电力电子第二章第六讲.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,电力电子第二章第六讲,*,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,*,电力电子第二章第六讲,电力电子技术,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,*,电力电子第二章第六讲,电力电子技术,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,*,电力电子第二章第六讲,电力电子技术,电 力 电 子 技 术,Power Electronics,电力电子第二章第六讲,2.9,其它新型电力电子器件,静电感应晶体管（,SIT,，,Static Induction Transistor,）：诞生于,1970,年。是一种多子导电的器件，工作频率与功率,MOSFET,相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。但,SIT,是在栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不太方便；且通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未得到广泛应用。,静电感应晶闸管（,SITH,，,Static Induction Thyristor,）：诞生于,1972,年，因其工作原理与,SIT,类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此,SITH,又被称为场控晶闸管（,FCT,，,Field Controlled Thyristor,）。,SITH,是两种载流子导电的双极型器件，通态压降低、通流能力强。其很多特性与,GTO,类似，但开关速度比,GTO,高得多，是大容量的快速器件；,SITH,一般也是正常导通型（栅极不加信号时导通），而且其制造工艺比,GTO,复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。,电力电子第二章第六讲,2.9.1,集成门极换流晶闸管IGCT,集成门极换流晶闸管（IGCT，Integrated Gate-Commutated Thyristor）结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当,。,20,世纪,90,年代后期出现,目前的制造水平是6500V/4200A和4500V/5500A，适用于功率1MW10MW，开关频率50Hz2kHz范围的应用，已在高压变频调速系统和风力发电系统中得到应用。,图,2-35 4500/4000A,的,IGCT,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,2.9.1,集成门极换流晶闸管IGCT,IGBT,是在大功率晶体管基础上的发展，过流时通过撤除门极电压可关断器件。而,IGCT,是在晶闸管基础上的发展，其关断机理是通过在门极上施加负的关断电流脉冲，把阳极电流从阴极向门极分流，使原来的,PNPN,四层结构变成,PNP,三层结构，从而关断器件。由于负的关断电流脉冲限制，故,IGCT,有一个能关断的最大阳极电流值，超过此值器件便关不断，出现“直通”现象，器件的额定电流就定义为这个最大可关断电流。,目前，国产,IGCT,产品刚刚跨入应用之门，还在等待实际应用的结果。应用好,IGCT,，本身就是一项复杂艰巨的系统工程。当前主要的问题是没有实际经验，缺乏成熟的组件或装置拓扑。这些需要从事系统和线路设计的工程师们投入足够的精力。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,电力电子第二章第六讲,电力电子第二章第六讲,由MOSFET与晶闸管复合而成的新型双极复合型器件。,每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个MCT元又是由1个晶闸管、1个控制MCT导通的MOSFET和1个控制MCT关断的MOSFET组成。,MCT的通态电阻远低于其它场效应器。,MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。,其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。,此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通d,i,/d,t,和阻断d,u,/d,t,能力，其值高达2000A/s和2000V/s。其工作结温亦高达150-200，被认为是目前众多的新型功率器件中很有发展前途的器件。,2.9.2,MOS控制晶闸管(MCT),目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,2.9.3,功率模块和功率集成电路,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，称为功率集成电路（PIC，Power Integrated Circuit）。,根据性能侧重、要求：高压集成电路（,HVIC,）、智能功率集成电路（,SPIC,）、智能功率模块（,IPM,）,其优点系统成本低，重量轻，体积小，寄生电感低，提高电力电子变化和控制的可靠性。,功率集成电路的主要技术难点：,高低压电路之间的绝缘问题,以及,温升和散热的处理,。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,IPM,电力电子第二章第六讲,2.10,电力电子器件的发展趋势,新型电力电子器件呈现出许多优势，其发展主要有以下特点：,1）,集成化,具有主回路、控制回路、检测、保护功能于一体的智能功率集成电路发展迅速，其中IGBT的智能化模块IPM已得到了广泛的应用。,2）,大容量,GTO是容量上与晶闸管最接近的具有自关断能力的器件，但存在缺点和问题。由于IGBT、IGCT等器件的大容量化及实用化，在更多的领域，IGBT和IGCT将取代GTO。