第2章 电力电子器件与应用课件

2.1 概述2.2 电力二极管2.3 晶闸管及派生器件 SCR2.4 电力双极型晶体管 GTR2.5 电力场效应晶体管 Power MOSFET2.6 绝缘栅双极型晶体管 IGBT2.7 其他新型电力电子器件2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联第二章 电力电子器件与应用 本章主要介绍常用电力电子器件的结构、工作原理、主要参数，重点介绍基本特性及其驱动和保护电路。12.1 概述电力电子器件在电力电子技术中作为 开关元件 使用，要求它具有 开关速度快、承受电流和电压能力大和开关损耗小 等特点。理想的电力电子器件应在 断态时能承受高电压且漏电流很小 ，在 通态时能通过大电流且压降非常低 ， 通断转换时间短 。电力电子器件在应用时应有能限制电流和电压上升的能力。为进一步简化电路的结构，提高工作的可靠性，电力电子器件应将 多单元器件、驱动电路、保护电路集成 在一起。22.1 概述电力电子器件种类很多。根据电力电子器件被控制信号所控制的程度，电力电子器件分为三种。不控型器件 ：电力二极管半控型器件 ：普通晶闸管 SCR及其派生系列（门极可关断晶闸管 GTO除外）。全控型器件 ： GTO、电力晶体管 GTR、功率场效应管 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 IGBT等。还有一些新型电力电子器件，如功率集成模块 PIC、智能功率模块 IPM等。32.2 电力二极管2.2.1 电力二极管的结构电力二极管的基本结构和原理与信息电子电路中的二极管一样，都是具有一个 PN结的两端器件。不同的是电力二极管的 PN结面积较大。PN结的电容效应 ：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为 结电容 CJ结电容影响 PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。4外形结构电气图形符号2.2 电力二极管电力二极管的外形、结构和电气图形符号高频等效 电路5大功率二极管62.2 电力二极管2.2.2 电力二极管的基本特性静态特性、 动态特性 静态特性电力二极管的静态特性主要是指其 伏安特性，即器件 端电压与电流的关系。门槛电压 UTO与正向电流 IF对应的电力二极管两端的电压 UF即为其 正向电压降电导调制效应 ： PN结流过的正向电流较大时，其电阻率明显下降，即电导率大大增加。反向击穿电压 UB72.2 电力二极管 动态特性因结电容的存在， 电力二极管在零偏转、正向偏转和反向偏转这三个状态之间转换时 ，必然经过一个过渡过程，其电压、电流随时间变化的特性称为电力二极管的 动态特性 。正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置 8t2 ： 时刻 电流变化率接近零， 恢复对反向电压阻断正向偏置转换为反向偏置 2.2 电力二极管反向恢复时间 ： trr= td+ tf关断过程 ：tF： 时刻外加电压改变t0： 时刻 电流下降为零，此时不能恢复反向阻断能力。t1: 时刻 反向电流达最大值，此后反向电流迅速下降，产生反向过冲电压 IRP ，随后 出现反向过冲电压 URP9 开通过程 ：电力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。2.2 电力二极管零偏置转换为正向偏置102.2 电力二极管2.2.3 电力二极管的主要参数1正向平均电流 IF指在规定 +40 的环境温度和标准散热条件下，元件结温达到额定且稳定时，容许长时间连续流过 工频正弦半波电流的平均值 。在选择电力二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。 对应额定电流 IF的有效值为 1.57IF。2正向电压降 UF电力二极管在规定温度和散热条件下，流过某一指定的正向稳态电流时，电力二极管的最大电压降。112.2 电力二极管3反向重复峰值电压 URRM电力二极管在指定温度下，所能重复施加的反向最高峰值电压， 通常是反向不重复峰值电压 URSM的 2/3。使用时，一般按照两倍的 URRM来选择电力二极管。4反向漏电流 IRR对应于反向重复峰值电压 URRM下的平均漏电流，称为反向重复平均电流 IRR。另外，还有 最高结温、反向恢复时间 等参数。122.2 电力二极管2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管用途：n 在 AC/DC变换电路中作为 整流元件n 在电感元件电路中作为 续流元件n 在各种变流电路中作为 隔离、篏位或保护元件 。1普通二极管它又称为 整流二极管 ，多用于 开关频率不高的整流电路 中。其正向电流和反向电压的额定值可达到很高，可达到数千安和数千伏。