第二章 电力电子器件概述 首 页 2.1 简介 2.7 门极可关断晶闸管 2.2 二极管 2.8 绝缘栅双极晶体管 2.3 晶闸管

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1 第二章 电力电子器件概述 首 页 2.1 简介 2.7 门极可关断晶闸管 2.2 二极管 2.8 绝缘栅双极晶体管 2.3 晶闸管
2.9 MOS控制晶闸管 2.4 可控开关的理想特征 2.10 可控开关的比较 2.5 双极结晶体管和达林顿管 2.11 驱动和缓冲电路 2.6 电力场效应晶体管 2.12 半导体功率器件选择 首 页

2 第二章电力电子器件概述 本章重点 电力电子器件的类型 电力电子器件的外部特性 电力电子器件的电压、电流和开关速度能力 返回 下 页

3 2.1 简介 看作 理想开关 功率半导体器件 功率半导体器件类型 ： 导通和关断状态由电路潮流决定。 电力二极管
第二章电力电子器件概述 2.1 简介 看作 理想开关 功率半导体器件 功率半导体器件类型 ： 导通和关断状态由电路潮流决定。 电力二极管 器件承受正向电压时由控制信号控制器件的导通，关断状态由电路潮流决定。 晶闸管 返 回 上 页 下 页

4 第二章电力电子器件概述 由控制信号控制器件的导通和关断。 可控开关 不可控型 半可控型 全控型 功率半导体器件 返 回 上 页 下 页

5 2.2 二极管 理想化的伏安特性用来分析变流器拓扑结构很有用，但不能应用于实际设计。 第二章电力电子器件概述 iD UD iD UP（I）
iD UP（I） Urated A K + UD - iD 反向 截至区 理想化的伏安特性用来分析变流器拓扑结构很有用，但不能应用于实际设计。 返 回 上 页 下 页

6 此时间内的电流反方向流动。反向电流不会影 响换流器的输入输出特性。因此，仍然认为二 极管是理想关断的。
第二章电力电子器件概述 二极管处于通态时，开通 速度很快，可当作理想开 关。 二极管处于断态时，在电 流下降到零之前，有一个 电流反向恢复时间trr，在 此时间内的电流反方向流动。反向电流不会影 响换流器的输入输出特性。因此，仍然认为二 极管是理想关断的。 Qrr trr IRM t iD 返 回 上 页 下 页

7 肖特基二极管：多用于正向压降较低(一般是0.3V) 的低压输出电路。
第二章电力电子器件概述 几种常用的电力二极管: 肖特基二极管：多用于正向压降较低(一般是0.3V) 的低压输出电路。 快恢复二极管：多用于带有可控开关且反向恢复时间较短的高频电路中。 线频二极管：用于阻断电压额定值是几千伏，阻断电流额定值是几千安的电路中，也可以通过级联和并联满足不同的电压和电流的需要。 返 回 上 页 下 页

8 2.3 晶闸管 第二章电力电子器件概述 A K + UAK - iG iA G 反向 击穿区 截止区 反向截止电压 正向截止电压 截止状态
导通状态 UAK iA iA 导通状态 反向截止 正向截止 UAK 从截止到导通 返 回 上 页 下 页

9 晶闸管一旦开始导通，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。
第二章电力电子器件概述 晶闸管一旦开始导通，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。 通过外电路使阳极电流反向，并且降到接近于零的某一数值, 使已导通的晶闸管关断。 当晶闸管承受正向电压时，门极触发电流在某个时间再次控制晶闸管触发导通。 返 回 上 页 下 页

10 反向偏压低于反向击穿电压时，只有极小的漏 电流流过晶闸管。
第二章电力电子器件概述 反向偏压低于反向击穿电压时，只有极小的漏 电流流过晶闸管。 晶闸管的正反向阻断电压额定值是相等。 晶闸管的电流额定值，根据用途的不同，分为最大值和平均值两种。 分析变流器拓扑结构时，同二极管相似。 返 回 上 页 下 页

11 电路换向恢复时间 第二章电力电子器件概述 R iA iA trr + US - + UAK - t iG tq t UAK US UAK
trr US tq UAK iA t T 2 电路换向恢复时间 返 回 上 页 下 页

