《型电力电子器》PPT课件

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1、1 第 1章 电 力 电 子 器 件 2 1.1 电 力 电 子 器 件 概 述电 力 电 子 器 件 ： 直 接 用 于 主 电 路 中 ， 实 现 电 能 的变 换 或 控 制 的 电 子 器 件 。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 ， 又 称 自 关 断

2、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 。 3 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 。 特 点 ： 具 有 电 导 调 制 效 应 ， 因 而 通 态 压 降 低 ，导 通 损 耗 小 ， 但 工 作 频 率 较 低 ， 所 需 驱 动 功 率 大 ,驱 动 电 路 较 复 杂电 压 驱 动 型 （ 场 控 器 件 ） 仅 通 过 在 控 制 端 和公 共 端 之 间 施 加 一 定 的 电

3、压 信 号 就 可 实 现 导 通 或 者 关 断的 控 制 。 特 点 ： 输 入 阻 抗 高 ， 所 需 驱 动 功 率 小 ， 驱 动电 路 简 单 ， 工 作 频 率 高 。1.1 电 力 电 子 器 件 的 概 述 按 照 驱 动 电 路 信 号 的 性 质 ， 分 为 两 类 ： 4 硅 （ 多 晶 硅 和 单 晶 硅 ）碳 化 硅 、 金 刚 石1.1 电 力 电 子 器 件 的 概 述 按 照 芯 片 材 料 分 为 两 类 ： 按 照 集 成 度 分 为 三 类 ： 分 立 型功 率 模 块集 成 电 路 5 1.1 电 力 电 子 器 件 的 概 述 按 照 器 件 内 部

4、 电 子 和 空 穴 参 与 导 电 的 情 况 ， 分 为 三 类 ：单 极 型 由 一 种 载 流 子 参 与 导 电 的 器 件双 极 型 由 电 子 和 空 穴 两 种 载 流 子 参 与 导 电 的 器 件复 合 型 由 单 极 型 器 件 和 双 极 型 器 件 集 成 混 合 而 成的 器 件 6 1.2.1 不 可 控 器 件 电 力 二 极 管 (Power Diode) 整 流 管 产 生 于 本 世 纪 40年 代 ， 是 电 力 电 子 器 件 中 结构 最 简 单 、 使 用 最 广 泛 的 一 种 器 件 。 目 前 已 形 成 普 通 整 流 管 、 快 恢 复

5、整 流 管 和 肖 特 基 整流 管 等 三 种 主 要 类 型 。 电 力 整 流 管 对 改 善 各 种 电 力 电 子 电 路 的 性 能 、 降 低电 路 损 耗 和 提 高 电 源 使 用 效 率 等 方 面 都 具 有 非 常 重要 的 作 用 。 7 电 力 二 极 管 的 基 本 特 性1) 静 态 特 性IOIF U TO UF U门 槛 电 压 UTO正 向 电 压 降 UF 2) 动 态 特 性IFUF tF t0 trrtd tft1 t2 tURURPIRPdiFdt diRdt UFPui iFuFtfr t02V关 断 过 程 开 通 过 程 8 电 力 二 极

6、管 的 特 点 和 应 用l普 通 整 流 管 的 特 点 是 ： 漏 电 流 小 、 通 态 压 降 较 高(1 0 1 8V)、 反 向 恢 复 时 间 较 长 (几 十 微 秒 )、 可获 得 很 高 的 电 压 和 电 流 定 额 。 多 用 于 牵 引 、 充 电 、电 镀 等 对 转 换 速 度 要 求 不 高 的 装 置 中 。l较 快 的 反 向 恢 复 时 间 (几 百 纳 秒 至 几 微 秒 )是 快 恢 复整 流 管 的 显 著 特 点 ， 但 是 它 的 通 态 压 降 却 很 高 (1 6 4 0V)。 它 主 要 用 于 斩 波 、 逆 变 等 电 路 中 充 当旁

