电气工程概论辅导资料八.docx
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电气工程概论辅导资料八
电气工程概论辅导资料八
主题：
第二章电力电子技术（第1节）
学习时间：
2014年11月17日--11月23日
内容：
我们这周主要学习第二章电力电子技术，其中包括大功率二极管，晶闸管，门极可关断晶闸管，光控晶闸管，晶闸管派生器件。
通过学习，我们要了解掌握各个器件的结构、工作原理、特性、主要参数、特点及应用场合等。
第二章电力电子技术
近年来基于相关技术的发展，电力电子领域得到了高度发展。
同时电力电子的市场也在迅速地扩张，在开关电源、不间断电源、节能、自动化、运输、感应加热、电力事业诸方面都得到了广泛的使用【详见表3-1】。
第一节功率半导体器件
功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的基础。
功率集成电路是最近10年功率半导体器件发展的一个重要趋势，是将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。
智能功率模块IPM是功率集成电路中典型的例子，近年得到了较为广泛的应用。
图3-1为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输出至负载。
功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压或频率等变换）。
此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从输出端送至输入端。
功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：
1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。
2）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时，在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。
3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。
一个理想的功率半导体器件应当具有的理想的静态和动态特性是：
在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的
和
；同时器件具有全控功能，即器件的通断可通过电信号控制。
功率半导体器件的发展经历了以下阶段：
1）大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。
2）20世纪70年代，出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。
3）20世纪80年代，出现了的第三代复合导电机构的场控半导体器件，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT或IGT）为典型代表，另外还有静电感应式晶体管、静电感应式晶闸管、MOS控制晶闸管、集成门极换流晶闸管等。
4）现已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件，它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应用前景。
图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围。
2.1.1大功率二极管
大功率二极管属于不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路的续流、电压源型逆变电路中提供无功路径、电流源型逆变电路换流电容与反电动势负载的隔离等场合均得到广泛使用。
1.大功率二极管的结构
大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图3-3（a）所示。
从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。
一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式（图3-3（b）），以上则采用平板式（图3-3（c））。
2.大功率二极管的特性
（1）大功率二极管的伏安特性
二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图3-4所示。
当反向电压增加到一定程度时，漏电流就开始急剧增加，此时必须对反向电压加以限制，否则二极管会因为反向电压击穿而损坏。
由于大功率二极管的通态压降和反向漏电流数值都很小，可忽略，于是大功率二极管的理想伏安特性如图3-4（b）所示。
（2）大功率二极管的开通、关断特性
图3-5为大功率二极管的开通过程。
大功率二极管的开通过程较短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。
图3-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时间必须考虑。
反向恢复电流的作用便是移去二极管中多余载流子，使其能承受反向电压。
如果反向电流很快下降至零，将会在带电感的电路中感应出一个危险的过电压，危及二极管的安全，必须采用适当吸收电路来加以保护。
在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程，通常使用快恢复二极管（反向恢复时间很短的大功率二极管）。
快恢复二极管具有开通压降低、反向快速恢复性能好的优点。
2.1.2晶闸管（SCR）
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导地位。
1.晶闸管的结构
晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。
2.晶闸管的基本特性
晶闸管内部结构上有三个PN结。
当阳极电源使晶闸管阳极电位高于阴极电位时，晶闸管承受正向阳极电压，反之承受反向阳极电压。
当门极控制电源使晶闸管门极电位高于阴极电位时，晶闸管为正向门极电压，反之承受反向门极电压。
通过理论分析和实验验证表明：
1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。
2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，但必须是一个具有一定宽度和幅度的正向脉冲电压，其脉冲宽度与晶闸管开通特性及负载性质有关。
