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1、主讲 张今朝,第2章 伺服控制基础知识,内容提要,第一节 电力电子器件的应用 第二节 检测元件,第一节 电力电子器件的应用,一、按照器件被控制电路信号所控制的程度分为以下三类： 1不可控器件-不能用控制信号来控制其通断： 电力二极管（Power Diode） 2半控型器件-控制信号可以控制其导通而不能控制其关断： 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 3全控型器件-控制信号既可控制其导通又可控制其关断： 门极可关断晶闸管 (GTO) 电力晶体管（GTR) 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 电力场效应晶体管（简称为电力MOSFET）,二以加在器
2、件上的驱动信号性质分为两类： 1电流驱动型： 通过从控制端注入或者抽出电流来实现器件的导通或者关断； 2电压驱动型： 通过在控制端施加一定的电压信号实现器件的导通或者关断； 三以加在器件上的驱动信号波形分为两类： 1脉冲触发型： 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的 控制； 2电平控制型： 通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通 并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态； 四按器件内部两种载流子参与导电的情况分为三类： 1单极型器件：由一种载流子参与导电的器件； 2双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件； 3复合型器件：由单
3、极型和双极型器件集成混合而成的器件。,一、不可控器件,二极管是一种不可控器件，二极管在电路中常用VD表示。 结构简单、工作可靠，在整流、逆变电路中广泛应用； 工作原理：与普通的二极管一样以半导体PN结为基础； 外形：主要有螺栓型和平板型两种封装； 当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态； 当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 从伏安特性可见，当阳极电压大于阴极电压0.7V时二极管导通,当施加反向电压值达到击穿电压时二极管被击穿。 利用二极
4、管具有的单方向导电性，在电路中广泛用作：整流、箝位、隔离和续流。变流电路中用于整流和续流的二极管是功率二极管。, 造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素： 垂直导电结构能提高电力二极管的通流能力； 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大； 在高频电路中，PN 结电容 CJ 对其工作性能会造成影响， 使单向导电性变差； 电流密度大时，引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响， 其压降在 1V 以上； 在使用中承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件 自身的电感效应也会有较大影响。,1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流：在指定管壳温度（壳温，用TC 表示）和散热条件下， 其允许
5、流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按 有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热 效应也不小，不能忽视。,电力二极管的主要参数,2正向压降UF ：指器件在指定温度下，流过某一指定的稳态正向 电流时所对应的正向压降。 3反向重复峰值电压URRM：对器件所能重复施加的反向最高峰值 电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路 中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定 。 4. 最高工作结温TJM：结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 TJM是指
6、在PN结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度，TJM 通常在125175C范围之内。 5. 反向恢复时间trr ：trr= td+ tf 关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。 6. 浪涌电流IFSM 指器件所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,电力二极管的主要类型,1. 普通二极管（整流二极管） 多用于开关频率不高于1kHz的整流电路中； 其反向恢复时间较长，一般在 5s 以上； 正向定额电流可达数千安、反向电压定额在数千伏以上； 2. 快恢复二极管 反向恢复过程在 5s 以下的二极管，也简称快速二极管； 从性能上又可分为快速恢复和超快速恢复两个等级： 快速恢复反向恢
7、复时间为数百纳秒或更长； 超快速恢复则在 100ns 以下，甚至达到 2030ns； 但其反向耐压多在400V以下； 3. 肖特基二极管 反向恢复时间更短（1040ns） 反向耐压200V以下,二、半控型器件,晶闸管(SCR) 双向晶闸管(TRIAC ),晶闸管(SCR),晶闸管的结构和符号 晶闸管的工作原理 晶闸管的伏安特性,晶闸管的结构和符号,晶闸管是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件 它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。 外形有螺栓型和平板型两种封装型式； 引出阳极A、阴极K和门极G （控制端）三个联接端； 螺栓型封装，螺栓是其阳极，可与散热器紧密联接且安装方
8、便； 平板型封装的晶闸管由两个散热器将其夹在中间。 晶闸管是由四层半导体构成的。图2-2a)所示为螺栓形晶闸管的内部结构，它主要由单晶硅薄片P1，N1，P2，N2四层半导体材料叠成，形成三个PN结。图2-2b)和c)分别为其示意图和表示符号。,1正向电压： J2 结反向偏置，不导通； 2反向电压： J1、J3 结反向偏置，不导通； 3在正向电压时注入IG： 经V2 放大产生 IC2 , 形成V1的基流 Ib1，又经 V1 放大形成 IC1 注入V2， 最终形成正反馈，晶闸管导通； 4晶闸管导通后 撤掉IG，晶闸管仍维持导通； 5关断： 撤掉维持导通的正向电压或施加反向 电压使其阳极电流 IA
