电力电子第二章第六讲.pptx

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1、电电 力力 电电 子子 技技 术术Power Electronics电电力力电电子子技技术术2.9其它新型电力电子器件 静电感应晶体管（SIT，Static Induction Transistor）：诞生于1970年。是一种多子导电的器件，工作频率与功率MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。但SIT是在栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不太方便；且通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未得到广泛应用。静电感应晶闸管（SITH，Static Induction Thyristor）：诞生于1972年，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电

2、流，因此SITH又被称为场控晶闸管（FCT，Field Controlled Thyristor）。SITH是两种载流子导电的双极型器件，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件；SITH一般也是正常导通型（栅极不加信号时导通），而且其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。电电力力电电子子技技术术2.9.1 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT集成门极换流晶闸管（IGCT，Integrated Gate-Commutated Thyristor）结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当。20世纪9

3、0年代后期出现目前的制造水平是6500V/4200A和4500V/5500A，适用于功率1MW10MW，开关频率50Hz2kHz范围的应用，已在高压变频调速系统和风力发电系统中得到应用。图2-35 4500/4000A的IGCT目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成

4、门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术2.9.1 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGBT是在大功率晶体管基础上的发展，过流时通过撤除门极电压可关断器件。而IGCT是在晶闸管基础上的发展，其关断机理是通过在门极上施加负的关断电流脉冲，把阳极电流从阴极向门极分流，使原来的PNPN四层结构变成PNP三层结构，从而关断器件。由于负的关断电流脉冲限制，故IGCT

5、有一个能关断的最大阳极电流值，超过此值器件便关不断，出现“直通”现象，器件的额定电流就定义为这个最大可关断电流。目前，国产IGCT产品刚刚跨入应用之门，还在等待实际应用的结果。应用好IGCT，本身就是一项复杂艰巨的系统工程。当前主要的问题是没有实际经验，缺乏成熟的组件或装置拓扑。这些需要从事系统和线路设计的工程师们投入足够的精力。目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8

6、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术电电力力电电子子技技术术电电力力电电子子技技术术 由MOSFET与晶闸管复合而成的新型双极复合型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个MCT元又是由1个晶闸管、1个控制MCT导通的MOSFET和1个控制MCT关断

7、的MOSFET组成。MCT的通态电阻远低于其它场效应器。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断du/dt 能力，其值高达2000A/s和2000V/s。其工作结温亦高达150-200，被认为是目前众多的新型功率器件中很有发展前途的器件。2.9.2 MOS控制晶闸管控制晶闸管(MCT)目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件

8、的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术2.9.

9、3 功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PIC，Power Integrated Circuit）。根据性能侧重、要求：高压集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）、智能功率模块（IPM）其优点系统成本低，重量轻，体积小，寄生电感低，提高电力电子变化和控制的可靠性。功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸

10、管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术IPM电电力力电电子子技技术术2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势新型电力电子器件呈现

11、出许多优势，其发展主要有以下特点：1）集成化 具有主回路、控制回路、检测、保护功能于一体的智能功率集成电路发展迅速，其中IGBT的智能化模块IPM已得到了广泛的应用。2）大容量 GTO是容量上与晶闸管最接近的具有自关断能力的器件，但存在缺点和问题。由于IGBT、IGCT等器件的大容量化及实用化，在更多的领域，IGBT和IGCT将取代GTO。3）高频化 GTO的工作频率为12kHz，GTR可在10kHz以下工作，IGBT工作频率已达150kHz。工作频率的高频化，可大大减小电路中电压器和滤波电感、电容的体积，使装置小型化、轻量化。目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.

12、2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术4）高效率电力电子器件的

13、导通压降在不断的改善，降低了导通损耗。同时开通和关断过程的加快，也降低了开关损耗。以上所述各种电力电子器件一般是由硅半导体材料制成的。除此之外，近年来还出现了一些性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）和碳化硅（SiC）。由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现。2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2

14、.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术砷化镓材料 砷化镓是一种很有发展前景的半导体材料。与硅相比，砷化镓有两个优点：砷化镓整流元件可在350的高温下工作（硅整流元件只能达200），具有很好的耐高温特性，有利于模块小型化；砷化镓材料的电子迁移率是硅材料的5倍，因

15、而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小寄生电容，提高开关频率（1MHz以上）。其缺点是正向压降比较大。砷化镓整流元件已由Motorola公司生产，并应用于制作各种输出电压（12V、24V、36V、48V）的直流电源，用于通信设备和计算机中。2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管

16、*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术碳化硅材料碳化硅作为硅和砷化镓的重要补充，不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，或在一般应用中实现硅器件难以达到的效果。在额定阻断电压相同的前提下，碳化硅功率

