電力電子技術(shù)全套課件

1、電力電子技術(shù)第一章 緒論第二章 電力電子器件與應(yīng)用 電力電子器件概述 電力二極管 晶閘管及派生器件 門極可關(guān)斷晶閘管GTO 電力晶體管GTR 電力場效應(yīng)晶體管Power MOSFET 絕緣柵雙極型晶體管IGBT 其他新型電力電子器件 電力電子器件的保護 電力電子器件的串并聯(lián)本課程主要內(nèi)容第三章 交流-直流變換技術(shù)相控整流電路整流電路的諧波和功率因數(shù)大功率整流有源逆變第四章 直流-直流變換技術(shù)非隔離型DC-DC變換電路隔離的DC-DC變換電路第五章 直流-交流變換技術(shù)（逆變器）逆變電路概述電壓型逆變電路電流型逆變電路逆變電路的SPWM控制技術(shù)本課程主要內(nèi)容第六章 交流-交流變換 相控/斬波/整周

2、波控制交流調(diào)壓電路 交交變頻電路 矩陣變頻電路第七章 軟開關(guān)技術(shù)第八章 電力電子裝置 開關(guān)電源 不間斷電源 靜止無功補償裝置 電力儲能系統(tǒng) 電力電子器件的發(fā)熱與散熱 電力電子技術(shù)在可再生能源中的應(yīng)第九章 教學(xué)實驗本課程主要內(nèi)容1.1 電力電子技術(shù)的概念及特點1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.4 本教材的內(nèi)容簡介第一章 緒論 電力電子技術(shù)：應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，它是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的一門學(xué)科。 目前所用的電力電子器件采用半導(dǎo)體制成，故稱電力半導(dǎo)體器件。 信息電子技術(shù)：主要用于信息處理 電力電子技術(shù)：主要用于電力變換。 電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電

3、子器件為核心，伴隨變換技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。 電子技術(shù)信息電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)1.1 電力電子技術(shù)及特點 電力電子技術(shù)可以理解為功率強大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣高電壓、大電流場合應(yīng)用的電子技術(shù)。 考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、運行效率的問題。器件的運行都采用開關(guān)方式。 這種開關(guān)運行方式就是電力電子器件運行的特點。1.1 電力電子技術(shù)及特點1.1 電力電子技術(shù)及特點 變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)） 用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對其 進行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置 和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。 電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。 電力電子器件制造技術(shù)電力電

4、子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。1.1 電力電子技術(shù)及特點 電力交流和直流兩種 從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。 電力變換四大類 交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1 電力變換的種類 進行電力變換的技術(shù)稱為 變流技術(shù)。逆變直流斬波直流(DC)交流電力控制變頻、變相整流交流(AC)交流(AC)直流(DC) 輸出 輸入 變流技術(shù) 電力電子這一名詞是60年代出現(xiàn)的。電力電子學(xué)可以用圖1.1的倒三角來描述。 可以認為電力電子學(xué)由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。 圖1.1描述電力電子技術(shù)的倒三角形 1.1 電力電子技術(shù)及

5、特點與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系電力電子技術(shù)與電子學(xué)的關(guān)系 電子學(xué): 電子器件 + 電子電路電力電子：電力電子器件+電力電子電路相同：從器件制造技術(shù)上講兩者同根同源， 電路的分析方法，不同：應(yīng)用目的不同，前者用于信息處理， 后者用于電力變換。1.1 電力電子技術(shù)及特點電力電子學(xué)和電力學(xué)的關(guān)系 “電力學(xué)”就是“電工科學(xué)”或“電氣工程”。 電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣工程中。 因此，把電力電子技術(shù)歸于電氣工程學(xué)科，電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個分支。1.1 電力電子技術(shù)及特點電力電子學(xué)和控制理論的關(guān)系 控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能日益優(yōu)越和完善。 電力電子技術(shù)可以看作

6、弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電之間的接口。 控制理論則是實現(xiàn)這種接口的強有力的紐帶。1.1 電力電子技術(shù)及特點電力電子技術(shù)的發(fā)展史如圖所示。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。 1876年：硒整流器 1904年：電子管，它能在真空中對電子流進行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開創(chuàng)了電子技術(shù)之先河。 1911年：水銀整流器，它把水銀封于管內(nèi)，利用對其蒸氣的點弧可對大電流進行有效控制，其性能與晶閘管類似。 在30年代到50年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并廣泛應(yīng)用時期。它廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動。 1.2 電力電子技術(shù)