,3）,高频化,GTO的工作频率为12kHz，GTR可在10kHz以下工作，IGBT工作频率已达150kHz。工作频率的高频化，可大大减小电路中电压器和滤波电感、电容的体积，使装置小型化、轻量化。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10,电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,4）高效率电力电子器件的导通压降在不断的改善，降低了导通损耗。同时开通和关断过程的加快，也降低了开关损耗。,以上所述各种电力电子器件一般是由硅半导体材料制成的。除此之外，近年来还出现了一些性能优良的新型化合物半导体材料，如,砷化镓,（GaAs）和,碳化硅,（SiC）。由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现。,2.10,电力电子器件的发展趋势,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10,电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,砷化镓材料,砷化镓是一种很有发展前景的半导体材料。与硅相比，砷化镓有两个优点：砷化镓整流元件可在,350,的高温下工作（硅整流元件只能达,200,），具有很好的,耐高温特性,，有利于模块小型化；砷化镓材料的,电子迁移率,是硅材料的,5,倍，因而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小寄生电容，提高开关频率（,1MHz,以上）。其,缺点是正向压降比较大,。,砷化镓整流元件已由,Motorola,公司生产，并应用于制作各种输出电压（,12V,、,24V,、,36V,、,48V,）的直流电源，用于通信设备和计算机中。,2.10,电力电子器件的发展趋势,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10,电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,碳化硅材料,碳化硅作为硅和砷化镓的重要补充，不但,击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等,特点，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，或在一般应用中实现硅器件难以达到的效果。在额定阻断电压相同的前提下，碳化硅功率开关器件不但通态电阻很低，其工作频率一般也要比硅器件高,10,倍以上。,2.10,电力电子器件的发展趋势,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10,电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,由于单极功率器件的通态电阻随其阻断电压的提高而迅速增大，硅材料的,Power MOSFET,只在电压等级不超过,100V,时才有开关较大电流的能力，具有较好的性能价格比。如果用碳化硅制造单极性器件，在阻断电压高达,10kV,的情况下，其通态压降仍然会比硅双极器件低，而单极器件在工作频率等方面相对于双极器件有很多明显的优势。因此，对碳化硅电力电子器件的研究和开发，从一开始就比较集中于肖特基势垒二极管和,Power MOSFET,这些单极性器件，其总体效益远远超过碳化硅器件与硅器件之间的价格差异造成的成本升高。,2.10,电力电子器件的发展趋势,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10,电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,2.10,电力电子器件的发展趋势,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2.9.1,集成门极换流晶闸管,2.9.2MOS,控制晶闸管,2.9.3,功率模块和功率集成电路,2,.,10,电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,2.11,电力电子器件应用共性问题,1过电压保护,电力电子装置可能的过电压原因分为外因和内因。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，如由分闸、合闸等开关操作引起过电压。而内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程：,（,1,）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不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会因线路电感在器件两端感应出过电压；,（,2,）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在器件两端感应出的过电压。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,1,过电压保护,2.11,电力电子器件应用共性问题,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,器件换相过电压抑制用,RC,电路,压敏电阻过电压抑制器,浪涌过电压抑制用,RC,电路,变压器静电屏蔽层,避雷器,静电感应过电压抑制电容,直流侧,RC,抑制电路,器件关断过电压抑制用,RCD,电路,电力电子第二章第六讲,2过电流保护,图,2-37,快速熔断器联接方法,2,.11.1,电力电子器件的保护,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,对重要的全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护。,将,u,R,与预先设定的基准V,ref,进行比较，当,u,R,V,ref,时，比较电路动作，关闭驱动电路的输出信号，可达到过流保护的作用。