7、 路 二 极 管 或 阻 塞 二 极 管 。 9 电 力 二 极 管 的 特 点 和 应 用l肖 特 基 整 流 管 兼 有 快 的 反 向 恢 复 时 间 (几 乎 为 零 )和低 的 通 态 压 降 (0.3 0.6V)的 优 点 ， 不 过 其 漏 电 流较 大 、 耐 压 能 力 低 ， 常 用 于 高 频 低 压 仪 表 和 开 关电 源 。l目 前 的 研 制 水 平 为 :普 通 整 流 管 (8000V/5000A/400Hz)快 恢 复 整 流 管 (6000V/1200A/1000Hz)肖 特 基 整 流 管 (1000V/100A/200kHz)。 10 1.2.2 半

8、控 器 件 晶 闸 管 （ Thyristor） ， 又 称 可 控硅 整 流 器 （ Silicon Controlled Rectifier SCR）l 普 通 晶 闸 管 广 泛 应 用 于 交 直 流 调 速 、 调 光 、 调 温 等 低 频(400Hz以 下 )领 域 ， 运 用 由 它 所 构 成 的 电 路 对 电 网 进 行 控制 和 变 换 是 一 种 简 便 而 经 济 的 办 法 。 不 过 ， 这 种 装 置 的 运行 会 产 生 波 形 畸 变 和 降 低 功 率 因 数 、 影 响 电 网 的 质 量 。 目前 水 平 为 12kV/1kA和 6500V/4000

9、A。l 在 特 大 功 率 的 工 频 开 关 应 用 中 ， 晶 闸 管 以 其 耐 压 高 、 通 态压 降 小 、 通 态 功 耗 低 而 应 用 在 高 压 直 流 输 电 （ HVDC） 、动 态 无 功 功 率 补 偿 、 超 大 电 流 电 解 等 场 合 占 有 优 势 。 11 正 向导 通雪 崩击 穿 O +UA-UA -IA IAIH IG2 IG1 IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1） 静 态 特 性晶 闸 管 的 伏 安 特 性 I G2IG1IG 晶 闸 管 的 基 本 特 性 100%90%10%u AK ttO0 td tr trr tgrURRM

10、IRMiA 晶 闸 管 的 开 通 和 关 断 过 程 波 形 2） 动 态 特 性 12 晶 闸 管 的 主 要 参 数 电 压 定 额断 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 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 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

11、值 电 压 。 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 。使 用 注 意 ： 13 晶 闸 管 的 主 要 参 数 电 流 定 额通 态 平 均 电 流 IT(AV） 在 环 境 温 度 为 40C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 。 标称 其 额 定 电 流 的 参 数 。 使 用 时

12、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 I L 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 。 14 晶 闸 管 的 主 要 参 数 动 态 参

13、数 除 开 通 时 间 tgt和 关 断 时 间 tq外 ， 还 有 ：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

14、 造 成 局部 过 热 而 使 晶 闸 管 损 坏 。 15 晶 闸 管 的 派 生 器 件l 双 向 晶 闸 管 可 视 为 一 对 反 并 联 的 普 通 晶 闸 管 的 集 成 ， 常 用于 交 流 调 压 和 调 功 电 路 中 。 正 、 负 脉 冲 都 可 触 发 导 通 ， 因而 其 控 制 电 路 比 较 简 单 。 其 缺 点 是 换 向 能 力 差 、 触 发 灵 敏度 低 、 关 断 时 间 较 长 ， 其 水 平 已 超 过 2000V/500A。l 光 控 晶 闸 管 是 通 过 光 信 号 控 制 晶 闸 管 触 发 导 通 的 器 件 ， 它具 有 很 强 的 抗

15、 干 扰 能 力 、 良 好 的 高 压 绝 缘 性 能 和 较 高 的 瞬时 过 电 压 承 受 能 力 ， 因 而 被 应 用 于 高 压 直 流 输 电 (HVDC)、静 止 无 功 功 率 补 偿 (SVC)等 领 域 。 其 研 制 水 平 大 约 为8000V/3600A。 16 晶 闸 管 的 派 生 器 件l 逆 变 晶 闸 管 因 具 有 较 短 的 关 断 时 间 (10 15s)而 主 要 用 于中 频 感 应 加 热 。 在 逆 变 电 路 中 ， 它 已 让 位 于 GTR、 GTO、IGBT等 新 器 件 。 目 前 ， 其 最 大 容 量 介 于2500V/160