132.2 电力二极管2快速恢复二极管反向恢复时间很短，一般在 5s 以下，此类二极管称为 快速恢复二极管 。快速恢复外延型二极管反向恢复时间可低于 50ns，正向压降很低， 多用于高频整流电路中。3肖特基二极管用金属和半导体接触形成 PN结的二极管，称为 肖特基二极管 。其优点在于：反向恢复时间短到 10 40ns，正向恢复过程也没有明显的电压过冲。另外，正向压降也很低，明显低于快速恢复二极管。肖特基二极管 多用于 200伏以下的电路中。14型号VRRM VIF(AV) AIFSMAVFMVIDRMIRRMmATjmoCRjcoC/wVISO V(rms)外形图SAcm2 连接方式MDC MDKMDA40A800 160040 800 1.4 10125 或1500.3025001 1000MDA 55A 55 1100 1.4 20 0.25 1 120090A 90 1800 1.4 20 0.20 2 2000110A 110 2200 1.4 20 0.20 2 2500160A 160 3200 1.5 25 0.15 4 3600200A 200 4000 1.5 30 0.12 4,5 4500250A 250 5000 1.5 30 0.12 5 5200300A 300 6000 1.5 30 0.10 5,6A 5800400A 400 8000 1.5 40 0.10 6,6A 7000500A 500 10000 1.5 40 0.10 6,6A 8200MDCMDK普通整流管模块参数表15型号VRRM VIF(AV) AIFSMAVFMVIRRMmAtrr usTjmoCRjcoC/wVISO V(rms)外形图SAcm2 连接方式MZC MZKMZAMZ25A500 160025 450 2.0 10 21250.3025001 800MZK MZA MZ 55A 55 990 2.0 20 4 0.25 1 120090A 90 1620 2.0 20 4 0.20 2 2000110A 110 1980 2.0 25 4 0.20 2 2500160A 160 2880 2.0 25 4 0.15 4 3600200A 200 3600 2.0 30 5 0.12 4,5 4500250A 250 4500 2.0 30 5 0.12 5 5200300A 300 5400 2.0 30 5 0.10 5 5800400A 400 7200 2.0 40 5 0.10 5,6 7000500A 500 9000 2.0 40 5 0.10 6 8200MZC快速二极管模块参数表16快速、超快速、肖特基二极管参数表172.3 晶闸管及派生器件晶闸管 SCR又称为 可控硅 ，属于半控型电力电子器件。目前，在高电压、大电流的应用场合是无可替代的器件。因为晶闸管价格低、工作可靠，因此在 大容量、低频 的电力电子装置中仍占主导地位。性能优良的 晶闸管派生器件 ，如快速、双向、逆导、门极可关断、光控等晶闸管。182.3 晶闸管及派生器件2.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管是一种四层三个 PN结，三端大功率电力电子器件。外形、结构、电气符号如图所示。19晶闸管的管耗和散热：管耗流过器件的电流 器件两端的电压管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行 散热和冷却。冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷2.3 晶闸管及派生器件20大功率晶闸管水冷组件21晶闸管22超 大功率晶闸管23晶闸管的 其它封装形式晶闸管的 其它封装形式24 简单描述 晶闸管 SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关 。晶闸管的 工作条件的试验电路晶闸管的开关特点25 当 SCR的阳极和阴极电压UAK0 （正偏）， 只有 EGk0， SCR才能导通。说明 SCR具有 正向阻断能力 ；SCR一旦导通，门极 G将失去控制作用 ，即无论 EG如何，均保持导通状态。 SCR导通后的管压降为 1V左右，主电路中的电流 I由 R和 RW以及 EA的大小决定 ；晶闸管的开关特点26 当 UAK0 同时 UGK0由 导通 关断的条件 ：使流过 SCR的电流降低至维持电流以下。(一般通过减小 EA,直至 EA0来实现。）晶闸管的开关特点272.3 晶闸管及派生器件当门极不加电压时， AK之间加正向电压， J1和 J3结承受正向电压， J2结承受反向电压，因而晶闸管不导通，称为晶闸管的正向阻断状态，也称 关断状态 。当 AK之间加反向电压时， J1、 J3结承受反向电压，晶闸管也不导通，称为 反向阻断状态 。结论：当晶闸管门极不加电压时，无论 AK之间所加电压极性如何，在 正常情况下晶闸管