第2章 电力电子器件13

《第2章 电力电子器件13》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 电力电子器件13（135页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第二章 电力电子器件,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,2,本章主要内容,电力电子器件的概念，特点和分类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的问题 电力二极管 晶闸管 全控型器件了解各种器件的结构和工作原理重点掌握各种器件的动态特性、主要参数以及如何选择,参考书：电力电子变换和控制技术 第二版 (陈坚 著) 高等教育出版社,3,2.1 电力电子器件概述,2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类,4,电力电子器件概述,1）概念 电力电子器件：用于处理电

2、能的主电路中实现电能的变换或控制的器件。 主电路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）分类,电真空器件（汞弧整流器、闸流管）半导体器件,5,电力电子器件的特征,电力电子器件直接用于处理电能，有特征： 处理功率能力远大于处理信息类器件处理功率的能力，可从毫瓦级到兆瓦级； 工作在开关状态处理功率大，减小本身的损耗； 需信息电子电路控制，中间加驱动放大电路； 器件损耗大，器件设计和封装方面必须考虑散热，工作时还必须考虑散热器。,6,理想电力电子开关,开关处于关断状态Off-state时能承受高的端电压，并且漏电流为零。 开关处于导通状态On-state时能流过大电流，且端电压

3、（导通压降）为零。 导通、关断切换时所需开关时间为零。 小信号也能导通、关断，对信号的延迟时间为零。 反复开关不老化。,7,电力电子器件的损耗,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,8,应用电力电子器件的系统组成,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,电气隔离,控制电路,9,电力电子器件的分类,按照器件能够被控制的程度，

4、分为以下三类： 不可控器件不能用控制信号控制其通断，因此也就不需要驱动电路。 半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 全控型器件（IGBT，MOSFET）可以通过控制信号即可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。,10,不可控器件,不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。 两个端子，器件通断由它在主电路中承受的电压和电流决定。 单向导电。 典型器件：功率二极管,11,半控型器件(Half-controllable device),可控制器件开通但不能控制关断，控制端在器件导通后失去控制能力，即无法通过控制端来关断器件，器件关断决定于外部条件，即器件在主电路中承受的电压和电流。

5、 三端器件。典型器件：晶闸管及派生器件。,12,全控型器件(Full-controllable device),既能控制开通，又能控制关断，又叫自关断器件。 常用的有功率场效应管（Power MOSFET）绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）门极可关断晶闸管（GTO）等 。,13,其它分类方法,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质不同划分：,电流控制型器件通过向控制端注入或从控制端抽出电流实现器件的开通、关断。 电压控制型器件 器件的开通、关断控制是通过加在控制端与公共端之间的电压来实现的，又叫场控型器件或场效应器件。电压控制型器件需要的控制极驱动功率要小得多 。,14,其它分类方法,

6、按照器件内部载流子的类型分类,单极型 双极型 复合型,15,单极型,一种载流子（一般为多数载流子）参与导电的器件。如功率场效应管，静电感应晶体管（SIT）。 特点：只有多数载流子导电，无少子存储效应，开通关断时间短，典型值为20 ns。以功率场效应管为例，小容量器件工作频率可达500kHz。输入阻抗很高，通常大于40 兆欧，电压控制型。电流有负温度系数，不易产生局部热点，二次击穿可能性极小 。 通态压降高，电压和电流额定值比双极型器件小。适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备 。,16,双极型,电子和空穴两种载流子都参与导电。如晶闸管、GTO等。 特点：通态压降较低。阻断电压高。电压和电流额

7、定值较高，适用于大中容量的变流设备。,17,复合型,由单极型器件和双极型器件组合而成，如IGBT。 特点：既有晶闸管、GTO等双极型器件的电流密度高、 导通压降低等优点，又具有功率场效应管等单极型器件的输入阻抗高、响应速度快的特点，是一类综合性能较好、具有发展前途的电力电子器件。,18,2.2 不可控器件电力二极管,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型,19,2.2 不可控器件电力二极管,结构和原理简单，工作可靠， 快恢复和肖特基二极管，分别在中高频整流、逆变及低压高频整流场合，有不可替代

8、的地位。 电力二极管主要作整流、续流和隔离等。,整流二极管及模块,20,电力二极管,结构和原理与信息电子电路二极管一样。 一个面积较大的PN结和两端引线封装组成。 外形：螺栓型和平板型。,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,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),c),A,K,阳极,阴极,Appearance,21,PN 结,PN结：N型半导体和P型半导体结合后构成 扩散 空间电荷建立内电场或自建电场，阻止扩散 漂移 稳定的空间电荷区或耗尽层，阻挡层，势垒区。,22,电导调制效应,结导通，流过较小电流时，电阻主要为基底低掺杂区的欧姆电阻，

