第2章 电力电子器件应用技术

第2章电力电子开关器件应用技术

2.1 电力电子器件的性能与选择

2.2 电力电子器件的驱动

2.3 电力电子器件的保护

2.4 电力电子器件的串联和并联使用2.5 电力电子器件的散热

2.1 电力电子器件的性能与选择

电力电子器件往往主要指采用硅半导体材料的电力半导体器件；

电力电子器件一般工作在开关状态；

电力电子器件分为不可控性器件、半控型器件和全控型器件。

电力电子器件(电力二极管除外)分为电压驱动型和电流驱动型两类。

2.1 电力电子器件的性能与选择

◆正确选择和使用电力电子器件是保证电能变换装置成功设计和可靠运行(工作)的关键；

◆正确理解电力电子器件的参数和性能是合理选择和使用元件的基础。

2.1 电力电子器件的性能与选择

器件在装置中的实际效能取决于以下因素：

1）制作工艺(参数设计、材料性质、工艺水平和散热能力)，

2）运行条件(电路特点、工作频率、环境温度和冷却条件)。

后一个因素与元件的选择和使用有关。

2.1.1 电力二极管

1.电力二极管的主要参数①通态平均电流

)(57

.1)2~5.1(2/)2~5.1()(A I I I AV F ==π②正向压降F U ③反向重复峰值电压

RRM

U ④最高工作温度JM

T ⑤反向恢复时间trr

2. 常用电力二极管

①普通二极管,反向恢复时间较长，一般在5μs以

上，其正向额定电流和反向额定电压分别可达数千

安和数千伏以上。

②快恢复二极管，其反向恢复过程很短，trr<5μs，

简称快速二极管。

③肖特基二极管优点是反向恢复时间短(10ns～40ns)、正向压降小、且开关损耗小，效率高；其弱点是反向耐压较低。

螺栓型

模块

2.1.2 晶闸管

1. 晶闸管的性能参数

(1) 晶闸管的阻断能力

(2) 晶闸管的载流能力

(3) 开通过程的速度和电流上升率

(4) 关断过程的速度和电压上升率

(5) 强触发方式对元件开通时间的影响

2．晶闸管的基本应用

在整流领域中具有独特的优势而占有霸主地位。

在频率不高的逆变装置（如感应加热电源）以及AC-AC直接变频装置中获得应用。

交流电力电子开关，实现交流调压和交流调功。

螺栓型

模块平板型

双向晶闸管

晶闸管模块组成的整流装置

2.1.3 门极关断晶闸管

1．GTO 的主要参数

(1) 最大可关断阳极电流(2)电流关断增益(3) GTO 开通时间(4) GTO 关断时间ATO I GM ATO off

I I =βon

t off

t

2. GTO的基本应用

GTO与SCR都属于大容量器件。

6kA／6kV的GTO器件已实用化，并因其开关速度远高于SCR，主要应用于兆瓦级以上的大功率场合。

模块

螺栓及平板型

2.1.4 电力场效应晶体管

1.电力MOSFET的主要特征

（1）漏极和源极之间形成了一个与之反向并联的寄生二极管，使得漏源级间无反向阻断能力。使用电力MOSFET时应注意寄生二极管的影响。

（2）MOSFET开关频率高，其开关时间在10ns~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是目前工作频率最高的电力电子器件。

（3）通态电阻具有正温度系数，这一点对器件并联时均流有利。电力MOSFET的热稳定性也较好。在实际应用中，为了增大电力MOSFET的电流容量，往往采用多只管子并联的方法。

（4）开关时间的长短主要决定于栅极输入电容C

in 充放电过程的快慢，一般靠尽量降低栅极驱动电路来减小栅极回路的充放电时间常数（即

的内阻R

S

R S C in）,以加快管子的开关速度。

（5）属场控器件，在静态时几乎不需要输入电流。但是，在开关工作中因需要对输入电容充放电，故仍需要一定的驱动功率。开关频率越高，所需的驱动功率越大。

（6）电力MOSFET的缺点是漏源之间通态压降较大，并且通态压降随漏极电流的增大而增大比较明显；其耐压也偏低，一般只有几百伏。

2. 电力MOSFET的主要参数

（1）漏极电压U

DS

这是标称电力MOSFET额定电压的参数。

（2）漏极直流电流I

D 和漏极脉冲电流幅值I

DM

这是标称电力MOSFET额定电流的参数。

（3）栅源电压U

DS

栅源极之间的绝缘层很薄，|U

GS

|>20V将导致电场过强，会使绝缘层击穿。在不使用时应将器件栅源极间短接，以防止静电感应导致绝缘层击穿。

3.电力MOSFET的应用

由于电力MOSFET电压、电流的小容量和高工作频率的特点，它广泛应用在DC-DC的开关电源和DC-AC的小功率、低电压逆变器电路中。

开关电源

小功率逆变器

2.1.5 绝缘栅双极晶体管

1. IGBT的主要性能参数

（1）开启电压U

GE(th)

IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。

（2）最大集射极间电压U

CES

IGBT的额定电压标称值。

（3）最大集电极电流I

C

IGBT的额定电流标称值。

（4）最大集电极功耗P

CM

在正常工作温度下允许的最大耗散功率。（5）IGBT的擎住自锁效应