第2章 变频器常用电力电子器件

第二章 变频器常用 电力电子器件2.1 功率二极管（ D） 功率二极管的内部是 P-N或 P-I-N结构 ， 图示为功率二极管的电路符号和外形。 a) b) c)图 2-1 功率二极管的符号和外形a) 功率二极管的符号 b) 螺旋式 二极管的外形 c) 平板式 二极管的外形变频器原理与应用（第 2版）第 2章2. 伏安特性功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图所示。正向特性：当从零逐渐增大正向电压时，开始阳极电流很小，当正向电压大于 0.5V时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导通。 反向特性：当二极管加上反向电压时，起始段的反向漏电流也很小，而且随着反向电压增加，反向漏电流只略有增大，但当反向电压增加到反向不重复峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增加。 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.1.2 主要参数1. 额定正向平均电流 IF 在规定的环境温度和标准散热条件下，元件 所允 许长时间连续 流过 50Hz正弦半波的 电 流平均 值 。 2. 反向重复峰值电压 URRM 在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值 URSM的 80%称为反向重复峰值电压 URRM。 3. 正向平均电压 UF 在规定环境温度和标准散热条件下，元件通过 50Hz正弦半波 额 定正向平均 电 流 时 ，元件阳极和阴极之 间 的 电压 的平均 值 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.1.3 功率二极管的 选 用 1. 选择额定正向平均电流 IF 的原则 IDn = 1.57 IF =(1.5 2) IDM 2. 选择额定电压 URRM 的原则 URRM =（ 2 3） UDM 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.1.4 功率二极管的分 类 功率二极管一般分为三类：(1)标准或慢速恢复二极管；(2)快速恢复二极管；(3)自特基二极管。变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.2 晶 闸 管（ SCR） 2.2.1 晶 闸 管的 结 构晶闸管是四层（ P1N1P2N2） 三端（ A、 K、 G） 器件，其内部结构和等效电路如图所示。 a) b) c)图 2-3 晶 闸 管的内部 结 构及等效 电 路a) 芯片内部 结 构 b) 以三个 PN结 等效 c) 以互 补 三极管等效变频器原理与应用（第 2版）第 2章晶闸管的外形及符号 a) b) c)图 2-4 晶 闸 管的外形及符号a) 晶 闸 管的符号 b） 螺栓式外形 b） 带 有散 热 器平板式外形变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.2.2 晶闸管的导通和关断控制 晶闸管的导通控制：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，即可使晶闸管导通。 导通的晶闸管的关断控制：令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.2.3 晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。图 2-5 晶 闸 管的阳极伏安特性变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.2.4 晶闸管的参数 1. 正向断态重复峰值电压 DRM2. 反向重复峰值电压 RRM 3. 通态平均电压 T(AV) 4. 晶闸管的额定电流 T( v) 5. 维持电流 H 6. 擎住电流 L 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数1. 门极伏安特性门极伏安特性是指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个 PN结，所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线如图 2-6所示。图 2-6变频器原理与应用（第 2版）第 2章2. 门极主要参数 （ 1）门极不触发电压 GD和门极不触发电流 GD（ 2）门极触发电压 GT和门极触发电流 GT（ 3）门极正向峰值电压 GM、门极正向峰值电流 GM和门极峰值功率 GM变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.2.6 晶 闸 管触 发电 路1.晶 闸 管 对 触 发电 路的要求 触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度； 触发脉冲与主电路电源电压必须同步； 触 发 脉冲的移相范 围应满 足 变 流装置提出的要求。2. 触发电路的分类依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2. 触 发电 路的分 类 触 发电 路可按不同的方式分 类 ，依控制方式可分 为 相控式、 斩 控式触 发电 路；依控制信号性质 可分 为 模 拟 式、数字式触 发电 路；依同步 电压 形成可分 为 正弦波同步、 锯齿 波同步触 发电 路等。 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.2.7 晶 闸 管的保 护 1.