电力电子教案

教 案2006 2007 学年第 二 学期院( 系、部 ) 电子信息与电气工程系 教 研 室 自 动 化 主 讲 教 师 雷 慧 杰 课 程 名 称 电力电子技术 专 业 班 级 04自动化（本科） 98课程名称电力电子技术总计： 76 学时讲课： 64 学时实验： 12 学时上机： 学时课程类别专业必修课学分40授课对象层次：本科 专业年级班：04级自动化 总人数：119任课教师雷慧杰职 称助教学历/学位本科 学士课程教学目的与基本要求通过本课程的学习，使学生获得电能高效率变换与控制方面的知识，培养学生分析问题、解决问题的能力，并且具有一定的实验能力，为后续课程的学习及以后的工作打下基础。 本课程的任务是使学生获得利用电力电子器件对电能进行变换和控制的基本理论与概念。通过学习，要求学生熟悉和掌握可控整流、有源逆变、变频、斩波、无源逆变等电力电子电路的工作原理、特点和基本应用，正确选用元件与触发电路。为运动控制技术等后续课程打好基础。课程教学重点与难点重点：可控整流、有源逆变、变频、斩波、无源逆变等电力电子电路的工作原理、特点和基本应用，正确选用元件与触发电路。难点：1、单相全控桥式整流电路和三相全控桥式整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响；2、三相可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算；主要教学方法与手段启发式教学多媒体课件ppt辅助板书用多媒体展示电力电子技术应用的图片，教师对照图片进行讲解；教材和主要参考资料教材：王兆安，黄俊.电力电子技术，北京，机械工业出版社，2006参考资料：莫正康.半导体变流技术，北京，机械工业出版社，2003周渊深主编.电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2005 授课时间第 1 次课，第 1 周星期 一 第 3、4 节课时2授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他授课题目绪论目的与要求1、了解电力电子技术的研究内容；2、掌握电力电子器件的分类：不可控型、半控型、全控型；3、了解3种换流方式，熟悉电能的4种变换形式；4、了解变流电路的3种控制方式；5、了解电力电子技术的应用。重点与难点重点：电力电子器件的分类，电能的4种变换形式。难点：无明显难点方法及手段用多媒体展示电力电子技术应用的图片，并对照图片进行讲解；教学内容：绪 论1.1 什么是电力电子技术 电力电子技术使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。 电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。信息电子技术信息处理电力电子技术电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。1.2 两大分支 电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。 变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。 电力变换四大类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流1.3 与相关学科的关系 电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现。 1974年，美国的W.Newell用倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。1 与电子学（信息电子学）的关系 都分为器件和应用两大分支。 器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。 应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。 信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。 二者同根同源。 与电力学（电气工程）的关系 电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传、电解、电镀、电加热、高性能交直流电源。 国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。 电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与控制理论（自动化技术）的关系 控制理论广泛用于电力电子系统中。 电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。 电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。地位和未来 电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。 计算机： 人脑 电力电子技术： 消化系统和循环系统 电力电子运动控制：肌肉和四肢 电力电子技术是电能变换技术，是把粗电变为精电的技术， 能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。 一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。2 电力电子技术的发展史 一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业。 交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海。 电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿。 电子装置电源：为信息电子装置提供动力。 家用电器： “节能灯”、变频空调。 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置。3 电力电子技术的应用 总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。 电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。 电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。4 教材的内容简介和使用说明 每章的最后有小结，对全章的要点和重点进行总结。 教材正文后附有“教学实验”部分，精选了6个最基本的，有较高实用价值的实验 。 书末附有“术语索引”。 课时分配：课内教学学时为76学时（包含实验，每个实验2学时）。课后小结：（在下次课开始的10分钟内进行）1、说明电力电子器件的分类。2、解释3种换流方式和电能的4种变换。3、说明变流电路的3种控制方式。4、强调课程学习要求和方法。授课时间第 2 次课，第 1 周星期 三 第 3、4 节课时2授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课其他授课题目1.1电力电子技术概述1.2不可控器件电力二极管目的与要求掌握电力电子器件的概念和特征、熟悉应用电力电子器件的系统组成、了解电力电子器件的分类，掌握电力二极管的工作特性。重点与难点重点：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。难点：基本特性及电力电子器件的两个基本要求。方法及手段1、用多媒体展示功率二极管的结构、伏安特性，进行讲解分析；2、以小结的形式对功率二极管的选择进行讲解分析；教学内容：上次课主要内容小结；（教师讲解小结，参插课堂提问（10分钟左右）1.1.1 电力电子器件的概念和特征 主电路（Main Power Circuit）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。 电力电子器件（Power Electronic Device）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。 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。 两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：（1） 处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力，是最重要的参数。 其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件（2） 电力电子器件一般都工作在开关状态 导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。 阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。 电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。（3）实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。（4）为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗。 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一。 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因1.1.2 应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：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。 控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能 。 有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。 主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。 由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。 器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。 1.1.3 电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：（1）半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定（2）全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）（3）不可控器件不能用控制信号来控制其通断， 因此也就不需要驱动电路。 电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类： 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。 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 单极型器件由一种载流子参与导电的器件。 双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。 复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 。1.1.4 本章内容和学习要点 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题，然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。 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，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。 由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求。1.2 不可控器件电力二极管 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础。 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，主要有螺栓型和平板型两种封装。N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。PN结的单向导电性：二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略； 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响； 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响； 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大；1.2.2 电力二极管的基本特性1. 