,图,2-38,通过驱动电路实现过流保护的方法,2,.11.1,电力电子器件的保护,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,2,.11.1,电力电子器件的保护,在控制电路与主回路需要隔离的场合，一般采用电流互感器检测主电路电流，转换成直流电压后送给电压比较器，与设定值进行比较。优点一是响应迅速，二是设定过流值方便。,霍尔电流传感器,电力电子第二章第六讲,图,2-39 d,i,/d,t,抑制电路、,RCD,缓冲电路和波形,a),电路,b),u,ce,和,i,c,波形,3d,u,/d,t,、d,i,/d,t,限制和缓冲电路,缓冲电路也可以使,功率管的主电极电压变化率,d,u,/d,t,和电流变化率d,i,/d,t,得到有效的抑制。,当,V,导通时，由于有电感,L,i,存在，,i,的上升速度变慢；而,V,截止时，负载电流通过,VD,S,向,C,S,分流，减轻,V,的负担，可抑制,d,i,/d,t,和及由,L,d,i,/d,t,引起的过电压。,2,.11.1,电力电子器件的保护,V,导通时，,C,s,上能量通过,R,s,释放。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,2,.11.1,电力电子器件的保护,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,RCD,缓冲电路对波形的影响,无,RCD,吸收电路时的,V,DS,波形,引入,RCD,吸收电路时的,V,DS,波形,优化,RCD,吸收电路后的,V,DS,波形,电力电子第二章第六讲,2,.11.1,电力电子器件的保护,电力电子第二章第六讲,2,.11.1,电力电子器件的保护,电力电子第二章第六讲,2.11.2,电力电子器件的散热,电力电子器件的功率损耗包括通态损耗、断态损耗和开关损耗。,各项功率损耗可以用器件两端的电压,u,和流过的电流,i,的乘积所得的平均功率损耗,P,来表示，分别用下式来表示,，,关断时的漏电流非常小，断态损耗很小，可以忽略不计。,（2-8）,（2-9）,（2-10）,（2-11）,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,图,2-40,电力电子器件的功率损耗,在器件开关频率不高时，通态损耗为器件损耗的主要部分，而器件开关频率较高时，开关损耗则成为器件功率损耗的主要因素。,2.11.2,电力电子器件的散热,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,SGH60N80UFD,电力电子第二章第六讲,为了保证器件正常工作，必须规定最高允许结温，与最高结温对应的器件耗散功率即是器件的,最大允许耗散功率,。器件正常工作时不应超过最高结温和功耗的最大允许值，否则，器件特性与参数将要产生变化，甚至导致器件产生永久性的烧坏现象。,管芯温度的高低与,器件内部功耗的大小、管芯到外界环境的传热条件,(,传热机构、材料、冷却方式等,),以及环境温度,等有关。设法减小器件的内部功耗、改善传热条件，对保证器件长期可靠运行有极重要的作用。,为了便于散热，功率器件多加装,散热器,，结温升高后的,散热过程和路线,如下：管芯内部功耗产生的热能以传导方式由管芯传到固定它的外壳的底座上，再由外壳将部分热能以对流和辐射的形式传到环境中去，大部分热能则是通过底座直接传到散热器上，最后由散热器传到空气中。,2.11.2,电力电子器件的散热,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,工程实际中，由于功率器件的芯片较大，温度分布是不均匀的，可能出现局部比最高允许结温高得多的过热点，导致器件损坏。所以规定的最高允许结温远低于其本征失效温度，这被称为结温减额使用。,散热设计的主要任务就是根据器件的耗散功率,P,d,设计一个具有适当热阻的散热方式和散热器，以确保器件的管芯温度不高于额定结温,T,jm,。当散热器的环境温度为,T,a,时，从管芯到环境的总热阻为：,在实际情况中常把总热阻分成三部分。第一部分为从管芯到管壳的结,-,壳热阻，第二部分为从管壳到散热器的接触热阻，第三部分为从散热器到环境的散热器热阻。,2.11.2,电力电子器件的散热,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,2.11.2,电力电子器件的散热,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,对器件用户来说，结,-,壳热阻是不能改变的一个参数。接触热阻决定于器件的封装形式、界面平整度和散热器的安装压力，管壳与散热器之间是否加绝缘垫片和导热脂。,一般情况下，增加安装压力可减小接触热阻。在管壳和散热器之间涂导热脂也可减小接触热阻，但加绝缘垫片会增加接触热阻。,尽量选用导热性好的材料，并涂敷导热脂。散热器热阻与散热器材料、形状、表面状况、功耗元件的安装位置以及冷却介质的性质等多种因素有关。,散热器采用指状或枝状结构，可增加散热面积。强迫风冷是降低散热器热阻的一种有效形式，常用的风冷和自然冷却散热器由铝板或铝型材料制成。使用液体作为散热介质的液冷方式对于降低热阻的效力更高，所用的散热器体积更小，特别适用于特大功率耗散情况。,2.11.2,电力电子器件的散热,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,2.11.2,电力电子器件的散热,电力电子第二章第六讲,使用风机降低散热器温度目前有两种控制方式，一种是风机与装置同步工作，适合于负载基本不变的情况，如,PC,机电源；,另一种是风机的起、停受装置的内部温度（尤其是散热器的温度）控制。这种方式适合负载变化的情况，例如以蓄电池为后备电源的整流装置。该控制方式在达到降温目的的同时，能大大提高风机的寿命，进而提高整个装置的寿命。,2.11.2,电力电子器件的散热,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,图,2-41,散热器温控风冷滞环控制方式,2.11.2,电力电子器件的散热,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,另外，使用散热器对功率开关管进行散热时，可采用带常闭触头的温度继电器来实现过热保护，将温度继电器测量面固定在散热器表面，其常闭触头用来控制功率开关管的驱动回路，一旦散热器温度过高，温度继电器动作，驱动电路停止工作，功率开关管截止。