第1章新型电力电子器件.ppt

1,第1章 电力电子器件,1.1 电力电子器件概述 1.2 典型电力电子器件的特性和参数 1.3 电力电子器件的应用,2,1.1 电力电子器件概述,电力电子器件：直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。,电力电子器件的分类,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET) 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。 不可控器件(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,3,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。 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂 电压驱动型（场控器件） 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。 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。,1.1 电力电子器件的概述,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,4,硅（多晶硅和单晶硅） 碳化硅、金刚石,1.1 电力电子器件的概述,按照芯片材料分为两类：,按照集成度分为三类：,分立型 功率模块 集成电路,5,1.1 电力电子器件的概述,按照器件内部电子和空穴参与导电的情况，分为三类：,单极型 由一种载流子参与导电的器件 双极型由电子和空穴两种载流子参与导电的器件 复合型由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,6,1.2.1 不可控器件电力二极管(Power Diode),1.2 典型电力电子器件,整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。 目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。 电力整流管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。,7,电力二极管的基本特性,1) 静态特性,门槛电压UTO,正向电压降UF,2) 动态特性,关断过程,开通过程,8,电力二极管的特点和应用,普通整流管的特点是：漏电流小、通态压降较高(1 01 8V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。 较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)是快恢复整流管的显著特点，但是它的通态压降却很高(1 64 0V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路二极管或阻塞二极管。,9,电力二极管的特点和应用,肖特基整流管兼有快的反向恢复时间(几乎为零)和低的通态压降(0.30.6V)的优点，不过其漏电流较大、耐压能力低， 常用于高频低压仪表和开关电源。 目前的研制水平为: 普通整流管(8000V/5000A/400Hz) 快恢复整流管(6000V/1200A/1000Hz) 肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。,10,1.2.2 半控器件晶闸管（Thyristor），又称可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）,普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频(400Hz以下)领域，运用由它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。不过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。目前水平为12kV/1kA和6500V/4000A。 在特大功率的工频开关应用中，晶闸管以其耐压高、通态压降小、通态功耗低而应用在高压直流输电（HVDC）、动态无功功率补偿、超大电流电解等场合占有优势。,11,1） 静态特性,晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,晶闸管的基本特性,100%,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,晶闸管的开通和关断过程波形,2） 动态特性,12,晶闸管的主要参数电压定额,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。,使用注意：,13,晶闸管的主要参数电流定额,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 。,14,晶闸管的主要参数动态参数,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。,15,晶闸管的派生器件,双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。正、负脉冲都可触发导通，因而其控制电路比较简单。其缺点是换向能力差、触发灵敏度低、关断时间较长，其水平已超过2000V/500A。 光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电(HVDC)、静止无功功率补偿(SVC)等领域。其研制水平大约为8000V/3600A。,16,晶闸管的派生器件,逆变晶闸管因具有较短的关断时间(1015s)而主要用于中频感应加热。在逆变电路中，它已让位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范围之内。 逆导晶闸管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。与普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。目前，国内有厂家生产3000V/900A的晶闸管。,17,1.2.3 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低(12kHz)。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流； GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。 目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势； 今后，它也必将在高压领域占有一席之地。,18,GTO的主要参数, 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。, 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。,（2） 关断时间toff,（1）开通时间ton,不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。,许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。,19,（3）最大可关断阳极电流IATO,（4） 电流关断增益off,off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。,GTO额定电流,最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益,（1-8）,GTO的主要参数,20,1.2.4 电力晶体管（Giant TransistorGTR）,GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。 它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。 GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。,21,1.2.5 电力场效应晶体管,功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的， 显著特点是驱动电路简单、驱动功率小； 仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最。没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。 功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置，适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合； 目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz,22,静态特性,电力MOSFET的基本特性,动态特性,23,电力MOSFET的主要参数,电力MOSFET电压定额,(1) 漏极电压UDS,(2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,(3) 栅源电压UGS, UGS20V将导致绝缘层击穿 。,除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：,(4) 极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,24,1.2.6 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身 由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。 目前，其研制水平已达4500V/1000A。,25,IGBT的基本特性,IGBT的转移特性和输出特性,转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th),输出特性 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。,(1) IGBT的静态特性,26,IGBT的开关过程,(2) IGBT的动态特性,27,IGBT的主要参数,(3) 最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗,(2) 最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。,(1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。,反向偏置安全工作区（RBSOA）,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。,正偏安全工作区（FBSOA）,28,1.2.7 其他新型电力电子器件,MOS控制晶闸管MCT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH 集成门极换流晶闸管IGCT,29,MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。 其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。 MCT具有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/ s 和2000V/ s。其工作结温亦高达150200。 已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。 随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。,1.2.7 MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合,30,1.2.8 功率模块与功率集成电路,将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC 功率集成电路还可以分为高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。 PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。,31,1.2. 8 功率模块与功率集成电路,HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成。电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。 SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。 IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。,32,1.3 电力电子器件的应用,分别从电流、电压和频率三方面来比较各种器件的应用范围,单管的输出功率与频率的关系,33,各种器件电压和电流的比较,功率损耗和工作频率的关系,34,当前器件应用的格局:,35,IGBT为主体，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首选 光控晶闸管：功率更大场合，8000kv以上 电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。 MCT：最具前途 功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。,当前器件应用的格局:,千伏级器件的发展趋势,