《电力电子器件教学课件PPT》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子器件教学课件PPT（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1-1第2章 电力电子器件2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件二极管二极管2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1-2信息电子技术的基础晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础 电力电子器件第2章 电力电子器件引言本章主要内容： 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。1-32.1.12.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征
2、2.1.22.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成2.1.32.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类2.1 电力电子器件概述返回1-42.1.1 电力电子器件的概念和特征1）概念:电力电子器件（Power Electronic Device）功率半导体开关器件，在功率半导体开关器件，在主电路主电路中通过控制其开中通过控制其开 关状态，能实现电能变换和控制的电子器件关状态，能实现电能变换和控制的电子器件。主电路（Main Power Circuit）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。电力电子器件返回1-52.1.1 电力电子器件的概念和特
3、征图2-0 电力电子器件的理想开关模型2）电力电子器件基本模型它有三个电极：其中A和B代表开关的两个主电极，K是 控制开关通断的控制极；它只工作在“通态”和“断态”两种情况：通态时其电阻为零 ，断态时其电阻无穷大。返回1-6电力电子器件一般都工作在开关状态。 主要进行电功率的处理，其能力一般远大于信息电子 器件。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来驱动控制。 电力电子器件功率损耗较大，远大于信息电子器件， 一般都要安装散热器。2.1.1 电力电子器件的概念和特征3）电力电子器件基本特征返回1-7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
4、要损耗通态损耗断态损耗开关损耗 关断损耗开通损耗2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗返回1-8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。图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测 电路驱动 电路RL主电路V1V2保护 电路在主电路 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2.1.2 应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路返回1-9按照器件能够被控制电路信号所控制的程度， 分为以下三类：1)半控型器 件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transist
5、orIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3)不可控器件 电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的 电压和电 流决定的。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。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2)全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱 动电路。返回2.1.3 电力电子器件的分类1-10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
6、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。2.1.3 电力电子器件的分类按照驱动电路信号的性质，分为两类：返回1-11 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的 情况分为三类：1) 单极型器件2) 双极型器件3) 复合型器件由一种载流子参与导电的器件。由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 。 返回2.1.3 电力电子器件的分类1-122.1.4 如何考查电力电子器件导通压将(损耗)运行频率(恢复时间/开通时间/关断时间)器件容量(电能处理、变换的能力)可靠性(半控全控)返回1-132.2.12.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原
7、理结与电力二极管的工作原理2.2.22.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.2.32.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.42.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.2 不可控器件电力二极管 （Power Diode）返回1-142.2 不可控器件电力二极管引言整流二极管及模块电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得 应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二 极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特 基二极管，具有不可
8、替代的地位。1-151-161-17基本结构和工 作原理与信息 电子电路中的 二极管一样。由一个面积较 大的PN结和两 端引线以及封 装组成的。图2-2 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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK返回1-18正向导通状态即PN结外加正向电压时，处于导通状态，表现为低阻态 。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 。 反向截止状态即PN结外加反向电压时，处于截止状态，表现为高阻态 。但维持有微弱的漏电流流通，也称反向饱和电流，一般 为微安级，几乎为零。 电容
9、效应PN结的电荷量随外加电压而变化，故呈现电容效应。2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理返回PN结特性：电容效应影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。1-19主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流 开始明显增加，处于稳 定导通状态所对应的电 压。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 微小而数值恒定的反向 漏电流。图2-5 电力二极管的伏安特性2.2.2 电力二极管的基本特性静态特性IOIFUTOUFU返回1-20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。在此 电流下，因管子的正向压降引起的损耗造成的 结温升
10、高不会超过所允许的最高工作结温。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。2.2.3 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流IF(AV) -额定电流返回1-212.2.3 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流IF(AV)返回1-22例如:某电力二极管的额定电流是100A，则可求得允许通 过正弦半波的幅值电流Im314A,允许通过任意波形 的的有效值为I=157A,即说明额定电流为100A的二极 管可通过幅值为314A的正弦半波电流,可以全周期内 通过任意波形的有效值为157A电流,其功耗不超过允 许值。引入波形系数2.2.3
11、电力二极管的主要参数返回2.2.3 电力二极管的主要参数1-232） 反向重复峰值电压URRMl对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 。l使用时，应当留有两倍的裕量。 3）正向压降UFl在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时 ，对应的正向导通压降。选择UF小的管子可以降 低损耗。1-24结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。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。5) 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。 1.2.3 电力二极管的主要参数4）最高工作结温TJM返回1-251) 普通二极
12、管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）; 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路; 其反向恢复时间较长（5US以上）; 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高;2.2.4 电力二极管的主要类型返回1-26从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下， 甚至达到2030ns。快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其 trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右） ，但其反向耐压多在1200V以下。2.2.42.2.4
13、电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2) 快恢复二极管(快速二极管)（Fast Recovery DiodeFRD）返回1-271-28肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高很多，多用于200V以下场合。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（可小于10ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降（0.4-0.5V）明显低于快恢复二极 管(0.8-1V )。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。2.2.4 电力二极管的主要类型3. 肖特基二极管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
14、垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。返回1-29v二极管的典型应用1-302.3 半控器件晶闸管2.3.12.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2.3.22.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.3.32.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3.42.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件返回1-312.3 半控器件晶闸管引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的
15、电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。电力电子技术诞生的标志性器件。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管、可控硅整流 器（Silicon Controlled RectifierSCR）1-32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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。 因此阳极A、阴极K和门极G有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且 安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。返回1-332.3.1 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返回1-3
16、41）平板型 2）螺栓型)返回1-35如何控制灯泡亮、灭（暗）？晶闸管导通关断实验原理图2.3.1 晶闸管的结构与工作原理返回1-36实验顺实验顺 序实验实验 前灯 的情况实验时实验时 晶闸闸管情况实验实验 后 灯的情 况阳极电压电压门门极电压电压导导 通 实实 验验1 2 3暗 暗 暗反向 反向 反向反向 零 正向暗 暗 暗1 2 3暗 暗 暗正向 正向 正向反向 零 正向暗 暗 亮 关断 实实 验验1 2 3亮 亮 亮正向 正向 正向正向 零 反向亮 亮 亮4亮正向减小到零(任意)暗1-37实验结论：l晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极 为何种电压，都处于关断状态； l晶闸管仅在正向阳极电压与正向门极电压 同时作用下
