第一章电力电子器件

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,西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心,(,PENEC,),制作,第1章第,*,页,1.7,电,电力电,子,子器件器,件,件的保护,1.7,电,电力电,子,子器件器,件,件的保护,1.7.1 过,电,电压的产,生,生及过电,压,压保护,1.7.2 过,电,电流保护,1.7.3 缓,冲,冲电路（SnubberCircuit）,1,1.7,电,电力电,子,子器件器,件,件的保护,1.7.1,过电压的,产,产生及过,电,电压保护,电力电子,装,装置可能,的,的过电压,外因过电,压,压和内因,过,过电压,外因过电,压,压,主要来自,雷,雷击和系,统,统中的操,作,作过程等,外,外因,(1)操作过电,压,压：由分,闸,闸、合闸,等,等开关操,作,作引起,(2)雷击过电,压,压：由雷,击,击引起,内因过电,压,压,主要来自,电,电力电子,装,装置内部,器,器件的开,关,关过程,(1)换相过电,压,压：晶闸,管,管或与全,控,控型器件,反,反并联的,二,二极管在,换,换相结束,后,后不能立,刻,刻恢复阻,断,断，因而,有,有较大的,反,反向电流,流,流过，当,恢,恢复了阻,断,断能力时,，,，该反向,电,电流急剧,减,减小，会,由,由线路电,感,感在器件,两,两端感应,出,出过电压,(2)关断过电,压,压：全控,型,型器件关,断,断时，正,向,向电流迅,速,速降低而,由,由线路电,感,感在器件,两,两端感应,出,出的过电,压,压,2,1.7.1 过,电,电压的产,生,生及过电,压,压保护,过电压保,护,护措施,图1-34过电,压,压抑制措,施,施及配置,位,位置,F,避雷器D,变压器静,电,电屏蔽层C,静电感应,过,过电压抑,制,制电容,RC,1,阀侧浪涌,过,过电压抑,制,制用RC,电,电路RC,2,阀侧浪涌,过,过电压抑,制,制用反向,阻,阻断式RC电路,RV,压敏电阻,过,过电压抑,制,制器RC,3,阀器件换,相,相过电压,抑,抑制用RC电路,RC,4,直流侧RC抑制电,路,路RCD,阀器件关,断,断过电压,抑,抑制用RCD电路,电力电子,装,装置可视,具,具体情况,只,只采用其,中,中的几种,其中RC,3,和RCD,为,为抑制内,因,因过电压,的,的措施，,属,属于缓冲,电,电 路,范,范畴,3,1.7.1 过,电,电压的产,生,生及过电,压,压保护,外因过电,压,压抑制措,施,施中，RC过电压,抑,抑制电路,最,最为常见,，,，典型联,结,结方式见,图,图1-35,RC过电,压,压抑制电,路,路可接于,供,供电变压,器,器的两侧,（,（供电网,一,一侧称网,侧,侧，电力,电,电子电路,一,一侧称阀,侧,侧），或,电,电力电子,电,电路的直,流,流侧,图1-35RC过,电,电压抑,制,制电路,联,联结方,式,式,a),单,单相b),三,三相,4,1.7.1,过,过电,压,压的产,生,生及过,电,电压保,护,护,大容量,电,电力电,子,子装置,可,可采用,图,图1-36所,示,示的反,向,向阻断,式,式RC,电,电路,图1-36,反,反向阻,断,断式过,电,电压抑,制,制用RC电路,保护电,路,路参数,计,计算可,参,参考相,关,关工程,手,手册,其他措,施,施：用,雪,雪崩二,极,极管、,金,金属氧,化,化物压,敏,敏电阻,、,、硒堆,和,和转折,二,二极管,（,（BOD）等,非,非线性,元,元器件,限,限制或,吸,吸收过,电,电压,5,1.7.2,过,过电,流,流保护,过电流,过,载,载和短,路,路两种,情,情况,常用措,施,施（图1-37）,快速熔,断,断器、,直,直流快,速,速断路,器,器和过,电,电流继,电,电器,同时采,用,用几种,过,过电流,保,保护措,施,施，提,高,高可靠,性,性和合,理,理性,电子电,路,路作为,第,第一保,护,护措施,，,，快熔,仅,仅作为,短,短路时,的,的部分,区,区段的,保,保护，,直,直流快,速,速断路,器,器整定,在,在电子,电,电路动,作,作之后,实,实现保,护,护