电力电子技术基础1—器ppt课件

1、Fundamentals of Power Electronics Technology 电力电子技术根底电力电子技术根底第二部分 电力电子器件6 61.1 功率二极管 根本构造和任务原理与信息电子电路中的二极管一样。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK电力二极管的构造和任务原理电力二极管的构造和任务原理Power Diode构造和原理简单，任务可靠，自20世纪50年代初期就获得运用 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态二极管的根本原理就在于

2、PN结的单导游电性这一主要特征。 PN结的反向击穿两种方式)雪崩击穿齐纳击穿均能够导致热击穿 PN结的形状主要指其伏安特性主要指其伏安特性门槛电压门槛电压UTO，当电力，当电力二极管接受的正向电二极管接受的正向电压 大 到 一 定 值压 大 到 一 定 值 UTO ，正向电，正向电流流IF才开场明显添加，才开场明显添加，处于稳定导通形状处于稳定导通形状与与IF对应的电力二极管对应的电力二极管两端的电压即为其正两端的电压即为其正向电压降向电压降UF ,0.71.2V。接受反向电压时，只需接受反向电压时，只需少子引起的微小而数少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流值恒定的反向漏电流Is。反向击穿电压

3、反向击穿电压图1-3a 电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU静态特性静态特性电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性主要反映电力二极管通态和断态之间转换主要反映电力二极管通态和断态之间转换过程的开关特性过程的开关特性开关特性：开关特性：PN结上存储有空间电荷和两种结上存储有空间电荷和两种载流子，构成电荷存储效应及结电容，载流子，构成电荷存储效应及结电容，直接影响着二极管的动态开关特性直接影响着二极管的动态开关特性原处于正导游通形状的二极管的外加电压原处于正导游通形状的二极管的外加电压忽然从正向变为反向时，二极管不能立忽然从正向变为反向时，二极管不能立刻关断，而是经过短暂的时间才干重新刻关断

4、，而是经过短暂的时间才干重新获得反向阻断才干，进入截止形状。获得反向阻断才干，进入截止形状。动态特性动态特性电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性IFUFtrrtdtftURPIRP动态特性参数动态特性参数 反向电流延迟时间：td , 反向电流下降时间：tf 反向恢复时间：trr= td+ tf IFUFtrrtdtftURPIRP电力电子技术根底电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数电力电子技术根底PD的分类的分类1. 普通二极管普通二极管General Purpose Diode又称整流二极管又称整流二极管Rectifier Diode多用于开关频率不高多用于开关频率不高1kHz以下的

5、整流电以下的整流电路中路中其反向恢复时间较长，普通在其反向恢复时间较长，普通在5s以上，这在以上，这在开关频率不高时并不重要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到达很高，正向电流定额和反向电压定额可以到达很高，分别可达数千安和数千伏以上分别可达数千安和数千伏以上 电力电子技术根底PD的分类的分类2. 快恢复二极管快恢复二极管Fast Recovery Diode FRD恢复过程很短特别是反向恢复过程很短恢复过程很短特别是反向恢复过程很短1s以下的二极管，也简称快速二极以下的二极管，也简称快速二极管管适用频率：适用频率：20100kHz电力电子技术根底 从性能上可分为快速恢复和超

6、快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者那么在100ns以下，甚至到达2030ns。 PD的分类的分类3. 肖特基二极管肖特基二极管以金属和半导体接触构成的势垒为根底的二以金属和半导体接触构成的势垒为根底的二极管称为肖特基势垒二极管极管称为肖特基势垒二极管Schottky Barrier DiodeSBD，简称为肖特基二，简称为肖特基二极管极管20世纪世纪80年代以来，由于工艺的开展得以在年代以来，由于工艺的开展得以在电力电子电路中广泛运用电力电子电路中广泛运用肖特基二极管的弱点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当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要

7、求，因此多用于满足要求，因此多用于200V以下以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳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，而且必需更严厉地限制其态损耗不能忽略，而且必需更严厉地限制其任务温度任务温度电力电子技术根底PD的分类的分类肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点反向恢复时间很短反向恢复时间很短1040ns其正向压降也很小，明显低于快恢复二极其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管管其开关损耗和正导游通损耗都比快速二极其开关损耗和正导游通损耗都比快速二极管还要小，效率高管还要小，效率高 适用频率：适用频率：1MHz电力电子技术根底1.2 普通晶闸管SCR能接受的电压和电流容

8、量是目前电力电子器件中最高的，而且任务可靠，因此在大容量的场所具有重要位置。晶闸管晶闸管ThyristorThyristor：是晶体闸流管的简称，：是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器又称作可控硅整流器Silicon Controlled Silicon Controlled RectifierSCRRectifierSCR，简称可控硅。，简称可控硅。SCR的的 外形和符号外形和符号电力电子技术根底 外形有螺栓型和平板型、模块等封装 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，能与散热器严密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间a) 外

