电力电子技术第1章总结.doc

电力电子技术第1章总结 开课班级：09输电线路班 总结时间：2011.9.19 总结教师：杜芸强一、基本概念1.电力电子器件：是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2.电力电子电路也被称为电力电子系统，由控制电路、驱动电路、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。3电力电子器件的分类（1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可分为半控型器件、全控型器件和不控型器件。（2）按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号性质，又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型器件。（3）电力电子器件还可以按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。4.电导调制效应：当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。5.方向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但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，这就叫反向击穿。6.热击穿：当反向未被限制住，使得反向电流和反向电压的乘积超过了PN结容许的耗散功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧毁，就是热击穿。7.电力二极管的主要参数正向平均电流：指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流对应的有效值为1.57。8电力二极管的主要类型：普通二极管（又称整流二极管）、快速恢复二极管（FRD）和肖特基二极管（SRD）。9晶闸管：是晶体闸流管的简称，又可称为可控硅整流管（SCR）。10.晶闸管的基本特性：（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不能门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。11晶闸管的派生器件：快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）。12.门极可关断晶闸管（GTO）：它是晶闸管的一种派生器件，但可以通过门极施加负的脉冲电流使其关断，属于全控型器件。GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。13GTO与普通晶闸管不同点：（1）在设计器件时使得较大，这样晶体管控制灵敏，使得GTO易于关断。（2）使得导通时的更接近于1。这样使得GTO导通时饱和程度不深，更接近于临界饱和，从而为门极控制关断提供了有利条件。（3）多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2基区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。14.电力晶体管（GTR）：译为巨型晶体管，是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管（BJT）。它由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。15GTR的二次击穿现象：当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要不超过最大允许耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。16.电力场效应晶体管：也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOSFET，简称电力MOSFET。电力MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。17.MOSFET分类：（1）按导电沟道可分为P沟道和N沟道。（2）对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。18.电力MOSFET的工作原理（1）当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。（2）如果在栅极和源极之间加一正电压，由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。（3）当大于某一电压值时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型而成N型半导体，形成反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。19.绝缘栅双极晶体管（IGBT）：综合了GTR和MOSFET的优点。（GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。）20.IGBT开通和关断由栅极和发射极间的电压决定。（1）当为正且大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而是IGBT导通。（2）当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使IGBT关断。21.IGBT的擎住效应：IGBT内部结构中，由于NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压，在额定集电极电流范围内，这个偏压很小，不足以使J3开通，然而一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功率过高而损坏。这种电流失控的现象，被称为擎住效应或自锁效应。22.功率模块：将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，可以缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。23.功率集成电路：如果将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，则称为功率集成电路。24.驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。25.晶闸管触发电路应满足以下要求：（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。（2）触发脉冲应有足够的幅值。（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额。（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。26.GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流。使GTO关断需要施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高。关断后还应在门极施加约5V的负偏压，以提高抗干扰能力。27.使GTR开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。28.电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。29.过流保护较常用的措施：采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。30.缓冲电路：又称为吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、或过电流和，减小器件的开关损耗。31.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，将器件分为：（1）属于单极型电力电子器件的有MOSFET和SIT等。（2）属于双极型电力电子器件的有电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH等。（3）属于复合型电力电子器件的有IGBT和MCT。二、作业详解：1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：且。2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。7. IGBT、GTR、GTO 和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？答：IGBT驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件， IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。GTR 驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。GTO 驱动电路的特点是：GTO 要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。电力 MOSFET 驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。8. 全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？试分析RCD 缓冲电路中各元件的作用。答：全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压，或过电流和，减小器件的开关损耗。RCD 缓冲电路中，各元件的作用是：开通时，Cs经Rs放电，Rs起到限制放电电流的作用；关断时，负载电流经VDs从Cs分流，使减小，抑制过电压。9. 试说明IGBT、GTR、GTO 和电力MOSFET各自的优缺点。答：对IGBT、GTR、GTO 和电力MOSFET的优缺点的比较如下：器件优点缺点GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低GTR耐压