7、的發(fā)展歷史 1953年：鍺功率二極管 1954年：硅二極管，普通的半導(dǎo)體整流器開始使用。 1957年：晶閘管誕生，一方面由于其變換能力的突破，另一方面實現(xiàn)了弱電對以晶閘管為核心的強電變換電路的控制，使之很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組，進而使電力電子技術(shù)步入了功率領(lǐng)域。 變流裝置由旋轉(zhuǎn)方式變?yōu)殪o止方式，具有提高效率、縮小體積、減輕重量、延長壽命、消除噪聲、便于維修等優(yōu)點。因此，由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，在工業(yè)上引起一場技術(shù)革命。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史 在以后的20年內(nèi)，晶閘管特性不斷提高，晶閘管形成了從低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品。 同時研制出一系列晶閘管的派生器件，如

8、快速晶閘管FST、逆導(dǎo)晶閘管RCT、雙向晶閘管TRIAC、光控晶閘管LTT等器件。 推動了各種電力變換器在冶金、電化學(xué)、電力工業(yè)、交通、礦山等行業(yè)中的應(yīng)用，促進了工業(yè)技術(shù)的進步，形成了以晶閘管為核心的電力電子技術(shù)發(fā)展的第一階段，即傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史20世紀70年代后期： 門極可關(guān)斷晶閘管GTO 電力雙極型晶體管GTR 電力場效應(yīng)晶體管Power MOSFET 優(yōu)點： 全控型器件，可自關(guān)斷， 開關(guān)速度高， 可以用于開關(guān)頻率較高的電路。 第二代：自關(guān)斷全控型器件1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史80年代：絕緣柵雙極型晶體管IGBT為代表的第三代復(fù)合型場控半導(dǎo)體器件，另

9、外還有靜電感應(yīng)式晶體管SIT，靜電感應(yīng)式晶閘管SITH，MOS 晶閘管MCT等。 這些器件有很高的開關(guān)頻率，為幾十到幾百千赫茲，有更高的耐壓，電流容量大，可以構(gòu)成大功率、高頻的電力電子電路。80年代后期：電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢是模塊化、集成化、按照電力電子電路的各種拓撲結(jié)構(gòu)，將多個相同的電力半導(dǎo)體器件或不同的電力半導(dǎo)體器件封裝在一個模塊中，這樣可以縮小器件體積、降低成本、提高可靠性。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史當(dāng)今：第四代電力電子器件-集成功率半導(dǎo)體器件PIC。 它將電力電子器件與驅(qū)動電路、控制電路及保護電路集成在一塊芯片上， 開辟了電力電子器件智能化的方向，應(yīng)用前景廣闊。 目前經(jīng)常使用的

10、智能化功率模塊IPM，除了集成功率器件和驅(qū)動電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障檢測電路，并可將監(jiān)測信號傳送至CPU，以保證IPM自身不受損害。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要特點是：1全控化 自關(guān)斷器件實現(xiàn)了全控化，取消了傳統(tǒng)復(fù)雜換相電路，使電路大大簡化。2集成化 所有的全控型器件都是由許多單元器件并聯(lián)在一起，集成在一個基片上。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史3高頻化 器件集成化，提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在10KHz以下，IGBT工作在幾十KHz以上，功率MOSFET可達數(shù)百KHz以上。4高效率化 高效率體現(xiàn)在器件和變換技術(shù)兩個方面。電力電子器件的導(dǎo)通壓

11、降不斷減少，降低了導(dǎo)通損耗。器件開關(guān)的上升和下降過程加快，也降低了開關(guān)損耗。 變換器中采用的軟開關(guān)技術(shù)使得運行效率得到進一步提高。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史5變換器小型化 器件的高頻化、多單元集成化，控制電路的高度集成化和微型化，使得主電路的體積、濾波電路和控制器的體積大大減小。6電源變換綠色化 電力電子技術(shù)中廣泛采用PWM、SPWM、消除特定次諧波和多重化技術(shù)，使得變換器的諧波大為降低，同時也使變換器的功率因數(shù)得到提高，進而使得變換電源綠色化。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史7改善和提高供電網(wǎng)的供電質(zhì)量 靜止無功發(fā)生器SVG，有源電力濾波器等新型電力電子裝置，具有優(yōu)越的無功功率和諧波補償?shù)?/p>

12、性能，因此大大提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。8電力電子器件的容量和性能的優(yōu)化 近年來，碳化硅SiC、金剛石等新材料用于電力電子器件，特別是金剛石器件與硅器件相比，功率可提高到106數(shù)量級，頻率提高50倍，導(dǎo)通壓降降低一個數(shù)量級，最高結(jié)溫可達600。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，國防軍事、工業(yè)、能源、交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等乃至家用電器。1一般工業(yè)軋鋼機數(shù)控機床1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用冶金工業(yè)電解鋁1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用2交通運輸1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用3電力系統(tǒng)靜止無功發(fā)生器SVC高壓直流裝置HVDC柔性交

