电力电子技术第五版(王兆安)

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,*,/21,第,1,章 绪论,1.1,什么是电力电子技术,1.2,电力电子技术的发展史,1.3,电力电子技术的应用,1.4,本教材的内容简介,1.1,什么是电力电子技术,电力电子技术的概念,电力电子技术就是应用于,电力,领域的,电子,技术。,电力电子技术中所变换的“电力” 有区别于“电力系统”所指的“电力” ，后者特指电力网的“电力” 。,电子技术包括信息电子技术,(,模拟电子技术和数字电子技术,),和电力电子技术两大分支。,2,/21,1.1,什么是电力电子技术,具体地说，电力电子技术就是使用,电力电子器件,对,电能,进行,变换,和,控制,的技术。,电力电子器件是电力电子技术的基础。,变流技术则是电力电子技术的核心,。,输入,输出,交流,（,AC,）,直流,（,DC,）,直流,（,DC,）,整流,直流斩波,交流,（,AC,）,交流电力控制,变频、变相,逆变,3,/21,表,1-1,电力变换的种类,1.1,什么是电力电子技术,电力电子学,美国学者,W. Newell,认为电力电子学是由,电力学,、,电子学,和,控制理论,三个学科交叉而形成的。,4,/21,图,1-1,描述电力电子学的倒三角形,1.1,什么是电力电子技术,电力电子技术和电子学,电力电子器件的制造技术的理论和工艺与用于信息变换的电子器件制造技术相同。,电力电子技术和电力学,电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电,子学和电力学的主要关系。,5,/21,1.1,什么是电力电子技术,电力电子技术与电气工程学科的关系,隶属于电气工程一级学科,电力电子技术的应用和发展必须依赖其它学科,电力电子技术促进了其他学科的发展,图,1-2,电气工程的双三角形描述,6,/21,1.1,什么是电力电子技术,电力电子技术和控制理论,控制理论使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。,电力电子技术是弱电和强电之间的接口而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。,控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。,7,/21,1.2,电力电子技术的发展史,8,/21,电力电子技术的发展史,图,1-3,电力电子技术的发展史,一般认为，电力电子技术的诞生是以,1957,年,美国通用电气公司研制出第一个,晶闸管,为标志。,1.2,电力电子技术的发展史,晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎,明期。,电子管,(1904),，在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。,水银整流器,(,1930s-1950s),，,广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用,直流发电机组,来变流。,1947,年美国著名的贝尔实验室发明了,晶体管，,引发了,电子技术的一场革命。,9,/21,1.2,电力电子技术的发展史,晶闸管时代,晶闸管凭借,其优越的电气性能和控制性能，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。,晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于,半控型器件,。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称,相控方式,。,晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。 这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。,10,/21,1.2,电力电子技术的发展史,全控型器件和电力电子集成电路（,PIC,）,70,年代后期，以,门极可关断晶闸管（,GTO,）,、,电力双极型晶体管,（,BJT,）,和,电力场效应晶体管（,Power-MOSFET,）,为代表的,全控型器,件,迅速发展。,全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其,开通,又可使其,关断,。,采用全控型器件的电路的主要控制方式为,脉冲宽度调制（,PWM,）,方式。相对于相位控制方式，可称之为,斩波控制方式,，简称,斩控方式,。,在,80,年代后期，以,绝缘栅极双极型晶体管（,IGBT,）,为代表的,复合型器件,异军突起。它是,MOSFET,和,BJT,的复合，综合了两者的优点。,与此相对，,MOS,控制晶闸管（,MCT,）,和,集成门极换流晶闸管（,IGCT,）,复合了,MOSFET,和,GTO,。,11,/21,1.2,电力电子技术的发展史,把,驱动,、,控制,、,保护电路,和,电力电子器件,集成在,一起，构成,电力电子集成电路（,PIC,）,，这代表了,电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成,技术包括以,PIC,为代表的,单片集成技术,、,混合集成,技术,以及,系统集成技术,。,随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子,电路的,工作频率,也不断提高。与此同时，,软开关技,术,的应用在理论上可以使电力电子器件的,开关损耗,降为零，从而提高了电力电子装置的,功率密度,。,12,/21,1.3,电力电子技术的应用,电力电子技术的应用范围,一般工业,工业中大量应用各种,交直流电动机,，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了,变频装置,，以达到节能的目的。,避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。