电力电子器件.华北电力大学

《电力电子器件.华北电力大学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子器件.华北电力大学（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第1章 电力电子器件l1.1 电力电子器件概述l1.2 电力二极管l1.3 晶闸管及其派生器件l1.4 门极可关断晶闸管 l1.5 电力晶体管 l1.6 功率场效应晶体管 l1.7 绝缘栅双极性晶体管 l1.8 其他新型电力电子器件 l 本章小结11.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 电力电子器件的应用领域21.1.1 电力电子器件的概念和特征1.概念主电路（Power Circuit） 在电气设备或电 力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的 电路。电力电子器件（Power Elect

2、ronic Device) 直 接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现 电能的变换或控制的电子器件。3电力电子器件是功率半导体器件。 1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电子器件。 2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损耗、提高效率，一般都工作在开关状态。 3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。 4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上考虑散热设计，而且在其工作

3、时一般都还需要设计安装散热器。2 .特征41.1.2 电力电子器件的基本类型1.按照电力电子器件的可控程度半控型器件全控型器件通过控制信号可控制 其导通而不能控制其关断晶闸管及其派生器件关 断主 电 路电 流电 压通过控制信号即可控制 其导通又能控制其关断绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管门极可关断晶闸管自关断器件门极可关断晶闸管处理兆瓦级 大功率电能5不能用控制信号控制 其通断，不需要驱动电路电力二极管不控型器件主 电 路通 断电 流电 压只有两个端子2. 按照驱动电路加在电力电子器件上驱动信号的性质电流驱动型电压驱动型控 制 端通 断注 入 电 流抽 出 电 流电压信号公 共 端控 制 端6

4、3.按照器件内部电子和空穴两种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的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件71.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件 最初是单管结构、分立器件电力电子设备 电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路结构松散、体积大、可靠性差、成本高电力电子器件的模块化与集成化 结构紧凑、体积小、可靠 性高、成本低8功率模块由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片智能功率模块将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片 再度与电力电子器件集成9表1

5、-1 电力电子器件类 型名称中文名称英文名称分 立 器 件不可控器件电力二极管Power Diode 半控型器件晶闸管(可控硅)Thyristor (SCR)全 控 型 器 件电流控制器件电力晶体管(双极型晶体管)GTR (BJT)门极可关断晶闸管GTO电压控制器件电力场效应晶体管Power MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT场控晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成模块功率模块Power Module单片集成模块System on a Chip智能功率模块IPM以上各种类型器件的特点为：101.1.4 电力电子器件的应用领域电力电子器件 应用广泛电力电子器件允许的开关

6、频率与允许功率范围及主要应用领域 111.2 电力二极管结构和原理简单 工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管 （半导体整流管）20世纪50年代 初获得应用应用快恢复二极管 肖特基二极管斩波、逆变 高频低压仪表、 开关电源121.2 电力二极管l1.2.1 PN结的工作原理l1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 l1.2.3 电力二极管的主要参数 l1.2.4 电力二极管的主要类型131.2.1 PN结的工作原理电力二极管在本质 上是一个PN节， 只是加上电极引线 、管壳封装。PN 节的工作原理已经 在模拟电子技术课 程中涉及，不再展 开讨论。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气

7、图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号14PN结的单向导电性：承受正向 电压导通，承受反向电压截止PN结的正向导通状态 PN结在正向电流很大 时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN 结表现为低阻状态。PN结的反向截止状态 微弱的反向电流。15PN结反向击穿施加PN结反 向电压过大 反向电流 急剧增大破坏PN结的反向截止状态PN结反向击穿反向电流 急剧增大16171.2.2 电力二极管的结构与基本特性1.静态特性图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管 静态特性伏安特性正向电压为零，电流为零 。正向电压较小，正向电流很 小，几乎为零。正向电压升高至UTO，正向电 流明显