13、流輸電FACTS1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用4電源大型計算機的UPS高頻逆變整流流焊機 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用4電源 程控交換機電子裝置微型計算機1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用5照明電子鎮(zhèn)流器1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用6新能源開發(fā)和利用新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時，更離不開電力電子技術(shù)。核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用7環(huán)境保護總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越

14、來越廣，其地位也越來越重要。 高壓靜電除塵1.4 教材內(nèi)容簡介電力電子技術(shù)教材結(jié)構(gòu)第二部分全書的主體第一部分全書的基礎(chǔ)第三部分全書的深入第2章電力電子器件第3章整流 電路第7章軟開關(guān)技術(shù)第5章逆變電路第6章交流控制電路和交交變頻電路第4章直流直流電路第8章電力電子裝置第9章教學(xué)實驗本章完2.1 電力電子器件概述2.2 電力二極管2.3 晶閘管及派生器件2.4 門極可關(guān)斷晶閘管GTO2.5 電力晶體管 GTR2.6 電力場效應(yīng)晶體管Power MOSFET2.7 絕緣柵雙極型晶體管IGBT2.8 其他新型電力電子器件2.9 電力電子器件的保護2.10 電力電子器件的串并聯(lián) 第二章 電力電子器件與

15、應(yīng)用 本章主要介紹常用電力電子器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)，基本特性及保護電路。2.1.1 電力電子器件概念和特征電力電子器件的概念 電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安

16、裝散熱器。同處理信息的電子器件相比的一般特征：2.1.1 電力電子器件概念和特征通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗2.1.1 電力電子器件概念和特征2.1.1 電力電子器件概念和特征 電力電子器件在電力電子技術(shù)中作為開關(guān)元件使用，要求它具有開關(guān)速度快、承受電流和電壓能力大和開關(guān)損耗小等特點。 理想的電力電子器件: 斷態(tài)時能承受高電壓且漏電流很小， 通態(tài)時能通過大電流且壓降非常低， 通斷轉(zhuǎn)換時間短。 2.1.2 電力電子器件分類不可控器件(Power

17、 Diode) 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET) 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：2.1.2 電力電子器件分類電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：2.1.2 電力電子器件分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況：單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。雙極型器件

18、 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。 2.2 電力二極管2.2.1 電力二極管的結(jié)構(gòu) 電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和原理與信息電子電路中的二極管一樣，都是具有一個PN結(jié)的兩端器件。 不同的是電力二極管的PN結(jié)面積較大。PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作。外?.2 電力二極管電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號外形結(jié)構(gòu) 電氣圖形符號2.2 電力二極管電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號2.2 電力二極

19、管2.2.2 電力二極管的基本特性靜態(tài)特性、動態(tài)特性 靜態(tài)特性 電力二極管的靜態(tài)特性主要是指其伏安特性，即器件端電壓與電流的關(guān)系。UTO：門檻電壓UTO UF ：與正向電流IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。 當(dāng)二極管承受反向電壓時只有微小的漏電流。2.2 電力二極管 動態(tài)特性 因結(jié)電容的存在，電力二極管在零偏置、正向偏置和反向偏置這三個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，必然經(jīng)過一個過渡過程，其電壓、電流隨時間變化的特性稱為電力二極管的動態(tài)特性。正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置a)iFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt2.2 電力二極管 動態(tài)特性關(guān)斷過程：正向偏置轉(zhuǎn)換

20、為反向偏置a)iFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtt2 ：時刻電流變化率接近零， 恢復(fù)對反向阻斷能力反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf (td 延遲時間，tf電流下降時間)t1: 時刻反向電流達最大值。 此后反向電流迅速下降， 隨后出現(xiàn)反向過沖電壓URPtF：時刻突然外加反向電壓t0：時刻電流下降為零。此時不能恢復(fù)反向阻斷能力。2.2 電力二極管開通過程： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值。 這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間tfr。零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置b)UFPuiiFuFtfrt02V2.2 電力二極

21、管2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)1 正向平均電流IF（額定電流） 指在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準散熱條件下，元件結(jié)溫達到額定且穩(wěn)定時，允許長時間連續(xù)流過工頻正弦半波電流的平均值。 在選擇電力二極管時，應(yīng)按元件允許通過的電流有效值來選取。對應(yīng)額定電流IF的有效值為1.57IF。2正向電壓降UF 電力二極管在規(guī)定溫度和散熱條件下，流過某一指定的正向穩(wěn)態(tài)電流時，電力二極管的最大電壓降。2.2 電力二極管3反向重復(fù)峰值電壓URRM（額定電壓） 電力二極管在指定溫度下，所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是雪崩擊穿電壓UB的2/3。使用時，一般按照兩倍的URRM來選擇電力二極管。4反向漏電流IRR 對應(yīng)于反