，过,电,电流继,电,电器整,定,定在过,载,载时动,作,作,图1-37,过,过电流,保,保护措,施,施及配,置,置位置,6,1.7.2,过,过电,流,流保护,快速熔,断,断器,电力电,子,子装置,中,中最有,效,效、应,用,用最广,的,的一种,过,过电流,保,保护措,施,施,选择快,熔,熔时应,考,考虑：,(1),电,电压等,级,级根据,熔,熔断后,快,快熔实,际,际承受,的,的电压,确,确定,(2),电,电流容,量,量按其,在,在主电,路,路中的,接,接入方,式,式和主,电,电路联,结,结形式,确,确定,(3),快,快熔的,I,2,t,值应小,于,于被保,护,护器件,的,的允许,I,2,t,值,7,1.7.2,过,过电,流,流保护,(4),为,为保证,熔,熔体在,正,正常过,载,载情况,下,下不熔,化,化，应,考,考虑其,时,时间,电流特,性,性,快熔对,器,器件的,保,保护方,式,式：全,保,保护和,短,短路保,护,护两种,全保护,：,：过载,、,、短路,均,均由快,熔,熔进行,保,保护，,适,适用于,小,小功率,装,装置或,器,器件裕,度,度较大,的,的场合,短路保,护,护方式,：,：快熔,只,只在短,路,路电流,较,较大的,区,区域起,保,保护作,用,用,对重要,的,的且易,发,发生短,路,路的晶,闸,闸管设,备,备，或,全,全控型,器,器件（,很,很难用,快,快熔保,护,护），,需,需采用,电,电子电,路,路进行,过,过电流,保,保护,常在全,控,控型器,件,件的驱,动,动电路,中,中设置,过,过电流,保,保护环,节,节，响,应,应最快,8,1.7.3,缓,缓冲,电,电路（Snubber Circuit,）,）,缓冲电,路,路,（,吸收电,路,路）：,抑制器,件,件的内,因,因过电,压,压、,d,u,/d,t,、过电,流,流和,d,i,/d,t,，减小,器,器件的,开,开关损,耗,耗,关断缓,冲,冲电路,（,（d,u,/d,t,抑制电,路,路）,吸收,器,器件的,关,关断过,电,电压和,换,换相过,电,电压，,抑,抑制d,u,/d,t,，减小,关,关断损,耗,耗,开通缓,冲,冲电路,（,（,d,i,/d,t,抑制电,路,路）,抑制,器,器件开,通,通时的,电,电流过,冲,冲和,d,i,/d,t,，减小,器,器件的,开,开通损,耗,耗,将关断,缓,缓冲电,路,路和开,通,通缓冲,电,电路结,合,合在一,起,起,复,复合缓,冲,冲电路,其他分,类,类法：,耗,耗能式,缓,缓冲电,路,路和馈,能,能式缓,冲,冲电路,（,（无损,吸,吸收电,路,路）,通常将,缓,缓冲电,路,路专指,关,关断缓,冲,冲电路,，,，将开,通,通缓冲,电,电路叫,做,做,d,i,/d,t,抑制电,路,路,9,1.7.3,缓,缓冲,电,电路（Snubber Circuit,）,）,缓冲电,路,路作用,分,分析,无缓冲,电,电路：,V开通,时,时电流,迅,迅速上,升,升，,d,i,/d,t,很大,关断时,d,u,/d,t,很大，,并,并出现,很,很高的,过,过电压,有缓冲,电,电路,V开通时：,C,s,通过,R,s,向V放电，,使,使,i,C,先上一个台,阶,阶，以后因,有,有,L,i,，,i,C,上升速度减,慢,慢,V关断时：,负,负载电流通,过,过VD,s,向,C,s,分流，减轻,了,了V的负担,，,，抑制了d,u,/d,t,和过电压,图1-38d,i,/d,t,抑制电路和,充,充放电型RCD缓冲电,路,路及波形,a) 电,路,路b) 波,形,形,10,1.7.3,缓,缓冲电,路,路（SnubberCircuit）,关断时的负,载,载曲线,无缓冲电路,时,时：,u,CE,迅速升，,L,感应电压使VD通，负,载,载线从A移,到,到B，之后,i,C,才下降到漏,电,电流的大小,，,，负载线随,之,之移到C,有缓冲电路,时,时：,C,s,分流使,i,C,在,u,CE,开始上升时,就,就下降，负,载,载线经过D,到,到达C,负载线ADC安全，且,经,经过的都是,小,小电流或小,电,电压区域，,关,关断损耗大,大,大降低,图1-39,关,关断时的,负,负载线,11,1.7.3,缓,缓冲电,路,路（SnubberCircuit）,充放