,电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源,电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。,13,/21,1.3,电力电子技术的应用,交通运输,电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用,整流装置,，交流机车采用,变频装置,。,直流斩波器,也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种,辅助电源,也都离不开电力电子技术。,电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱,动控制，其,蓄电池,的充电也离不开电力电子装置。一台高,级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠,变频器,和,斩波器,驱动并控制。,飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。,14,/21,1.3,电力电子技术的应用,电力系统,用户终端：,发达国家在用户使用的电能中，有,60%,以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。,直流输电：,其送电端的,整流阀,和受电端的,逆变阀,都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的,IGBT,器件。近年发展起来的,柔性交流输电（,FACTS,）,也是依靠电力电子装置才得以实现的。,电能质量提高：,晶闸管控制电抗器（,TCR,）,、,晶闸管投切电容器（,TSC,）,、,静止无功发生器（,SVG,）,、,有源电力滤波器（,APF,）,等电力电子装置大量用于电力系统的,无功补偿,或,谐波抑制,。,在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。,在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。,15,/21,1.3,电力电子技术的应用,16,/21,图,1-5,中国南方电网公司安顺换流站,图,1-6,静止无功发生器（上）和,晶闸管投切电容器（下）,1.3,电力电子技术的应用,电子装置用电源,各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的,高频开关电源,。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用,高频开关电源,。,在大型计算机等场合，常常需要,不间断电源（,Uninterruptible Power Supply_ UPS,）,供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。,17,/21,1.3,电力电子技术的应用,家用电器,电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量,能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。,空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、,电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。,其它,航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器,也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。,抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来,起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强,大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。,18,/21,1.3,电力电子技术的应用,总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。,19,/21,新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网 时，更离不开电力电子技术。,核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常需要一些特种电源。,图,1-7,风场,1.4,本教材的内容简介,本教材的内容,20,/21,参考书目,赵良炳,.,现代电力电子器件基础,.,北京,:,清华大学出版社,1995.,丁道宏,.,电力电子技术,.,北京,:,航空工业出版社,1992.,张占松,蔡宣三,.,开关电源的原理与设计,.,北京,:,电子工业出版社,1998.,李先允,陈刚,.,电力电子技术习题集,.,北京,:,中国电力出版社,2008.,网络资源, 电力电子器件,2.1,电力电子器件概述,2.2,不可控器件,电力二极管,2.3,半控型器件,晶闸管,2.4,典型全控型器件,2.5,其他新型电力电子器件,2.6,功率集成电路与集成电力电子模块,本章小结,24,/89,引言,模拟和数字电子电路的基础,晶体管和集成电路等电子器件,电力电子电路的基础,电力电子器件,本章主要内容：,概述电力电子器件的,概念,、,特点,和,分类,。,分别介绍各种常用电力电子器件的,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。,25,/89,2.1,电力电子器件概述,2.1.1,电力电子器件的概念和特征,2.1.2,应用电力电子器件的系统组成,2.1.3,电力电子器件的分类,2.1.4,本章内容和学习要点,26,/89,2.1.1,电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念,电力电子器件（,Power Electronic Device,）,是指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,。