22、向重復(fù)峰值電壓URRM下的平均漏電流，也稱為反向重復(fù)平均電流IRR。 2.2 電力二極管5浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 另外，還有最高結(jié)溫、反向恢復(fù)時間等參數(shù)。2.2 電力二極管2.2.4 電力二極管的主要類型 電力二極管用途：在AC/DC變換電路中作為整流元件在電感元件電路中作為續(xù)流元件在各種變流電路中作為隔離、篏位或保護元件。1普通二極管又稱整流二極管多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高2.2 電力二極管 2快速恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時間很短，一般在5s以下簡稱快速二極管快恢復(fù)外延二

23、極管 其trr更短（可低于50ns） UF也很低（0.9V左右） 其反向耐壓多在1200V以下2.2 電力二極管 3肖特基二極管肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復(fù)時間很短（1040ns）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。電壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。2.3 晶閘管及派生器件晶閘管：晶體閘流管，又稱為可控硅 （Silicon Controlled RectifierSCR） 能承受的電壓和電流容量高，工作可靠，在大容量的

24、場合具有重要地位。 2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理 晶閘管是一種四層半導(dǎo)體三個PN結(jié)，三端大功率電力電子器件。外形、結(jié)構(gòu)、電氣符號如圖所示。圖2.4 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的管耗和散熱： 管耗流過器件的電流器件兩端的電壓 管耗將產(chǎn)生熱量，使管芯溫度升高。如果超過允許值，將損壞器件，所以

25、必須進行散熱和冷卻。 冷卻方式： 自然冷卻（散熱片）、風(fēng)冷（風(fēng)扇）、水冷2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理門極不加電壓時，AK之間加正向電壓:J1和J3結(jié)承受正向電壓，J2結(jié)承受反向電壓，因而晶閘管不導(dǎo)通，稱為晶閘管的正向阻斷狀態(tài)，也成關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)AK之間加反向電壓時，J2結(jié)承受正向電壓，J1、J3結(jié)承受反向電壓，晶閘管也不導(dǎo)通，稱為反向阻斷狀態(tài)。 結(jié)論：當(dāng)晶閘管門極不加電壓時，無論AK之間所加電壓極性如何，在正常情況下晶閘管都不會導(dǎo)通。2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)

26、光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣。光觸發(fā)晶閘管，稱為光控晶閘管。（Light Triggered ThyristorLTT）只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理 為了說明晶閘管的工作原理，可將晶閘管的四層結(jié)構(gòu)等效為兩個晶體管，如圖5所示。圖2.5 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理 當(dāng)AK間也加正向電壓， GK間加正向電壓時，電流IG流入晶體管V2的基極，產(chǎn)生集電極電流IC2，它構(gòu)成晶體管V1的基極電流，放大了的集電極電流IC1，進一步增大V2的基極電流，如此形

27、成強烈的正反饋，使V1、V2進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通狀態(tài) 此時，若去掉外加的門極電流IG，晶閘管因內(nèi)部的正反饋會仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。（故稱為半控型器件）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ： 按晶體管的工作原理 ，得：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）（2-5）2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0 時， 1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：門極注入觸發(fā)電

28、流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA ，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。 IA實際由外電路決定。（2-5）2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：1導(dǎo)通條件：陽極和門極同時承受正向電壓時，晶閘管才能導(dǎo)通，兩者缺一不可。2門極作用：晶閘管一旦導(dǎo)通后，門極將失去控制作用，故門極控制電壓只要是一個有一定寬度的正向脈沖電壓即可，這個脈沖稱為觸發(fā)脈沖。3關(guān)斷條件：要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降低到某一個數(shù)值以下。（這可通過增加負載電阻降低陽極電流接近于零。另外，也可以通過施加反向陽極電壓來實現(xiàn)。）2.3.2 晶閘管的基本特性1 靜態(tài)特性

29、 靜態(tài)特性又稱為伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。包括：陽極伏安特性和門極伏安特性。(1)晶閘管的陽極伏安特性1)正向特性2)反向特性2.3.2 晶閘管的基本特性1) 正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖2.6 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG2.3.2 晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷

30、狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。2）反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖2.6 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG2.3.2 晶閘管的基本特性(2)晶閘管的門極伏安特性 晶閘管的門極與陰極間存在一個PN結(jié)J3，門極伏安特性是指這個PN結(jié)上正向門極電壓UG與門極電流IG間的關(guān)系。2.3.2 晶閘管的基本特性2 晶閘管的動態(tài)特性 器件上電壓、電流隨時間變化的關(guān)系，稱為動態(tài)特性。 開通過程:延遲時間td 0.51.5s上升時間tr 0.53s 開通時間tgt圖2.8 晶閘

31、管的動態(tài)特性圖2 晶閘管的動態(tài)特性 器件上電壓、電流隨時間變化的關(guān)系，稱為動態(tài)特性。 關(guān)斷過程:反向阻斷恢 復(fù)時間trr正向阻斷恢 復(fù)時間tgr 關(guān)斷時間tq2.3.2 晶閘管的基本特性圖2.8 晶閘管的動態(tài)特性圖幾百微秒2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)1 晶閘管的電壓參數(shù)(6個)(1) 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM 門極開路時，允許施加于晶閘管的陽極的最大電壓值UDSM 。它是一個不能重復(fù)，且每次持續(xù)時間不大于10ms的斷態(tài)最大脈沖電壓。 UDSM值應(yīng)小于轉(zhuǎn)折電壓Ub0。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管在門極開路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加于晶閘管上的正向斷態(tài)最大脈沖電壓。 每秒50次每次持續(xù)

32、時間不大于10ms， 規(guī)定UDRM為UDSM的90%。(2) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)它是一個不能重復(fù)施加且持續(xù)時間不大于10ms的反向脈沖電壓。反向不重復(fù)峰值電壓URSM應(yīng)小于反向擊穿電壓。 門極開路，晶閘管承受反向電壓時，對應(yīng)于反向伏安特性曲線急劇轉(zhuǎn)折處的反向峰值電壓值URSM 。(3) 反向不重復(fù)峰值電壓URSM(4) 反向重復(fù)峰值電壓URRM2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管在門極開路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加于晶閘管上的反向最大脈沖電壓。 每秒50次每次持續(xù)時間不大于10ms。 規(guī)定URRM為URSM的90%。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值

33、電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM兩者中較小的一個電壓值規(guī)定為額定電壓UR。 在選用晶閘管時，應(yīng)該使其額定電壓為正常工作電壓峰值UM的23倍，以作為安全裕量。(5) 額定電壓UR2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 規(guī)定為額定電流時的管子導(dǎo)通的管壓降峰值。 一般為1.52.5V，且隨陽極電流的增加而略為增加。 額定電流時的通態(tài)平均電壓降一般為1V左右。(6)通態(tài)峰值電壓UTM2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)2 晶閘管的電流參數(shù)（4個） (1) 通態(tài)平均電流IT(AV）（額定電流） 在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定的散熱冷卻條件下，晶閘管在導(dǎo)通角不小于170電阻性負載的單相、工頻正弦半波導(dǎo)電，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值1

34、25時，所允許通過的最大電流平均值。 允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 選用一個晶閘管時，要根據(jù)所通過的具體電流波形來計算出容許使用的電流有效值，該值要小于晶閘管額定電流對應(yīng)的有效值。晶閘管才不會損壞。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)設(shè)單相工頻正弦半波電流峰值為Im時通態(tài)平均電流為：正弦半波電流有效值為：有效值與通態(tài)平均電流比值為：則有效值為：2 晶閘管的電流參數(shù)（4個） (1) 通態(tài)平均電流IT(AV）（額定電流）2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 根據(jù)有效值相等原則來計算晶閘管的額定電流。若電路中實際流過晶閘管的電流有效值為I，平均值Id， 定義 波形系數(shù)：則 由于晶閘管的熱容量小，過載能力

35、低，因此在實際選擇時，一般取1.52倍的安全系數(shù)，2 晶閘管的電流參數(shù)（4個） (1) 通態(tài)平均電流IT(AV）（額定電流）2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)例 在半波整流電路中晶閘管從/3時刻開始導(dǎo)通。負載電流平均值為40A，若取安全系數(shù)為2 。試選取晶閘管額定電流？解：負載電流平均值：單相半波可控整流電路及波形流過晶閘管電流有效值： 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)根據(jù)有效值相等原則并考慮安全系數(shù)2.0晶閘管額定電流可選取額定電流為150或100A晶閘管例 在半波整流電路中晶閘管從/3時刻開始導(dǎo)通。負載電流平均值為40A，若取安全系數(shù)為2 。試選取晶閘管額定電流？2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)2 晶閘