16、0A/1kHz和 800V/50A/20kHz的 范 围 之 内 。l 逆 导 晶 闸 管 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 。 与 普 通 晶 闸 管 相 比 ， 它 具 有 关 断 时 间短 、 正 向 压 降 小 、 额 定 结 温 高 、 高 温 特 性 好 等 优 点 ， 主 要用 于 逆 变 器 和 整 流 器 中 。 目 前 ， 国 内 有 厂 家 生 产3000V/900A的 晶 闸 管 。 17 1.2.3 门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ Gate-Turn-Off Thyristor GTO）

17、在 当 前 各 种 自 关 断 器 件 中 ， GTO容 量 最 大 、 工 作 频 率 最 低(12kHz)。 GTO是 电 流 控 制 型 器 件 ， 因 而 在 关 断 时 需 要 很 大的 反 向 驱 动 电 流 ； GTO通 态 压 降 大 、 dV/dT及 di/dt耐 量 低 ，需 要 庞 大 的 吸 收 电 路 。 目 前 ， GTO虽 然 在 低 于 2000V的 某 些 领 域 内 已 被 GTR和IGRT等 所 替 代 ， 但 它 在 大 功 率 电 力 牵 引 中 有 明 显 优 势 ； 今后 ， 它 也 必 将 在 高 压 领 域 占 有 一 席 之 地 。 18 G

18、TO的 主 要 参 数 延 迟 时 间 与 上 升 时 间 之 和 。 延 迟 时 间 一 般 约12s， 上 升 时 间 则 随 通 态 阳 极 电 流 的 增 大 而 增 大 。 一 般 指 储 存 时 间 和 下 降 时 间 之 和 ， 不 包 括尾 部 时 间 。 下 降 时 间 一 般 小 于 2s。（ 2） 关 断 时 间 toff（ 1） 开 通 时 间 ton 不 少 GTO都 制 造 成 逆 导 型 ， 类 似 于 逆 导 晶 闸 管 ， 需 承受 反 压 时 ， 应 和 电 力 二 极 管 串 联 。 许 多 参 数 和 普 通 晶 闸 管 相 应 的 参 数 意 义 相

19、同 ，以 下 只 介 绍 意 义 不 同 的 参 数 。 19 （ 3） 最 大 可 关 断 阳 极 电 流 IATO（ 4） 电 流 关 断 增 益 off off一 般 很 小 ， 只 有 5左 右 ， 这 是 GTO的 一 个 主 要 缺 点 。1000A的 GTO关 断 时 门 极 负 脉 冲 电 流 峰 值 要 200A 。 GTO额 定 电 流 最 大 可 关 断 阳 极 电 流 与 门 极 负 脉 冲 电 流 最大 值 IGM之 比 称 为 电 流 关 断 增 益 （ 1-8） GMATOoff II GTO的 主 要 参 数 20 1.2.4 电 力 晶 体 管 （ Giant

20、 Transistor GTR） GTR是 一 种 电 流 控 制 的 双 极 双 结 电 力 电 子 器 件 ， 产 生 于 本 世纪 70年 代 ， 其 额 定 值 已 达 1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、 600V/3A/100kHz。它 既 具 备 晶 体 管 的 固 有 特 性 ， 又 增 大 了 功 率 容 量 ， 因 此 ， 由它 所 组 成 的 电 路 灵 活 、 成 熟 、 开 关 损 耗 小 、 开 关 时 间 短 ， 在 电源 、 电 机 控 制 、 通 用 逆 变 器 等 中 等 容 量 、 中 等 频 率 的 电 路 中 应用 广 泛

21、。GTR的 缺 点 是 驱 动 电 流 较 大 、 耐 浪 涌 电 流 能 力 差 、 易 受 二 次击 穿 而 损 坏 。 在 开 关 电 源 和 UPS内 ， GTR正 逐 步 被 功 率MOSFET和 IGBT所 代 替 。 21 1.2.5 电 力 场 效 应 晶 体 管功 率 MOSFET是 一 种 电 压 控 制 型 单 极 晶 体 管 ， 它 是 通 过栅 极 电 压 来 控 制 漏 极 电 流 的 ，显 著 特 点 是 驱 动 电 路 简 单 、 驱 动 功 率 小 ； 仅 由 多 数 载流 子 导 电 ， 无 少 子 存 储 效 应 ， 高 频 特 性 好 ， 工 作 频 率

