电力电子器件与应用

（一）     电力二极管

结构

基本特性

静态特性  伏安特性

动态特性  零偏置、正向偏置、反向偏置三种形态转换时，伏安特性随时间变化。

主要参数与选型参考依据

正向平均电流 IF，其有效值为1.57IF。选择二极管时，应按照有效值选取。

正向电压降  UF，一般选取压降小的二极管，以降低损耗。

反向重复峰值电压 URRM 按2×URRM选择电力二极管，URRM通常是不重复反向峰值电压HRSM的2∕3。

反向平均­­­­­漏电流IRR，也称反向重复平均电流，是URRM下的平均漏电流。

反向恢复时间trr。

主要类型

普通二极管、整流二极管

快速恢复二极管trr<5us   快速外延二极管trr<50ns

肖特基二极管trr<10～40ns  用于200V以下的电路中

晶闸管及派生器件

晶闸管（SCR）又称可控硅，在高电压、大电流的应用场合，SCR是无可替代的器件。在大容量、低频的电力电子装置中仍占主导地位。性能优良的晶闸管派生器件，如快速、双向、逆导、门极可关断及光控等晶闸管。

晶闸管的结构和工作原理

只有晶闸管阳极和门极同时承受正向电压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可。

晶闸管一旦导通后，门极将失去控制作用，门极电压对管子以后的导通与关断均不起作用，故门极控制电压只要是有一定宽度的正向脉冲电压即可，这个脉冲称为触发脉冲。

要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一个数值以下。这可通过增加负载电阻降低阳极电流，使其接近于0。另外，也可以施加反向阳极电压来实现。

2 晶闸管的基本特性

（1）静态特性  伏安特性

①晶闸管的阳极伏安特性

②门极伏安特性  门极伏安特性区的上限，分别用门极正向峰值电压UFGM、门极正向峰值电流IFGM、门极峰值功率PGM来表征。门极触发也有一个灵敏度问题，正向门极电压必须大于门极触发电压UGT，正向门极电流必须大于门极触发电流IGT。

晶闸管的动态特性

晶闸管的开通特性  门极开通，即在正向阳极电压的条件下，门极施加正向触发信号使晶闸管导通，这种开通为正常开通。

3.晶闸管的主要参数

晶闸管的电压参数

断态不重复峰值电压UDSM

断态重复峰值电压UDRM  规定UDRM为UDSM的90%。

反向不重复峰值电压URSM

反向重复峰值电压URRM  规定URRM为URSM的90%。

额定电压 UR是指断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM两者中，较小的一个电压值。选用晶闸管时，应该使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2～3倍，以作为安全裕量。  UR=（2～3）UM

通态峰值电压UTM 是指额定电流时管子导通的管压降峰值，一般为1.5～2.5V，且随阳极电流增加而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。

晶闸管的电流参数

通态平均电流 IT（AV） 晶闸管的通态平均电流，定义为晶闸管的额定电流。 对于同一个有效值，不同的电流波形，它们的平均值也不同，因此选用一个晶闸管时，要根据所使用的具体电流波形来计算出允许使用的电流平均值。有效值与平均值的比，称为波形系数，即   I=KfId≈1.57IT(AV)

维持电流IH 是指晶闸管维持导通所必须的最小电流。

擎住电流IL  擎住电路比维持电流大2～4倍。

浪涌电流ITSM 是指在规定条件下，工频正弦半周期内允许的最大过载峰值电流。

(3)其他参数

断态电压临界上升率du∕dt  为了限制du∕dt上升率，一般在晶闸管阳极与阴极之间并联一个RC阻容缓冲电路，利用电容两端电压不能突跳的特点，来限制电压的上升率。

断态电流临界上升率di∕dt  为了限制电路电流上升率，可在阳极主电路中串入一个小电路，用于限制di∕dt过大。

门极触发电流IGT和门极触发电压UGT  为了保证变流装置的触发电路对同类晶闸管都能正常触发，要求触发电路提供的触发电流、触发电压值，适当大于标准规定的IGT和UGT上限值，但不能超过门极所规定的各种参数的极限峰值。

4 晶闸管的门极驱动电路

晶闸管是可控制的器件，其正向开通完全通过提供足够大的门极控制信号来实现的。

对晶闸管门极触发脉冲的要求 常用的触发信号波形，门极脉冲驱动电路应满足以下要求：

触发脉冲的形式  触发脉冲的形式可以是交流、直流或脉冲形式，它只能在晶闸管阳极加正向电压时起作用。

触发脉冲应有足够大的功率

触发脉冲的宽度  一般应保证晶闸管阳极电流在触发信号消失前能达到擎住电流，使晶闸管维持导通，这一脉宽是最小允许宽度，但不能持续到器件承受反电压以后。脉冲宽度和变流装置及主电路的形式有关。

触发脉冲前沿幅值及其上升率  触发脉冲前沿有足够大幅值和上升率

触发脉冲的移相范围  与主电路的形式、负载性质和变流装置的用途有关。

触发脉冲与主电路电源电压同步 触发脉冲与主电路电源保持恒定关系称为同步。

触发脉冲输出隔离和抗干扰  采用光电耦合器的光隔离或脉冲变压器的电磁隔离方法，常用的抗干扰措施为脉冲变压器采用静电屏蔽，串联二极管和并联电容等。

门极驱动电路的分类  无论那种类型的晶闸管脉冲触发电路，其大致结构形式基本是相同的，都包括同步、脉冲移相、脉冲形式与放大环节。有强触发和隔离等部分

门极驱动电路举例

①单结晶体管触发电路  单结晶体管触发电路采用同步振荡电路，解决与主电源的同步问题

                                    单晶体管触发电路

数字触发电路  数字触发器通常是以单片机为核心构成 数字触发器由脉冲同步、脉冲移相和形成及输出等部分组成。

晶闸管的保护

过电压的产生及过电压保护

过电压的产生原因  外部过电压包括操作过电压和雷击过电压；内部过电压包括换相过电压和关断过电压。

过电压保护措施  过电压保护措施一般采用器件限压和RC阻容吸收等方法。 RC过电压抑制电路可以接于变压器两侧，或电力电子电路的直流侧。

过电流保护  采用快速熔断器、直流快速熔断器和过流继电器实现。 过流保护选择整定的动作顺序是：电子保护电路首先动作，直流快速断路器整定在电子保护电路动作之后，过流继电器整定在过载时动作，快速熔断器作为最后的短路保护。 采用快速熔断器过流保护是电力电子装置中最有效、最广泛的一种措施，而选用快熔时，应结合晶闸管和快熔的特性来结合考虑。

晶闸管的派生器件

快速晶闸管（FST） 快速晶闸管指那些关断时间短，开通响应速度快的晶闸管。

逆导晶闸管（RCT） 逆导晶闸管是将晶闸管反并联1个二极管集成在1个管芯上的集成器件。

 （a）符号

（3）双向晶闸管（TRIAC）

（4）光控晶闸管（LTT） 光控晶闸管又称为光触发晶闸管，是采用一定波长的光信号触发其导通的器件。

门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管是一种具有自关断能力和晶闸管特性的晶闸管

（三）              电力场效应晶体管

结构

电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型很增强型之分。 电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。

静态特性

输出特性 是指漏极的伏安特性。

转移特性 表示漏极电流ID与栅源之间电压Ugs的转移特性关系曲线，转移特性可表示出器件的放大能力。 跨导定义为：gm=△ID∕△Ugs

主要参数

漏极击穿电压Bud

Bud是不使器件击穿的极限参数，它大于漏极电压额定值。Bud随结温的升高而升高，这点正好与GTR和GTO相反。

漏极额定电压Ud 是器件的标称额定值。

漏极电流Id和Idm  Id是漏极直流电流的额定参数；Idm 是漏极脉冲电流幅值

栅极开启电压Ut 又称阀值电压，是开通Power MOSFET的栅-源电压，它为转移特性的特性曲线与横轴的交点。施加的栅源电压不能太大，否则将击穿器件。

跨导gm 是表征PowerMOSFET栅极控制能力的参数。

通过降低驱动电路的内阻Rs来加快开关速度

电力场效应晶体管是压控器件，在静态时几乎不输入电流。但在开关过程中，需要对输入电容进行充放电，故仍需要一定的驱动功率。

电力场效应管的驱动和保护

为提高其开关速度，要求驱动电路必须有足够高的输出电压、较高的电压上升率、较小的输出电阻。还需要一定的栅极驱动电流。

开通时，栅极电流可由下式计算：

      （1）

关断时，栅极电流由下式计算：

                        （2）

式（1）是选取开通驱动元件主要依据，式（2）是选取关断驱动元件的主要依据。

                               电力场效应管的一种驱动电路

IR2130可以驱动电压不高于600V电路中的MOSFET，内含过电流、过电压和欠电压等保护，输出可以直接驱动6个MOSFET或IGBT。

TLP250内含一个光发射二极管和一个集成光探测器，具有输入、输出隔离，开关时间短，输入电流小、输出电流大等特点。适用于驱动MOSFET或IGBT。

（四）     绝缘栅双极型晶体管

IGBT的结构和基本原理

IGBT也是一种三端器件，它们分别是栅极G、集电极C和发射极E。

擎住效应

擎住效应  由于IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在，当IGBT集电极电流Ic大到一定程度，可使寄生晶闸管导通，从而其栅极对器件失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。

IGBT的驱动电路

驱动的基本要求

要有较陡的脉冲上升沿和下降沿

要有足够大的驱动功率

要有合适的正向驱动电压UGE

要有合适的反偏压  反偏压一般取为-2～-10V

驱动电路与控制电路之间最好进行电气隔离

驱动电路

适用于高频小功率场合的驱动电路

                        IGBT驱动电路实例一

适合于中大功率场合的驱动电路

                            IGBT驱动电路实例二

IGBT专用集成模块驱动电路

比较典型的有日本三菱公司的M57918L

电力电子器件的缓冲电路和串并联

缓冲电路

缓冲电路的主要作用可归纳如下：

抑制过渡过程中器件的电压和电流，将开关动作轨迹限定在安全区之内。

防止因过大的di∕dt和du∕dt造成器件的误触发，甚至导致器件的损坏。

抑制开关过渡过程中电压和电流的重叠现象，以减少器件的开关损耗。

在多个器件串联的高压电路中起一定的均压作用。

电力电子器件的串并联

器件的串联与均压

解决静态不均压问题，首先应选择特性和参数比较一致的器件，此外可采用每个器件并联电阻来均压。

如下图

                    串联均压电路

器件的并联与均流

解决静态不均流问题，首先应选择特性和参数比较一致的器件，此外可采用每个器件支路串联电阻或电感来均流。

              串电感均流