,电力电子第二章第六讲,2.11.3,电感和电容,电感是电力电子电路中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零，故常用作储能元件，也常与电容共用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流。由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的,。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,2.11.3,电感和电容,电容是电子线路中应用非常广泛的电子元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件，但对频率的特性却刚好相反。应用在电力电子电路上，主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。电容的种类也多种多样，在电力电子主回路中，主要用到铝电解电容和无感电容,。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,2.11.3,电感和电容,铝电解电容管脚有正、负之分，容量为,0.47,12000F,，工作电压为,16,450V,，主要用作整流电路的电压平滑滤波电容。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,2.11.1,电力电子器件的保护,2.11.2,电力电子器件的散热,2.11.3,电感和电容,小结,电力电子第二章第六讲,在功率开关管由导通变为关断瞬间，流过功率管的电流会迅速下降，由于电路中电感量的作用，会产生较高的尖峰电压，若该电压超过功率管所能承受的电压，则会发生器件击穿，造成器件永久损坏。因此一般都要在功率管两端并联吸收电路，如,RC,和,RCD,电路。在这其中电容是很关键的吸收元件，但实际的电容等效电路上有一个串联的电感，因此难以实现很好的吸收电压尖峰的效果。无感电容对吸收电压尖峰有很好的效果，但由于其价格偏贵，通常只用于中、大功率开关管的电压尖峰吸收电路中。,对于铝电解电容和无感电容来说，其主要参数为额定电压和容量阀值。在使用时应根据电路中的电压并留有余量后确定电容的额定电压，容量阀值决定其使用效果。随着额定电压和容量阀值的增加，电容体积呈增长趋势。,电力电子第二章第六讲,小结,本章介绍了功率二极管、晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、,功率场效应管,Power MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT等几种常用的半导体电力电子器件。,1.根据开关器件开通、关断可控性的不同，可将开关器件分为三类：,1）不可控器件只有功率二极管是不可控器件；其处于正向偏置时自然导通，而处于反向偏置时自然关断；,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,2）半控型器件 只有普通晶闸管及其派生器件属于半控型器件，当晶闸管承受正压时，在其控制极和阴极之间外加正向触发脉冲电流后，晶闸管从断态转入通态。一旦晶闸管导通后，撤除触发脉冲，晶闸管仍然处于通态，即控制极只能控制其导通而不能控制其关断，要使晶闸管关断，只能使其阳极和阴极之间的电压为零或反向，使其阳极电流低于维持电流。,3）全控型器件 GTO、GTR、Power MOSFET和IGBT都是全控型器件，即通过控制极施加驱动信号既能控制其开通也能控制其关断。,小结,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,2根据开通和关断所需控制极驱动信号的不同要求，可控开关器件又可分为电流型控制器件和电压型控制器件。SCR、GTO和GTR为电流型控制器件，而Power MOSFET和IGBT为电压型控制器件。电流型控制器件的特点是导通压降小，通态损耗小（GTO除外），但所需驱动功率大，驱动电路较复杂，工作频率较低。电压型控制器件的特点是输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。,小结,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,小结,3按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件又可分为单极性器件、双极性器件和复合性器件。Power MOSFET只有一种载流子参与导电，故称为单极性器件；二极管、SCR、GTO和GTR中电子和空穴两种载流子均参与导电，故称为双极性器件；而IGBT是由MOSFET和晶体管复合而成，属于复合性器件。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,小结,电力电子器件是利用外加电流或电压信号形成电场改变半导体器件的导电性能而使其处于通态和断态，与机械开关相比有两个特点。,1）其开通和关断过程比机械开关快几千倍到几万倍，可在很高频率下实现电能变换和控制；,2）处于通态时，半导体开关器件有13V左右的导通压降，处于断态时仍有很小的漏电流，而不是理想的导通和截止，其中通态时的导通压降所产生的功耗发热在设计和使用中是不容忽视的。,目录,2,.,1电力电子器件的特点与分类,2,.,2电力电子器件基础,2,.,3功率二极管,2,.,4 晶闸管,2,.,5 可关断晶闸管（GTO）,2,.,6 电力晶体管,2,.,7 功率场效应晶体管,2,.,8 绝缘栅双极型晶体管,*2,.,9 其它新型电力电子器件,2,.,10 电力电子器件的发展趋势,2,.,11 电力电子器件应用共性问题,小结,电力电子第二章第六讲,小结,在电力电子变换和控制电路中，电力电子器件在通态和断态之间周期性转换，在任何瞬间其承受的电