22、 高达 100kHz以 上 ， 为 所 有 电 力 电 子 器 件 中 频 率 之 最 。 没有 二 次 击 穿 问 题 ， 安 全 工 作 区 广 ， 耐 破 坏 性 强 。功 率 MOSFET的 缺 点 是 电 流 容 量 小 、 耐 压 低 、 通 态 压 降大 ， 不 适 宜 运 用 于 大 功 率 装 置 ， 适 合 应 用 于 开 关 电 源 、高 频 感 应 加 热 等 高 频 场 合 ；目 前 制 造 水 平 大 概 是 1kV/2A/2MHz和 60V/200A/2MHz 22010 20305040 2 4 6 8a) 10203050400 b)10 20 30 5040

23、饱 和 区非饱和区 截 止 区I D/A UT UGS/V UDS/V UGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VI D/A静 态 特 性 电 力 MOSFET的 基 本 特 性 （ b）i DOOOup tttuGSuGSPuT td(on) tr td(off) tf 动 态 特 性 23 电 力 MOSFET的 主 要 参 数 电 力 MOSFET电 压 定 额(1) 漏 极 电 压 UDS (2) 漏 极 直 流 电 流 ID和 漏 极 脉 冲 电 流 幅 值 IDM电 力 MOSFET电 流 定 额(3) 栅 源 电 压 UGS U GS20V将

24、导 致 绝 缘 层 击 穿 。 除 跨 导 Gfs、 开 启 电 压 UT以 及 td(on)、 tr、 td(off)和 tf之 外 还 有 ： (4) 极 间 电 容极 间 电 容 CGS、 CGD和 CDS 24 1.2.6 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ IGBT） IGBT可 视 为 双 极 型 大 功 率 晶 体 管 与 功 率 场 效 应 晶 体 管 的复 合 。 IGBT集 GTR通 态 压 降 小 、 载 流 密 度 大 、 耐 压 高 和 功率 MOSFET驱 动 功 率 小 、 开 关 速 度 快 、 输 入 阻 抗 高 、 热 稳定 性 好 的 优 点 于 一 身

25、由 于 IGBT具 有 上 述 特 点 ， 在 中 等 功 率 容 量 (600V以 上 )的UPS、 开 关 电 源 及 交 流 电 机 控 制 用 PWM逆 变 器 中 ， IGBT已逐 步 替 代 GTR成 为 核 心 元 件 。 目 前 ， 其 研 制 水 平 已 达 4500V/1000A。 25a) b)O 有 源 区正 向 阻 断 区饱和区反 向 阻 断 区IC UGE(th) UGEO ICURM UFM UCEUGE(th)UGE增 加IGBT的 基 本 特 性 IGBT的 转 移 特 性 和 输 出 特 性转 移 特 性 I C与UGE间 的 关 系 (开 启 电压 UGE

26、(th) 输 出 特 性分 为 三 个 区 域 ： 正向 阻 断 区 、 有 源 区和 饱 和 区 。(1) IGBT的 静 态 特 性 26 t tt10%90%10%90% U CEIC0O0U GE U GEMI CMU CEMt fv1 t fv2 t offton tfi1 tfi2t d(off) t ft d(on) tr U CE(on) U GEMU GEMICMICM IGBT的 开 关 过 程 (2) IGBT的 动 态 特 性 27 IGBT的 主 要 参 数(3) 最 大 集 电 极 功 耗 PCM 正 常 工 作 温 度 下 允 许 的 最 大 功 耗 (2) 最

27、大 集 电 极 电 流 包 括 额 定 直 流 电 流 IC和 1ms脉 宽 最 大 电 流 ICP 。 (1) 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 、 最 大 集 射 极 间 电 压 和 最 大 允 许 电 压 上 升 率duCE/dt确 定 。 反 向 偏 置 安 全 工 作 区 （ RBSOA）最 大 集 电 极 电 流 、 最 大 集 射 极 间 电 压 和 最 大 集 电 极 功 耗 确 定 。 正 偏 安 全 工 作 区 （ FBSOA） 28 1.2.7 其 他 新 型 电 力 电 子