,主电路：在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。,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，目前往往专指电力半导体器件,。,27,/89,2.1.1,电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的特征,处理,电功率,的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，,为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在,开关状态,。,由信息电子电路来控制,而且需要,驱动电路,。,自身的,功率损耗,通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装,散热器,。,28,/89,2.1.1,电力电子器件的概念和特征,通态损耗,是电力电子器件功率损耗的主要成因。,当器件的开关频率较高时，,开关损耗,会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,电力电子器件的功率损耗,29,/89,2.1.2,应用电力电子器件的系统组成,电力电子器件实际应用：由,控制电路,、,驱动电路,和以电力电子器件为核心的,主电路,组成一个系统。,电气隔离,图,2-1,电力电子器件在实际应用中的系统组成,30,/89,2.1.3,电力电子器件的分类,按照能够被控制电路信号所控制的程度,半控型器件,器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,主要是指,晶闸管（,Thyristor,）,及其大部分派生器件。,全控型器件,通过控制信号既可以控制其导通、关断。,目前最常用的是,IGBT,和,Power MOSFET,。,不可控器件,电力二极管（,Power Diode,）,不能用控制信号来控制其通断。,31,/89,2.1.3,电力电子器件的分类,按照驱动信号的性质,电流驱动型,从控制端注入或者抽出,电流,来实现器件导通、关断。,电压驱动型,在控制端和公共端之间施加一定的,电压,信号实现器 件导通或者关断的控制。,按照驱动信号的波形（电力二极管除外,）,脉冲触发型,在控制端施加一个电压或电流的,脉冲,信号来实现器件的开通或者关断的控制。,电平控制型,通过,持续,在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并,维持,导通状态或者关断并维持阻断状态。,32,/89,2.1.3,电力电子器件的分类,按照载流子参与导电的情况,单极型器件,由一种,载流子,参与导电。,双极型器件,由,电子,和,空穴,两种载流子参与导电。,复合型器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。,33,/89,2.1.4,本章内容和学习要点,本章内容,介绍不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的,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。,学习要点,掌握其,基本特性,（重点）。,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。,了解电力电子器件的,半导体物理结构,和,基本工作原理,。,了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。,34,/89,2.2,不可控器件,电力二极管,2.2.1 PN,结与电力二极管的工作原理,2.2.2,电力二极管的基本特性,2.2.3,电力二极管的主要参数,2.2.4,电力二极管的主要类型,35,/89,2.2,不可控器件,电力二极管,引言,电力二极管（,Power Diode,）,自,1950s,初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。,在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的,快恢复二极管,和,肖特基二极管,。,整流二极管及模块,36,/89,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),c),A,K,2.2.1 PN,结与电力二极管的工作原理,电力二极管是以半,导体,PN,结,为基础的,实际上是由一个面积,较大的,PN,结,和,两端引,线,以及,封装,组成的。,从外形上看，可以有,螺栓型,、,平板型,等多,种封装。,图,2-2,电力二极管的外形、结构和电气图形符号,a),外形,b),基本结构,c),电气图形符号,37,/89,2.2.1 PN,结与电力二极管的工作原理,二极管的基本原理,PN,结的,单向导电,性,正向导通：,PN,结外加正向电压（正向偏置）时，形成自,P,区流入从,N,区流出的电流，称为,正向电流,I,F,。,反向截止：,当,PN,结外加反向电压时（反向偏置）时，,PN,结表现为,高阻态,，几乎没有电流流过。,反向击穿：,PN,结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏,PN,结反向偏置为截止的工作状态。,按照机理不同有,雪崩击穿,和,齐纳击穿,两种形式,。,反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，,PN,结仍可恢复原来的状态。,否则,PN,结因过热而烧毁，这就是,热击穿,。,38,/89,2.2.1 PN,结与电力二极管的工作原理,PN,结的电容效应,称为,结电容,C,J,，又称为,微分电容,按其产生机制和作用的差别分为,势垒电容,C,B,和,扩散电容,C,D,势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。,扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。,结电容影响,PN,结的,工作频率,，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。,39,/89,2.2.2,电力二极管的基本特性,静态特性,主要是指其,伏安特性,正向电压大到一定值（,门槛电压,U,TO,），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。,与,I,F,对应的电力二极管两端的电压即为其,正向电压降,U,F,。,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,。,I,O,I,F,U,TO,U,F,U,图,2-5,电力二极管的伏安特性,40,/89,2.2.2,电力二极管的基本特性,a),I,F,U,F,t,F,t,0,t,rr,t,d,t,f,t,1,t,2,t,U,R,U,RP,I,RP,d,i,F,d,t,d,i,R,d,t,u,b),U,FP,i,i,F,u,F,t,fr,t,0,2V,图,2-6,电力二极管的动态过程波形,正向偏置转换为反向偏置,零偏置转换为正向偏置,动态特性,因为,结电容,的导致电压,-,电流随时间变化，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的,开关特性,。,由正向偏置转换为反向偏置,电力二极管并不能立即关断，而是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。,延迟时间,：,t,d,=t,1,-t,0,电流下降时间,：,t,f,=t,2,- t,1,反向恢复时间,：,t,rr,=t,d,+ t,f,恢复特性的软度,：,t,f,/,t,d,，或称恢复系 数，用,S,r,表示。,t,0,:,正向电流降为零的时刻,t,1,:,反向电流达最大值的时刻,t,2,:,电流变化率接近于零的时刻,41,/89,2.2.2,电力二极管的基本特性,U,FP,u,i,i,F,u,F,t,fr,t,0,2V,由零偏置转换为正向偏置,先出现一个,过冲,U,FP,，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,t,fr,出现电压过冲的原因,:,电,导调制效应,起作用所需的大量,少子需要一定的时间来储存，,在达到稳态导通之前管压降较,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，,U,FP,越高。,图,2-6,电力二极管的动态过程波形,b),零偏置转换为正向偏置,42,/89,2.2.3,电力二极管的主要参数,正向平均电流,I,F(AV),指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用,T,C,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。,I,F(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。,正向压降,U,F,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。,反向重复峰值电压,U,RRM,指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。,43,/89,2.2.3,电力二极管的主要参数,最高工作结温,T,JM,结温是指管芯,PN,结的平均温度，用,T,J,表示。,最高工作结温是指在,PN,结不致损坏的前提下所能承受的,最高平均温度,。,T,JM,通常在,125,175,C,范围之内。,反向恢复时间,t,rr,浪涌电流,I,FSM,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,。,44,/89,2.2.4,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，介绍几种常用,的电力二极管。,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,5,s,以上,。,其,正向电流定额,和,反向电压定额,可以达到很高。,45,/89,2.2.4,电力二极管的主要类型,快恢复二极管（,Fast Recovery DiodeFRD,）,恢复过程,很短，特别是,反向恢复过程,很短（一,般在,5,s,以下） 。,快恢复外延二极管 （,Fast Recovery Epitaxial,DiodesFRED,） ，采用,外延型,P-i-N,结构 ，其,反向恢复时间更短（可低于,50,ns,），正向压降也很,低（,0.9V,左右）。,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,100,ns,以下，甚至达到,2030,ns,。,46,/89,2.2.4,电力二极管的主要类型,肖特基二极管（,Schottky Barrier DiodeSBD,）,优点：,反向恢复时间,很短（,1040,ns,），正向恢复过程中不会有明显的,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；因此，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。,弱点：当所能承受的反向耐压提高时其,正向压降,也会高得不能满足要求，因此多用于,200V,以下的低压场合；,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。