晶 闸 管的 过电 流保 护 1) 快速熔断器保 护 (见下图）2）过电流继电器保护。过电流继电器可安装在交流侧或直流侧。3）限流与脉冲移相保护。变频器原理与应用（第 2版）第 2章2. 晶 闸 管 过电压 保 护 晶闸管过电压产生的原因主要有：关断过电压、操作过电压和浪涌过电压等。对过电压的保护方式主要是接入阻容吸收电路、硒堆或压敏电阻等。图 2-8为交流侧接入阻容吸收电路的几种方法。硒堆或压敏电阻的联结方法与此相同。变频器原理与应用（第 2版）第 2章交流 侧 接入阻容吸收 电 路的几种方法 图 2-8 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.3 门 极可关断晶 闸 管（ GTO） 2.3.1 GTO的结构 GTO的结构也是四层三端器件 a) b) 图 2-9 GTO的 结 构与符号 a) GTO的 结 构剖面 b) 图 形符号变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.3.2 GTO的主要参数 1. 最大可关断阳极电流 TO 通常将最大可关断阳极 电 流 TO作 为 GTO的 额 定 电流。2. 关断增益 off关断增益 off为 最大可关断阳极 电 流 ATO与 门 极 负电流最大 值 GM之比，其表达式 为off ATO/ GM off比晶体管的电流放大系数 小得多，一般只有左右。 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.3.3 GTO的 门 极控制GTO桥式门极驱动电路的工作原理是：当 V1与 V2饱和导通时，形成门极正向触发电流，使 GTO导通；当触发VT1、 VT2这两只普通晶闸管导通时，形成较大的门极反向电流，使 GTO关断。GTO桥式门极驱动电路 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.3.4 GTO的缓冲电路 图 2-13 GTO斩 波器及其保 护电 路图中 R、 L为负载， VD为续流二极管， LA是 GTO导通瞬间限制 didt的电感。 RsCs和 VDs组成了缓冲电路。 GTO的阳极电路串联一定数值的电感 L 来限制 di dt 。变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.4 功率晶体管（ GTR） 2.4.1 GTR的 结 构a) b) c)图 2-14 GTR 摸块a) GTR的结构示意图 b)GTR摸块的外形 c) GTR摸块的等效电路变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.4.2 GTR的参数 (1) UCEO： 既基极开路 CE间 能承受的 电压 。 (2) 最大 电 流 额 定 值 ICM ： (3) 最大功耗 额 定 值 PCM （ 4）开通时间 ton： 包括延迟时间 td和上升时间 tr。（ 5） 关断 时间 off： 包括存 储时间 s和下降 时间 f 。 变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.4.3 二次击穿现象当集电极电压 UCE逐渐增加，到达某一数值时，如上述 UCEO， IC剧增加，出现击穿现象。首先出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要适当限制晶体管的电流 (或功耗 )，流过结的反向电流不会太大，进入击穿区的时间不长，一次击穿具有可逆性，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压 UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流 IC将继续增大，此时若 GTR仍在工作， GTR的工作状态将迅速出现大电流，并在极短的时间内，使器件内出现明显的电流集中和过热点。电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。一旦发生二次击穿，轻者使 GTR电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏。变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.4.4 GTR的 驱动电 路 抗饱和恒流驱动电路图 2-16 抗饱和恒流驱动电路变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.4.5 GTR的缓冲电路缓冲电路也称为吸收电路，它是指在 GTR电极上附加的电路，通常由电阻、电容、电感及二极管组成，如图 2-17所示为缓冲电路之一。 图 2-17 GTR的缓冲电路变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.5 功率 场 效 应 晶体管（ P-MOSFET） 2.5.1 功率场效应管的结构 a) b) 图 2-18 P-MOSFET的 结 构与符号a) P-MOSFET的 结 构 b) P-MOSFET符号变频器原理与应用（第 2版）第 2章2.5.2 P-MOSFET的工作原理 当漏极接 电 源正极，源极接 电 源 负 极， 栅 源之 间电压为 零或 为负时 ，型区和 -型漂移区之 间 的 结 反向，漏源之 间 无 电 流流 过 。 如果在 栅 极和源极加正向 电压 UGS， 不会有 栅 流。但 栅 极的正 电压 所形成 电场 的感应 作用却会将其下面型区中的少数 载 流子 电 子吸引到栅 极下面的型区表面。当 UGS大于某一 电压值 UT时 ，栅 极下面型区