电力电子器件-PowerPoint演示文稿

1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。第1章电力电子器件2第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——电力二极管1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件1.6电力电子器件的驱动及保护本章作业31.1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应用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类返回41.1.1电力电子器件的概念和特征1）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）（√）53）同处理信息的电子器件相比，具有如下特征：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。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。1.1.1电力电子器件的概念和特征6电力电子器件的损耗：1.1.1电力电子器件的概念和特征主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通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。返回71.1.2应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。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电气隔离控制电路图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制信号返回81.1.3电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分三类：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。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。9按照驱动电路信号的性质，分两类：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。1.1.3电力电子器件的分类10按照电子和空穴两种载流子参与导电的情况，分三类：单极型器件双极型器件复合型器件1.1.3电力电子器件的分类返回111.2不可控器件——电力二极管基本结构及工作原理电力二极管的基本特性电力二极管的主要参数电力二极管的主要类型返回12基本结构及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。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图1-2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13基本结构及工作原理PN结的状态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——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（均可导致热击穿）返回14电力二极管的基本特性1）静态特性：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。IOIFUTOUFU图1-4电力二极管的伏安特性152）动态特性电力二极管在三种工作状态之间转换的时候都会经历一个过渡过程。电力二极管的基本特性——二极管的电压-电流特性随时间变化的——结电容的存在延迟时间：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。FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtUFPuiiFuFtfrt02Va)b)图1-5a)正偏——反偏b)零偏——正偏16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越高。图1-5(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1-5(b)关断过程IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtUFPuiiFuFtfrt02V电力二极管的基本特性返回17电力二极管主要参数1)正向平均电流IF(AV)2)正向压降UF3)反向重复峰值电压URRM4)反向恢复时间trr5)最高工作结温TJM6)浪涌电流IFSM返回18电力二极管的主要类型常见电力二极管：1)普通二极管2)快（速）恢复二极管3)肖特基二极管（SBD）：以金属与半导体表面的适当接触形成势垒为基础，呈现类似于PN结的非线形特性。返回191.3半控型器件——晶闸管引言1.3.1晶闸管的结构与工作原理1.3.2晶闸管的基本特性1.3.3晶闸管的主要参数1.3.4晶闸管的派生器件返回20晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1.3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。返回211.3.1晶闸管的结构与工作原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。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1-6SCR的外形、结构和电气符号a)外形b)结构c)电气符号1)SCR的结构221.3.1晶闸管的结构与工作原理•管芯：四层三端的芯片（主要部件，决定SCR的性能）•管壳：保护管芯•散热器：把热量传递给冷却介质•引线：阳极、阴极、门极（P2区引出）232）SCR工作原理SCR二极管模型及阻断特性当uAK0时，J1,J3反偏，J2正偏，称为反向阻断；当uAK0时，J1,J3正偏，J2反偏，称为正向阻断。GJ1AKJ3J2PNPNNP1.3.1晶闸管的结构与工作原理24SCR的双晶体管模型及工作原理1.3.1晶闸管的结构与工作原理图1-7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SCR的开通：1)在晶闸管阳极与阴极间施加正向阳极电压，IG=0时，正向阻断状态；2)给门极注入触发电流IG，将形成强烈的正反馈，使两管饱和导通，撤去IG，则管子仍保持导通。25根据晶体管的工作原理，得：从而，1.3.1晶闸管的结构与工作原理111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。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的话，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。26SCR的关断：减少IA或增大R，使IAIH才能使SCR自然关断。通常是施加一定时间的反压。结论承受反向电压时，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。1.3.1晶闸管的结构与工作原理返回271.3.2晶闸管的基本特性1）静态特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG28（2）反向特性1.3.2晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG292）动态特性（了解）1.3.2晶闸管的基本特性1)开通过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr（1-6）2)关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr（1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图1-9晶闸管的开通和关断过程波形返回301）电压定额（1）断态不重复峰值电压Udsm（2）断态重复峰值电压Udrm（3）反向不重复峰值电压Ursm（4）反向重复峰值电压Urrm（5）通态（峰值）电压Utm（6）额定电压•通常取晶闸管的Udrm和Urrm中较小的标值作为该器件的额定电压。•选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。1.3.3晶闸管的主要参数312）电流定额（1）通态平均电流IT(AV）——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。•IT(AV）的计算：•公式：•举例：1.3.3晶闸管的主要参数()(1.5~2)1.57TTAVII32（2）维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。（3）擎住电流IL——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍（4）浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。1.3.3晶闸管的主要参数333）动态参数（1）开通时间tgt：从门极加触发脉冲到SCR进入导通所需要的时间。（2）关断时间tq：SCR由通态到断态所需要的时间间隔。（3）断态电压临界上升率du/dt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。（4）通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。1.3.3晶闸管的主要参数返回341.3.4晶闸管的派生器件1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。352）双向晶闸