电力电子

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GTR安全工作区 正偏安全工作区（FBSOA），又称导通 安全工作区。 是在基极正向偏置状态下， GTR通态工作过程中，四条限制线围成的 区域。 反偏安全工作区（RBSOA），又称关断 安全工作区。是在基极正向偏置状态下， GTR关断过程中，三条限制线围成的区域。
• 电力场效应晶体管一般指绝缘栅型中的 MOS型，简称VDMOS。 。
• 2、晶闸管的伏安特性
图1-4伏安特性
• （1）SCR的反向特性。 • SCR承受反向电压时，处于阻断状态，只 有很小的反向漏电流流过反向电压增加到 一定值时，反向漏电流增加较快。再继续 增大阳极反向电压将导致SCR反向击穿， • （2）。正向断态特性 • 伏安特性是一组随门极电流IG的增加而不同 的曲线簇。 • 在IG =0时，增大阳极电压UA只有很小的阳 极漏电流，
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开通时间ton 从门极触发脉冲前沿的10％到阳极电压下 降至于10％的时间。一般约为6μS。 关断时间toff 从阳极电流下降到零时起到SCR刚能承受 再加断态电压时刻的时间间隔。 普通晶闸管的toff约几十至几百mS
二、电力晶体管
• 1．基本结构和工作原理 • 电力晶体管（简称ＧＴＲ）属于电流控 制型的全控器件，是一种耐压高、电流 容量大的双极型大功率晶体管。其基本 结构和工作原理与小功率晶体管类似， 也有ＰＮＰ型和ＮＰＮ型两种。ＮＰＮ 型电力晶体管的基本结构和图形符号分 别如图1-1a、b所示。
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3。开关特性 开通时间ton 延迟时间td 上升时间tr ton = td+ tr 关断时间toff 存储时间ts 下降时间tf toff= ts+ tf工 图2-3
• 4。输出特性 • 截止区：发射 结、集电结 均为反偏。 放大区：发射 结正偏，集 电结反偏。 饱和区： 图2-4 发射结、集电结均正偏。
• 正向转折电压UBO时，漏电流突然急剧增大， SCR由正向阻断突变为正向导通状态。 • “硬开通” :在IG =0前堤下，依靠增大阳极 电压强迫SCR导通 . • （3）。正向导通特性 • 随着门极电流IG上升，SCR的正向转折电压 UBO将迅速下降。 • 门极电流I足够大时，SCR的正向转折电压 UBO将很小， • 即使流过较大电流，本身的压降也很小。
• 图2-1（a）结构图 • （b）结构等效图 （c）电气符号
图2-2 ＮＰＮ型ＧＴＲ及达林顿模块 ａ）结构 b）图型符号 c）ＧＴＲ达林顿模块
• GTR基本工作原理与BJT基本相同，但工作 状态不同。BJT主要用于信号放大，工作在 线性区。因此对它的基本要求是增益适当， 特征频率高、噪声糸数低线性度好、温度 漂移小等。而GTR工作在饱和导通与截止 状态，不允许工作在放大状态。因此对它 的基本要求是容量大（电压高、电流大）、 穿透电流小、增益适当、饱和压降小，有 较高的工作频率和较低的功率损耗等。
• 由于晶闸管整流设备输出端所接的负载， 常用平均电流来衡量其性能，因此SCR不 象其他电气设备用有效值来标定额定值。 • 额定电流100A的SCR，只有在流过正弦半 波电流（ Kf =1。57）时，允许通过的最大 平均电流为100A。当Kf＞1。57时，允许电 流平均值不于100A；当Kf ＜1。57时，允 许电流平均值不于100A。 • 实际应用中应按流过SCR的实际电流与正 弦半波电流的热效应相等原则算出电流值 并乘以1。5~2来选SCR。
• （4）通态临界电流上升率di/dt • 在规定的条件下，由门极触发信号使Leabharlann BaiduCR 开通时，SCR能够承受而不会导至损坏的 通态电流最大是升率。 • （5）断态电压临界上升率du/dt • 在额定结温和门极开路条件下，使SCR保 持断态所能承受的最大电压上升率。
• 为什么要规定通态临界电流上升率di/dt • 在门极注入电流后SCR最初导通时，主电 流集中在门极附近区域，俗称初始导通区。 随着时间的增长，导通区域才逐渐扩大， 直至扩展到全部PN结面为止。整个过程约 零几微秒到几十微秒。如果电流上升太快， 则将导至初始导通区域内电流密度太大， 可能引起初始导通区域过热，造成器件损 坏。
• 1、晶闸管的工作原理 • 晶闸管是一种大功率4层（P1，N1，P2， • N2）结构的三端半导体器件。结构上它形 成了三个PN结（J：P1N1、J：N1P2、J： P2N2），导通原理可以等效为一个PNP管 和一个NPN管的组合。如图1-3 • Ig = Ib2→ Ib2↑→ IC2↑ → Ie2↑ → IC2 = Ib1↑ • → Ib1↑→ IC1↑→ Ie1↑ → IC1 = Ib2 • → Ib2↑→ IC2↑→ Ie2↑ • 阳极A、阴极K之间施加正向电压 ，若门极 也加正向电压UG，则晶闸管被触发导通 。
• 图2-6 • 二次击穿示意图
• GTR二次击穿 • 当集电极电压增加到最大电压定额时，集 电极电流急剧增大，称为一次击穿。一般 为雪崩击穿。 若有外接电阻限制I的增长， 一般不会引起管子的特殊性变坏，因此一 次击穿是可逆的， • 没有限制I的增长，续增加U，当上升到某 个临 • 界值（或临界点）时，集电极电压U突然下 降，产生工作 • 点向低阻区高速移动的负阻现象。此现象 称为二次击穿。
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4、晶闸管的主要参数 （1） 断态重复峰值电压UDRM： 门极开路（ IG =0），元件处在额定结温 时，允许重复施加（每秒50次，每次持续 时间不大于10mS）于SCR阳极和阴极之 间的正向峰值电压。 （2）反向重复峰值电压URRM ： 门极开路（ IG =0），元件在额定结温时， 允许重复施加（每秒50次，每次持续时间 不大于10mS）于SCR阳极和阴极之间的 反向峰值电压。
• 1、工作原理 • 在栅源电压UGS≤0时，栅极下面的P型区不 可能形成反型层，因而无导电沟道。D、S 间相当于二个反向串联的二极管（源区PN 结被短接）。 • 当0＜ UGS ≤ UT（ 开启电压）时，栅极下 面的P型区表面呈耗尽状态，不会出现反型 层，也不会形成导电沟道。 • 这时即使给漏极加上电压UDS ，也没有漏极 电流Id 。
• 2．ＧＴＲ的主要参数 • （1）电压定额 • 集-基击穿电压 U ＣＢＯ 发射极开路，集电极-基 极间能承受的最高电压。 • 集-射击穿电压 Ｕ ＣＥＯ 基极开路，集电极-发射 极间能承受的最高电压。 • 一般，ＵＣＥＯ（ＳＵＳ）＜ＵＣＥＯ。 • （2）电流定额 • 集 电 极 电 流 最 大 值 ICM ： 值 下 降 到 额 定 值 的 1/2~1/3时的IC值。 • 基极电流最大值IBM： 引线允许通过的最大电流， 常取=（1/2~1/6）ICM 。
• 2。实际应用中的电力电子器件与理想模型 差别较大 • 通态电阻不为0，有通态压降，产生通态损 耗。 • 断态电阻为有限值，有微小漏电流，并产 生断通损耗。 • 电力电子器件在开通和关断过程中还要产 生开能损耗和关断损耗。
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二、电力电子器件的分类 1、不可控器件 器件本身无导通与关断的控制能力。 电力二极管 PD。 2、半控型器件 控制信号只能控制其开通，不能控制其关断。 普通晶闸 SCR。 3、全控型器件 通过控制信号既能控制其导通，又能控制其关 断。
• （3）最大耗散功率PCM ： • 最高结温时所对应的耗散功率。 • （4）电流放大倍数β 集电极电流与基极 电流的比值 β ＝ IC / Ib 。 • （5）开关频率 GTR作为开关器件的最高工 作频率。它取决于GTR的开关时间（开关时 间为开通时间与关断时间之和）。 • （6）饱和压降UCES： GTR工作在深饱和区时， 集-射极间的电压值。
• 6.二次击穿与安全工作区 • GTR二次击穿 • 当集射电压增加到最大电压定额时，集电极 电流急剧增大，称为一次击穿。一般为雪崩 击穿。 若有外接电阻限制I的增长，一般不会 引起管子的特殊性变坏，因此一次击穿是可 逆的， • 没有限制I的增长，续增加U，当上升到某个 临 • 界值（或临界点）时，集电极电压U突然下降， 产生工作点向低阻区高速移动的负阻现象。 此现象称为二次击穿。
• 3、关断特性
图1-5 开通、关断过程