36、管的電流參數(shù)（4個）(2) 維持電流IH (針對關(guān)斷過程) 是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。(3) 擎住電流IL (針對開通過程) 晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)并除掉門極觸發(fā)信號，此時能維持器件導(dǎo)通所需的最小電流稱為擎住電流。一般擎住電流比維持電流大24倍。(4) 浪涌電流ITSM 在規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內(nèi)所允許的最大過載峰值電流。（分L，H級）2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)3 其他參數(shù)(1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 電壓上升率過大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶

37、閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。(2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)(3) 門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT 在室溫下，晶閘管陽極施加6V正向電壓時，使元件從斷態(tài)到完全開通所必需的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。與此對應(yīng)的門極電壓，稱為門極觸發(fā)電壓UGT。 觸發(fā)電流、電壓受環(huán)境和器件工作溫度影響。溫度高時IGT、UGT會明顯降低，溫度低時IGT、UGT也會有所增加。 為了保證對同類晶閘管都能正常觸發(fā)，要求觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電流、觸

38、發(fā)電壓值略大于標(biāo)準規(guī)定的IGT、UGT2.3.4 晶閘管的派生器件1 快速晶閘管FST（Fast Switching Thyristor）有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。2.3.4 晶閘管的派生器件2 逆導(dǎo)晶閘管RCT ( Reverse Conducting Thyristor ) 是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管集成在一個管芯上的集成器件。 適用于有能量反饋的逆變器和斬波器電路中。簡化了

39、接線，消除了大功率二極管的配線電感，使晶閘管承受反壓時間增加，有利于快速換流，從而可提高裝置的工作頻率。2.3.4 晶閘管的派生器件3 雙向晶閘管TRIAC可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。用有效值來表示其額定電流值。(而不是用平均電流值。）圖2.18 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性2.3.4 晶閘管的派生器件4 光控晶閘管LTT （Light Triggered Thyristor） 又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間

40、的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場合。圖2.19 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性2.4 門極可關(guān)斷晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor GTO) 晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合有較多的應(yīng)用。2.4.1 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理1GTO的結(jié)構(gòu) 與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。c)AGKGGKN1P1N2N2

41、P2b)a)AGKa) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號2.4.1 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理2GTO的工作原理 GTO的等效模型和等效電路如圖2.21所示。 導(dǎo)通過程與普通晶閘管的正反饋過程相同。 GTO需要關(guān)斷時，在門極加反向觸發(fā)信號，普通晶閘管之所以不能自關(guān)斷，是因為不能從遠離門極的陰極的區(qū)域內(nèi)抽出足夠大的門極電流。2.4.2 GTO的基本特性1. GTO的靜態(tài)特性（陽極伏安特性與普通晶閘管相似） 門極伏安特性則有很大區(qū)別。圖2.22 GTO的門極伏安特性開通過程逐漸增加門極正向電壓，門極電流隨著增加，如曲線段。當(dāng)門極電流增大到開通門極電流I

42、GF時，因陽極電流的出現(xiàn)，門極電壓突增，特性由曲線段跳到曲線段，管子導(dǎo)通。當(dāng)導(dǎo)通時門極電壓跳變大小與陽極電流大小有關(guān)，電流越大，電壓增幅越大。2.4.2 GTO的基本特性當(dāng)門極反向電流達到一定值時，晶閘管關(guān)斷。在關(guān)斷點上，門極特性再次發(fā)生由曲線段到段的躍變。此時門極電壓增加，門極電流下降。在完全阻斷時，門極工作在反向特性曲線上。GTO的陽極電流越大，關(guān)斷時所需門極的觸發(fā)脈沖電流越大。關(guān)斷過程圖2.22 GTO的門極伏安特性1. GTO的靜態(tài)特性2.4.2 GTO的基本特性2GTO的動態(tài)特性開通時間：延遲時間td和上升時間tr關(guān)斷時間：儲存時間tS階段下降時間tf階段尾部時間tt階段 2.4.3

43、 GTO的主要參數(shù)GTO的許多參數(shù)與普通晶閘管對應(yīng)的參數(shù)意義相同。不同的參數(shù)有。1）最大可關(guān)斷陽極電流IATO 是表示GTO額定電流大小的參數(shù)。與普通晶閘管是不同的。 2）電流關(guān)斷增益off 是指最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比。0ff一般很小，數(shù)值為35，這是它的主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A。2.5 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文稱為Power BJT.它與晶閘管不同，具有線性放

44、大特性，但在電力電子應(yīng)用中卻工作在開關(guān)狀態(tài)，從而減小功耗。GTR可通過基極控制其開通、關(guān)斷，是典型的自關(guān)斷器件。2.5 電力晶體管2.5.1 GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理與一般雙極型晶體管相似的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。采用集成工藝將許多這種單元并聯(lián)。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。2.5 電力晶體管應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法；集電極電流ic與基極電流ib的比值為：2.5.1 GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 稱為GTR電流放大系數(shù)，它反映出基極電流對集電極電流的控制能力。單管電流放大系數(shù)為10左右。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo （2.13

