电力电子技术第2版周克宁电子课件第2章电力电子器件

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1、电力电子技术,2.1概述 2.2电力二极管 2.3电力晶体管 2.4晶闸管 2.5电力MOS场效应晶体管 2.6绝缘栅双极晶体管,第二章 电力电子器件,第二章 电力电子器件,1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device） 电力电子电路的核心器件，直接用于主电路中，实现电能的变换或控制。 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。 2）分类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅）,1、电力电子器件的概念和特征,第一节 概述,处理电功率大，一般远大于信息处理的电子器件。

2、 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。,3）同信息处理的普通半导体器件相比：,第一节 概述,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,电力电子器件的损耗,第一节 概述,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 Di

3、ode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,2、电力电子器件的分类,第一节 概述,电流驱动型（晶闸管，GTR ，GTO） 通过从器件的控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断控制的器件。 电压驱动型 （MOSFET, IGBT ） 仅通过在器件的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控制的器件。,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,第一节 概述,2、电力电子器件的分类,双极型器件 （晶闸管，GTR,GTO） 器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电。 单极型器件 （MOSFET） 仅有一种载流子参与导电。 复合型

4、器件 （IGBT） 由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电 情况，分为两类：,第一节 概述,2、电力电子器件的分类,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。 学习要点: 最重要的是掌握其基本特性。,第一节 概述,第二节 电力二极管,1 电力二极管的基本结构和工作原理 2 电力二极管的基本特性 3 电力二极管的主要参数 4 电力二极管的主要类型,第二章 电力电子器件,第二节 电力二极管,1、电力二极管的基本结构和工作原理,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

5、线封装组成的。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。,图： 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,第二节 电力二极管,P型、N型半导体和PN结,第二节 电力二极管,PN结的知识：,二极管基本特性单向导电性,第二节 电力二极管,正向偏置时内电场被削弱， 扩散运动强于漂移运动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。 反向偏置时内电场被增强，漂移运动强于扩散运动，光热激发形成的少数载流子导电，等效电阻很大。,第二节 电力二极管,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）静态特性,2、电力二极管的基本特性,第二节 电力二极管,门槛

6、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2-4 电力二极管的伏安特性,图： 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,（2）动态特性,第二节 电力二极管,电力二极管在偏置状态 发生改变时的过渡过程,正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。 正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP越

7、高 。,图: (b)开通过程,开通过程,关断过程 须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。 关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,图: (a)关断过程,第二节 电力二极管,3、电力二极管的主要参数,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。 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。 换算关系：正弦半波电流的有效值I和平均值IF(AV)之比：,1) 额定正向平均电流IF(AV),第二节 电力二极管,对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应

8、当留有两倍的裕量。,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。,3) 最高允许结温TJM,2) 反向重复峰值电压URRM,第二节 电力二极管,4) 反向恢复时间trr 二极管正向电流过零到反向电流下降到其峰值10%时的时间间隔。,第二节 电力二极管,4、电力二极管的主要类型,各类电力二极管在正向压降、反向耐压、反向漏电流特性，特别是反向恢复特性方面有较大不同。,普通二极管（General Purpose Diode）,又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以

9、下）的整流电路 其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高,第二节 电力二极管,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。,简称快速二极管 其反向恢复时间更短（可低于50ns） 一般用于高频斩波和逆变电路中,2) 快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）,第二节 电力二极管,4、电力二极管的主要类型,利用金属与半导体之间的势垒制成的二极管 低导通电压（0.3V）,短开关时间 反向漏电流大，阻断电压低 用于高频低压场合,3) 肖特基二极管 （Schottky Barrier DiodeSBD）,第二节 电力二极管,1 GTR的结

10、构和工作原理 2 GTR的基本特性 3 GTR的主要参数 4 GTR的驱动电路,第二章 电力电子器件,第三节 电力晶体管,第三节 电力晶体管,与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。,1、GTR的结构和工作原理,图： 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,第三节 电力晶体管,在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为 GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 。 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿

11、接法可有效增大电流增益。,第三节 电力晶体管,1、GTR的结构和工作原理,2、GTR的基本特性,(1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和准饱和区和深度饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态。 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。,图： 共发射极接法时GTR的输出特性,第三节 电力晶体管,开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton， 加快开通过程的办法 。 关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff ， 加快关断速度的办法， GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,图： GTR的开

12、通和关断过程电流波形,(2) 动态特性,第三节 电力晶体管,二次击穿：一次击穿发生时，如不能有效的限制电流，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。,(3) 二次击穿和安全工作区,图： 二次击穿特性及二次击穿临界线示意图,第三节 电力晶体管,安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压UCEM、集电极最大电流ICM、 最大耗散功率PCM、二次击穿临界线PSB限定。,图： GTR的安全工作区,(3) 二次击穿和安全工作区,第三节 电力晶体管,1) 最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有

13、关，还与外电路接法有关。,3、GTR的主要参数,第三节 电力晶体管,实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。,2) 集电极最大允许电流IcM,第三节 电力晶体管,GTR对基极驱动电路的要求,图： 理想的GTR基极驱动电流波形,4、GTR的驱动电路,1) 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 2) 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。 3) 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的

14、负偏压。,第三节 电力晶体管,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分，目的就是为了加快开通与关断速度。,图： GTR的一种驱动电路,第三节 电力晶体管,1 晶闸管的基本结构和工作原理 2 晶闸管的基本特性 3 晶闸管的主要参数 4 晶闸管的驱动 5 其他类型的晶闸管,第二章 电力电子器件,第四节 晶闸管,第四节 晶闸管,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。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合

15、具有重要地位。,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）,第四节 晶闸管,外形大功率的有螺栓型和平板型两种封装，小功率的有直立塑料封装。 有三个连接端。 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。,图： 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,1、晶闸管的基本结构和工作原理,第四节 晶闸管,一个晶闸管可以用正反馈下的PNP和NPN晶体管表示。 IG IC2 (IB1) IC1 IB2 = IG + IC1 IC2 IC

16、1 正反馈 T1、T2 饱和晶闸管导通。 晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。 普通晶闸管即使加负的门极电流也不能使其关断。,第四节 晶闸管,双晶体管模型,1、晶闸管的基本结构和工作原理,式中1和2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。由以上式可得 ：,图： 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,晶闸管导通的原理可用晶体管模型解释，由图得：,第四节 晶闸管,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。 开通状态：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，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际上由于外电