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开通时间tgt ： 延迟时间td ：触发信号---0。1 上升时间tr ： 0。1---0。9 tgt = td + tr 。 关断时间tq ： 反向阻断恢复时间trr ： 正向阻断恢复时间tqr ： tq = trr + tgr 。
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电力晶体管 GTR 电力场效应管 VDMOS 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 可关断晶闸管 GTO
• 一、晶闸管
SCR
外形图及符号
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图中： （a）小电流塑封式 （b）小电流螺纹式 （c）大电流螺纹式 （d）大电流平板式
• 图1-2晶闸管的散热器
• 图1-3晶闸管内部结构和等效电路
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额定电压UTN ： SCR的铭牌标定的额定电压值一般为 UDRM和URRM中的最小值。 通态平均电流IN（AV）——额定电流IN 在环境温度为40°和规定的散热条件下， SCR工作在电阻性负载且导通角不小于 170°的单向工频正弦半波整流电路中不 结温稳定且不超过额定结温时所允许的最 大通态平均电流。
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• 一、电力电子器件的特性与模型 • 1.电力半导体器件一般工作在较为理想的 开关状态，宜用理想开关模拟 。 • 导通时：阻抗很小，压降很低，近似为0。 模型 ：通态电阻为0。 • 关断时：阻抗很大，漏电流很小。 模型 ：断态电阻为无限大。 • 电力电子器件的开关状态一般须有驱动电 路控制。多为三端器件。
• SCR的阳极A、阴极K之间施加正向电压 ， 若门极电流为0，则T1、T2间的正反馈不能 建立，A、K间只有很小的正向漏电流SCR 不能导通。 • 晶闸管导通后，即使撤除门极信号，也不 能使晶闸管关断 。只有使阳极电流减小到 维竺电流以下，正反馈无法维持，晶闸管 才能恢复阻断状态。 • 门极电流只能触发SCR导通，不能控制 SCR关断。所以SCR是半控器件。
二、电力场效应晶体管
• 从控制作用耒看，GTR是电流控制器件， 集电极电流大小取决于基极电流的大小； VDMOS是电压控制器件，其漏极电流大小 取决于门极电压的高低。 • DVMOS的输入电阻非常高，达几百MΩ甚 至上千MΩ。GTR无法比拟。 • GTR是双极型器件，两种载流子参与导电， 有较长的存储时间。因此开关速度低，工 作频率一般在5KHz以下 。 • VDMOS是单极型器件，仅多数种载流子参 与导电，无固有存储时间，开关速度快， 工作频率一般可达100Hz以上
5。GTR的基极驱动
• 5.ＧＴＲ对基极驱动的要求： • 开通时要过驱动（ＩＢ＝ＩＢ1），以缩短晶体 管的导通时间； • 正常导通时要浅饱和（ＩＢ＝ＩＢ2），以利于 晶体管的关断； • 关断时要反偏（ＩＢ＝ＩＢ3），以缩短晶体管 的关断时间。较好的基极驱动是采用具有智能 控制功能的电路，如UAA4002专用集成电路， 可以提供较理想的基极电流，并可以提供多种 保护功能。
• 不同波形系数及100A晶闸管允许电流平均 值
• （2）维持电流IH • 在窒温下，门极开路时，SCR从较大的通 态电流降到刚好能维持导通的最小阳极电 流. • 同一型号的元件在不同条件下的维持电流 也不相同。 • （3）掣着电流IL • 给门极加上触发电压，当SCR刚从阻断 状态转换为导通状态时就撤除门极触发此 时SCR维持导通所需要的最小阳极电浪。 • 对同一晶闸管耒说，掣着电流IL要比维持 电流IH大2~4倍。
• 为什么要规定断态电压临界上升率du/dt在 额定结温和门极开路条件下，使SCR保持 断态所能承受的最大电压上升率。 • 在正向阻断状态下，SCR的PN结J2处于正 偏，存在着结电容。 • 当SCR承受的正向电压突然增大时，结电 容允电，位移电流类似于触发电流。 • 当SCR承受的正向电压上升率du/dt较大时， 位移电流较大，可能使SCR误导通。