电型RCD缓冲电,路,路（图1-38），适用于,中,中等容量的,场,场合,图1-40,示,示出另两种,，,，其中RC,缓,缓冲电路主,要,要用于小容,量,量器件，而,放,放电阻止型RCD缓冲,电,电路用于中,或,或大容量器,件,件,图1-40,另,另外两种,常,常用的缓冲,电,电路,a)RC,吸,吸收电路b)放电,阻,阻止型RCD吸收电路,12,1.7.3,缓,缓冲电,路,路（SnubberCircuit）,缓冲电路中,的,的元件选取,及,及其他注意,事,事项,C,s,和,R,s,的取值可实,验,验确定或参,考,考工程手册,VD,s,必须选用快,恢,恢复二极管,，,，额定电流,不,不小于主电,路,路器件的1/10,尽量减小线,路,路电感，且,选,选用内部电,感,感小的吸收,电,电容,中小容量场,合,合，若线路,电,电感较小，,可,可只在直流,侧,侧设一个,d,u,/d,t,抑制电路,对IGBT,甚,甚至可以仅,并,并联一个吸,收,收电容,晶闸管在实,用,用中一般只,承,承受换相过,电,电压，没有,关,关断过电压,，,，关断时也,没,没有较大的,d,u,/d,t,，一般采用RC吸收电,路,路即可,13,1.8,电,电力电子器,件,件器件的串,联,联和并联使,用,用,1.8.1,晶闸管的串,联,联,1.8.2,晶,晶闸管,的,的并联,1.8.3,电,电力MOSFET,和,和IGBT,并,并联运行的,特,特点,14,1.8.1,晶闸管的串,联,联,目的,：当晶闸管,额,额定电压小,于,于要求时，,可,可以串联,问题,：理,想,想串,联,联希,望,望器,件,件分,压,压相,等,等，,但,但因,特,特性,差,差异,，,，使,器,器件,电,电压,分,分配,不,不均,匀,匀,静态,不,不均,压,压：,串,串联,的,的器,件,件流,过,过的,漏,漏电,流,流相,同,同，,但,但因,静,静态,伏,伏安,特,特性,的,的分,散,散性,，,，各,器,器件,分,分压,不,不等,承受,电,电压,高,高的,器,器件,首,首先,达,达到,转,转折,电,电压,而,而导,通,通，,使,使另,一,一个,器,器件,承,承担,全,全部,电,电压,也,也导,通,通，,失,失去,控,控制,作,作用,反向,时,时，,可,可能,使,使其,中,中一,个,个器,件,件先,反,反向,击,击穿,，,，另,一,一个,随,随之,击,击穿,1.8,电,电,力,力电,子,子器,件,件器,件,件的,串,串联,和,和并,联,联使,用,用,15,1.8.1,晶,晶,闸,闸管,的,的串,联,联,静态,均,均压,措,措施,选用,参,参数,和,和特,性,性尽,量,量一,致,致的,器,器件,采用,电,电阻,均,均压,，,R,p,的阻,值,值应,比,比器,件,件阻,断,断时,的,的正,、,、反,向,向电,阻,阻小,得,得多,图1-41,晶,晶闸,管,管的,串,串联,a),伏,伏,安,安特,性,性差,异,异b),串,串,联,联均,压,压措,施,施,16,1.8.1,晶,晶,闸,闸管,的,的串,联,联,动态,均,均压,措,措施,动态,不,不均,压,压,由,于,于器,件,件动,态,态参,数,数和,特,特性,的,的差,异,异造,成,成的,不,不均,压,压,动态,均,均压,措,措施,：,：,选择,动,动态,参,参数,和,和特,性,性尽,量,量一,致,致的,器,器件,用RC并,联,联支,路,路作,动,动态,均,均压,采用,门,门极,强,强脉,冲,冲触,发,发可,以,以显,著,著减,小,小器,件,件开,通,通时,间,间,上,上的,差,差异,17,1.8.2,晶,晶,闸,闸管,的,的并,联,联,目的,：多,个,个器,件,件并,联,联来,承,承担,较,较大,的,的电,流,流,问题,：会,分,分别,因,因静,态,态和,动,动态,特,特性,参,参数,的,的差,异,异而,电,电流,分,分配,不,不均,匀,匀,均流,措,措施,挑选,特,特性,参,参数,尽,尽量,一,一致,的,的器,件,件,采用,均,均流,电,电抗,器,器,用门,极,极强,脉,脉冲,触,触发,也,也有,助,助于,动,动态,均,均流,当需,要,要同,时,时串,联,联和,并,并联,晶,晶闸,管,管时,，,，通,常,常采,用,用先,串,串后,并,并