9、为常量，此时管压降随电流上升增加。 结流过较大电流时，注入并积累在低掺杂区的少子空穴浓度很大，为维持半导体中性，多子浓度也增大，电阻率下降，即电导调制效应。此时压降左右，低阻状态。 电导调制效应的存在，可允许器件流过较大电流。,23,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿,PN结的状态,电力二极管的工作原理,24,电力二极管的工作原理,PN结电荷量随外加电压变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开

10、关状态。,PN结的结电容,25,电力二极管和信息二极管不同的因素： 正向导通时流过大电流，电流密度大，额外载流子注入水平高，电导调制效应明显。 引线和焊接电阻压降有明显影响。 电流变化率di/dt较大，引线和器件自身的电感效应有较大影响。 为提高反向耐压，掺杂浓度低，造成正向压降较大，1V左右，一般的为0.7V。,电力二极管的工作原理,26,电力二极管的基本特性,主要指其伏安特性 门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电压即为正向压降UF 。 反向时，只有漏电流。,电力二极管的伏安特性,静态特性,27,电力二极管的基本特性,动态特性,1）偏置状态改变时的过渡过程。

11、 2）电压电流特性随时间变化。 3）由于结电容的存在。,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,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。,28,电力二极管的动态特性,关断过程 须经短暂时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 关断前有较大反向电流，并伴随明显反向电压过冲。,图(b)关断过程,29,电力二极管的动态特性,正向压降先出现过冲UFP，经一段时间趋于稳态压降的某个值（如 2V）。 正向恢复时间

12、tfr 电流上升率越大，UFP越高 。,图5(b)开通过程,开通过程,30,电力二极管的主要参数,正向平均电流（额定电流）IF(AV) 定义：功率二极管长期运行时，在指定的管壳温度（即壳温）和散热条件下，结温稳定且不超过所允许的最高工作结温，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，即为正向平均电流。将此电流值取规定系列的电流等级值，即为元件的额定电流。,31,电力二极管的主要参数,注意：正向平均电流按照发热条件定义。使用时，应按电流有效值相等原则选取，并留裕量。工作频率较高时，不能忽略开关损耗。采用反向漏电流较大的管子，应考虑断态损耗。,换算关系：正弦半波电流有效值和平均值IF(AV)比：,

13、32,电力二极管的主要参数,正向压降 定义：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。有时也指在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时功率二极管的最大瞬时正向压降。,UF,33,电力二极管的主要参数,反向重复峰值电压URRM定义：二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压UB的2/3。一般按电路中二极管可能承受的最高峰值电压的两倍选取。最高工作结温TJM结温TJ是pn结的平均温度。最高工作结温指在pn结不损坏前提下所能承受的最高平均温度TJM ，通常在125-175 。,34,电力二极管的主要参数,反向恢复时间指功率二极管由导通到关断时，从正向电流过零到反向电流下降到峰

14、值的25%时的时间间隔。它与反向电流上升率、结温及正向导通时的最大正向电流有关。 浪涌电流IFSM指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。一般用额定正向平均电流的倍数和相应的浪涌时间（工频周波数）来规定。,trr,35,电力二极管的主要类型,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分类。,普通二极管 快恢复二极管 肖特基二极管,36,即整流二极管； 多用于频率不高（1kHz以下）的整流电路； 反向恢复时间较长,5微秒以上； 正向电流定额和反向电压定额高。,普通二极管(Gerneral Purpose Diode),37,快恢复二极管(Fast Re

15、covery Diode),恢复过程短，特别是反向恢复过程较短（在5微秒以下）； 分为快速恢复和超快速恢复。 前者反向恢复时间为数百纳秒或更长；后者则在100 ns以下，甚至达到20-30 ns。 反向电压1200V以下,38,肖特基二极管(Schottky Barrier Diode),以金属和半导体接触形成的势垒为基础的为肖特基势垒二极管,简称肖特基二极管。 优点：反向恢复时间很短（10-40 ns）；正向恢复过程无有明显电压超调；反向耐压较低时正向压降小，明显低于快恢复二极管。因此，开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小。 缺点：反向耐压提高时，正向压降会高得无法接受 反向漏电流较大且对

16、温度敏感。 多用于200 V以下的场合；,39,2.3 半控型器件晶闸管,晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件,40,2.3 半控型器件-晶闸管Thyristor,硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅（Silicon Controlled RectifierSCR）。 1956年，美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管； 1957年，通用电气公司（GE）开发出第一只产品； 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，开始被性能更好的全控型器件取代； 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，大容量场合有重要地位。 晶闸管一般指普通晶闸管，实际还包括其派生器件。,41,封装形式：螺栓式和平板式螺栓式：螺栓阳极，粗辫子为阴极，细辫子为门极。安装和更换方便，散热效果较差。平板式：两个平面分别是阳极和阴极，细辫子线为门极。散热效果好，但安装和更换较麻烦。 冷却方式：自然冷却、强迫风冷和水冷。,