12 主要用于线频电压和电流整流。可承受较高的电压和电流，且通态压降较小。
第二章电力电子器件概述 几种常用的晶闸管: 1．相控晶闸管（换流晶闸管） 主要用于线频电压和电流整流。可承受较高的电压和电流，且通态压降较小。 2．逆变晶闸管 通态电压较低，且关断时间tq较短。 3．光控晶闸管 通过一定的波长的光照信号来触发晶闸管，主要用于高压线路中 返 回 上 页 下 页

13 2.4 可控开关的理想特性 通过控制端的控制信号来控制其导通和关断 可控开关 开关断开时，没有电流流过
第二章电力电子器件概述 2.4 可控开关的理想特性 可控开关 BJT MOSFET GTO IGBT 通过控制端的控制信号来控制其导通和关断 开关断开时，没有电流流过 开关闭合时，电流只能按箭头所指方向流过 + UT- iT 返 回 上 页 下 页

14 关断时，不论正反向阻断电压有多高，都没有电流流过该器件。 导通时，压降为零，此时可传导任意大的电流。
第二章电力电子器件概述 理想可控开关的特性 关断时，不论正反向阻断电压有多高，都没有电流流过该器件。 导通时，压降为零，此时可传导任意大的电流。 该器件一旦被触发，立即从导通状态到关断状态，反之亦然。 该器件只需很小的电能就能触发。 半导体功率器件必然有能量损耗，要尽量控制这些器件的能量损耗。 返 回 上 页 下 页

15 当开关闭合，电流全部流过开关，二极管反向偏置。
第二章电力电子器件概述 当开关闭合，电流全部流过开关，二极管反向偏置。 当开关断开时，I0流过二极管，有一个等同与输入电压Ud的电压加在二极管上。 ideal + UT - Io + - Ud iT 理想二极管被认为是零压降 返 回 上 页 下 页

16 当开关处于断态时，正向控制信号将使其导通。电流上升包括较短的延迟时间td(on)和电流上升时间tri。
第二章电力电子器件概述 t td(on) Ud 开关控制信号 I0 on off tri Uon tfv Ts=1/fs ton 当开关处于断态时，正向控制信号将使其导通。电流上升包括较短的延迟时间td(on)和电流上升时间tri。 当电流I0全部通过开关后，二极管反向偏置，同时开关电压在电压下降时间tfv内下降到较小的通态电压Uon。 返 回 上 页 下 页

17 导通过程中器件的能量损耗可从图中进行估算：
第二章电力电子器件概述 t tc(on) Ud 开关控制信号 I0 on off Uon Wc(on) Won tri tfv ton Ts=1/fs 导通交叉时间段tc(on) 内： 导通过程中器件的能量损耗可从图中进行估算： 开关通态能量消耗Won可近似为： 返 回 上 页 下 页

18 开关关断期间，电压上升过程包括关断延迟时间td(off) 和电压上升时间trv。
第二章电力电子器件概述 td(off) trv tfi t Ud 开关控制信号 I0 on off Uon ton 开关关断期间，电压上升过程包括关断延迟时间td(off) 和电压上升时间trv。 电压达到Ud，二极管正向偏置传导电流。开关电流在电流下降时间tfi内下降到0，电流I0反向，并从二极管D中流过。 返 回 上 页 下 页

19 tc(off) trv tfi Wc(off) tc(on)
第二章电力电子器件概述 tc(off) trv tfi t Ud 开关控制信号 I0 on off Uon Ts=1/fs Wc(off) tc(on) PT(t) uT , iT 转换时段tc(off)内: 关断过程中的开关能量损耗可由下式表示： 导通和关断期间的瞬时开关能量损耗: 返 回 上 页 下 页

20 tc(off) trv tfi Wc(off) tc(on)
第二章电力电子器件概述 tc(off) trv tfi t Ud 开关控制信号 I0 on off Uon Ts=1/fs Wc(off) tc(on) PT(t) uT , iT 开关开通关断转换所致能量损耗可近似表示为： fs：开关频率 fs =1/Ts Ts：开关时间周期 半导体能量损耗随着开关频率和开关时间增加而线性增加。 返 回 上 页 下 页

