电力电子设备
电力电子设备概述
主电路定义:直接承担电能变化或控制任务的电路
电力电子器件通常指电力半导体器件
电力电子设备的特点
- 用于处理电功率。即承受电压和电流的能力。毫瓦级-兆瓦级
- 在开关状态下工作
- 需要驱动电路。这些信号需要一定的中间电路来适当放大。
- 功率损耗大,需要散热器。其自身的功率损耗大于信息电子设备。开关损耗:开关损耗和关闭损耗。当开关频率较高时,开关损耗将成为设备功率损耗的主要因素。通态损耗:导电过程中的压降;断态损耗:断电过程中断电流较小。
电力电子设备的组成
粗略:主电路和控制电路
细节:控制电路、保护电路、驱动电路、电力电子设备(宏观检测电路)
控制电路:由信息电子电路根据系统的工作要求形成控制信号的控制电路驱动电路控制主电路中电电子设备的导通和关闭完成了整个系统的功能。
电力电子设备的分类
控制电路信号路信号的程度
类型 | 器件代表 |
---|---|
半控型 | 晶闸管SCR |
全控型 | 双极晶体管绝缘栅IGBT、晶体管的电场效应MOSFET |
不可控 | 电力二极管不需要驱动电路 |
其他分类:电压驱动型(场控器件)
脉冲触发型、电平控制型
单极型、双极型、复合型(根据内部载流子类型)
半控型:晶闸管
结构
阳极A、阴极K、门极G三个连接端,G为控制端
电气符号
工作原理
门极电流注入外电路IG阳极向阴极正向导通
基本特性
静态特性
导电条件:承受正电压,门极有触发电流
不导通:承受反向电压,门极是否有电流不导通
保持导通:一旦晶闸管导通,门极失控
关闭条件:流过晶闸管的电流通过外部电压和外部电路降低到接近0的数字以下
动态特性
开启过程是延迟时间(随门极电流的增加而减少)、增加时间(随阳极电压的增加而减少)的加和。
关断时间为反向阻断恢复时间 正向阻断恢复时间为几百微秒。在正向阻断恢复时间内,晶闸管的正向电压将重新导通。
主要参数
电压定额
选择正向断态重复峰值电压==UDRM峰值电压反向重复URRM==较小的标值作为额定电压。
电流定额
定义:国家标准规定,通态平均电流为晶闸管,环境温度为40℃。在规定的冷却状态下,稳定结温不得超过额定结温允许的最大工作频率。平均值。并且留有一定的裕度(1).5~2倍)。
正弦半波电流的有效值与平均值相比Kf=1.57,平均值(额定值)的符号Id,有效值符号I,也就是Kf=I/Id,裕度是晶闸管平均电流的扩大范围。
eg:流过电流的现有电路有效值为400A,问为什么要选择额定值的晶闸管。
1.波形电流中晶闸管需要承受的电流平均值,即400A /1.57=255A,下一步,将此电流扩大到裕度:1.5~2倍,得到晶闸管应有的选型。
无法控制:电力二极管
结构
阳极A和阴极K
电气符号
工作原理
PN结的单向导电性
基本特性
静态特性
即使伏安特性承受大到门槛电压UTO之后,电力二极管导通
动态特性
恢复特性,定义为软性(软度),电流下降时间tf/td称为恢复特性的软度或恢复系数Sr。
主要参数
额定电流(正平均电流)IF)
当电力二极管长期运行时,最大工频正弦半波电流的平均值与指定管壳温度和散热条件下的平均值相比Kf=1.57.符号的平均值(额定值)Id,有效值的符号I,也就是Kf=I/Id
峰值电压反向重复URRM=2/3 UB
本文阐述了电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍。
最高工作结温T1M
PN在不损坏的前提下承受的最高平均温度。
浪涌电流IFSM
连续一个或几个工频周期的过电流可以承受足底
三大类型
普通二极管
别名整流二极管,反向恢复时间长,5μs以上
二极管快速恢复
恢复时间很短,5μs以下,分为快速恢复与超快速恢复两个等级。
二极管肖特基
优点:反向恢复时间短,正向恢复过程无明显电压过冲;当反向耐压性较低时,正向压降非常小,明显低于快速恢复二极管。高效率。
工作温度必须严格限制。
全控型:4种(GTO、GTR、MOSFET、IGBT)
GTO(门极可关闭晶闸管)
电气符号
特点
-
饱和程度浅
-
α1 α2<门很容易控制关闭
-
打开过程更快
-
大功率场合的应用,其他场合的应用MOSFET和IGBT替换。在承受反向电压时,需要与电力二极管串联使用。
GTR(巨型晶体管)
电气符号
特点
双极结型晶体管具有良好的耐高压、大电流和开关特性,通常采用达林顿连接至少两个晶体管的单元结构。
GTR开关时间在几微秒以内,远短于晶闸管GTO
MOSFET(电力场效应晶体管)
电气符号
特点
- 电极电压控制泄极电流
- 驱动电路简单,驱动功率小
- 开关速度快,工作频率高
- 热稳定性优于GTR
- 电流容量小,耐压性低,主要用于功率不超过10KW的电力子装置
- MOSFET的工作频率达到100kHZ,是主要电力电子器件中最高的
工作原理
导通:栅源极正电压UGS,形成反型层,J1消失,漏源极导电,达到开启电压UT,当栅源极正电压比开启电压大的越多,漏极电流越大。
截止:漏源极正电压,栅源极无电压,PN结J1反偏
IGBT(绝缘栅双极晶体管)
电气符号
IGBT是三端器件,具有栅极G、集电极C、发射极E,是一种由MOSFET和GTR组成的达林顿结构,驱动原理与MOSFET基本相同,是一种场控器件。