,47,/89,2.3,半控型器件,晶闸管,2.3.1,晶闸管的结构与工作原理,2.3.2,晶闸管的基本特性,2.3.3,晶闸管的主要参数,2.3.4,晶闸管的派生器件,48,/89,2.3,半控器件,晶闸管,引言,晶闸管（,Thyristor,）是,晶体闸流管,的简称，又称作,可控硅整流器,（,Silicon Controlled RectifierSCR,）,，以前被简称为可控硅。,1956,年美国贝尔实验室（,Bell Laboratories,）发明了晶闸管，,1957,年美国通用电气公司（,General Electric,）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于,1958,年使其商业化。,其承受的,电压和电流容量,仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在,大容量,的应用场合仍然具有比较重要的地位。,晶闸管及模块,49,/89,2.3.1,晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的结构,从外形上来看，晶闸管也主要有,螺栓型,和,平板型,两种封装结构 。,引出,阳极,A,、,阴极,K,和,门极（控制端）,G,三个联接端。,内部是,PNPN,四层半导体结构。,图,2-7,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,50,/89,2.3.1,晶闸管的结构与工作原理,图,2-8,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,晶闸管的工作原理,按照晶体管工作原理，可列出如下方程：,（,2-2,）,（,2-1,）,（,2-3,）,（,2-4,）,式中,1,和,2,分别是晶体管,V,1,和,V,2,的共基极电流增益；,I,CBO1,和,I,CBO2,分别是,V,1,和,V,2,的共基极漏电流。,51,/89,2.3.1,晶闸管的结构与工作原理,晶体管的特性是：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。,在晶体管,阻断状态,下，,I,G,=0,，而,1,+,2,是很小的。由上式,可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管,漏电流之和。,如果注入触发电流使各个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,I,A,（阳极电流）,将,趋近于,无穷大,，从而实现器件,饱和导通,。,由于外电路负载的限制，,I,A,实际上会维持,有限值,。,由以上式（,2-1,）,（,2-4,）可得,(2-5),52,/89,2.3.1,晶闸管的结构与工作原理,除门极触发外,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,d,u,/d,t,过高,结温,较高,光触发,这些情况除了,光触发,由于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。只,有,门极触发,是最精确、迅速而可靠的控制手段。,53,/89,2.3.2,晶闸管的基本特性,静态特性,正常工作时的特性,当晶闸管承受,反向电压,时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通,。,当晶闸管承受,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，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通,。,若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的,电流降到接近于零的某一数值以下,。,54,/89,2.3.2,晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性,正向特性,当,I,G,=0,时，在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向,阻断状态,，只有很小的正向漏电流流过。,如果正向电压超过临界极限即,正向转折电压,U,bo,，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。,如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值,I,H,以下，则晶闸管又回到,正向阻断,状态，,I,H,称为,维持电流,。,图,2-9,晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,正向转折电压,U,bo,正向,导通,雪崩,击穿,O,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,+,55,/89,2.3.2,晶闸管的基本特性,反向特性,其伏安特性类似,二极管,的反向特性。,晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的,反向漏电流,通过。,当反向电压超过一定限度，到,反向击穿电压,后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。,图,2-9,晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,正向转折电压,U,bo,正向,导通,雪崩,击穿,O,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,+,56,/89,2.3.2,晶闸管的基本特性,动态特性,开通过程,阳极电流的增长不可能是,瞬时：,晶闸管内部的,正反馈过程,需要时间；,外电路电感,的限制,延迟时间,t,d,(0.51.5,s),上升时间,t,r,(0.53,s),开通时间,t,gt,=t,d,+t,r,延迟时间随,门极电流,的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到,外电路电感,的严重影响。