【优质课件】电力电子器件概述(PPT-92页)

1-1第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——二极管2.3半控型器件——晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结及作业1-2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———电力电子器件第2章电力电子器件本章主要内容：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。1-32.1.1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2.1.4本章内容和学习要点2.1电力电子器件概述1-41.概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）——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(采用的主要材料硅）仍然2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件1-5能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。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（驱动电路）。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。2.1.1电力电子器件的概念和特征3.同处理信息的电子器件相比的一般特征：1-6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2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗1-7电力电子系统：由控制电路、驱动电路、检测电路、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应用电力电子器件的系统组成电气隔离控制电路1-8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(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。2.1.3电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：1-9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：按照载流子参与导电的情况，分为三类：单级型、双极型和复合型1-10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。第9章将集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串/并联使用这三个问题。学习要点:最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。了解主电路中对其他电路元件有特殊的要求。2.1.4本章学习内容与学习要点1-112.2.1PN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2.2不可控器件—电力二极管1-12PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。2.2不可控器件—电力二极管·引言整流二极管及模块1-13知识回顾——杂质半导体在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强1.N型半导体在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。1-142.P型半导体在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。1-15PN结PN结的形成P型和N型两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→PN结。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，载流子因为浓度差从浓度高的区域向浓度低的区域运动，称为扩散运动。P区空间电荷区N区PN结及其内电场内电场方向＋＋＋＋＋＋＋＋＋1-16PN结的单向导电性1.外加正向电压（正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。空间电荷区变窄ER内电场外电场PNI＋＋＋1-172.外加反向电压（反向偏置）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。ER内电场外电场空间电荷区变宽PNI＋＋＋＋＋＋＋＋＋1-18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。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。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2.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK1-19-N（漂移区）N（衬底）P10μm此厚度决定击穿电压250μmi阴极阳极•低掺杂N区（漂移区，DriftRegion)P区和N区之间多加的一层。可以受很高的电压而不致击穿。低掺杂N区越厚，电力二极管能够受的反向电压就越高。2.2.1PN结与电力二极管的工作原理图2-4电力二极管内部结构断面示意图1-20状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——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（不可恢复）2.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态1-21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。正向电压降UF反向漏电流图2-4电力二极管的伏安特性2.2.2电力二极管的基本特性1.静态特性IOIFUTOUFU1-22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tfrUFPuiiFuFtfrt02V图2-6(b)开通过程2.2.2电力二极管的基本特性开通过程关断过程延时后进入截止状态。关断前有较大的反向电流，并伴有明显的反向电压过冲。反向恢复时间trrIFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图2-6(a)关断过程2)动态特性1-23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。正弦半波的平均值与有效值之比为1:1.57IF(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)1-24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。3）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。使用时，应当留有两倍的裕量。4）反向恢复时间trrtrr=td+tf2.2.3电力二极管的主要参数2）正向压降UF1-25TJ结温：管芯PN结的平均温度TJM：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125~175C范围之内。6)浪涌电流IFSM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。2.2.3电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM1-261)普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz）的整流电路其反向恢复时间较长（5us）额定电压和额定电流可以达到很高（kV，kA）2.2.4电力二极管的主要类型1-27反向恢复时间短（50ns），正向压降低（0.9V左右），反向耐压值较低（1200V）2.2.4电力二极管的主要类型2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。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短（10~40ns）。正向恢复过程中没有明显的电压过冲。效率高，开关损耗和正向导通损耗小3.肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。1-282.3半控型器件—晶闸管2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件1-292.3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。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1-30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。三个联接端：阴极K，阳极A，门极G螺栓型封装，通常螺栓是阳极，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。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31-312.3.1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晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构1-322.3.1晶闸管的结构与工作原理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2-8晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理按晶体管的工作原理：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）1-332.3.1晶闸管的结构与工作原理阻断状态：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，晶体管的发射极电流增大，迅速增大，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实际由外电路决定。1-342.3.1晶闸管的结构与工作原理阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他触发导通的情况：1-352.3.2晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。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。晶闸管正常工作时的特性总结如下：1-362.3.2晶闸管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向漏电流很小，正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，漏电流急剧增大，器件开通。IG幅值增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，1V左右。维持电流IH正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG