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1、技师培训教案 2010年6月,第一部分：技师知识要求 第一章：电子基础知识 第一节：电力半导体器件 第二节：模拟电路 第三节：数字电路,礦井維修電工 技師培訓班 大家好!,第一节：电力半导体器件,一、电力晶体管 电力半导体器件是电力电子技术的基础，其性能的优劣在很大程度上决定了电力电子设备的技术经济指标。电力半导体器件一般工作在较为理想的开关状态，其显著的特点是导通时压降很低，关断时漏电流很小，消耗能量很少或几乎不消耗能量，因此电力电子技术（曾称为功率电子技术）具有高效率和节能的特点。 常用的电力半导体器件有：普通晶闸管（SCR）、门极关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（）、电力场效应晶体管（）
2、、绝缘栅双极型晶体管（）、栅控晶闸管（）和功率集成电路（）等。,一、电力晶体管,1基本结构和工作原理 电力晶体管（简称）属于电流控制型器件，是一种耐压高、电流容量大的双极型大功率晶体管。其基本结构和工作原理与小功率晶体管类似，也有型和型两种。型电力晶体管的基本结构和图形符号分别如图1-1a、b所示。,图1-1 型及达林顿模块 ）结构 b）图型符号 c）达林顿模块,电力晶体管和小功率晶体管一样，也有截止、放大和饱和三种工作状态。在电力电子技术中，电力晶体管作为大功率的开关器件，主要工作于截止和饱和两种状态。为了确保晶体管能安全可靠地长期工作，晶体管在开关过程中必须工作在如图1-2所示的安全工作区
3、（）内。,2的主要参数 的参数较多，这里仅简单介绍的几个主要参数。 （1）开路阻断电压 开路阻断电压主要反映的耐压能力。 1） 发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。 2）基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。 3）（） 基极开路时，集电极-发射极间能承受的持续电压。一般，（）。 （2）集电极最大允许电流 发射结正向偏置时，集电极允许的最大电流。 （3）电流放大倍数h 集电极电流与基极电流的比值，即h/。 （4）开关频率 GTR作为开关器件的最高工作频率。它取决于GTR的开关时间（开关时间为开通时间与关断时间之和）。,3的基极驱动 为了降低在开关状态转换过程中的功率损耗，提高系统的
4、安全可靠性，必须采用合理的基极驱动电路。图1-3所示为一种基极驱动原理电路和波形。由图可见，对基极驱动的一般要求是：开通时要过驱动（1），以缩短晶体管的导通时间；正常导通时要浅饱和（2），以利于晶体管的关断；关断时要反偏（3），以缩短晶体管的关断时间。基极驱动对GTR的正常运行起着极其重要的作用，较好的基极驱动是采用具有智能控制功能的电路，如UAA4002专用集成电路，可以对晶体管实现较理想的基极电流优化驱动，并可以提供多种保护功能。,图1-3 基极驱动 ）基本电路 b）工作波形,具有控制方便、开关时间短、高频特性好和通态压降较低等优点，其主要缺点是存在局部过热引起的二次击穿现象。目前，的最大
5、容量为1200400，最佳工作频率约为110，适用于500以下的应用场合。,二、电力场效应晶体管,1结构与工作原理 场效应晶体管（）是利用电场来控制固体材料导电能力的单极型有源器件。所谓单极型器件是指内部只有多数载流子参与导电的半导体器件。金属-氧化物半导体场效应晶体管简称为。电力场效应晶体管（简称电力MOSFET）与小功率MOSFET一样，是绝缘栅场效应晶体管。它是通过改变栅极与源极间的电压，使其内部沟道反型及恢复，来控制漏极电流的，因此它属于电压控制型器件。目前，电力MOSFET一般采用如图1-4所示的垂直导电双扩散结构。实际的电力MOSFET是由几千个到几十万个这样结构的单元并联组成的一
