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电子发烧友电子技术论，第一章电力电子设备，电子发烧友电子技术论，主要内容：常用电力电子设备的基本结构、工作原理、外部特性、主要参数、开关特性、安全工作空间。此设备的驱动电路和缓冲电路。电子发烧友电子技术论，1.1功率二极管1.1.1功率二极管的结构和工作原理，1 .功率二极管的结构，电子发烧友电子技术论，2。功率二极管的工作原理PN连接具有单向导电特性，因此二极管是双向单向导电，相反方向阻止的电力电子设备。电子发烧友电子技术论，1.1.2功率二极管的特性和主要参数，1 .功率二极管的特性(1)功率二极管的电压电流特性二极管必须克服单向导电，二极管正向传导时一定栅极电压Uth(也称为死区电压)，如果加电压小于栅极电压，则正向电流几乎为零。硅二极管的栅极电压约为0.5V，如果外部电压大于Uth，则电流会迅速增加。加上反向电压，二极管的反向电流很小，但是如果反向电压超过二极管的反向击穿电压URO，二极管就会触电，反向电流迅速增加。电子发烧友电子技术论、功率二极管的电压电流特性、电子发烧友电子技术论、(2)功率二极管的开关特性PN结电容的存在，因此从二极管到剪切的转换过程和反向恢复时间TRR、最大反向电流值IRM、二极管PN结电容器的大小、传导过程中与正向电流IFR相对应的存储电荷q、电路参数和反向电流DDR一般二极管的TRR=2 10s，快速恢复二极管的TRR为几十到数百ns，快速恢复二极管的TRR只有几个ns。电子发烧友电子技术论，电源二极管的开关特性，电子发烧友电子技术论，2。功率二极管的主要参数(1)反向重复峰值电压URRM将80%的反向重复峰值电压URSM称为反向重复峰值电压URRM，也定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM小于二极管的反向击穿电压URO。电子发烧友电子技术论，(2)额定电流IFR二极管的额定电流IFR定义为额定热允许的正弦半波电流的平均值。正向传导流通过额定电流时的电压降UFR通常为1 2v。如果二极管在40 的指定环境温度和冷却条件下工作，并且通过正弦半波电流平均IFR，则核心PN连接温度升高不超过允许值。正弦电流的最大值为Im时，额定电流为(1-1)，电子发烧友电子技术论，(3)最大允许的全周期rms正向电流IFrms二极管流的半波正弦电流的平均值为IFR时，与该列等效的全周期平均平方电流IFrms为(1-2)基准，(1)反映二极管对短路冲击电流的电阻。功率二极管是功率最大的半导体器件，目前最大额定电压，电流达到6kV，6kA以上。二极管参数是正确选择二极管的基础。电子发烧友电子技术论、1.2晶闸管、晶闸管(Thyristor)是具有开关功能的大功率半导体器件，也称为晶闸管SCR。目前晶闸管的容量水平达到了8kV/6kA。电子发烧友电子技术论，1.2.1晶闸管的结构和工作原理，1 .晶闸管的结构晶闸管是一种具有四层pnpnpnpn结构、三端引线(a、k、g)的设备。典型的晶闸管形状有两种：螺栓和平板。电子发烧友电子技术论、晶闸管的结构和等效电路如图1-4所示，晶闸管的核心是P1N1P2N2四层半导体，形成了三个PN结J1、J2和J3。电子发烧友电子技术论，2 .晶闸管工作原理igib2ic2(ib1)ic1电子技术论，晶闸管诱导需要两个条件。必须在晶闸管的正极和负极之间添加正向电压。在晶闸管门和阴极之间也要添加正向电压和电流。(2)晶闸管导电后，浇口失去控制功能，因此晶闸管是半控制设备。(3)为了切断晶闸管，必须将阳极电流降低到低于某个值，这对于将阳极电压降低到0或反向很有用。电子发烧友电子技术论，1.2.2晶闸管的特性和主要参数，1 .晶闸管的特性(1)晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是晶闸管正极和负极之间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。