45、）空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib2.5 電力晶體管1 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)2.5.2 GTR的基本特性截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。(6)跨導(dǎo)gm 表征Power MOSFET柵極控制能力的參數(shù)。1 主要參數(shù)2.6.3 電力MOSFET的主要參數(shù)和安全工作區(qū)2.6.3 電力MOSFET的主要參數(shù)和安全工作區(qū)2.6 電力場效應(yīng)晶體管（7）極間電容 通常生產(chǎn)廠家提供的是漏源極短路時的輸

46、入電容Ciss、共源極輸出電容Coss、反向轉(zhuǎn)移電容Crss。它們之間的關(guān)系為： CiSSCGS CGD CossCGDCDS CrssCGD（8）漏源電壓上升率 器件的動態(tài)特性還受漏源電壓上升率的限制，過高的du/dt可能導(dǎo)致電路性能變差甚至引起器件損壞。1 主要參數(shù)2.6 電力場效應(yīng)晶體管最大漏源電壓極限線最大漏極電流極限線漏源通態(tài)電阻線最大功耗限制線四條邊界極限所包圍的區(qū)域。四種情況：直流DC，脈寬10ms、1ms、10s。 圖2.23 電力MOSFET正向偏置的安全工作區(qū)2.6.3 電力MOSFET的主要參數(shù)和安全工作區(qū)2 安全工作區(qū)GTR是雙極型電流控制器件優(yōu)點：通態(tài)壓降低，有電導(dǎo)調(diào)

47、制效應(yīng)，通流能力很強；缺點：開關(guān)速度低、所需驅(qū)動功率大、驅(qū)動電路復(fù)雜。 MOSFET是單極型電壓控制器件優(yōu)點：開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單；缺點：通流能力低、通態(tài)壓降大。 兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件。 絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT）2.7 絕緣柵雙極型晶體管2.7.1 IGBT的結(jié)構(gòu)和基本原理 IGBT也是一種三端器件，它們分別是柵極G、集電極C和發(fā)射極E。2.7 絕緣柵雙極型晶體管圖2.40 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c)

48、電氣圖形符號E2.7.2 IGBT的基本特性1 IGBT的靜態(tài)特性 IGBT的靜態(tài)特性主要包括轉(zhuǎn)移特性和輸出伏安特性。2.7 絕緣柵雙極型晶體管圖2.41 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2 IGBT的動態(tài)特性開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 開通時間ton= td(on）+tr關(guān)斷延遲時間td(off)電流下降時間tf關(guān)斷時間toff toff=td(off)+ tf2.7 絕緣柵雙極型晶體管圖2.42 IGBT的動態(tài)特性2.7.3 IGBT主要參數(shù)、擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)2.7 絕緣柵雙極型晶體管1 主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電

49、極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓UCES2.7.3 IGBT主要參數(shù)、擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)原因：由于IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管存在。措施：集電極電流不超過ICM，或增大柵極電阻，減緩IGBT的關(guān)斷速度。 (a) IGBT內(nèi)部結(jié)示意圖2.7 絕緣柵雙極型晶體管2 擎住效應(yīng) 當(dāng)IGBT集電極電流IC大到一定程度，可使寄生晶閘管導(dǎo)通，從而其柵極對器件失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。3 安全工作區(qū) IGBT開通時對應(yīng)的安全工作區(qū)，稱為正向偏置安全工作區(qū)，即FBSOA。最大集電極電

50、流ICM最大允許集電極電壓UCEO最大允許功耗三條極限線所限定的區(qū)域。導(dǎo)通時間增加安全工作區(qū)減小，直流工作時安全工作區(qū)最小。(a) 正向安全工作區(qū)2.7 絕緣柵雙極型晶體管3 安全工作區(qū) IGBT關(guān)斷時對應(yīng)的安全工作區(qū)，稱為反向偏置安全工作區(qū)，即RBSOA。最大集電極電流ICM最大允許集電極電壓UCEO電壓上升率dUCE/dt三條極限線所限定的區(qū)域。dUCE/dt越大，安全工作區(qū)越小，可以通過適當(dāng)選擇柵射極電壓UGE和柵極驅(qū)動電阻來控制dUCE/dt，擴大安全工作區(qū)。(b) 反向安全工作區(qū)2.7 絕緣柵雙極型晶體管2.8 其他新型電力電子器件2.8.1 靜電感應(yīng)晶體管SIT2.8.2 靜電感應(yīng)

