电力电子技术第1章.ppt

2020年8月28日,2,本章内容: 介绍晶闸管的工作原理、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。,第1章 晶闸管,2020年8月28日,3,1. 1 晶闸管及其工作原理 1. 2 晶闸管的基本特性 1. 3 晶闸管的主要参数 1. 4 其它一些电力电子器件,第1章 晶闸管,2020年8月28日,4,1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司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，开始被全控型器件取代。 晶闸管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。,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）,1.1 晶闸管及其工作原理,2020年8月28日,5,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,外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端（阳极A、阴极K、门极G）。 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。 平板型晶闸管可由两个散热器夹在两面(A、K极)。,1.1 晶闸管及其工作原理,2020年8月28日,6,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,赛米控模块,平板型晶闸管外形及结构,1.1 晶闸管及其工作原理,阳极A,阴极K,门极G,2020年8月28日,7,式中1和2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。由以上式可得 ：,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,按晶体管的工作原理 ，得：,（1-5）,1.1 晶闸管及其工作原理,2020年8月28日,8,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。 阻断状态： IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态： 注入触发电流使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IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,1.1 晶闸管及其工作原理,2020年8月28日,9,门极触发 阳极电压作用：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作用： du/dt过高 温度作用：结温较高 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，称为光控晶闸管(Light Triggered ThyristorLTT) 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,几种可能使晶闸管导通的情况：,1.1 晶闸管及其工作原理,常用的关断方法： 阳极与阴极之间加反向电压，电流降到接近于零的某一数值以下,2020年8月28日,10,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 。,晶闸管正常工作时的特性总结如下：,1.1 晶闸管及其工作原理,2020年8月28日,11,（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。,1 静态特性,晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,1.2 晶闸管的特性,IG电流很小，毫安级,2020年8月28日,12,晶闸管反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 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。,晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,（2）反向特性,1.2 晶闸管的特性,UDRM 0.9 UDSM,2020年8月28日,13,1.2 晶闸管的特性,1) 开通过程 延迟时间td (0.51.5s) 上升时间tr (0.53s) 开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）,2) 关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒,2） 动态特性,晶闸管的开通和关断过程波形,外加反向电压,PN结上载流子反向消散,PN结上载流子恢复过程,外加正向电压,2020年8月28日,14,1.3 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(约1伏)。 断态不重复峰值电压UDSM(即断态最大瞬时电压)应低于正向转折电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定， UDRM (0.80.9) UDSM。,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(留出足够裕量)。,选用注意：,1）额定电压,2020年8月28日,15,通态平均电流 IT(AV）额定电流 在环境温度为40C和规定的冷却状态下，导通角不小于170,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（发热损耗）相等的原则来选取晶闸管：即实际波形电流的有效值等于IT(AV）对应的半波有效值：kfId=1.57 IT(AV）,2）额定电流,1.3 晶闸管的主要参数,IT(AV）,晶闸管允许流过的平均电流为IT(AV）,一般取1.52倍裕量,2020年8月28日,16,上图波形的平均电流与电流峰值的关系： 根据有效值相等的原则确定。 有效值电流I与额定电流IT(AV）的关系：,即正弦半波波形系数Kf=1.57 正弦全波波形系数Kf=1.11,2020年8月28日,17,例1 如图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为IM，试计算各波形的电流平均值Id1, Id2 , Id3与电流有效值 I1, I2 , I3 。,解：对于图a有,对于图b有,2020年8月28日,18,例2 上题中如果不考虑安全裕量，问 100A 的晶闸管能送出的平均电流Id1, Id2 , Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1, Im2 , Im3各为多少？ 解：额定电流 IT(AV）=100A 的晶闸管，允许的电流有效值 I = 157A ，由上题计算结果知,对于图c有,2020年8月28日,19,维持电流 IH (针对关断) 指关断晶闸管时，使晶闸管维持导通所必需的最小主电流(一般几十几百mA)。 擎住电流 IL (针对开通) 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主电流。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 ，在晶闸管寿命内仅限几次浪涌电流ITSM 冲击。,1.3 晶闸管的主要参数,2020年8月28日,20,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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。,3）动态参数,1.3 晶闸管的主要参数,2020年8月28日,21,国产晶闸管的型号命名（JB1144-75部颁发标准） 第一部分用字母“K”表示名称为晶闸管。 第二部分用字母表示晶闸管的类别。 P 普通反向阻断型、K 快速反向阻断型、S 双向型 第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值(1表示1A) 第四部分用数字表示重复峰值电压级数(1表示100V)。 如KP50-5,晶闸管的命名方法,2020年8月28日,22,判断晶闸管的好坏,判断晶闸管的好坏 1、晶闸管有三个脚：A阳极、K阴极、G控制极； 2、A阳极与K阴极之间的正、反向电阻都很大，K阴极、G控制极之间是一个不完全PN结，它的正反向电阻都不大； 3、用万用表（指针式）电阻档R1或R10，两表笔测量晶闸管，找出正反电阻有差别的两极； 4、电阻读数小时的黑表笔接的极就是P即控制极G，红表笔接的是N即阴极K ，第三个极就使A阳极； 5、如果三个极之间都是导通的，电阻为零，则该晶闸管已击穿损坏；,2020年8月28日,23,习题,1.