28、 器 件MOS控 制 晶 闸 管 MCT静 电 感 应 晶 体 管 SIT静 电 感 应 晶 闸 管 SITH集 成 门 极 换 流 晶 闸 管 IGCT 29 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 IGBT或 GTR的 1/3， 而 开 关 速 度 则 超 过 GTR。MCT具 有 很 强 的 导 通 di/dt和 阻 断 dV/dt能

29、 力 ， 其 值 高 达2000A/ s 和 2000V/ s。 其 工 作 结 温 亦 高 达 150 200 。已 研 制 出 阻 断 电 压 达 4000V的 MCT， 75A/1000VMCT已应 用 于 串 联 谐 振 变 换 器 。 随 着 性 能 价 格 比 的 不 断 优 化 ， MCT将 逐 渐 走 入 应 用 领 域并 有 可 能 取 代 高 压 GTO， 与 IGBT的 竞 争 亦 将 在 中 功 率 领域 展 开 。1.2.7 MCT（ MOS Controlled Thyristor） MOSFET与 晶 闸 管 的 复 合 30 1.2.8 功 率 模 块 与 功

30、率 集 成 电 路将 功 率 器 件 及 其 驱 动 电 路 、 保 护 电 路 、 接 口 电路 等 外 围 电 路 集 成 在 一 个 或 几 个 芯 片 上 ， 就 制成 了 PIC功 率 集 成 电 路 还 可 以 分 为 高 压 功 率 集 成 电 路(HVIC)、 智 能 功 率 集 成 电 路 (SPIC)和 智 能 功 率模 块 (IPM)。PIC是 电 力 电 子 器 件 技 术 与 微 电 子 技 术 相 结 合的 产 物 ， 是 机 电 一 体 化 的 关 键 接 口 元 件 。 31 1.2. 8 功 率 模 块 与 功 率 集 成 电 路HVIC是 多 个 高 压 器

31、 件 与 低 压 模 拟 器 件 或 逻 辑 电 路 在 单片 上 的 集 成 。 电 流 容 量 较 小 ， 而 控 制 电 路 的 电 流 密 度较 大 ， 故 常 用 于 小 型 电 机 驱 动 、 平 板 显 示 驱 动 及 长 途电 话 通 信 电 路 等 高 电 压 、 小 电 流 场 合 。SPIC是 由 一 个 或 几 个 纵 型 结 构 的 功 率 器 件 与 控 制 和 保护 电 路 集 成 而 成 ， 电 流 容 量 大 而 耐 压 能 力 差 ， 适 合 作为 电 机 驱 动 、 汽 车 功 率 开 关 及 调 压 器 等 。IPM除 了 集 成 功 率 器 件 和 驱

32、 动 电 路 以 外 ， 还 集 成 了 过压 、 过 流 、 过 热 等 故 障 监 测 电 路 ， 并 可 将 监 测 信 号 传送 至 CPU， 以 保 证 IPM自 身 在 任 何 情 况 下 不 受 损 坏 。当 前 ， IPM中 的 功 率 器 件 一 般 由 IGBT充 当 。 IPM主 要 用 于 交 流 电 机 控 制 、 家 用 电 器 等 。 32 1.3 电 力 电 子 器 件 的 应 用分 别 从 电 流 、 电 压 和 频 率 三 方 面 来 比 较 各 种 器 件 的 应 用 范 围单 管 的 输 出功 率 与 频 率的 关 系 33各 种 器 件 电 压和 电

33、流 的 比 较 功 率 损 耗 和 工作 频 率 的 关 系 34 当 前 器 件 应 用 的 格 局 : 35 IGBT为 主 体 ， 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 选光 控 晶 闸 管 ： 功 率 更 大 场 合 ，8000kv以 上电 力 MOSFET： 长 足 进 步 ， 中 小 功率 领 域 特 别 是 低 压 ， 地 位 牢 固 。MCT： 最 具 前 途功 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 。当 前 器 件 应 用 的 格 局 : 千 伏 级 器 件 的 发 展趋 势