《介绍电力电子器件概述教学材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《介绍电力电子器件概述教学材料（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1-1,第1章 电力电子器件,1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件二极管 1.3 半控型器件晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结及作业,1-2,电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电路 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。,第1章 电力电子器件引言,1-3,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的
2、系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点,1.1 电力电子器件概述,1-5,能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,3）同处理信息的电子器件相比的一般特征,1-6,通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。,主要损耗,通态损耗,断态损耗,开关损耗,关断损耗,开通损耗,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器
3、件的损耗,1-7,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。,电力电子器件在实际应用中的系统组成,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,1.1.2 应用电力电子器件系统组成,电气隔离,控制电路,1-8,半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET) 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。 不可控器件(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,1.1.3 电力电子器件的分类,按照器件能够被
4、控制的程度，分为以下三类：,1-9,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。 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。,1.1.3 电力电子器件的分类,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,1-10,本章内容: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。 学习要点: 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。 可能会对主电路的其它电路元件有特殊的要求。,1.1.4 本章学习内容与学习要
5、点,1-11,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2 不可控器件电力二极管,1-12,1.2 不可控器件电力二极管引言,整流二极管及模块,1-13,电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,1-14,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的状态,1-15,1.2.2 电力二极管的基本特性,1) 静态特性,电力二极管的伏安特性,1-16,2
6、) 动态特性,电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,关断过程,开通过程,1.2.2 电力二极管的基本特性,1-17,开通过程,1.2.2 电力二极管的基本特性,关断过程,延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。,1-18,额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,1.2.3 电力二极管的主要参数,1) 正向平均电流IF(AV),2）正向压降UF,在指定温度下，流
7、过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。,1-19,对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。,1.2.3 电力二极管的主要参数,3） 反向重复峰值电压URRM,4）反向恢复时间trr,trr= td+ tf,5）最高工作结温TJM,TJM是指在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。,6) 浪涌电流IFSM,指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,1-20,1) 普通二极管（高于5s ）,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。,1.2.4 电力二极管的主要类型,2) 快恢复二极管 （可低于50
8、ns ）,3) 肖特基二极管 (1040ns) 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。,1-21,1.3 半控器件晶闸管,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件,1-22,1.3 半控器件晶闸管引言,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,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
9、号,1-23,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,1-24,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理,1-25,1.3.2 晶闸管的基本特性,（1）正向特性,1） 静态特性,晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,（2）反向特性,1-26,1.3.2 晶闸管的基本特性,（1） 开通过程,（2) 关断过,2） 动态特性,晶闸管的开通和关断过程波形,1-27,1.3.3 晶闸管的主要参数,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
10、压。,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。,使用注意：,1）电压定额,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。,通态（峰值）电压UT 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。,1-28,1.3.3 晶闸管的主要参数,通态平均电流 IT(AV） 在环境温度为40C和规定的冷却状态下，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。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。,2）电流定额,维持电流 IH
11、 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。,擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。,浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。,1-29,1.3.3 晶闸管的主要参数,通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。,3）动态参数,除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：,断态电压临界上升率du/dt 指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
12、压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。,1-30,1.3.4 晶闸管的派生器件,有快速晶闸管和高频晶闸管。,1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST),开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。,普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。,高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。,由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。,1-31,1.3.4 晶闸管的派生器件,2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristo
13、r）,双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,1-32,1.3.4 晶闸管的派生器件,逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,1-33,1.3.4 晶闸管的派生器件,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,b),光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,1-34,1.4 典型全控型器件,1.4.1 门极可关断晶闸管,1.4.2 电力晶体管,1.4.3 电力场效应晶体管,1.4.4 绝缘栅双极晶
14、体管,1-35,1.4 典型全控型器件引言,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,1-36,1.4.1 门极可关断晶闸管(GTO),结构：,GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图,1）GTO的结构和工作原理,与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。,和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。,1-37,工作原理：,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,1+2=1是器件临界导通的条件。,1）GTO的结构和工作原理,1-38,1.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的开通和关断
15、过程电流波形,GTO的动态特性,1-39,1.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的主要参数, 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。, 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。,（2） 关断时间toff,（1）开通时间ton,不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。,许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。,1-40,1.4.1 门极可关断晶闸管,（3）最大可关断阳极电流IATO,（4） 电流关断增益off,GTO额定电流。,最大可关断阳极电流与门极负脉冲电
16、流最大值IGM之比称为电流关断增益。,GTO的主要参数,1-41,1.4.2 电力晶体管(GTR),1）GTR的结构和工作原理,GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动,1-42,1.4.2 电力晶体管(GTR),1）GTR的结构和工作原理,1-43,1.4.2 电力晶体管,(1) 静态特性,截止区,放大区,饱和区,共发射极接法时GTR的输出特性,2）GTR的基本特性,1-44,1.4.2 电力晶体管,0,t,t,GTR的开通和关断过程电流波形,(2) 动态特性,1-45,1.4.2 电力晶体管,前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff (此外还有)：,3）GTR的主要参数,(1)最高工作电压 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo,1-46,1.4.2 电
