《第2章变频器常用电力电子器件概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章变频器常用电力电子器件概要（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第二章 变频器常用电力电子器件,2.1 功率二极管（D） 功率二极管的内部是P-N或P-I-N结构 ，图示为功率二极管的电路符号和外形。 a) b) c) 图2-1 功率二极管的符号和外形 a) 功率二极管的符号 b) 螺旋式二极管的外形 c) 平板式二极管的外形,2. 伏安特性,功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图所示。 正向特性：当从零逐渐增大正向电压时，开始阳极电流很小，当正向电压大于0.5V时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导通。 反向特性：当二极管加上反向电压 时，起始段的反向漏电流也很小，而且 随着反向电压增加，反向漏电流只略有
2、 增大，但当反向电压增加到反向不重复 峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增 加。,2.2.2 电力二极管的基本特性,u,电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置,动态特性 因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间：trr=td+
3、tf 恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系 数，用Sr表示。,t0:正向电流降为零的时刻,t1:反向电流达最大值的时刻,t2:电流变化率接近于零的时刻,重点,2.1.2 主要参数,1. 额定正向平均电流IF 在规定的环境温度和标准散热条件下，元件所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。 2. 反向重复峰值电压URRM 在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM。 3. 正向平均电压UF 在规定环境温度和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值,2.1.3 功率二极管的选用,
4、1. 选择额定正向平均电流IF 的原则 IDn = 1.57 IF =(1.52) IDM 2. 选择额定电压URRM 的原则 URRM =（23）UDM,2.1.4 功率二极管的分类,功率二极管一般分为三类： (1)标准或慢速恢复二极管； (2)快速恢复二极管； (3)自特基二极管。,2.2 晶闸管（SCR）,2.2.1 晶闸管的结构 晶闸管是四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其内部结构和等效电路如图所示。 a) b) c) 图2-3 晶闸管的内部结构及等效电路 a) 芯片内部结构 b) 以三个PN结等效 c) 以互补三极管等效,晶闸管的外形及符号,a) b) c) 图2-4
5、晶闸管的外形及符号 a) 晶闸管的符号 b）螺栓式外形 b）带有散热器平板式外形,2.2.2 晶闸管的导通和关断控制,晶闸管的导通控制： 在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，即可使晶闸管导通。 导通的晶闸管的关断控制： 令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。,2.2.3 晶闸管的阳极伏安特性,晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。 图2-5 晶闸管的阳极伏安特性,2.2.4 晶闸管的参数,1. 正向断态重复峰值电压DRM 2. 反向重复峰值电压RRM 3. 通态平均电压T(AV) 4. 晶闸
6、管的额定电流T(v) 5. 维持电流H 6. 擎住电流L,2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数,1. 门极伏安特性 门极伏安特性是指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结，所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线如图2-6所示。 图2-6,2. 门极主要参数,（1）门极不触发电压GD和门极不触发电流GD （2）门极触发电压GT和门极触发电流GT （3）门极正向峰值电压GM、门极正向峰值电流 GM和门极峰值功率GM,2.2.6 晶闸管触发电路,1.晶闸管对触发电路的要求 触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度； 触发脉冲与主电路电源电压必须同步；
7、触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。 2. 触发电路的分类 依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路； 依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路； 依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。,2. 触发电路的分类,触发电路可按不同的方式分类，依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。,2.2.7 晶闸管的保护,1.晶闸管的过电流保护 1) 快速熔断器保护 (见下图） 2）过电流继电器保护。过电流继电器可安装在交流侧或直流侧。 3）限流与脉冲移相保护。,2. 晶闸管过电压保护,晶闸