电子发烧友电子技术论、晶闸管的伏安特性、电子发烧友电子技术论、(2)晶闸管的栅极电压电流特性非常大，是由于实际产品栅极电压电流特性的分布，是一般极限高电阻栅极电压电流特性和极限低电阻栅极电压电流特性之间的区域，表示所有设备的伏安特性，栅极峰值电流IFGM K、允许瞬时最大功率PGM和正向峰值电压PG是灌嘴允许的最大平均功率。其中，0ABC0是不可靠的触发区域，ADEFGCBA是可靠的触发区域，是电子发烧友电子技术论、晶闸管的栅极电压-电流特性、电子发烧友电子技术论、(3)晶闸管的开关特性第一延迟时间TD、阳极电流上升至10%所需的时间、稳定额定连接温度下允许的最大值、电子发烧友电子技术论、电子发烧友电子技术论、晶闸管通过正弦半波电流波形流动的图等电子发烧友电子技术论、传输电流it(av)与最大正弦电流Im的关系是(1-6)正弦半波电流的有效值为(1-7)(1)(4)断电电流当IL晶闸管从切断状态转换到通过状态时，消除触发信号后保持设备正常状态所需的最小阳极电流。对于相同的晶闸管，IL(通常是电流)大约比保持电流IH高(2-4)倍。电子发烧友电子技术论，(5)栅极触发电流IGT在室温阳极电压为6V直流电压的情况下，使晶闸管成为完全开通所需的最低栅极直流电流。(6)栅极触发电压UGT对应于栅极触发电流的栅极触发电压。闸门触发电路的电压和电流必须适当大于规定的UGT和IGT上限，但不得超过峰值IGFM和UGFM。电子发烧友电子技术论，(7)切断电压临界上升率du/dt额定接合坍落度断路条件下，设备不能从切断状态转换到通过状态的最大电压上升率。过量的切断电压上升率会误导晶闸管。(8)正常电流临界上升率当晶闸管通过di/dt门极触发传导时，晶闸管是在不引起损坏的情况下所能承受的通过电流的最大上升率。晶闸管开通时，如果电流上升得太快，则栅极电流密度太高，部分过热会导致晶闸管损坏。电子发烧友电子技术理论，“示例1-1”两个不同的电流波形(阴影斜线部分)分别通过晶闸管流动，如图所示。每个波形的最大Im=100A时，每个波形中晶闸管的电流平均值IT(AV)1、IT(AV)2、电流有效值I1、I2、电子发烧友电子技术理论、解决方案：图中所示的平均值和有效值计算如下：电子发烧友电子技术论、1.2.3晶闸管的栅极驱动电路和缓冲电路、1 .晶闸管的栅极驱动电路(1)晶闸管触发电路的基本要求晶闸管触发电路的基本要求如下。触发信号可以是交流、直流或脉冲，为了减少栅极损耗，触发信号经常采取脉冲形式。触发脉冲必须有足够的功率。触发电压和触发电流必须大于晶闸管门极触发电压和门极触发电流。电子发烧友电子技术论，触发脉冲必须有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度通常需要在晶闸管阳极电流消失之前达到擎天柱电流，从而产生最小允许宽度的晶闸管引线。触发脉冲前沿陡度通常大于10V/s或800mA/s。触发脉冲的相移范围必须能满足变换器的要求。例如，三相半波整流电路在电阻负载下的相移范围必须为150。三相桥式全控整流电路，电阻负载相移范围为120。电子发烧友电子技术论、(2)触发电路的类型触发电路可分为模拟和数字两种，截止相移桥、单结晶体管触发电路、锯齿波相移电路和正弦波相移电路属于模拟触发电路；数字逻辑电路和微处理器控制相移电路属于数字触发电路。晶闸管缓冲电路经常用于晶闸管的阴阳极并行RC缓冲区，防止晶闸管两端过大的du/dt错误触发晶闸管，电阻r还减少了晶闸管开启时电容器c的放电电流。电子发烧友电子技术论，(2)晶闸管的保护晶闸管在使用时电路的电感存在，因整流过程而产生Ldi/dt，由于电容的存在或设备本身运行中短路、过载等故障，过电压、过电流保护尤为重要。电子发烧友电子技术论，1.2.4晶闸管的衍生装置，1 .快速晶闸管快速晶闸管的截止时间50s通常用于具有与普通晶闸管相同的基本结构和电压电流特性的更高频率(400HZ)的整流、逆变器和变频电路。目前国内最大平均电流1200A，可提供最大截止电压1500V的快速晶闸管系列，截止时间约为25s50s。电子发烧友电子技术论，2 .双向晶闸管双向晶闸管在结构和特性方面可以看作是一对反向并行普通晶闸管。交流或直流电流可以在主电极的两个方向触发传导作用。电子发烧友电子技术论、电子发烧友电子技术论、双向晶闸管在I和iii象限中具有对称伏安特性。