静态特性（电力二极管伏安特性图） 主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。2. 动态特性 动态特性因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。开关特性反映通态和断态之间的转换过程。关断过程： 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。开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。 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，UFP越高。 1.2.3 电力二极管的主要参数1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC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。 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。 2. 正向压降UF 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。 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。3. 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。 4. 最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125175C范围之内。5. 反向恢复时间trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。6. 浪涌电流IFSM 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。 1.2.4 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。 在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。 性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。型号： ZP电流电压/100 1. 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5ms以上，这在开关频率不高时并不重要； 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD） 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5ms以下）的二极管，也简称快速二极管， 工艺上多采用了掺金措施， 有的采用PN结型结构， 有的采用改进的PiN结构， 采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。 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100ns以下，甚至达到2030ns。 3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管。 20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。 肖特基二极管的弱点 当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。 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。 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns）， 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， 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 。课后小结：（在下次课开始的10分钟内进行）1、二极管的导通原理是什么？2、功率二极管的额定电流如何计算？3、功率二极管的伏安特性相比较有什么特点？授课时间第 3 次课，第 2 周星期 一 第 1、2 节课时2授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他授课题目1.3半控型器件晶闸管目的与要求（1）掌握晶闸管的工作原理、参数的确定和型号的选择，熟悉其基本特性，了解晶闸管的派生器件。（2）熟悉可关断晶闸管（GTO）的结构和工作原理，了解有关特性和参数。重点与难点重点：晶闸管的额定电流、额定电压参数，晶闸管的额定电流计算。GTO的工作原理；难点：晶闸管的额定电流计算和型号选择，几个重要参数的理解；方法及手段用多媒体展示晶闸管的结构、伏安特性，进行讲解分析；结合多媒体对晶闸管的主要参数进行讲解说明；通过电流波形对晶闸管的额定电流计算进行重点讲解分析；教学内容：上次课主要内容小结；（教师讲解小结，参插课堂提问（10分钟左右）1.3半控型器件晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管， 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品， 1958年商业化， 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代， 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代， 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装， 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端， 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便， 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。工作原理：Ic1=a1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=a2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 式中a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5） 晶体管的特性是：在低发射极电流下a 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a 迅速增大。 阻断状态：IG=0，a1+a2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和 开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。 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du/dt过高， 结温较高， 光直接照射硅片，即光触发。光触发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，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。晶闸管正常工作时的特性总结： 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； 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； 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。1.3.2 晶闸管的基本特性（1）正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo，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。 反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。1) 开通过程 延迟时间td (0.51.5ms) 上升时间tr (0.53ms) 开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）1.3.3 晶闸管的主要参数 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UT 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。取整 100V一个等级通态平均电流 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 IL :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 。通态平均电流 IT(AV) 使用时应按实际电流与通态平均电流所造成的发热效应相等 ，即有效值相等的原则来选取晶闸管。 应留一定的裕量，一般取1.52倍。例： 整流输出：平均电流选择器件：有效电流波形系数（额定情况下）波形系数：某电流波形的有效值与平均值之比。实际电流（电流波形不一定为正弦半波）的平均电流的确定: 即：有效值相等的原则例：通过一只晶闸管的实际电流额定有效值为157A,则额定电流？（考虑1.52.0的安全裕量）晶闸管的型号普通, 快速型，双向型，逆导型，可关断型K P 电流电压/100 如：KP100-12G表示：额定电流为100A,额定电压为1200V，管压降（通态平均电压）为1V的普通晶闸管。结 论晶闸管导通的条件：（1）承受正向阳极电压；（2）门极有触发电流；关断条件：（1）加反向阳极电压； 1.3.4 晶闸管的派生器件 有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10ms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，不能忽略其开关损耗的发热效应。2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 在第和第III象限有对称的伏安特性。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。3）逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）b)UOIIG=0 KGA 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。 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。4） 光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。作业、讨论题、思考题： 作业：P42的作业与思考题3、4；课后小结：（在下次课开始的10分钟内进行）1、本次课要点内容的回顾；2、晶闸管的额定电流如何计算？3、晶闸管的主要参数有哪些？ 4、与普通晶闸管相比较，对GTO的结构、工作原理进行比较分析。授课时间第 4 次课，第 2 周星期 三 第 3、4 节课时2授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他授课题目1.4典型全控型器件 1.5其他新型电力电子器件目的与要求（1）熟悉可关断晶闸管（GTO）的结构和工作原理，了解有关特性和参数。（2）熟悉电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）的结构和工作原理；（3）了解GTR、P-MOSFET的伏安特性和主要参数；重点与难点重点：熟悉GTR、P-MOSFET的结构，在此基础上掌握它们工作原理；绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构和工作原理； 难点：上述各种器件的导通和关断过程分析。手段及方法用多媒体展示全控型器件的结构进行工作原理的讲解分析，简要说明介绍其特性和主要参数。教学内容：上次课主要内容小结。1.4 典型全控型器件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。1.4.1 门极可关断晶闸管 晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点： GTO是一种多元的功率集成器件。 工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。 开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf 尾部时间tt 残存载流子复合。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。