的,方,方法,联,联接,18,1.8.3,电,电,力,力MOSFET和IGBT,并,并联,运,运行,的,的特,点,点,电力MOSFET,并,并联,运,运行,的,的特,点,点,R,on,具有,正,正温,度,度系,数,数，,具,具有,电,电流,自,自动,均,均衡,的,的能,力,力，,容,容易,并,并联,注意,选,选用,R,on,、,U,T,、,G,fs,和,C,iss,尽量,相,相近,的,的器,件,件并,联,联,电路,走,走线,和,和布,局,局应,尽,尽量,对,对称,可在,源,源极,电,电路,中,中串,入,入小,电,电感,起,到,到均,流,流电,抗,抗器,的,的作,用,用,IGBT,并,并联,运,运行,的,的特,点,点,在1/2,或,或1/3,额,额定,电,电流,以,以下,的,的区,段,段，,通,通态,压,压降,具,具有,负,的温,度,度系,数,数,在以,上,上的,区,区段,则,则具,有,有,正,温度,系,系数,并联,使,使用,时,时也,具,具有,电,电流,的,的自,动,动均,衡,衡能,力,力，,易,易于,并,并联,19,本章,小,小结,主要,内,内容,全面,介,介绍,各,各种,主,主要,电,电力,电,电子,器,器件,的,的基,本,本结,构,构、,工,工作,原,原理,、,、基,本,本特,性,性和,主,主要,参,参数,等,等,集中,讨,讨论,电,电力,电,电子,器,器件,的,的驱,动,动、,保,保护,和,和串,、,、并,联,联使,用,用,电力,电,电子,器,器件,类,类型,归,归纳,单极,型,型：,电,电力MOSFET,和,和SIT,图1-42,电,电力电,子,子器件,分,分类“,树,树”,20,本章小,结,结,双极型,：电力,二,二极管,、,、晶闸,管,管、GTO、GTR,和,和SITH,复合型,：IGBT和MCT,电压驱,动,动型,：单极,型,型器件,和,和复合,型,型器件,，,，双极,型,型器件,中,中的SITH,特点：,输,输入阻,抗,抗高，,所,所需驱,动,动功率,小,小，驱,动,动电路,简单，,工,工作频,率,率高,电流驱,动,动型,：双极,型,型器件,中,中除SITH,外,外,特点：,具,具有电,导,导调制,效,效应，,因,因而通,态,态压降,低,低，导,通损耗,小,小，但,工,工作频,率,率较低,，,，所需,驱,驱动功,率大,驱,驱动电,路,路较复,杂,杂,21,本章小,结,结,当前的,格,格局:,IGBT,为主体,，,，第四,代,代产品,，,，制造,水,水平2.5kV /1.8kA,，,，兆瓦,以,以下首,选,选。不,断,断发展,，,，与IGCT,等,等新器,件,件激烈,竞,竞争，,试,试图在,兆,兆瓦以,上,上取代GTO,GTO,：兆瓦,以,以上首,选,选，制,造,造水平6kV/6kA,光控晶,闸,闸管,：功率,更,更大场,合,合，8kV/ 3.5kA，装,置,置最高,达,达300MVA，容,量,量最大,电力MOSFET,：长足,进,进步，,中,中小功,率,率领域,特,特别是,低,低压，,地,地位牢,固,固,22,图1-1,电,电力电,子,子器件,在,在实际,应,应用中,的,的系统,组,组成,返回,23,图1-2,电,电力二,极,极管的,外,外形、,结,结构和,电,电气图,形,形符号,外形,结构,电气图,形,形符号,返回,24,图1-3PN结,的,的形成,返回,25,图1-4,电,电力二,极,极管的,伏,伏安特,性,性,返回,26,图1-5,电,电力二,极,极管的,动,动态过,程,程波形,正向偏,置,置转换,为,为反向,偏,偏置,零偏置,转,转换为,正,正向偏,置,置,返回,27,图1-6,晶,晶闸管,的,的外形,、,、结构,和,和电气,图,图形符,号,号,外形,结构,电气图,形,形符号,返回,28,图1-7,晶,晶闸管,的,的双晶,体,体管模,型,型及其,工,工作原,理,理,双晶体,管,管模型,工作原,理,理,返回,29,图1-8,晶,晶闸管,的,的伏安,特,特性,I,G2,I,G1,I,G,返回,30,图1-9,晶,晶闸管,的,的开通,和,和关断,过,过程波,形,形,返回,31,图1-10,双,双向,晶,晶闸管,的,的电气,图,图形符,号,号和伏,安,安特性,电气图,形,形符号,伏安,特,特性,返回,32,图1-11,逆,逆,导,导晶,闸,闸管,的,的电,气,气图,形,形符,号,号和,伏,伏安,特,特性,电气,图,图形,符,符号,伏安,特,特性,返回,33,图1-12 