这个脉冲常称之为触发脉冲。
3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（晶闸管维持电流，约几十毫安）。
通常通过降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。
（1）静态特性
1）阳极伏安特性。
晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如图3-9所示。
阳极伏安特性可以划分为两个区域，第I象限为正向特性区，第III象限为反向特性区。
第I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。
正向阻断状态随着不同的门极电流，Ig大小呈现不同的分支。
正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时晶闸管流过很大的阳极电流而管子本身只承受约1V左右的管压降，特性曲线靠近并几乎平行于纵轴。
晶闸管在第III象限的反向特性与二极管的反向特性类似。
2）门极伏安特性。
晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系。
由于这个PN结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图3-10阴影区域所示。
（2）动态特性
晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。
在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。
1）开通特性
晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。
图3-11给出了晶闸管的开关特性。
延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。
2）关断特性
通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。
反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。
普通晶闸管的关断时间为几百微秒。
要使已导通的晶闸管完全恢复正向阻断能力，加在晶闸管上的反向阳极电压时间必须大于晶闸管的关断时间，否则晶闸管无法可靠关断。
3.晶闸管的主要参数
（1）电压参数
1）断态重复峰值电压UDRM
取断态不重复峰值电压UDRM的90％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。
2）反向重复峰值电压URRM
取反向不重复峰值电压URSM的90％为定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。
3）晶闸管的额定电压UR
取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上作为晶闸管的额定电压UR。
由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UTM的2-3倍，以作安全余量。
（2）电流参数
1）通态平均电流IT（AV）
选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。
选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5－2倍。
2）维持电流IH
维持电流IH是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。
3）擎住电流IL
晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号时，维持元件导通所需的最小阳极电流称为擎住电流IL。
一般擎住电流比维持电流大2～4倍。
（3）其它参数
1）断态电压临界上升率du/dt
在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态的最低电压上升率称为断态电压临界上升率du/dt。
实际使用中，必须要求晶闸管断态下阳极电压的上升速度要低于此值。
2）通态电流临界上升率di/dt
通态电流临界上升率di/dt是指在规定的条件下，晶闸管由门极进行触发导通时，管子能够承受而不致损坏的通态平均电流的最大上升率。
应用时，晶闸管所允许的最大电流上升率要小于这个数值。
2.1.3门极可关断晶闸管（GTO）
门极可关断晶闸管是能自行关断的器件，即在门极加上正向脉冲时管子导通，加负脉冲时管子截止。
它常作为触发电路的开关元件进行直流调压等。
2.1.4光控晶闸管（LTT）
光控晶闸管是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管，应用于高压电路中的隔离、绝缘等。
2.1.5晶闸管的派生器件
1．快速晶闸管（FST）
快速晶闸管的特点是开通快、关断也快，主要应用在变频器、不停电电源、直流变换器等。
2．双向晶闸管（TRIAC）
双向晶闸管的特点是有两个主极，一个门极。
它能正反两个方向均能用同一个门极触发，可以代替两个反向并联的晶闸管。
3．逆导晶闸管（RCT）
逆向晶闸管的特点是相当于一个晶闸管和一个二极管反向并联的复合器件。
应用在需要一个晶闸管和一个二极管反向并联的场合。
本周要求掌握的内容如下：
我们这周主要掌握大功率二极管的结构、工作原理、特性、应用，掌握晶闸管的结构、工作原理、特性、主要参数，掌握门极可关断晶闸管、光控晶闸管及晶闸管派生器件的特点、应用。
习题
（一）选择题
1．下列选项是快速晶闸管的标识的是（）。
A．FST
B．TRIAC
C．RCT
D．GTO
答案：
A
2．下列选项有关晶闸管的主要参数正确的是（）。
A．断态重复峰值电压
B．反向重复峰值电压
C．晶闸管和额定电压
D．以上都正确
答案：
D
（二）判断题
1．晶闸管导通后，门极将起到控制作用。
（错误）
2．一个理想的功率半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。
（正确）
（三）简答题
1．简述晶闸管的导通与关断条件。
答：
导通条件：
只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通
关断条件：
使阳极电流降低到某一数值之下。
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