电力电子器件及应用

1第一章电力电子器件及应用主讲：任国海电话:[phone]电邮:[e-mail]答疑:理工楼3-103电力电子技术■21.1电力电子器件概述一、电力电子器件的分类按照器件的控制能力分为以下三类：半控型器件：晶闸管（ThyristororSCR）及其大部分派生器件其特征是：控制极只能控制器件导通，不能控制关断。全控型器件：IGBT、MOSFET、GTO、GTR其特征是：控制极可以控制器件导通和关断。不可控器件：二极管(PowerDiode)■31.1电力电子器件概述按照器件控制信号特征分为两类：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，如SCR、GTR、GTO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，其本质是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件，如IGBT、MOSFET■41.1电力电子器件概述按照器件内部载流子参与导电的情况分为三类：单极型器件——由一种载流子参与导电的器件，如MOSFET双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如SCR、GTR、GTO复合型器件——由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，如IGBT■51.1电力电子器件概述二、电力电子器件的一般工作特征：（1）电力电子器件一般都工作在开关状态；（2）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制－－驱动电路、控制电路；（3）工作时由于通态损耗、开关损耗等引起发热，在其工作时一般都要考虑散热设计或安装散热器。■61.1电力电子器件概述三、本章重点（１）电力电子器件功率二极管（快恢复管、肖特基管）晶闸管（SCR）电力晶体管（GTR）功率场效应晶体管（P-MOSFET）绝缘栅双极型复合晶体管（IGBT）（２）电力电子器件的应用技术典型器件的驱动特点及要求缓冲电路的结构与设计方法■71.1电力电子器件概述器件知识重点：了解器件静态特性、动态特性，掌握器件开关控制的基本方法，建立静态损耗、动态损耗、器件安全工作区的概念，初步掌握器件的应用选择器件应用技术重点：理解设置驱动电路的原因、常用驱动电路技术；设置缓冲吸收电路的原因、缓冲吸收电路基本结构、应用设计方法。■81.2功率二极管1.2.1功率二极管的主要类型1.2.2功率二极管的基本特性1.2.3功率二极管的主要参数■91.2.1功率二极管的主要类型1.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，这在开关频率不高时并不重要正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上■101.2.1功率二极管的主要类型2.快速恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）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。分为PN结型结构和PIN结构两种。采用外延型PIN结构的的快速恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes—FRED），其反向恢复时间比较短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。■111.2.1功率二极管的主要类型3.肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用■肖特基功率二极管结构图121.2.1功率二极管的主要类型肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小（一般0.5V左右），明显低于快速恢复二极管（一般1V左右）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肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下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■131.2.1功率二极管的主要类型功率二极管封装结构从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装电力二极管的外形、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)■141.2.2功率二极管的基本特性1.静态伏安特性具有单向导电性正偏时：二极管导通，通态压降1V左右。通态损耗：（表现形式为发热）反偏时：在达到击穿电压前，仅有很小的反向漏电流流过。在达到击穿电压后，反向电流急剧增加。■FFFIUP151.2.2功率二极管的基本特性功率二极管的静态伏安特性■161.2.2功率二极管的基本特性2.功率二极管的动态特性因结电容的存在，开与关状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压——电流特性是随时间变化的。动态特性（开关特性）反映通态和断态之间的转换过程。说明：功率二极管开通时间很短，一般可以忽略不计，但二极管的关断过程较复杂，对电路的影响不能忽视。■171.2.2功率二极管的基本特性■关断过程：导通状态的二极管关断须经过一个短暂的反向恢复过程才能进入截止状态；在恢复过程中有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲，如左图。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。关断损耗：一个开关周期内关断过程产生的损耗：正向偏置转换为反向偏置2Fd1FFofftttiuTP其中：T为开关周期181.2.2功率二极管的基本特性开通过程：功率二极管的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）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr，开通过程电压与电流的乘积形成开通损耗：■零偏置转换为正向偏置fr0FFond1ttiuTP其中：T为开关周期191.2.2功率二极管的基本特性注意：二极管开通、关断均有个过程，需要一定的时间，在此动态过程中二极管的单向导电性能不典型，正向表现高阻（稳态时表现为低阻），反向呈现低阻（稳态时表现为高阻）,开关动态过程产生动态损耗，当动态时间与工作频率决定的开关周期相近时，二极管不能正常整流，损耗很大。■201.2.3功率二极管的主要参数1.正向平均电流IF(AV)额定电流——在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的功率二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小■211.2.3功率二极管的主要参数对于正弦半波电流，假定其电流峰值为IM，则其平均值为其正弦半波电流的有效值为定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用表示，即■M0MAV)(dsin21IttII2)(dsin21M202rmsMIttII电流平均值电流有效值fK221.2.3功率二极管的主要参数正弦半波电流的波形系数实际使用中，流过二极管的电流波形形状并不是一定的，各种周期性的电流波形都有一个电流有效值，依据有效值相等的原则，如果功率二极管所流过的最大电流有效值为I，则其二极管额定电流一般选择为式中的系数是安全系数，系数1.57为正弦半波的波形系数。57.12AVrmsfIIK57.1)2~5.1(F(AV)II■231.2.3功率二极管的主要参数2.正向压降UF指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3.反向重复峰值电压URRM指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的2倍左右来选定■241.2.3功率二极管的主要参数4.最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温是指在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125~175C范围之内5.反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力为止的时间6.浪涌电流IDSM指功率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。■25课堂思考：半波整流电路，输入正弦电压值100V，频率10kHz，电流有效值10A，如何选择二极管？■26选择要点：耐压选择：击穿电压大于280V正向开通时间、反向恢复时间：远小于100s通态平均电流：按有效值相等原则，选择电流值并留有一定余量。A6.957.110)2~5.1(F(AV)I■271.3半控型器件——晶闸管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■281.3.1晶闸管的结构与工作原理一、晶闸管简介晶闸管（Thyristor）：又称晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）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，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件（如：双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等）■291.3.1晶闸管的结构与工作原理二、晶闸管的结构与封装外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号■AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3301.3.1晶闸管的结构与工作原理三、晶闸管基本工作特性当SCR的阳极和阴极电压，即EA下正上负(与图示方向相反)时，无论门极G是否有电流，白炽灯不亮，说明SCR始终处于关断状态；当时，即EA上正下负(与图示方向相同)，只有时，白炽灯才能点亮。说明SCR没有门极电流触发时，具有正向阻断能力；当满足，条件时可以导通。SCR一旦导通，此时去掉EG（即再令），白炽灯仍保持点亮，说明SCR仍保持导通状态。导通后SCR的管压降为1V左右，主电路中的电流IA由白炽灯内阻、RW和EA的大小决定。在IA逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通；此时如果继续降低IA，则SCR会关断，该小电流称为SCR的维持电流。0GI0AKU0AKU0AKU0GI0GI■311.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管基本工作特性归纳：承受反向电压时(UAK0)，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(即UAK0，IGK0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。从这个角度可以看出，SCR是一种电流控制型的电力电子器件。■321.3.1晶闸管的结构与工作原理四、晶闸管的工作机理在分析SCR的工作原理时，常将其