8、管过电压产生的原因主要有：关断过电压、操作过电压和浪涌过电压等。对过电压的保护方式主要是接入阻容吸收电路、硒堆或压敏电阻等。图2-8为交流侧接入阻容吸收电路的几种方法。硒堆或压敏电阻的联结方法与此相同。,交流侧接入阻容吸收电路的几种方法,图2-8,2.3 门极可关断晶闸管（GTO）,2.3.1 GTO的结构 GTO的结构也是四层三端器件 a) b) 图2-9 GTO的结构与符号 a) GTO的结构剖面 b) 图形符号,2.3.2 GTO的主要参数,1. 最大可关断阳极电流TO 通常将最大可关断阳极电流TO作为GTO的额定电流。 2. 关断增益off 关断增益off为最大可关断阳极电流ATO与门
9、极负电流最大值GM之比，其表达式为 off ATO/GM off比晶体管的电流放大系数小得多，一般只有左右。,2.3.3 GTO的门极控制,GTO桥式门极驱动电路的工作原理是：当V1与V2饱和导通时，形成门极正向触发电流，使GTO导通；当触发VT1、VT2这两只普通晶闸管导通时，形成较大的门极反向电流，使GTO关断。 GTO桥式门极驱动电路,2.3.4 GTO的缓冲电路,图2-13 GTO斩波器及其保护电路 图中R、L为负载，VD为续流二极管， LA是GTO导通瞬间限制didt的电感。RsCs和VDs组成了缓冲电路。 GTO的阳极电路串联一定数值的电感L来限制didt 。,2.4 功率晶体管（
10、GTR）,2.4.1 GTR的结构 a) b) c) 图2-14 GTR 摸块 a) GTR的结构示意图 b)GTR摸块的外形 c) GTR摸块的等效电路,2.4.2 GTR的参数,(1) UCEO：既基极开路CE间能承受的电压。 (2) 最大电流额定值ICM ： (3) 最大功耗额定值PCM （4）开通时间ton：包括延迟时间td和上升时间tr。 （5）关断时间off：包括存储时间s和下降时间f 。,2.4.3 二次击穿现象,当集电极电压UCE逐渐增加，到达某一数值时，如上述UCEO，IC剧增加，出现击穿现象。首先出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接串联电阻
11、的办法加以控制，只要适当限制晶体管的电流(或功耗)，流过结的反向电流不会太大，进入击穿区的时间不长，一次击穿具有可逆性，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC将继续增大，此时若GTR仍在工作，GTR的工作状态将迅速出现大电流，并在极短的时间内，使器件内出现明显的电流集中和过热点。电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。一旦发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏。,2.4.4 GTR的驱动电路,抗饱和恒流驱动电路 图2-16 抗饱和恒流驱动电路,2.4.5 GTR的缓冲电路,缓
12、冲电路也称为吸收电路，它是指在GTR电极上附加的电路，通常由电阻、电容、电感及二极管组成，如图2-17所示为缓冲电路之一。 图2-17 GTR的缓冲电路,2.5 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中 的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简 称电力MOSFET（Power MOSFET）。 电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有： 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，多用于功率不超过 10kW的电力电子装置。,2.5电力场效应晶体管,电力MOSFET的
13、结构和工作原理 电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。 对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。 在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。,2.5 电力场效应晶体管,电力MOSFET的结构 是单极型晶体管。 结构上与小功率MOS管有较大区 别，小功率MOS管是横向导电器件，而 目前电力MOSFET大都采用了垂直导电 结构，所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），这大大提高了MOSFET器 件的耐压和耐电流能力。 按垂直导电结构的差异，分为利用 V型槽实现垂直导电的V
14、VMOSFET （Vertical V-groove MOSFET）和具有 垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET）。 电力MOSFET也是多元集成结构。,图2-20 电力MOSFET的结构 和电气图形符号 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号,2.5 电力场效应晶体管,电力MOSFET的工作原理 截止：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零 时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间 无电流流过。 导通 在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的
15、P区表面。 当UGS大于某一电压值UT时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。 UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。,电力MOSFET的基本特性 静态特性 转移特性 指漏极电流ID和栅源间电压 UGS的关系，反映了输入电压和输 出电流的关系 。 ID较大时，ID与UGS的关系近似 线性，曲线的斜率被定义为 MOSFET的跨导Gfs，即,2.5 电力场效应晶体管,图2-21 电力MOSFET的 转移特性和输出特性 a) 转移特性,(2-11),是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。,2.5 电力场效应晶体管,输出特性 是MOSFET的漏极伏安特性。 截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,图2-21 电力MOSFET的