6、种功率集成器件。,图1-4 沟电力）内部结构 b）图型符号 c）输出特性,由图1-4a可见，栅极与基片之间隔着氧化硅薄层，故它与其它两个极之间是绝缘的，因此电力MOSFET栅-源极之间的阻抗非常高。该器件在使用时，源极接电位，漏极接低高电位，即D S0。当栅极与源极间为零偏压（即G S0）时，由于D S使结承受反向电压，故漏极到源极之间无电流，整个器件处于阻断状态；当栅极-源极间的正偏压超过某一临界值（栅极阀值电压）时，即D S时，靠近氧化硅附近的区表面层形成与P型半导体导电性相反的一层，即反型层，该反型层称为沟道。沟道将漏极与源极连接起来，成为导电的通道，使整个器件处于导通状态，电流D从漏极
7、出发，经过沟道，流入区，最后从源极流出。由于这种电力MOSFET靠型沟道来导电，故称为沟道MOSFET，其图形符号如图1-4b所示。,2特性及参数 电力MOSFET的输出特性见图1-4c。电力MOSFET的主要参数有：最大漏极电流ax、漏极-源极间击穿电压D S、导通电阻、阀值电压和开关频率等。 电力MOSFET的特点是驱动简单，驱动功率小，而且开关时间很短，一般为ns数量级，工作频率可达50100kz，其控制较为方便，热稳定性好且没有二次击穿现象，耐压流和抗干扰能力强，安全工作区（）宽，但其容量较小，耐压较低。目前，电力MOSFET的耐压等级为1000，电流等级为200，因此电力MOSFET
8、现主要用于各种小容量电力电子装置。,三、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,基本结构和工作原理 绝缘栅双极型晶体管（简称IGBT）是由单极型MOS管和双极型GTR复合而成的新型功率器件。它既具有单极型MOS管的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有双极型电力晶 体管的电流密度高、导通压降低的优点。IGBT的结构及图形符号如图1-5a、b所示。,图1-5 绝缘栅双极型晶体管（）内部结构 b）图型符号 c）输出特性,由图1-5可见，IGBT是在沟道电力MOSFET结构的基础上再增加一个+层构成的IGBT。器件共有三个电极，分别为栅极、发射极、集电极。IGBT应用时，接电源的高电位，接电源的低电位。IGB
9、T的导通原理与电力MOSFET基本相同，因此IGBT也属于电压控制型功率器件。,2特性与参数 IGBT的输出特性见图1-5c。IGBT的主要参数有： 1）集电极-发射极额定电压 S 栅极-发射极短路时，IGBT的耐压值。 2）栅极-发射极额定电压 S IGBT是由栅极-发射极间电压信号控制其导通和关断的，而 S为该控制信号电压的额定值。IGBT工作时，其控制信号电压不能超过 S。目前IGBT的 S大多为20左右。 3）额定集电极电流 IGBT导通时，允许流过管子的最大持续电流。,4）集电极-发射极饱和电压（sat）IGBT正常饱和导通时，集电极-发射极之间的电压降。（sat）越小，管子的功率损
10、耗越小。 5）开关频率 IGBT的开关频率是由其导通时间t、下降时间和关断时间ff来决定的。IGBT的开关频率还与集电极电流、运行温度和栅极电阻有关。当增大、运行温度升高时，开关时间增大，管子允许的开关频率有所降低。IGBT的实际工作频率比高，一般可达3040kz。,3IGBT的驱动 随着IGBT的广泛应用，针对IGBT的优点而开发出的各种专用驱动模块也应运而生，如日本富士公司的841专用驱动模块，模块内部装有光耦合器，有过电流保护电路和电流保护信号端子，还可以用单电源供电。各种高性能的专用驱动模块，为IGBT的广泛应用提供了极大的方便。 IGBT是发展最快且已走入实用化的一种复合型功率器件。