21 tc(off) trv tfi Wc(off) tc(on) ton
第二章电力电子器件概述 开通损耗： tc(off) trv tfi t Ud 开关控制信号 I0 on off Uon Ts=1/fs Wc(off) tc(on) PT(t) uT , iT ton 可控开关断态时漏电流 较小，可忽略实际应用中 断态能量损耗,开关平均 能量损耗为: 开关的通态压降应尽可能小。 返 回 上 页 下 页

22 较低的通态压降Uon可减少通态能量损耗。 导通和关断转换时间较短，能够使器件在较高的开关频率下工作。
第二章电力电子器件概述 可控开关的特性 器件处于断态时，漏电流很小。 较低的通态压降Uon可减少通态能量损耗。 导通和关断转换时间较短，能够使器件在较高的开关频率下工作。 较好的正反向电压阻断能力使得不需要级联许多器件。 通态阻抗正的温度系数能够确保并联元件平均分配总电流。 返 回 上 页 下 页

23 只需要较小的电能来触发可控开关，这将简化控制电路的设计。
第二章电力电子器件概述 只需要较小的电能来触发可控开关，这将简化控制电路的设计。 在开关时，器件可同时承受额定电压和额定电流那么大的电压和电流。因此不需要外部电路保护装置。 可控开关可承受较大的电压电流变化率，因此可简化外部电路保护装置。 全控型器件还包括BJT、MOSFETs、GTO和IGBT 返 回 上 页 下 页

24 2.5 双极结晶体管和达林顿管 双极结晶体管 控制电路必须提供充分大的基极电流,才可使得器件完全导通。基极电流与集电极电流的关系：
第二章电力电子器件概述 2.5 双极结晶体管和达林顿管 双极结晶体管 uce off on iD + UCE - UBE E C B + iB iC 控制电路必须提供充分大的基极电流,才可使得器件完全导通。基极电流与集电极电流的关系： iB1 iB2 iB3 iB4 iB5 iB=0 uce I iD Uce(sat) hFE： 元件的直流电流增益 UCE(sat)：晶体管通态电压 通态时，基极电流必须持续保持。 返 回 上 页 下 页

25 对电压非常敏感，轻微的过电压UCE(sat)将导致达林顿晶体管损坏，且整体开关速度较慢。
第二章电力电子器件概述 达林顿晶体管 为得到更大的大功率晶体管直流电流增益。 B + iB + UCE - UBE E iC C B + iB UBE + UCE - E iC C 对电压非常敏感，轻微的过电压UCE(sat)将导致达林顿晶体管损坏，且整体开关速度较慢。 返 回 上 页 下 页

26 第二章电力电子器件概述 2.6 电力场效应晶体管（MOSFET） N沟道MOSFET是电压控制型器件，当栅-源极电压低于门槛电压UGS（th）时，类似近似断开的开关。 7V 6V 5V 4V UDS iD on off + iD UDS - UGS D S G uDs off on iD 返 回 上 页 下 页

27 MOSFET需要供给栅－源极大小合适的持续电压才能导通。
第二章电力电子器件概述 MOSFET的特性 MOSFET需要供给栅－源极大小合适的持续电压才能导通。 只有当MOSFET处在从开到关的转换过程中，或反过来从关到开的转换过程中，在栅沟道本征电容充放电时，栅极才会出现电流。 MOSFET的开关时间非常短，通常在几十纳秒到几百纳秒之间。 返 回 上 页 下 页

28 在正常运行范围内，MOSFET的漏极和源极之间的导通电阻会随着它承受的截止电压的增加而很快增加。
第二章电力电子器件概述 在正常运行范围内，MOSFET的漏极和源极之间的导通电阻会随着它承受的截止电压的增加而很快增加。 在每单元面积的基础上， MOSFET导通阻抗和所承受的额定截止电压BUDSS的关系可以表达为： 只有较低的电压等级器件才会有较低的导通阻抗和很小的传导损失。低电压时多选择MOSFET。 K: 取决于器件结构的常数 返 回 上 页 下 页