1.4.2 电力晶体管 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。应用：20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。1、GTR的结构和工作原理 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 (1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态。 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。开通过程：延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。关断过程：储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。 1）最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。 通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 2） 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。 一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。1.4.3 电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT） 电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型。 电力MOSFET的结构 小功率MOS管是横向导电器件。 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS 当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。（1）静态特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。 截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区（对应GTR的饱和区） 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。1.4.4 绝缘栅双极晶体管1 IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2 IGBT的基本特性 (1)IGBT的静态特性1.5 其他新型电力电子器件1.5.1 MOS控制晶闸管MCT MCT结合了二者的优点：（1） 承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。（2） 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。（3） 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。（4） 每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。（5） 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。1.5.2 静电感应晶体管SIT 多子导电的器件，工作频率与电力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。 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。1.5.3 静电感应晶闸管SITH（1） SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。（2） 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。（3） SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT（1） 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。（2） 可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。（3） 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。1.5.5 功率模块与功率集成电路（1） 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。（2） 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。（3） 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。（4） 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（Power Integrated CircuitPIC）。1.5.5 功率模块与功率集成电路（1） 高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。（2） 智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。（3） 智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。1.5.5 功率模块与功率集成电路（1） 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。（2） 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。（3） 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。课后小结：（在下次课开始的10分钟内进行）1、本次课要点内容的回顾；2、GTR的导通和关断过程分析，强调与小功率晶体管的比较。3、P-MOSFET的导通和关断过程分析，强调与小功率MOS管的比较。IGBT的结构和工作。4、原理分析，强调它是GTR和P-MOSFET的复合，注意与GTR和P-MOSFET的比较分析。授课时间第 5 次课，第 3 周星期 一 第 1、2 节课时2授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他授课题目1.6电力电子器件的驱动目的与要求了解全控型器件GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT的门极驱动电路。方法及手段用多媒体展示驱动电路图，进行讲解分析。重点与难点重点：全控型器件GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT的门极驱动电路。教学内容：上次课主要内容小结。1.6 电力电子器件器件的驱动 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。1.6.1 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器。 磁隔离的元件通常是脉冲变压器。v 按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。v 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。1.6.2 晶闸管的触发电路v 作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。v 晶闸管触发电路应满足下列要求： 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。1.6.3 典型全控型器件的驱动电路（1） GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。（2）GTR（1） 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。（2） 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。（3） 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。 GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。（3）电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。 为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。作业、讨论题、思考题：思考题：1、GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT器件中哪些需要防静电？授课时间第 6 次课，第 3 周星期 三 第 3、4 节课时2授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他授课题目1.7电力电子器件的保护 1.8电力电子器件的串联和并联使用目的与要求1、理解电力电子器件器件的保护类型及手段；2、了解GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT的保护和缓冲电路。方法及手段用多媒体展示GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT的驱动、保护、缓冲电路，简要性讲解分析。重点与难点重点：晶闸管的过电压和过电流的几种保护方法。1.7 电力电子器件器件的保护1.7.1 过电压的产生及过电压保护（1） 外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因。 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。 雷击过电压：由雷击引起。（2） 内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。 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，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 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。 过电压保护措施 外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。 大容量电力电子装置可采用反向阻断式RC电路。 其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压。1.7.2 过电流保护 过电流过载和短路两种情况 保护措施快速熔断器 电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。 选择快熔时应考虑：(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。(3)快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I2 t值。(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。v 全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。v 短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。 对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。1.7.3 缓冲电路v 关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。v 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。v 复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。v 按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。v 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路作用分析v 无缓冲电路：v 有缓冲电路： 充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。1.8 电力电子器件器件的串联和并联使用1.8.1 晶闸管的串联 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。v 静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。v 动态不均压：由于器件动态参数