8、增加。门槛、阈值电压正向电压大于UTO，正向电流 线性增长。181.2.2 电力二极管的结构与基本特性1.静态特性图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管 静态特性伏安特性值定一到大压电向正承受反向电压时只有微小而数 值恒定的反向 漏电流。正向电流IF对应 的电力二极管两 端的电压UF为其 正向电压降。19零偏置正向 偏置反向 偏置过渡过程中 ，其电压 电流关系随 时间而变化2.动态特性电力二极管的动态状态反映通态和断态之间转换过程的开关特性20电力二极管的关断 在tF时刻外加电压突然反 向。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。td= t1-t0延迟时间tf= t2-

9、t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间普通： 5几十微秒快速： 几百纳秒肖特基：几十纳秒a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURttF t0 URP在关断之前有较大的 反向电流，伴随明显 的反向电压过冲。21注意：电流、电压反向问题 过冲正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时 ，二极管看成是理想开关元件，因为它的开 通时间很短；但在关断时，它需要一个反向恢复时间（ reverser-recovery time）。影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复 时间。221.2.3 电力二极管的主要参数 正向平均电流IF(AV)在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过 的最大工频正弦半波

10、电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用 时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流 额定值，应留有一定的裕量。 正向压降UF 电力二极管在正向电流导 通时二极管上的正向压降。231.2.3 电力二极管的主要参数浪涌电流最高工作结温反向恢复时间反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所 能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。 23倍裕量。241.2.4 电力二极管的主要类型普通二极管 (整流二极管）多用于开关频率 不高（1kHz以下） 的整流电路中 反向恢复时间长 一般在5s以上正向电流定额和 反向电压定额很 高，分别可达数 千安和数千伏以上 25快恢复二极管恢复过程很短，特别是

11、反向恢复过程很短（ 5s以下，数百ns）的二极管，简称快速二极 管 。26肖特基二极管导通压降只有0.30.6V ，反 向恢复时间短，1040ns。缺点：漏电流很大、耐压低 。271.3 晶闸管及其派生器件l1.3.1 晶闸管的结构及工作原理l1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 l1.3.3 晶闸管的派生器件281.3.1晶闸管的结构与工作原理P1 N1 P2 N2J1 J2 J3AGKAKG图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 a)c)b)AG KGKA29晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件 ，可等效为可控的单向导电开关。反向承受一定电压，

12、处于阻断（截止）状态 。 正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高 阻抗的阻断工作状态和低阻抗的导通工作状态。 30图1-7 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)产生注入门极的触发 电流IG的电路触发门极触发电路对晶闸管的驱动反向截止正向阻断31晶闸管工作原理如以下方程所示Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1)Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2)IK = IA + IG (1-3) IA = IC1 + IC2 (1-4) a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增 益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电 流。由式（1-1

13、）式（1-4）得：(1-5)32晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当 发射极电流建立起来之后， 迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍 大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电 流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（ 阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由 外电路决定。33晶闸管的开通、关断规律：1)承受反向电压时，不论门极是否有触发电流 ，晶闸管均不导通。2)承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管开通。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。即 使去除门极触发信号，仍然维持导通。自锁

14、、掣住4)要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到 接近于零的某一数值以下 。维持电流341.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数1.阳极伏安特性及静态参数IG2IG1 IG 第象限是正向特性 第象限是反向特性35IG=0时，器件两端施加正向电压 ，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 界极限即正向转折电压UDB，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。导通后的晶闸管特性和二极管的 正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。导通期间，如果门极电流为零， 并且阳极电流降至接近于零的某 一数值IH以下，则晶闸管又回到 正向阻断状态。IH称为

15、维持电流 。36晶闸管上施加反向电压时，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流过。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加，导致晶闸管反向击穿、损坏。3738晶闸管的静态参数lUDB、URB 正向转折电压和反向击穿电压；UDSM、 UDRM 正向断态不重复峰值电压和重复峰值电压；lURSM、 URRM 反向不重复峰值电压和重复峰值电压；l不重复峰值电压是指不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一l般不允许多次施加。l重复电压是指晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的l最大瞬时电压。l取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向重复峰值电压。l取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。