29 第二章电力电子器件概述 2.7 门极可关断晶闸管（GTO） GTO与晶闸管相同之处： GTO能够通过施加短期的门极脉冲电流而触发导通。一旦导通，就能维持这种导通状态而不再需要门极电流。 GTO与晶闸管不同之处：GTO可通过施加负的门—阴极电压而被关断，并因此引起大的负门极电流。 A K + UAK - iG iA G uAK off on iA Turn-off Turn-on Off-state uAK iA 返 回 上 页 下 页

30 在GTO电路中连接由电阻，电容，二极管组成的电路，使关断时的dv/dt减小。
第二章电力电子器件概述 在GTO电路中连接由电阻，电容，二极管组成的电路，使关断时的dv/dt减小。 A D K G C 门极 驱动 电路 R GTO t uAK iA 吸收电路 GTO可承受高电压和大电流，当需要开关频率不高，工作电压较高和大电流的情况下选用GTO。 返 回 上 页 下 页

31 2.8 绝缘栅双极晶体管（IGBT） IGBT与MOSFET、BJT和GTO的某些优点类似:
第二章电力电子器件概述 2.8 绝缘栅双极晶体管（IGBT） + iD UDS - UGS D S G C E uGS uDS iD iD uDS off on IGBT与MOSFET、BJT和GTO的某些优点类似: 如同MOSFET，输入阻抗高，开关器件能量很小。 同BJT一样，可承受较高电压，但导通压降很小。 与GTO类似，能够被设计承受一定的反向压降。 返 回 上 页 下 页

32 2.9 MOS控制晶闸管（MCT） MCT的优点： 比GTO的驱动电路更简单 比GTO的开关速度更快 比同等级IGBT的通态压降更低
第二章电力电子器件概述 2.9 MOS控制晶闸管（MCT） K P-MCT G A N-MCT Turn-off Turn-on uAK iA uAK off on iA MCT的优点： 比GTO的驱动电路更简单 比GTO的开关速度更快 比同等级IGBT的通态压降更低 返 回 上 页 下 页

33 2.10 可控开关的比较 可控开关器件的相关性质比较 器件 BJT/MD MOSFET GTO IGBT MCT 功率容量 中等 低 高
第二章电力电子器件概述 2.10 可控开关的比较 可控开关器件的相关性质比较 器件 BJT/MD MOSFET GTO IGBT MCT 功率容量 中等 低 高 开关速度 快 慢 返 回 上 页 下 页

34 第二章电力电子器件概述 电力半导体器件性能比较 返 回 上 页 下 页

35 2.11 驱动和缓冲电路 设计一个合理的换流电路时，重要的是在BJT、MOSFET、GTO或IGBT的栅极的基础上设计合理的驱动电路。
第二章电力电子器件概述 2.11 驱动和缓冲电路 设计一个合理的换流电路时，重要的是在BJT、MOSFET、GTO或IGBT的栅极的基础上设计合理的驱动电路。 缓冲电路可被划分成三种： 开通缓冲电路：使器件导通时的过电流最小化。 关断缓冲电路：使器件关断时的过电压最小化。 减压缓冲电路：修正器件开关波形，使器件在任 何时刻的电流电压不同时具有最大 值。 返 回 上 页 下 页

36 2.12 半导体功率器件的选择 器件特性和它们对选择过程的影响： 通态压降或导通电阻决定该器件的传导损失。
第二章电力电子器件概述 2.12 半导体功率器件的选择 器件特性和它们对选择过程的影响： 通态压降或导通电阻决定该器件的传导损失。 开关时间决定每次转换能量损失和开关频率能达到多高。 器件的额定电压、额定电流决定该器件的能量控制能力。 控制电路所需能量决定控制该器件的难易度。 器件导通阻抗温度系数决定它们并联使用的难易度。 器件的成本。 返 回 上 页 下 页

37 分析换流器拓扑结构时使用理想化器件特性的一般要求如下：
第二章电力电子器件概述 分析换流器拓扑结构时使用理想化器件特性的一般要求如下： 通常希望能量效率尽可能高，通态压降相对运行电压必须很小，在分析换流器特性时可以被忽略。 器件开关时间相对操作频率的时间必须很短，开关时间可被假设为瞬时。 相同的其它器件特性能被理想化。 设计换流器时，需比较各种器件的特性，在可靠性和适用范围的基础上比较换流器的拓扑结构。 返 回 上 页 下 页