提高,阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。,图,2-10,晶闸管的开通和关断过程波形,阳极电流稳态值的,90%,100%,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,阳极电流稳态值的,10%,57,/89,2.3.2,晶闸管的基本特性,关断过程,由于,外电路电感,的存在，原处,于导通状态的晶闸管当外加电压突,然由正向变为反向时，其阳极电流,在衰减时必然也是有过渡过程的。,反向阻断恢复时间,t,rr,正向阻断恢复时间,t,gr,关断时间,t,q,=,t,rr,+,t,gr,关断时间约几百微秒。,在,正向阻断恢复时间,内如果重,新对晶闸管施加,正向电压,，晶闸管,会重新正向导通，而不是受门极电,流控制而导通。,图,2-10,晶闸管的开通和关断过程波形,100%,反向恢复电流最大值,尖峰电压,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,58,/89,2.3.3,晶闸管的主要参数,电压定额,断态重复峰值电压,U,DRM,是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,（见图,2-9,）。,国标规定断态重复峰值电压,U,DRM,为断态不重复峰值电压（即,断态最大瞬时电压）,U,DSM,的,90%,。,断态不重复峰值电压应低于,正向转折电压,U,bo,。,反向重复峰值电压,U,RRM,是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,（见图,2-8,）。,规定反向重复峰值电压,U,RRM,为反向不重复峰值电压（即反向,最大瞬态电压）,U,RSM,的,90%,。,反向不重复峰值电压应低于,反向击穿电压,。,59,/89,2.3.3,晶闸管的主要参数,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值电 压。,额定电压：,通常取晶闸管的,U,DRM,和,U,RRM,中较小的标值。 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,。,电流定额,通态平均电流,I,T(AV,）,国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为,40,C,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。,按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的,发热效应,来定义的。,一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的,1.52,倍。,60,/89,2.3.3,晶闸管的主要参数,维持电流,I,H,维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的,最小,电流，,一般为几十到几百毫安。,结温,越高，则,I,H,越小。,擎住电流,I,L,擎住电流是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。,约为,I,H,的,24,倍,浪涌电流,I,TSM,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,。,61,/89,2.3.3,晶闸管的主要参数,动态参数,开通时间,t,gt,和关断时间,t,q,断态电压临界上升率,d,u,/d,t,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,d,i,/d,t,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。,62,/89,2.3.4,晶闸管的派生器件,快速晶闸管（,Fast Switching ThyristorFST,）,有,快速晶闸管,和,高频晶闸管,。,快速晶闸管的,开关时间,以及,d,u,/d,t,和,d,i,/d,t,的耐量都有了,明显改善。,从,关断时间,来看，普通晶闸管一般为,数百,微秒，快速,晶闸管为,数十,微秒，而高频晶闸管则为,10,s,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，选择快速晶闸管和高频晶闸管的,通态平均电流时不能忽略其,开关损耗,的发热效应。,63,/89,2.3.4,晶闸管的派生器件,a),b),I,O,U,I,G,=,0,G,T,1,T,2,双向晶闸管,（,Triode AC SwitchTRIAC,或,Bidirectional triode thyristor,）,可以认为是一对,反并联联 接,的普通晶闸管的集成,。,门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第,和第,III,象限有,对称的伏安特性,。,双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用,有效值,来表示其额定电流值。,图,2-11,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,64,/89,2.3.4,晶闸管的派生器件,a),K,G,A,b),U,O,I,I,G,=,0,逆导晶闸管,（,Reverse Conducting ThyristorRCT,）,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，不具有承受,反向电压,的能力，一旦承受反向电压即开通。,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，可用于不需要阻断反向电压的电路中。,图,2-12,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,65,/89,2.3.4,晶闸管的派生器件,A,G,K,a),AK,光强度,强,弱,b),O,U,I,A,光控晶闸管,（,Light Triggered ThyristorLTT,）,是利用一定波长的,光照信号,触发导通的晶闸管。