電力電子器件晶閘管課件

1）概念:電力電子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）

——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。4.1電力電子器件的概念電力電子器件能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。4.1電力電子器件的概念２）同處理信息的電子器件相比的一般特征：通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗4.1電力電子器件的概念電力電子器件的損耗半控型器件（Thyristor）

——通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT，MOSFET，GTO，IGCT)——通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。4.1電力電子器件的概念按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：電流驅(qū)動(dòng)型

——通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型

——僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。4.1電力電子器件的概念

按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：4.2半控型器件—晶閘管4.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理4.2.2晶閘管的基本特性4.2.3晶閘管的主要參數(shù)4.2.4晶閘管的派生器件晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得：按晶體管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，迅速增大。

阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。4.2.2晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG4.2.2晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性4.2.2晶閘管的基本特性1)

開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td(0.5~1.5s)上升時(shí)間tr

(0.5~3s)開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr

（1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr

（1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒2）

動(dòng)態(tài)特性圖1-9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形4.2.3晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流

IT(AV）——在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流

IL

——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。2）電流定額4.3晶閘管的主要參數(shù)

除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

——電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

通態(tài)電流臨界上升率di/dt

——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

——如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)4.3.1門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）4.3.1門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2

。4.3.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

4.3.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)。由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：4.3.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2）關(guān)斷時(shí)間toff（1）開(kāi)通時(shí)間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)

。許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。4.3.1門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4）