使晶闸管导通的条件是什么？ 答：两个条件缺一不可： （1）晶闸管阳极与阴极之间施加正向阳极电压。 （2）晶闸管门极和阴极之间必须加上适当的正向脉冲电压和电流。 2.维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是流过晶闸管的电流大于维持电流。 欲使之关断，只需将流过晶间管的电流减小到其维持电流以下，可采用阳极电压反向、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。,2020年8月28日,24,3.单相正弦交流电源，电压有效值为220V,晶闸管和负载电阻串联相接，试计算晶闸管所承受的正、反向最高电压是多少？若考虑晶闸管的安全裕量,其电压定额应选多大? 解：晶闸管所承受的正、反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰值311V； （注：电压峰值1.414*有效值） 取晶闸管的安全裕量为2倍，则晶闸管额定电压不低于： 2311V622V。,2020年8月28日,25,4、如上题，晶闸管的通态平均电流为100A，考虑晶闸管的安全裕量，试分别计算导通角为180和90，电路允许的峰值电流各是多少？ 解： 取安全裕量为2，则 (1)导通角为180时，允许的峰值电流 (2)导通角为90时，允许的峰值电流,2020年8月28日,26,1.4 其它一些电力电子器件,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10s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。,1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST),2020年8月28日,27,2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,图1-10 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,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。,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,28,3）逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,a),K,G,A,图1-11 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,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。,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,29,4）光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,a),AK,图1-12 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,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。,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,30,功率二极管(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。,整流二极管及模块,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,31,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。 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。,图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,32,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿:在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象. 均可能导致热击穿,PN结的状态,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,33,PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。,PN结的电容效应：,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,34,主要指其伏安特性 门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,图1-4 电力二极管的伏安特性,1) 静态特性,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,35,2) 动态特性 二极管的电压-电流特性随时 间变化的 结电容的存在,图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。,1.4 其它一些电力电子器件,2020年8月28日,36,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）。 正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP越高 。,图1-5(b)开通过程,电力二极管的基本特性,开通过程：,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。 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。,图1-5(b)关断过程,2020年8月28日,37,额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(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。,电力二极管的主要参数,1) 正向平均电流IF(AV),2020年8月28日,38,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。 3） 反向重复峰值电压URRM 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。 4）反向恢复时间trr trr= td+ tf,电力二极管的主要参数,2）正向压降UF,2020年8月28日,39,结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 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。 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。,电力二极管的主要参数,5）最高工作结温TJM,2020年8月28日,40,1) 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 其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 DATASHEET,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。,电力二极管的主要类型,2020年8月28日,41,简称快速二极管 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V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trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 DATASHEET 1 2 3,电力二极管的主要类型,2) 快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）,2020年8月28日,42,肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须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。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。,电力二极管的主要类型,3. 肖特基二极管(DATASHEET) 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 Diode SBD）。,