9、下降到某一数值 以下，晶闸管才能关断。 6. 触发、半控型器件。,晶闸管的工作原理,起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力。 晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时(正常时6V）晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。 在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值(或断开，或反向)。所以说晶闸管是控制导通而不控制关断的半控器件。 晶闸管的PN结可通过几十至几百安的电流，因此它是一种大功率的半导体器件。 由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极问
10、的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻RL上。, 其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应； 阳极电压上升率du/dt过高； 结温较高； 光直接照射硅片，即光触发。可用此方式制成光触发晶闸管，可保证控制电路与主电路之间的良好绝缘，应用于高压电力设备中； 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。,1正向特性：器件施加正向电压，IG=0 时，正向阻断状态，只有很小的 正向漏电流流过；正向电压超过临界极限正向转折电压Ubo，则漏电流 急剧增大，器件开通； 随着门极电流幅值的增大， 正向转折电压降低； 导通后其特性和二极管的 正向特性相仿，压降很
11、小， 在1V左右； 导通后，当IG0且IA降至 接近于零的某一数值 IH 以 下，晶闸管又回到正向阻断 状态。IH 称为维持电流。,在额定结温和控制极断开的条件下，阳-阴极间加正弦半波正向电压，使元件由阻断状态发生正向转折，变成导通状态所对应的电压峰值，称为正向转折电压，用Ubo表示。,晶闸管的伏安特性,2反向特性：器件上施加反 向电压，其特性类似二极 管反向特性； 3门极伏安特性：门极和阴 极之间的伏安特性称为门 极伏安特性； 门极触发电流是通过在门 极和阴极之间施加触发电 压而产生的，阴极是晶闸 管主电路与控制电路的公 共端； 为保证安全可靠的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率 应
12、限制在可靠触发区中。,晶闸管的主要参数,一电压定额 1断态重复峰值电压UDRM： 在门极断路而结温为额定值时，允许 重复加在器件上的正向峰值电压。 2反向重复峰值电压URRM：在门极断路 而结温为额定值时，允许重复加在器件 上的反向峰值电压。 3通态（峰值）电压UTM：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的 瞬态峰值电压。 4额定电压：取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用 晶闸管时，额定电压要留有一定裕量。, 在选用晶闸管时： 取额定电压为晶闸管正常工作时所承受峰值电压的 23 倍。,(二)双向晶闸管(TRIAC ),双向晶闸管也称双向三极半导体开关元件(B
13、idirectional Triode Thyristor) 它和单向晶闸的区别是： 第一，它在触发之后是双向导通的； 第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管可看作由两个单向晶闸管反向并联组成。,双向晶闸管的特性和单向晶闸管的正向特性有点相近；只不过多了一个完全相同的反向特性而已，可见双向晶闸管具有双向导通及控制的性质。 图2-5中给出的是第一、三象限的伏安特性，在这两个象限中，双向晶闸管能够实现最可靠触发导通。而第二、四象限一般是不用于触发工作。 双向晶闸管可以用作固态继电器、过零开关等。作为交流开关它有很广泛的应用。,图2-5,晶闸管的派生器件,还
14、包括：,a快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST) 专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。 其管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及 du/dt 和 di/dt 的耐量都有明显改善； 普通晶闸管关断时间为 数百微秒，而快速晶闸管为 数十微秒， 高频晶闸管为 10s 左右； 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都低于普通晶闸管； 由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗 产生的发热效应。,b逆导晶闸管RCT（Reverse Conducting Thyristor）, 晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件 具有正向压降
15、小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点 有两个额定电流：晶闸管及反并联二极管的额定电流。,C 光控晶闸管LTT （Light Triggered Thyristor）, 又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通 的晶闸管； 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子； 大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发 光源的发光二极管或半导体激光器； 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免 电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高 压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。,三、全控型器件,变频调速技术的发展同现代功率开关器件的研制与发展是密切相关的。 由于晶
16、闸管(SCR)和双向晶闸管（TRIAC）元件不具备自关断能力，且开关速度低，限制了常规晶闸管变频器的性能与应用范围。 80年代以来，各种具备自关断能力的全控型、高速型功率集成器件不断研制成功，使得变频器技术跨人了电力电子技术的新时代。,(一) 双极型器件 可关断晶闸管GTO(GateTurn-off Thyristor) 功率晶体管GTR(Giant Transistor) 静电感应晶闸管SITH(Staticlnduction Thyristor),结构（和普通晶闸管相对比） 相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极 不同点： GTO是一种多元的功率集成器件， 内部包含数十个甚至数百个共阳极 的小GTO 元，这些GTO 元的阴极 和门极则在器件内部并联在一起。,1.门极
