电力电子技术课本文档格式.docx

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电力电子装置与传统的以机械式开关操作的设备相比，具有动态响应快，控制方便、灵活的特点，能够显著地改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降低运行风险、节约运行成本方面具有很大的潜力。

最近，电力系统的研究发展的热点—灵活交流输电系统就是以电力电子技术在电力系统的应用为主要的技术手段，以改进和提高电力系统的可控性和灵活性为主要目的的。

各种用户的特制电力供电方式也离不开电力电子技术。

第一章电力电子器件

1．1概述

电力电子器件与普通半导体器件一样，目前它所采用的主要材料仍然是单晶硅，但由于电压等级和功率要求不一样，制造工艺也有所不同。

以开关方式应用于主电路之中，对电能进行变换和控制的半导体器件称为电力电子器件。

其主要特点为：

（1）电力电子器件具有体积小、质量轻、寿命长、耗电省、耐振性好等优点。

（2）与用于电力电子电路的半导体器件相比，由于电力电子器件直接用于电力电路，所以承受电压、电流的能力是它的重要参数，提高它所能处理电功率的能力是电力电子器件制造和应用的首要问题。

（3）电力电子器件一般都工作在开关状态，目的是为了减少本身的损耗，高效地完成对电能的变换与控制。

（4）实际应用中，电力电子器件还需要控制电路、驱动电路以及必要的散热措施等，才能构成一个完整的电力电子系统。

近50年来，电力电子器件经历了非常迅猛的发展，从大功率电力二极管、半控型器件晶闸管到导通关断都可控的全控型器件，从驱动功率较大的电流控制器件到驱动功率很小的电压控制器件，从低频开关倒高频开关，从低压小功率到高压大功率，各种电力电子器件如表1所示，对其可从以下三个角度进行分类。

表1各种类型的电力电子器件

类型

名称

中文名称

英文名称

分

立

器

件

不可控器件

电力二极管

PowerDiode

半控型器件

晶闸管（可控硅）

Thyristor（SCR）

全控型器件

电流控制器件

电力晶体管（双极型晶体管）

GTR（BJT）

门极可关断晶闸管

GTO

电压控制器件

电力场效应晶体管

PowerMOSFET

绝缘栅双极型晶体管

IGBT

场控晶体管

MCT

静电感应晶体管

SIT

静电感应晶闸管

SITH

功率模块

PowerModule

集成

模块

单片集成模块

SystemonaChip

智能功率模块

IPM

1．2电力二极管

电力二极管（PowerDiode）通常也被称为半导体整流管（SemiconductorRectifier—SR）或者电力整流管，在20世纪50年代初期获得应用，成为出现最早、结构最简单的电力电子器件，至今仍广泛应用于各种电力电子设备中。

具有单向导电特性的二极管在不同的电路中起着不同的作用，例如在交流—直流变换中作为整流器件，在电感滤波及具有电感元件的电路中作为续流元件，在晶闸管逆变电路中作为反向充电和能量传输元件，在各类变换器中作为隔离、箝位、保护元件等。

由二极管的工作速度来决定，它的适应范围，如在共频整流电路中，基本上对二极管开关速度没有什么要求，而在高频变流器中就必须采用恢复时间短的二极管。

依次二极管可分为三类：

普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管。

如图1.1所示。

1．2．1普通二极管

普通二极管多用于1kHz以下的整流电路中，由于工作频率低，反向恢复时间并不重要，一般为25us左右。

电流定额由小于1A到树百安，电压等级从50V到高达5kHz.