,由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的,绝缘,，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在,高压大功率,的场合,。,图,2-13,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,66,/89,2.4,典型全控型器件,2.4.1,门极可关断晶闸管,2.4.2,电力晶体管,2.4.3,电力场效应晶体管,2.4.4,绝缘栅双极晶体管,67,/89,2.4,典型全控型器件,引言,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。,电力,MOSFET,IGBT,单管及模块,68,/89,2.4.1,门极可关断晶闸管,晶闸管的一种派生器件，但,可以通过在门极施加负的脉冲,电流使其关断，因而属于,全控,型器件,。,GTO,的结构和工作原理,GTO,的结构,是,PNPN,四层半导体结构,。,是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的,小,GTO,单元,，这些,GTO,元的,阴极,和,门极,则在器件内部,并联,在一起。,图,2-14 GTO,的内部结构和电气图形符号,各单元的阴极、门极间隔排列的图形,并联单元结构断面示意图,电气图形符号,69,/89,2.4.1,门极可关断晶闸管,图,2-8,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,GTO,的工作原理,V,1,、,V,2,的共基极电流增益分别是,1,、,2,。,1,+,2,=1,是器件临界导通的条件，大于,1,导通，小于,1,则关断。,GTO,与普通晶闸管的不同,设计,2,较大，使晶体管,V,2,控制 灵敏，易于,GTO,关断。,导通时,1,+,2,更接近,1,，导通时接近,临界饱和,，有利门极控制关断，但导通时管,压降,增大。,多元集成结构，使得,P,2,基区,横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,70,/89,2.4.1,门极可关断晶闸管,GTO,的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时,饱和程度,较浅。,而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流,I,A,和,I,K,的减小使,1+,21,时，器件退出,饱和,而关断。,GTO,的,多元集成结构,使得其比普通晶闸管,开通过程,更快，承受,d,i,/d,t,的能力增强。,71,/89,2.4.1,门极可关断晶闸管,GTO,的动态特性,开通过程与普通晶闸管类似。,关断过程,储存时间,t,s,下降时间,t,f,尾部时间,t,t,通常,t,f,比,t,s,小得多，而,t,t,比,t,s,要长。,门极负脉冲电流,幅值,越大，,前沿,越陡，,t,s,就越短。使门极负脉冲的,后沿,缓慢衰减，在,t,t,阶段仍能保持适当的,负电压,，则可以缩短,尾部时间,。,图,2-15 GTO,的开通和关断过程电流波形,O,t,0,t,i,G,i,A,I,A,90%,I,A,10%,I,A,t,t,t,f,t,s,t,d,t,r,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间,等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间,残存载流子复合所需时间,72,/89,2.4.1,门极可关断晶闸管,GTO,的主要参数,GTO,的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。,最大可关断阳极电流,I,ATO,用来标称,GTO,额定电流,。,电流关断增益,off,最大可关断阳极电流,I,ATO,与门极负脉冲电流最大值,I,GM,之比。,off,一般很小，只有,5,左右，这是,GTO,的一个主要缺点。,开通时间,t,on,延迟,时间与,上升,时间之和。,延迟时间一般约,12,s,，上升时间则随,通态阳极电流值,的增大而,增大。,关断时间,t,off,一般指,储存,时间和,下降,时间之和，而不包括,尾部,时间。,储存时间随,阳极电流,的增大而增大，下降时间一般小于,2,s,。,73,/89,2.4.2,电力晶体管,电力晶体管（,Giant TransistorGTR,）,按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的,双极结型晶体管（,Bipolar Junction TransistorBJT,）,GTR,的结构和工作原理,与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。,最主要的特性是,耐压高,、,电流大,、,开关特性好,。,74,/89,GTR,的结构,采用至少由两个晶体管按,达林顿接法,组成的单元结构，并采用集,成电路工艺将许多这种单元,并联,而成。,GTR,是由,三层半导体,（分别引出集电极、基极和发射极）形成,的两个,PN,结（集电结和发射结）构成，多采用,NPN,结构。,2.4.2,电力晶体管,图,2-16 GTR,的结构、电气图形符号和内部载流子的流动,a),内部结构断面示意图,b),电气图形符号,c),内部载流子的流动,+,表示高掺杂浓度，,-,表示低掺杂浓度,75,/89,2.4.2,电力晶体管,空穴流,电,子,流,c),E,b,E,c,i,b,i,c,=,b,i,b,i,e,=(1+,b,),i,b,图,2-16 c),内部载流子的流动,在应用中，,GTR,一般采用共发射极接法。