51、晶閘管SITH2.8.3 MOS控制晶閘管MCT2.8.4 集成門極換流晶閘管IGCT2.8.5 功率集成電路和智能功率模塊2.8 其他新型電力電子器件2.8.1 靜電感應(yīng)晶體管(SITStatic Induction Transistor)SIT是一種結(jié)型場效應(yīng)管，多子導(dǎo)電,單極型壓控器件；工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點：柵極不加信號時導(dǎo)通，加負偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。2

52、.8 其他新型電力電子器件2.8.2 靜電感應(yīng)晶閘管(SITHStatic Induction Thyristor）又稱場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）屬于兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件。 SITH有三極，即門極G、陽極A和陰極K。優(yōu)點：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強、開關(guān)速度快、損耗小、開通的電流增益大等。缺點：SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，制造工藝比GTO復(fù)雜的多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。2.8 其他新型電力電子器件2.8.3 MOS控制晶閘管(MCTMOS Controlled Thyristor)M

53、OSFET與晶閘管的復(fù)合。結(jié)合二者的優(yōu)點：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。20世紀80年代末成為研究熱點問題。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預(yù)期的數(shù)值。2.8 其他新型電力電子器件2.8.4 集成門極換流晶閘管(IGCTIntegrated Gate Commutated Thyristor)20世紀90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。起初電壓電流容量大于IGBT很受關(guān)注，但IGBT的容量很快趕上來了。有個別廠家

54、一直生產(chǎn)IGCT產(chǎn)品，前景難以預(yù)料。2.8 其他新型電力電子器件2.8.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)材料是指禁帶寬度在3.0電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等材料?；趯捊麕О雽?dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài)電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強的耐受高溫和射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級的提高。寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直限于材料的提煉和制造以及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。 2.8 其他新型電力電子器件2.8.6 功率集

55、成電路和集成電力電子模塊20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。2.8 其他新型電力電子器件高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片

56、集成。智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）一般指將IGBT或MOSFET功率器件以及輔助器件、保護電路和驅(qū)動電路集成在一個芯片上封裝的電路。實際應(yīng)用電路2.8.6 功率集成電路和集成電力電子模塊2.8 其他新型電力電子器件2.8.6 功率集成電路和集成電力電子模塊功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀：2.9 電力電子器件保護2.9.1

57、過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護2.9.2 過電流保護2.9.3 緩沖電路2.9.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓2.9.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓保護措施 采用器件限壓和RC阻容吸收等方法。圖2.28過電

58、壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容 RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路 RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路 RC4直流側(cè)RC抑制電路2.9.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護圖2.29 RC過電壓抑制電路連接方式2.9 電力電子器件保護2.9.2 過電流保護 過電流有過載和短路兩種。電力電子器件過載能力較差。通常采用快速熔斷器、直流快速斷路器、過流繼電器實現(xiàn)。圖2.30 過電流保護措施及配置位置2.9 電力電子器件保護2.9.3 緩沖電路1 緩沖電路的作用和基本類型 電力電子器件的緩沖電路也稱為

59、吸收電路。作用：內(nèi)因過電壓和du/dt、過電流和di/dt，減少開關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。復(fù)合緩沖電路關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(jié)合。按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路圖2.31 IGBT的緩沖電路和開關(guān)過程的電壓和電流波形2.9.3 緩沖電路緩沖電路作用分析2.9.3 緩沖電路設(shè)關(guān)斷前的工作點在A點。圖2.32 IGBT關(guān)斷過程的負載曲線2.9.3 緩沖電路緩沖電路的主要作用可歸納如下：抑制過渡過程中器

60、件的電壓和電流，將開關(guān)動作軌跡限定在安全區(qū)之內(nèi)。 防止因過大的di/dt、du/dt造成器件的誤觸發(fā)，甚至導(dǎo)致器件的損壞。抑制開關(guān)過渡過程中電壓和電流的重疊現(xiàn)象，以減少器件的開關(guān)損耗。在多個器件串聯(lián)的高壓電路中起一定的均壓作用。2.9.3 緩沖電路緩沖電路的基本結(jié)構(gòu)L緩沖電路L緩沖電路負載負載(a) RC吸收緩沖電路 (b)放電阻止型RCD緩沖電路圖2.33 緩沖電路的基本結(jié)構(gòu)EdRsCsEdRsCsVDs2.10 電力電子器件串并聯(lián)目的：當(dāng)器件額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。 當(dāng)器件額定電流小于要求時，可以并聯(lián)。 降低成本。問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使 器件電壓分配不均勻。