1．2．2快恢复二极管

快恢复二极管也称为开关二极管，这类二极管的反向恢复时间通常小于5us，适用于高频下的斩波和逆变电路。

高于400V的快恢复二极管常用扩散法制造，用掺金或铂控制反向恢复时间tn的大小。

用外延法制造的二极管具有更快的开关速度，使恢复时间可低于50ns，叫做超快恢复二极管。

由于工艺上的差别它们的正向电压特性也略有不同。

1．2．3肖特基二极管

肖特基二极管是肖特基势垒二极管的简称，又称为面垒二极管，常用SBD表示。

SBD是通过金属与半导体接触而构成的。

当它们接触后，电子就从半导体向金属扩散，结果在半导体一侧形成空间电荷区、内电场和势垒。

金属和半导体之间的接触势垒就是肖特基势垒。

在外电压的作用下，SBD也表现出单向导电的特性。

但是，SBD在正向导通时，N型区中的电子是流到金属中而不是流到P型半导体中，因此不存在扩散电容的问题。

恢复时间仅是势垒电容的充放电时间。

其反向恢复时间远小于相同定额的结型二极管，而且反向恢复时间与反向di/dt无关，正向压降较小，漏电流较大，电压定额较低。

图1．1（a）普通二极管（b）快恢复二极管（b）肖特基二极管

（d）大功率二极管

1．3晶闸管

1．3．1普通晶闸管

普通晶闸管曾称为硅可控整流器，简称可控硅，为方便起见往往仍沿用SCR表示普通晶闸管。

SCR是具有四层PNPN结构、三端引出线的半导体器件，外形有两种形式：

螺栓形和平板形，如图1.2所示。

图1．2螺栓形和平板形晶闸管

在螺栓形晶闸管中，螺栓一端是阳极A，使用时将该端用螺母固定在散热器上；

另一端有两条引线：

粗引线是阴极K，细引线是门极G。

其散热是用两个互相绝缘的散热器把器件紧夹在中间，由于散热效果较好，容量较大的SCR都采用平板式结构。

晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图1.3所示。

图1．3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

如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1和V2组合而成的。

如果外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管V2的基极，即产生集电极电流IC2，它构成晶体管V1的基极电流，放大成集电极电流IC1，又进一步增大了V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。

此时如果撤掉外电路注入门极的电流IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。

而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。

所以，对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。

也正是由于通过其门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

1．3．2快速晶闸管（FastSwitchingThyrisor—FST）

快速晶闸管（如图1.4）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400kHz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。

由于对普通晶闸管的管芯结构和制造工艺进行了改进，快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt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妙，快速晶闸管为树十微妙，而高频晶闸管则为10us左右。

与普通晶闸管相比，高频晶闸管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。

图1．4快速晶闸管

1．3．3双向晶闸管（TRIAC）

双向晶闸管可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，它有两个主电极T1和T2，一个门极G。

门极使器件在主电极的正反方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅱ象限有对称的伏安特性。

双向晶闸管与一对反并联晶闸管相比是经济的，而且控制电路比较简单，所以在交流调压电路、固态继电器和交流电动机调速等领域应用比较多。

由于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表示其额定电流值。

1．3．4逆导晶闸管（RCT）

逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一关芯上的功率集成器件，这种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。

与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关段时间短、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。

逆导晶闸管的额定电流由两个，一个是晶闸管电流，一个是与之反并联的二极管的电流。

1．3．5光控晶闸管（LTT）

光控晶闸管又称触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。

小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子，大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。

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，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。

1．3．6门极可关断晶闸管GTO

普通晶闸管由于耐压高、电流大和相对较强的过载能力，在高压大功率领域将继续广泛应用。

但由于晶闸管是半控型器件，当用于斩波、无源逆变等直流输入电压的变流器中，就存在器件如何关断（即换流）这一突出问题。

为此必须附加强迫换流电路，使得装置复杂、笨重、效率低。

在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，在普通晶闸管基础上发展起来一种自关断电力电子器件—门极可关断晶闸管GTO。

GTO也可看作是晶闸管的派生器件，主要应用于大功率领域。

GTO的电压、电流容量比其他全控型器件大，但它的驱动电路技术难度大、价位高、使其推广受到限制。

GTO的结构和静态特性与普通晶闸管类似，也为PNPN四层半导体结构的三端器件，其电气符号与实物图如图1.5所示。

为便于实现门极控制关断，与SCR不同，GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含着数百个小GTO元。

这些小GTO元的阳极共有，阴极由数百个细长小条并联在一起，周围被门极所包围，以减小门极和阴极之间的距离，即阴极呈岛状结构。

阴极宽度越窄、门极与阴极距离越短，越有利于关断。

它们的门极、阴极单独引线，分别并联在一起。

组成一个GTO器件的所有GTO元特性应一致，否则先开通和后关断GTO元由于电流集中通过它们而烧毁。

图1．5（a）GTO电气符号（b）GTO实物照片

GTO的开通过程与晶闸管非常相似，也可采用如图3所示的双晶体管模型来分析。

为P1N1P2晶体管的共基极电流放大倍数，为N2P2N1晶体管的共基极电流放大倍数。

当时，两个晶体管均饱和导通而使GTO导通。

时的阳极电流为临界导通电流，定义为