集电极电流,i,c,与基极电流,i,b,之比为,称为,GTR,的,电流放大系数,，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流,I,ceo,时，,i,c,和,i,b,的关系为,单管,GTR,的,值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为,10,左右，采用,达林顿接法,可以有效地增大电流增益。,(2-9),(2-10),76,/89,2.4.2,电力晶体管,GTR,的基本特性,静态特性,在,共发射极,接法时的典,型输出特性分为,截止区,、,放,大区,和,饱和区,三个区域。,在电力电子电路中，,GTR,工作在,开关状态,，即工,作在,截止区,或,饱和区,。,在开关过程中，即在截,止区和饱和区之间过渡时，,一般要经过,放大区,。,截止区,放大区,饱和区,O,I,c,i,b3,i,b2,i,b1,i,b1,i,b2,i,b3,U,ce,图,2-17,共发射极接法时,GTR,的输出特性,77,/89,2.4.2,电力晶体管,动态特性,开通过程,需要经过延迟时间,t,d,和上升时间,t,r,，二者之和为开通时间,t,on,。,增大基极驱动电流,i,b,的幅值并增大,d,i,b,/d,t,，可以缩短,延迟时间,，同时也可以缩短,上升时间,，从而加快开通过程。,关断过程,需要经过储存时间,t,s,和下降时间,t,f,，二者之和为关断时间,t,off,。,减小导通时的,饱和深度,以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流,I,b2,的幅值和负偏压，可以缩短储存时间，从而加快关断速度。,GTR,的开关时间在,几微秒,以内，比晶闸管和,GTO,都短很多。,i,b,I,b1,I,b2,I,cs,i,c,0,0,90%,I,b1,10%,I,b1,90%,I,cs,10%,I,cs,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,t,t,off,t,s,t,f,t,on,t,r,t,d,图,2-18 GTR,的开通和关断过程电流波形,主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。,是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。,78,/89,2.4.3,电力场效应晶体管,分为,结型,和,绝缘栅型,，但通常主要指绝缘栅型中,的,MOS,型（,Metal Oxide Semiconductor FET,）,简,称电力,MOSFET,（,Power MOSFET,）。,电力,MOSFET,是用,栅极,电压来控制,漏极,电流的，它的特点,有：,驱动电路简单，需要的驱动功率小。,开关速度快，工作频率高。,热稳定性优于,GTR,。,电流容量小，耐压低，多用于功率不超过,10kW,的电力电子装置。,79,/89,2.4.3,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的结构和工作原理,电力,MOSFET,的种类,按导电沟道可分为,P,沟道和,N,沟道。,当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为,耗尽型,。,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的称为,增强型,。,在电力,MOSFET,中，主要是,N,沟道增强型,。,80,/89,2.4.3,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的结构,是,单极,型晶体管。,结构上与小功率,MOS,管有较大区别，小功率,MOS,管是,横向,导电器件，而目前电力,MOSFET,大都采用了,垂直,导电结构，所以又称为,VMOSFET,（,Vertical MOSFET,），这大大提高了,MOSFET,器件的,耐压,和,耐电流,能力。,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,（,Vertical V-groove MOSFET,）,和具有垂直导电双扩散,MOS,结构的,DMOSFET,（,Vertical Double-diffused MOSFET,）,。,电力,MOSFET,也是,多元集成,结构。,图,2-20,电力,MOSFET,的结构 和电气图形符号,内部结构断面示意图,b),电气图形符号,81,/89,2.4.3,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的工作原理,截止：当,漏源,极间接正电压，,栅极,和,源极,间电压为,零,时，,P,基区与,N,漂移区之间形成的,PN,结,J,1,反偏,，漏源极之间,无电流流过。,导通,在,栅极,和,源极,之间加一,正电压,U,GS,，正电压会将其下面,P,区中的空穴推开，而将,P,区中的少子,电子吸引到栅极下面的,P,区表面。,当,U,GS,大于某一电压值,U,T,时，使,P,型半导体反型成,N,型半导体，该,反型层,形成,N,沟道而使,PN,结,J,1,消失，漏极和源极导电。,U,T,称为,开启电压（或阈值电压）,，,U,GS,超过,U,T,越多，导电能力越强，漏极电流,I,D,越大。,82,/89,电力,MOSFET,的基本特性,静态特性,转移特性,指漏极电流,I,D,和栅源间电压,U,GS,的关系，反映了输入电压和输 出电流的关系 。,I,D,较大时，,I,D,与,U,GS,的关系近似 线性，曲线的斜率被定义为,MOSFET,的,跨导,G,fs,，即,2.4.3,电力场效应晶体管,图,2-21,电力,MOSFET,的,转移特性和输出特性,a),转移特性,(2-11),是电压控制型器件，其输入阻,抗极高，输入电流非常小。,83,/89,2.4.3,电力场效应晶体管,输出特性,是,MOSFET,的,漏极,伏安特性。,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,（对应于,GTR,的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时