华电研究生电力电子课件第1章

1-1-06:47:50电机与电力电子教研室王毅第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2电力二极管1.3晶闸管及其派生器件1.4门极可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6功率场效应晶体管1.7绝缘栅双极性晶体管-2-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1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-3-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1.1电力电子器件的概念和特征1.概念•主电路–在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。•电力电子器件–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。–广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前专指功率半导体器件。-4-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1.1电力电子器件的概念和特征2.特征•承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。•为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。•由信息电子电路来控制,并且需要驱动电路。•自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。-5-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1.1电力电子器件的概念和特征控制电路检测电路保护电路驱动电路RLV1V2主电路电力电子器件在实际应用中的系统组成-6-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1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2-7-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1.2电力电子器件的基本类型按照驱动信号性质电压型器件：MOSFET、IGBT电流型器件：晶闸管、GTO、GTR按照器件的可控程度不控型器件：电力二极管半控型器件：晶闸管全控型器件：GTO、GTR、MOSFET、IGBT-8-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1.2电力电子器件的基本类型按照参与导电载流子情况单极型器件：只有一种载流子参与导电MOSFET双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电电力二极管、晶闸管、GTO、GTR复合型器件：由单极型和双极型混合IGBT-9-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1.2电力电子器件的基本类型各种类型器件特点：•单极型器件，没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在双极型器件中的两种载流子的复合问题，因而工作频率很高。•双极型器件，由于具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损耗较小。•电流型器件，控制极输入阻抗低，驱动电流和驱动功率较大，电路也比较复杂。•电压型器件，输入阻抗很高，所以驱动功率小，驱动电路简单。-10-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1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-11-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1.3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•电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。•分立器件结构松散、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-12-06:47:50电机与电力电子教研室王毅1.1.3电力电子器件的模块化与集成化•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与电力电子器件集成3-13-06:47:51电机与电力电子教研室王毅表1-1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PowerDiode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PowerMOSFET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PowerModule单片集成模块SystemonaChip智能功率模块IPM-14-06:47:51电机与电力电子教研室王毅1.1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-15-06:47:51电机与电力电子教研室王毅1.1.4电力电子器件的应用领域电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域101001k10k100k1M1001k10k100k1M10M100Mf/HzP/VA10MGTO（机车、地铁、SVG等）SCR（高压直流输电、静止无功补偿等高压领域）GTR（UPS、空调、冰箱等）IGBT（电机调速、逆变器、变频器等中等功率范围）MOSFET（开关电源、日用电器、汽车电子等）-16-06:47:51电机与电力电子教研室王毅第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2电力二极管1.3晶闸管及其派生器件1.4门极可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6功率场效应晶体管1.7绝缘栅双极性晶体管-17-06:47:51电机与电力电子教研室王毅1.2电力二极管•PowerDiode,自20世纪50年代初期获得应用•结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备当中。-18-06:47:51电机与电力电子教研室王毅1.2电力二极管1.2.1PN结的工作原理1.2.2电力二极管的结构与基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型4-19-06:47:51电机与电力电子教研室王毅1.2.1PN结的工作原理二极管的基本原理——PN结的单向导电性•正向偏置时，表现为低阻态，即正向导通状态。•反向偏置时，表现为高阻态，只有反向漏电流，被称为反向截止状态。•当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，即反向击穿。–雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复。–热击穿，PN结因过热而烧毁。-20-06:47:51电机与电力电子教研室王毅1.2电力二极管1.2.1PN结的工作原理1.2.2电力二极管的结构与基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型-21-06:47:51电机与电力电子教研室王毅电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)AK1.2.2电力二极管的结构与基本特性结构：电力二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。外形：螺栓型、平板型等多种封装。-22-06:47:51电机与电力电子教研室王毅1.2.2电力二极管的结构与基本特性静态特性——主要指其伏安特性•正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。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，只有少子引起微小的反向漏电流。I0IFUTOUFU电力二极管的伏安特性-23-06:47:51电机与电力电子教研室王毅a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置1.2.2电力二极管的结构与基本特性动态特性•反映开通或关断过程中电压—电流随时间变化的动态特性。•反向恢复（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。–在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。–反向恢复时间：trr=td+tf–延迟时间：td，电流下降时间：tf-24-06:47:52电机与电力电子教研室王毅1.2.2电力二极管的结构与基本特性动态特性•正向恢复过程–先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降。–正向恢复时间tfr–出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。–电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置5-25-06:47:52电机与电力电子教研室王毅1.2电力二极管1.2.1PN结的工作原理1.2.2电力二极管的结构与基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型-26-06:47:52电机与电力电子教研室王毅1.2.3电力二极管的主要参数•正向平均电流IF–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。-27-06:47:52电机与电力电子教研室王毅1.2.3电力二极管的主要参数•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。2~3倍裕量。•反向漏电流•最高工作结温•反向恢复时间•浪涌电流-28-06:47:52电机与电力电子教研室王毅1.2.4电力二极管的主要类型•普通二极管（GeneralPurposeDiode）–又称整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。–其反向恢复时间较长，一般在5s以上。–其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。-29-06:47:52电机与电力电子教研室王毅1.2.4电力二极管的主要类型•快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）–恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下），但通态压降较高。–从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。-30-06:47:52电机与电力电子教研室王毅1.2.4电力二极管的主要类型•肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）–金属和半导体接触形成势垒，属于多子器件–优点：反向恢复时间很短（10~40ns），其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。–缺点：多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。6-31-06:47:53电机与电力电子教研室王毅第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2电力二极管1.3晶闸管及其派生器件1.4门极可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6功率场效应晶体管1.7绝缘栅双极性晶体管-32-06:47:53电机与电力电子教研室王毅1.3晶闸管及其派生器件•晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），简称为可控硅。•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了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。•电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的（8kV/6kA、12kV/1kA），而且成本低、可靠性高。•在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。-33-06:47:53电机与电力电子教研室王毅1.3晶闸管及其派生器件1.3.1晶闸管的结构及工作原理1.3.2晶闸管的基本特性及主要参数1.3.3晶闸管的派生器件-34-06:47:53电机与电力电子教研室王毅1.3.1晶闸管的结构与工作原理1.结构•四层半导体结构,三个PN结•引出阳极A、阴极K和门极G（控制端）三个联接端a)结构b)电气符号(a)(b)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3-35-06:47:53电机与电力电子教研室王毅1.3.1晶闸管的结构与工作原理2.外形:螺栓型模块型平板型散热器-36-06: