。,断态不重复峰值电压应低于,正向转折电压,U,bo,。,反向重复峰值电压,U,RRM,是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,（见图2-8）。,规定反向重复峰值电压,U,RRM,为反向不重复峰值电压（即反向,最大瞬态电压）,U,RSM,的,90%,。,反向不重复峰值电压应低于,反向击穿电压,。,58,2.3.3 晶闸管的主要参数,通态（峰值）电压,U,T,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。,通常取晶闸管的,U,DRM,和,U,RRM,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,。,电流定额,通态平均电流,I,T(AV）,国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为,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。,按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的,发热效应,来定义的。,一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的,原则所得计算结果的,1.52,倍。,59,2.3.3 晶闸管的主要参数,维持电流,I,H,维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的,最小,电流，,一般为几十到几百毫安。,结温,越高，则,I,H,越小。,擎住电流,I,L,擎住电流是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。,约为,I,H,的,24,倍,浪涌电流,I,TSM,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,。,60,2.3.3 晶闸管的主要参数,动态参数,开通时间,t,gt,和关断时间,t,q,断态电压临界上升率,d,u,/d,t,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,d,i,/d,t,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。,61,2.3.4 晶闸管的派生器件,快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）,有,快速晶闸管,和,高频晶闸管,。,快速晶闸管的,开关时间,以及,d,u,/d,t,和,d,i,/d,t,的耐量都有了,明显改善。,从,关断时间,来看，普通晶闸管一般为,数百,微秒，快速,晶闸管为,数十,微秒，而高频晶闸管则为,10,s,左右。,高频晶闸管的不足在于其,电压,和,电流,定额都不易做高。,由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的,通态平均电流时不能忽略其,开关损耗,的发热效应。,62,2.3.4 晶闸管的派生器件,a),b),I,O,U,I,G,=,0,G,T,1,T,2,双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,可以认为是一对,反并联联 接,的普通晶闸管的集成,。,门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第,和第,III,象限有,对称的伏安特性,。,双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用,有效值,来表示其额定电流值。,图2-11 双向晶闸管的电气图形,符号和伏安特性,a)电气图形符号 b)伏安特性,63,2.3.4 晶闸管的派生器件,a),K,G,A,b),U,O,I,I,G,=,0,逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,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。,具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。,图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号,和伏安特性,a)电气图形符号 b)伏安特性,64,2.3.4 晶闸管的派生器件,A,G,K,a),AK,光强度,强,弱,b),O,U,I,A,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,是利用一定波长的,光照信号,触发导通的晶闸管。,由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的,绝缘,，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在,高压大功率,的场合,。,图2-13 光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性,a)电气图形符号 b)伏安特性,65,2.4 典型全控型器件,2.4.1 门极可关断晶闸管,2.4.2 电力晶体管,2.4.3 电力场效应晶体管,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,66,2.4 典型全控型器件,引言,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。,20,世纪,80,年代以来，电力电子技术进入了一个,崭新时代。,典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、,电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,电力MOSFET,IGBT单管及模块,67,2.4.1 门极可关断晶闸管,晶闸管的一种派生器件，但,可以通过在门极施加负的脉冲,电流使其关断，因而属于,全控,型器件,。,GTO的结构和工作原理,GTO的结构,是,PNPN,四层半导体结 构,。,是一种多元的功率集成,器件，虽然外部同样引出个,极，但内部则包含数十个甚,至数百个共阳极的,小GTO,元,，这些GTO元的,阴极,和,门,极,则在器件内部,并联,在一起。,图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号,各单元的阴极、门极间隔排列的图形,并联单元结构断面示意图,电气图形符号,68,2.4.1 门极可关断晶闸管,图2-8 晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理,a)双晶体管模型 b)工作原理,GTO的工作原理,仍然可以用如图2-8所示的,双晶体管模型,来分析，V,1,、V,2,的共基极电流增益分别是,1,、,2,。,1,+,2,=1,是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。,GTO与普通晶闸管的不同,设计,2,较大，使晶体管,V,2,控制 灵敏，易于GTO关断。,导通时,1,+,2,更接近1，导通时接近,临界饱和,，有利门极控制关断，但导通时管,压降,增大。,多元集成结构，使得,P,2,基区,横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,69,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，,只不过导通时,饱和程度,较浅。,而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽,出电流，当两个晶体管发射极电流,I,A,和,I,K,的,减小使,1,+,2,1,时，器件退出,饱和,而关断。,GTO的,多元集成结构,使得其比普通晶闸管,开通过程,更快，承受,d,i,/d,t,的能力增强。,70,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的动态特性,开通过程与普通晶闸管类似。,关断过程,储存时间,t,s,下降时间,t,f,尾部时间,t,t,通常,t,f,比,t,s,小得多，而,t,t,比,t,s,要长。,门极负脉冲电流,幅值,越大，,前沿,越陡，,t,s,就越短。使门极负脉冲的,后沿,缓慢衰减，在,t,t,阶段仍能保持适当的,负电压,，则可以缩短,尾部时间,。,图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形,O,t,0,t,i,G,i,A,I,A,90%,I,A,10%,I,A,t,t,t,f,t,s,t,d,t,r,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间,等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间,残存载流子复合所需时间,71,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的主要参数,GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。,最大可关断阳极电流,I,ATO,用来标称GTO,额定电流,。,电流关断增益,off,最大可关断阳极电流,I,ATO,与门极负脉冲电流最大值,I,GM,之比。,off,一般很小，只有,5,左右，这是GTO的一个主要缺点。,开通时间,t,on,延迟,时间与,上升,时间之和。,延迟时间一般约,12,s,，上升时间则随,通态阳极电流值,的增大而,增大。,关断时间,t,of