17、开关器件不但通态电阻很低，其工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率

18、模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术由于单极功率器件的通态电阻随其阻断电压的提高而迅速增大，硅材料的Power MOSFET只在电压等级不超过100V时才有开关较大电流的能力，具有较好的性能价格比。如果用碳化硅制造单极性器件，在阻断电压高达10kV的情况下，其通态压降仍然会比硅双极器件低，而单极器件在工作频率等方面相对于双极器件有很多明显的优势。因此，对碳化硅电力电子器件的研究和开发，从一开始就比较集中于肖特基势垒二极管和Power MOSFET这些单极性器件，其总体效

19、益远远超过碳化硅器件与硅器件之间的价格差异造成的成本升高。2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功

20、率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.9.1集成门极换流晶闸管集成门

21、极换流晶闸管 2.9.2MOS控制晶闸管控制晶闸管 2.9.3功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题小结小结电电力力电电子子技技术术2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题1过电压保护 电力电子装置可能的过电压原因分为外因和内因。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，如由分闸、合闸等开关操作引起过电压。而内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程：（1）换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的

22、反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会因线路电感在器件两端感应出过电压；（2）关断过电压 全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11

23、 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术1过电压保护2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9

24、 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结器件换相过电压抑制用RC电路压敏电阻过电压抑制器浪涌过电压抑制用RC电路变压器静电屏蔽层避雷器静电感应过电压抑制电容直流侧RC抑制电路器件关断过电压抑制用RCD电路电电力力电电子子技技术术2过电流保护图2-37 快速熔断器联接方法2.11.1 电力电子器件的保护电力电子器件的保护目录目录2.1电力电子

25、器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电

26、电子子技技术术对重要的全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护。将uR与预先设定的基准Vref进行比较，当uRVref时，比较电路动作，关闭驱动电路的输出信号，可达到过流保护的作用。图2-38 通过驱动电路实现过流保护的方法2.11.1 电力电子器件的保护电力电子器件的保护目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*

27、2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术2.11.1 电力电子器件的保护电力电子器件的保护在控制电路与主回路需要隔离的场合，一般采用电流互感器检测主电路电流，转换成直流电压后送给电压比较器，与设定值进行比较。优点一是响应迅速，二是设定过流值方便。霍尔电流传感器霍尔电流传感器电电力力电电子子技技术术图2-39 d

28、i/dt抑制电路、RCD缓冲电路和波形a)电路 b)uce和ic波形 3du/dt、di/dt限制和缓冲电路 缓冲电路也可以使功率管的主电极电压变化率du/dt和电流变化率di/dt得到有效的抑制。当V导通时，由于有电感Li存在，i的上升速度变慢；而V截止时，负载电流通过VDS向CS分流，减轻V的负担，可抑制di/dt和及由Ldi/dt引起的过电压。2.11.1 电力电子器件的保护电力电子器件的保护V导通时，导通时，Cs上能量通过上能量通过Rs释释放。放。目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸

29、管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术2.11.1 电力电子器件的保护电力电子器件的保护目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特

30、点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结RCD缓冲电路对波形的影响缓冲电路对波形的

31、影响 无RCD吸收电路时的VDS波形引入RCD吸收电路时的VDS波形优化RCD吸收电路后的VDS波形电电力力电电子子技技术术2.11.1 电力电子器件的保护电力电子器件的保护电电力力电电子子技技术术2.11.1 电力电子器件的保护电力电子器件的保护电电力力电电子子技技术术2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热 电力电子器件的功率损耗包括通态损耗、断态损耗和开关损耗。各项功率损耗可以用器件两端的电压u和流过的电流i的乘积所得的平均功率损耗P来表示，分别用下式来表示，关断时的漏电流非常小，断态损耗很小，可以忽略不计。（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）目录目录2.1电力电子器件

32、的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子

33、子技技术术图2-40 电力电子器件的功率损耗在器件开关频率不高时，通态损耗为器件损耗的主要部分，而器件开关频率较高时，开关损耗则成为器件功率损耗的主要因素。2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力

34、电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术SGH60N80UFD电电力力电电子子技技术术为了保证器件正常工作，必须规定最高允许结温，与最高结温对应的器件耗散功率即是器件的最大允许耗散功率。器件正常工作时不应超过最高结温和功耗的最大允许值，否则，器件特性与参数将要产生变化，甚至导致器件产生永久性的烧坏现象。管芯温度的高低与器件内部功耗的大小、管芯到外界环境的传热条件(传热机构、材料、冷却方式等)以及

35、环境温度等有关。设法减小器件的内部功耗、改善传热条件，对保证器件长期可靠运行有极重要的作用。为了便于散热，功率器件多加装散热器，结温升高后的散热过程和路线如下：管芯内部功耗产生的热能以传导方式由管芯传到固定它的外壳的底座上，再由外壳将部分热能以对流和辐射的形式传到环境中去，大部分热能则是通过底座直接传到散热器上，最后由散热器传到空气中。2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管

36、电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术工程实际中，由于功率器件的芯片较大，温度分布是不均匀的，可能出现局部比最高允许结温高得多的过热点，导致器件损坏。所以规定的最高允许结温远低于其本征失效温度，这被称为结温减额使用

37、。散热设计的主要任务就是根据器件的耗散功率Pd设计一个具有适当热阻的散热方式和散热器，以确保器件的管芯温度不高于额定结温Tjm。当散热器的环境温度为Ta时，从管芯到环境的总热阻为：在实际情况中常把总热阻分成三部分。第一部分为从管芯到管壳的结-壳热阻，第二部分为从管壳到散热器的接触热阻，第三部分为从散热器到环境的散热器热阻。2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.