11、目前，IGBT的容量已经达到的GTR水平。系列化产品的电流容量为10400，电压等级为5001400，工作频率为1050kz。由于IGBT集MOSFET和GTR的优点于一身，因此它广泛应用天各种电力电子装置，有取代电力MOSFET和GTR的趋势。,四、电力电子器件的选用和保护,1电力电子器件的选择 （1）电力电子器件种类的选择 在电力电子装置中，采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，即减小装置体积，又降低了开关损耗，提高了效率。同时，由于这些器件开关频率的提高，电力电子装置可以采用控制，即可以降低谐波损耗，又可以提高快速性，甚至还可以改善功率因数。因此，现代电力电子装置大量使用
12、各种新型电力半导体器件。,（）电力电子器件参数的选择 恰当地选择电力电子器件的参数，可以使电力电子装置功能良好、可靠、经济、维护方便。 1）器件电压的选择 选择器件的重复峰值电压（额定电压）的依据是：额定电压必须大于器件在电路中实际承受的最大电压，并有23倍的裕量。 2）器件电流的选择 选择器件的额定电流时，必须考虑到不同器件额定电流的表示方法有所不同，如普通晶闸管、快速晶闸管的额定电流是工频正弦半波电流（波形系数Kf1.57）平均值，而双向晶闸管用电流的有效值表示，GTO晶体管、GTR、MOSFET和IGBT等则用电流的峰值表示，因此必须根据实际使用的器件来选择器件的额定电流。,例如，选择普
13、通晶闸管额定电流的依据是：晶闸管的额定电流(AV)必须使管子的额定有效值(1.57（）)不小于实际流过管子电流的最大有效值(即1.57（），才能保证晶闸管的发热与结温不超过额定值，而且通常选用管子的额定电流时也应考虑1.52倍的裕量，即（）（1.52）1.57（为工作时流过晶闸管的最大电流有效值）。 当单个器件额定电压不能满足电路电压要求时，可将多个器件串联使用，但器件串联时要保证各个串联器件所承受的电压基本相等（即均压）；当单个器件额定电流不够大时，可将多个器件并联使用，但器件并联使用时要保证每个并联器件中流过的电流基本相等（即均流）。,2电力电子器件的保护 由于电力电子器件承受过电压和电流
14、的能力较差，因此必须采用相应的保护措施。过电压和过电流保护是提高电力电子装置运行可靠性所不能缺少的重要环节。 常用的保护措施是用若干电路元件组成的保护部件，如阻容吸收、非线性元件（硒堆、压敏电阻）等，分散设置在所需要的部位，来限制瞬时过电压；用快速熔断器、过电流继电器、直流快速断路器等，快速切断故障过电流，实现过电流保护。此外，还可以通过检测电路中某点的电压或电流值，利用调节系统进行快速反馈控制，将电压、电流抑制在允许值以下，而当有严重故障时自动快速切断装置的电源，实现电压、电流保护。,为了确保装置安全可靠的运行，一般还在晶闸管电路中串入进线电感配合阻容吸收电路以及在晶闸管桥臂串入小电感，来限
15、制加到晶闸管上的电压上升率du/dt；在晶闸管桥臂串入小电感配合整流式阻容吸收电路，来限制晶闸管电流上升率di/dt。,图1-6 缓冲电路,图1-6 缓冲电路,对于GTR、GTO晶闸管、MOSFET和IGBT等自关断器件，除了采用上述的保护措施外，还应尽量选用有自保护功能的驱动电路。应当注意，由于这些自关断器件的工作频率比晶闸管高的多，因此其缓冲电路与晶闸管也不尽相同，图1-6所示为一种常见的GTR缓冲电路，该缓冲电路也以用于GTO晶闸管、MOSFET及IGBT的保护。,第二节 模拟电路,一、共发射极放大电路的分析 在分析放大电路时，常常遇到多种交、直流电量，它们的名称较多，符号各异，为了便于说明问题，本书将电路中出现的有关电量的符号列举出来，见表1-1。 表1-1 放大电路中的电压和电流的名称及符号,（一）直流通路和交流通路,1直流通路 直流通路就是放大电路的电路的直流等效电路，是在静态时放大电路的输入回路和输出回路的直流电流流通的路径。由于电容器对直流相当于断开，因此画直流通路时，把有电容器的支路断开，其他不变，如图1-7b所示。,