电子发烧友电子技术论，3 .逆电流器逆电流器是在同一核心上制造晶闸管和整流器等的集成组件。电子发烧友电子技术论，逆导晶闸管像瘟疫系列普通晶闸管和整流器，因此用于减少设备数量、减少设备体积、减轻重量、降低价格和简化导线。特别是消除整流器接线电感，使晶闸管能承受逆偏置时间。电子发烧友电子技术论，4 .光控制晶闸管光控制晶闸管(LightActivatedThyristor)是利用恒定波长光信号控制的开关设备。其结构也由P1N1P2N2 4层组成。电子发烧友电子技术论、光控制晶闸管的电压电流控制晶闸管参数与普通晶闸管相同，但触发参数特殊，与光功率和频谱范围相关。电子发烧友电子技术论，1.3拦截晶闸管GTO，拦截晶闸管GTO，通过栅极信号进行拦截控制。目前，GTO的容量级别达到6000A/6000V，频率为1kHZ。电子发烧友电子技术论，1.3.1关机晶闸管的结构和工作原理，1 .关闭晶闸管的结构GTO内部包含数百个共同的阳极小GTO元素，每个元素都平行于浇口和阴极，经过专门设计，可以轻松实现浇口控制中断。晶闸管的结构、等效电路和符号、电子发烧友电子技术论、2 .关机晶闸管的工作原理(1)开放过程GTO与两个晶体管P1N1P2和N1P2N2的互连相同，GTO和晶闸管的最大区别在于传导后电路增益1 2的值不同。晶闸管的电路增益1 2经常约为1.15，而GTO的1 2则非常接近1。因此，GTO处于临界饱和状态。这为栅负脉冲截止阳极电流提供了有利条件。，电子发烧友电子技术论，(2)关闭过程GTO已处于传导状态时，在门上加入极负的关闭脉冲以形成-ig，是通过抽出IC1的电流，减少晶体管N1P2N2的基极电流，减少IC2和IK，减少IC2，从而减少IA和IC1的正反馈过程。如果IC2和IC1的减少导致1 21，则等效晶体管N1P2N2和P1N1P2终止饱和，GTO不保持传导条件，阳极电流下降到0关闭。电子发烧友电子技术论，随着GTO关闭时阳极电流的减少，阳极电压逐渐上升，关闭时瞬时功耗更大，电感负载条件下阳极电流和阳极电压可以同时产生最大值，此时瞬时关闭功耗尤为明显。由于GTO处于临界饱和状态，因此通过减去阳极电流破坏临界饱和状态，可以关闭设备。晶闸管传导后，正处于深度饱和状态，不能用抽走阳极电流的方法关闭。电子发烧友电子技术论、1.3.2关机晶闸管的特性和主要参数、(1)GTO的阳极电压电流特性、电子发烧友电子技术论、(2)GTO的开放特性开通时间ton由延迟TD和上升时间tr组成、电子发烧友电子技术论、(3)存储时间ts:对应于从阻塞过程到阳极电流开始下降到90%IA的固定间隔。下落时间TF:这相当于阳极电流迅速减少，阳极电压持续上升，栅极逆转压力建立的过程。拖尾时间TT:从阳极电流降到最低水平时开始，直到最终到达保持电流为止的时间。电子发烧友电子技术论、GTO的阻塞特性、电子发烧友电子技术论、GTO阻塞时间的大部分功率损失出现在尾部时间，在相同的阻塞条件下，GTO的相应尾部电流起始值和尾部电流的持续时间各不相同。在存储时间内，如果栅极反向截止电流上升率太大，尾时间就会延长。此外，du/dt过高会导致瞬间的过度功耗，从而在尾部时间内导致GTO损坏管道。因此，必须设计适当的缓冲电路。电子发烧友电子技术论，2 .关闭晶闸管的主要参数GTO具有许多与晶闸管相同的参数。这里只介绍了晶闸管和其他几个参数。(1)最大截止阳极电流IATO电流过高可能会破坏1 2略大于1的条件，并可能导致设备饱和深度，从而导致栅极关闭故障。即可从workspace页面中移除物件。(2)关闭增益关闭GTO的关闭增益关闭最大关闭阳极电流IATO和栅极最大负电流IgM的比率关闭通常约为5。电子发烧友电子技术论、1.3.3关闭晶闸管的安全工作区、GTO安全工作区是GTO在闸门上添加负脉冲关闭信号时可以稳定释放的阳极电流和阳极电压的轨迹。实际上应注意，因为这是在特定条件下确定的安全操作范围，例如在栅极驱动器电路或缓冲电路参数发生更改后安全工作空间发生了变化。电子发烧友电子技术论、GTO安全工作空间、电子发烧友电子技术论、1.3.4门驱动电路和缓冲电路、1 .可关闭晶闸管的栅极驱动电路影响GTO导轨的主要因素包括阳极电压、阳极电