光,控,控晶闸管,的,的电气图,形,形符号和,伏,伏安特性,电气图形,符,符号,伏安特性,返回,34,图1-13 GTO的内,部,部结构和,电,电气图形,符,符号,c) 电,气,气图形符,号,号,a)各单元的,阴,阴极,、,门极间隔,排,排列的图,形,形,b)并联单元,结,结构断面,示,示意图,返回,35,图1-14 GTO的开,通,通和关断,过,过程电流,波,波形,返回,36,图1-15 GTR的结,构,构、电气,图,图形符号,和,和内部载,流,流子的流,动,动,内部结构,断,断,面示意图,电气图形,符号,内部载流,子,子,的流动,返回,37,图1-16 共,发,发射极接,法,法时GTR的输出,特,特性,返回,38,图1-17 GTR的开,通,通和关断,过,过程电流,波,波形,返回,39,图1-18 GTR的安,全,全工作区,返回,40,图1-19 电,力,力MOSFET的,结,结构和电,气,气图形符,号,号,内部结构,断,断面示意,图,图,电气图形,符,符号,返回,41,图1-20 电,力,力MOSFET的,转,转移特性,和,和输出特,性,性,转移特性,输出特性,返回,42,图1-21 电,力,力MOSFET的,开,开关过程,测试电路,开关过程,波,波形,u,p,脉冲信,号,号源，R,s,信号源,内,内阻，,返回,R,G,栅极电,阻,阻，R,L,负载电,阻,阻，R,F,检测漏,极,极电流,43,图1-22 IGBT的,结,结构、简,化,化等效电,路,路和电气,图,图形符号,返回,内部结构,断,断面,示意图,简化等,效电路,电气图形,符号,44,图1-23IGBT的转移特,性,性和输出特,性,性,转移特性,输出特性,返回,45,图1-24IGBT的开关过,程,程,返回,46,图1-25,光,光耦合,器,器的类型及,接,接法,普通型高速型高传输比型,返回,47,图1-26,理,理想的晶,闸,闸管触发脉,冲,冲电流波形,t,1,t,2,脉冲前沿上,升,升时间（1,s）t,1,t,3,强脉冲宽度,I,M,强脉冲幅值,（,（3I,GT,5I,GT,）t,1,t,4,脉冲宽度,I,脉冲平顶幅,值,值（1.5I,GT,2I,GT,）,返回,48,图1-27,常,常见的,晶,晶闸管触发,电,电路,返回,49,图1-28,推,推荐的GTO门极电,压,压电流波形,返回,50,图1-29,典,典型的直,接,接耦合式GTO驱动电,路,路,返回,51,图1-30,理,理想的GTR基极驱,动,动电流波形,返回,52,图1-31GTR的,一,一种驱动电,路,路,返回,53,图1-32,电,电力MOSFET的,一,一种驱动电,路,路,返回,54,图1-33M57962L型IGBT驱动,器,器的原理和,接,接线图,返回,55,图1-34,过,过电压抑,制,制措施及配,置,置位置,F,避雷器D,变压器静电,屏,屏蔽层C,静电感应过,电,电压抑制电,容,容,RC,1,阀侧浪涌过,电,电压抑制用RC电路,RC,2,阀侧浪涌过,电,电压抑制用,反,反向阻断式RC电路,RV,压敏电阻过,电,电压抑制器RC,3,阀器件换相,过,过电压抑制,用,用RC电路,RC,4,直流侧RC,抑,抑制电路RCD,阀器件关断,过,过电压抑制,用,用RCD电,路,路,返回,56,图1-35RC过电,压,压抑制电路,联,联结方式,单相,三相,返回,57,图1-36,反,反向阻断,式,式过电压抑,制,制用RC电,路,路,返回,58,图1-37,过,过电流保,护,护措施及配,置,置位置,返回,59,图1-38di/dt抑制电路,和,和充放电型RCD缓冲,电,电路及波形,电路,波形,返回,60,图1-39,关,关断时的,负,负载线,返回,61,图1-40,另,另外两种,常,常用的缓冲,电,电路,放电阻止型,吸收电路,RC吸收电,路,路,返回,62,图1-41,晶,晶闸管的,串,串联,伏安特性差,异,异,串联均压措,施,施,返回,63,图1-42,电,电力电子,器,器件分类“,树,树”,64,