38、7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸

39、管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术 对器件用户来说，结-壳热阻是不能改变的一个参数。接触热阻决定于器件的封装形式、界面平整度和散热器的安装

40、压力，管壳与散热器之间是否加绝缘垫片和导热脂。一般情况下，增加安装压力可减小接触热阻。在管壳和散热器之间涂导热脂也可减小接触热阻，但加绝缘垫片会增加接触热阻。尽量选用导热性好的材料，并涂敷导热脂。散热器热阻与散热器材料、形状、表面状况、功耗元件的安装位置以及冷却介质的性质等多种因素有关。散热器采用指状或枝状结构，可增加散热面积。强迫风冷是降低散热器热阻的一种有效形式，常用的风冷和自然冷却散热器由铝板或铝型材料制成。使用液体作为散热介质的液冷方式对于降低热阻的效力更高，所用的散热器体积更小，特别适用于特大功率耗散情况。2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热目录目录2.1电力电子器件的

41、特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子

42、技技术术2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热电电力力电电子子技技术术使用风机降低散热器温度目前有两种控制方式，一种是风机与装置同步工作，适合于负载基本不变的情况，如PC机电源；另一种是风机的起、停受装置的内部温度（尤其是散热器的温度）控制。这种方式适合负载变化的情况，例如以蓄电池为后备电源的整流装置。该控制方式在达到降温目的的同时，能大大提高风机的寿命，进而提高整个装置的寿命。2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5

43、 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术图2-41 散热器温控风冷滞环控制方式2.11.2 电力电子器件的散热电力电子器件的散热目录目录2.1电力电子器件的特点

44、与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结 另外，使用散热器对

45、功率开关管进行散热时，可采用带常闭触头的温度继电器来实现过热保护，将温度继电器测量面固定在散热器表面，其常闭触头用来控制功率开关管的驱动回路，一旦散热器温度过高，温度继电器动作，驱动电路停止工作，功率开关管截止。电电力力电电子子技技术术2.11.3 电感和电容电感和电容 电感是电力电子电路中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零，故常用作储能元件，也常与电容共用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流。由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的。目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2

46、.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术2.11.3 电感和电容电感和电容电容是电子线路中应用非常广泛的电子元件，它与电感一样也是储存

47、电能和传递电能的元件，但对频率的特性却刚好相反。应用在电力电子电路上，主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。电容的种类也多种多样，在电力电子主回路中，主要用到铝电解电容和无感电容。目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2

48、.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术2.11.3 电感和电容电感和电容铝电解电容管脚有正、负之分，容量为0.4712000F，工作电压为16450V，主要用作整流电路的电压平滑滤波电容。目录目录2.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础电力电子器件基础 2.3功率二极管功率二极管2.4 晶闸管晶闸管 2.5 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）2.6 电力晶体管电力晶体管2.7

49、 功率场效应晶体管功率场效应晶体管2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管*2.9 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势2.11 电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题 2.11.1电力电子器件的保护电力电子器件的保护 2.11.2电力电子器件的散热电力电子器件的散热 2.11.3电感和电容电感和电容小结小结电电力力电电子子技技术术 在功率开关管由导通变为关断瞬间，流过功率管的电流会迅速下降，由于电路中电感量的作用，会产生较高的尖峰电压，若该电压超过功率管所能承受的电压，则会发生器件击穿，造成器件永久损坏。因此一般都要在

50、功率管两端并联吸收电路，如RC和RCD电路。在这其中电容是很关键的吸收元件，但实际的电容等效电路上有一个串联的电感，因此难以实现很好的吸收电压尖峰的效果。无感电容对吸收电压尖峰有很好的效果，但由于其价格偏贵，通常只用于中、大功率开关管的电压尖峰吸收电路中。对于铝电解电容和无感电容来说，其主要参数为额定电压和容量阀值。在使用时应根据电路中的电压并留有余量后确定电容的额定电压，容量阀值决定其使用效果。随着额定电压和容量阀值的增加，电容体积呈增长趋势。电电力力电电子子技技术术小结小结 本章介绍了功率二极管、晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、功率场效应管Power MOSFET、绝缘