伺服系统第2章课件电力电子器件讲解

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1、电力电子器件 第2章 第2章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件电力二极管 2.3 半控型器件晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的概念 电力电子器件：可直接用于处理电能的 主电路中实现电能的变换或控制的电子器 件。 主电路：在电气设备或电力系统中 ，直接承担电能的变换或控制任务的电路 。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的特征 n所能处理电功率的大小，也就是其承受电压 和电流的能力，是其最重要的参数。 n为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工 作在开关状态。 n由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。

2、n自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件 ，在其工作时一般都需要安装散热器。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 通态损耗 断态损耗 开关损耗 开通损耗 关断损耗 电力电子器件的功率损耗 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动 电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 电气隔离 图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件 主要是指晶

3、闸管及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和 电流决定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其 关断。 不可控器件 电力二极管 不能用控制信号来控制其通断。 2.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动信号的性质 电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控 制。(基于PN结的电力二极管、晶闸管、GTO和GTR等。) 电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实 现导通或者关断的控制(MOSFET，IGBT)。 按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型 通

4、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(晶闸管和GTO)。 电平控制型 必须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(MOSFET，IGBT)。 2.1.3 电力电子器件的分类 按照载流子参与导电的情况 单极型器件 由一种载流子参与导电。也称为场效应管. 只有多子参与导电,少子 不参与导电分为绝缘栅场效应管(MOS管)和结型场效应管(J-FET管).其中,MOS 管还分为增强型和耗尽型两种. 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。 BJT是双极结型晶体管（ Bipolar Juncti

5、on TransistorBJT）的缩写，又常称为双载子晶体管。 复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器 件。 A K AK a) I KA PN J b) c) AK 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管是以半 导体PN结为基础的, 实际上是由一个面积 较大的PN结和两端引 线以及封装组成的。 从外形上看，可以有 螺栓型、平板型等多 种封装。 图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号 肖特基势垒二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 二极管的基本原理PN结的单向导电性 正向导通状态：当PN

6、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。 反向截止状态：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。 反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施 加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN 结反向偏置为截止的工作状态。 按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在 一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。 齐纳击穿与雪崩击穿均为电击穿,电击穿是可逆的,只有在热击穿的情况下不可逆, 2.2.1 PN结与

7、电力二极管的工作原理 PN结的电容效应 称为结电容CJ，又称为微分电容 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开 关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至 不能工作。 2.2.2 电力二极管的基本特性 静态特性 主要是指其伏安特性 正向电压大到一定值（门槛 电压UTO ），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。 与IF对应的电力二极管两端的 电压即为其正向电压降UF。 承受反向电压时，只有少子 引起的微小而数值恒定的反向 漏电流。 I O IF UTOUFU 图2-5 电力二极管的伏安特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 正向平均电流IF(AV) 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳

8、温度 和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波 电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来 定义的，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。 正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过 某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电 压。使用时，应当留有两倍的裕量。 2.2.3 电力二极管的主要参数 最高工作结温TJM 在PN结不致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。 电力二极管小结 n正向导通、反向关断、功率大、损耗大 n主要参数 正向平均电流IF(AV)

9、 正向压降UF 反向重复峰值电压URRM n结电容影响开关频率 2.3 半控器件晶闸管引言 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到 1957年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只 晶闸管产品，并于1958年使其商业化。 由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地 位。 晶闸管及模块 注意，

10、正常工作时，晶闸管散热器带电，严禁用手触及！ 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的结构 从外形上来看，晶 闸管也主要有螺栓型 和平板型两种封装结 构 。 引出阳极A、阴极K 和门极（控制端）G三 个联接端。 内部是PNPN四层半 导体结构。 图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 晶闸管导通的条件是： n1）要有适当的正向阳极电压； n2）还要有适当的正向门极电压，且晶闸管 一旦导通，门极将失去作用 晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值（称为维持电流）以 下。 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 当晶闸管承受反向阳

11、压 时，V1、V2因反压无 法导通；当晶闸管承 受正向阳压时，V1、 V2才得到正确的工作 电源，这时再加入门 极触发电流IG，并在 管子内部形成强烈的 正反馈过程： 从而使V1、V2迅速饱和，即晶闸管导通。而对于已导 通的晶闸管，若去掉门极触发电流，由于其内部已完 成了强烈的正反馈，所以它仍会维持导通。 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 除门极触发外其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高，造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发 2.3.2 晶闸管的基本特性 静态特性 正常工作时的特性 n承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通 。 n承受正向电

12、压时，仅在门极有触发电流的情况 下晶闸管才能开通 。 n晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论 门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 n要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压 和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近 于零的某一数值以下。 2.3.2 晶闸管的基本特性 晶闸管的伏安特性 正向特性 阻断：当IG=0时， 如果在器件两端施 加正向电压，则晶 闸管处于正向阻断 状态，只有很小的 正向漏电流流过。 强迫导导通：如果 正向电压超过临界 极限即正向转折电 压Ubo，则漏电流急 剧增大，器件开通 。 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转 折电压 Ubo 正向

13、导通 雪崩 击穿 O+UA -U A -I A IA IH IG2IG1 IG =0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 2.3.2 晶闸管的基本特性 晶闸管的伏安特性 正向特性 n正常导通：通过增大 门极电流，正向转折 电压而降低，晶闸管 导通。晶闸管本身的 压降很小，在1V左 右。 n恢复阻断：如果门门极 电电流为为零且阳极电电流 降至接近于零的某一 数值值IH以下，则则晶闸闸 管又回到正向阻断状 态态，IH称为维为维持电电流 。 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转 折电压 Ubo 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA -U A -I A IA

14、IH IG2IG1 IG =0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 2.3.2 晶闸管的基本特性 反向特性 其伏安特性类似二极管的反 向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时 ，只有极小的反向漏电流通过 。 当反向电压超过一定限度， 到反向击穿电压后，外电路如 无限制措施，则反向漏电流急 剧增大，导致晶闸管发热损坏 。 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 正向 转折 电压 Ubo 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA -UA -I A IA IH IG2IG1 IG =0 Ubo UDSM UDRM URR M U RSM + 2.3.3 晶闸管的主要参数 电压定额

15、断态重复峰值电压UDRM 是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。 反向重复峰值电压URRM 是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。 2.3.3 晶闸管的主要参数 电流定额 通态平均电流 IT(AV） 稳定结温不超过额定结温时所允许流过 的最大工频正弦半波电流的平均值。 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的 标值作为该器件的额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰值电压23倍。 2.3.3 晶闸管的主要参数 维持电流IH 指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，通常 为几十到几百毫安。 擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转

16、入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流，约为IH的24倍 2.3.3 晶闸管的主要参数 动态参数 开通时间tgt和关断时间tq 断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶 闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率 。电压上升率过大，会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响 的最大通态电流上升率。电流上升太快，可能 造成局部过热而使晶闸管损坏。 晶闸管小结 n晶闸管特性 n阳极A、阴极K和门极G、晶闸管符号 晶闸管导通的条件 晶闸管关断的条件 晶闸管主要参数：额定电压、通态平均电流。 断态重复峰值电压UDRM 反向重复峰值电压URRM 2.4 典型全控型器件 2.4.1 门极可关断晶闸管GTO 2.4.2 电力晶体管GTR 2.4.3 电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