9、形 b) 构造 c) 电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 常用晶闸管的构造螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及构造SCR的构造和任务原理的构造和任务原理 晶闸管的四层半导体构造：P1、N1、P2、N2四个区，构成J1、J2、J3三个结。 P1区引出阳极A， N2区引出阴极K， P2区引出门极G。 外加正向电压A接正，K接负：J2反向偏置，A、K之间处于阻断形状，只能流过很小的漏电流。 外加反向电压A接负，K接正：J1和J3反向偏置，器件也处于阻断形状，只能流过很小的漏电流。SCR的构造和任务原理的构造和任务原理图1-5 晶闸管的双晶体管模型及其任务

10、原理a) 双晶体管模型 b) 任务原理 晶体管的触发导通正反响原理 ：V1实践上为V2构成了正反响电路，在A-K间加正向电压情况下，假设外电路向门极注入电流IG：IG IB2 IC2 (IB1 ) IC1IB2如此不断地对电流放大，形成剧烈的正反响，很快使V1、V2进入饱和导通形状，即晶闸管导通，A-K间压降约1V左右。此过程称作门极触发。此时假设撤掉外加门极电流IG，由于内部已构成了正反响，并且反响电流IC1IG，V1、V2可以相互维持导通。SCR的构造和任务原理的构造和任务原理 SCR为半控器件：经过门极只能使SCR触发导通，而不能控制其关断。如何使SCR关断：设法使阳极电流IA减小到小于

11、维持电流IH接近于零的某一数值，解除正反响；A-K间施加反压。SCR的构造和任务原理的构造和任务原理电力电子技术根底接受反向电压时，不论门极能否有触发接受反向电压时，不论门极能否有触发电流，晶闸管都不会导通电流，晶闸管都不会导通接受正向电压时，仅在门极有触发电流接受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才干开通的情况下晶闸管才干开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下降到接近于零的某一数值以下 晶闸管正常任务时的特性总结如下：晶闸管正常任务时的特性总结如下：电力电

12、子技术根底阳阳-阴极阴极A-K之间加有正向电压；之间加有正向电压；门门-阴极阴极(G-K)之间加正向电压和电流之间加正向电压和电流触发脉冲。触发脉冲。晶闸管导通要具备两个条件：晶闸管导通要具备两个条件：SCR的特性的特性晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性 该特性表示阳阴极之间的电压该特性表示阳阴极之间的电压UAK与阳极电流与阳极电流IA之间的关系。之间的关系。 第第I象限的是正向特性象限的是正向特性 第第III象限的是反向特性象限的是反向特性IG2IG1IGIG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断形状，只需很小的正向漏电流流过，正向电压超越临界极限即正向转机电压Ubo，那么漏电流急剧增

13、大，器件开通随着门极电流幅值的增大，正向转机电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在1V左右导通期间，假设门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，那么晶闸管又回到正向阻断形状。IH称为维持电流。伏安特性图1正向特性正向特性 位于第III象限，反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断形状时，只需极小的反相漏电流流过。 当反向电压到达反向击穿电压后雪崩击穿，外电路如无限制措施，那么反向漏电流急剧增大，能够导致晶闸管发热损坏。图1-6 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDR

14、MURRMURSM2反向特性反向特性晶闸管的门极触发信号是作用于G-K之间的，触发电流是从门极流入，从阴极流出的。阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。从晶闸管的构造图可以看出，门极和阴极之间是一个PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。该特性表示门极电压UGK与门极电流IG之间的关系。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在器件所要求的范围内。 晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极伏安特性 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断波形 晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrt

15、grURRMIRMiA1) 开经过程开经过程SCR内部的正反响导经内部的正反响导经过程总过程总需求一定时间阳极电需求一定时间阳极电流在流在iG作用后经过循环放大而作用后经过循环放大而建建立。立。开经过程特性图开经过程特性图)延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时辰开场，到阳极电流上：门极电流阶跃时辰开场，到阳极电流上升到稳态值的升到稳态值的10%的时间的时间上升时间上升时间tr：阳极电流从：阳极电流从10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%所所需的时间需的时间开通时间开通时间ton以上两者之和，以上两者之和， ton=td+ tr 1-6 普通晶闸管延迟时间为普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，

16、上升时间为，上升时间为0.53s电力电子技术根底2) 关断过程改动关断过程改动A-K极的电压极性极的电压极性反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr ：由于载流子复合慢，晶：由于载流子复合慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断才干还需求闸管要恢复其对正向电压的阻断才干还需求一段时间一段时间在正向阻断恢复时间内假设重新对晶闸管施加在正向阻断恢复时间内假设重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正导游通而不受门正向电压，晶闸管会重新正导游通而不受门极电流控制而导通，即误

17、导通极电流控制而导通，即误导通实践运用中，应对晶闸管施加足够长时间的反实践运用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断才干，电路才干可靠任务阻断才干，电路才干可靠任务 关断时间关断时间toff：trr与与tgr之和，即之和，即 toff=trr+tgr 1-7) 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiASCR的主要参数的主要参数1. 电压定额电压定额1) 断态反复峰值电压断态反复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定在门极断路而

18、结温为额定值时，允许反复加在器件上的正向峰值电压。值时，允许反复加在器件上的正向峰值电压。2) 反向反复峰值电压反向反复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定在门极断路而结温为额定值时，允许反复加在器件上的反向峰值电压。值时，允许反复加在器件上的反向峰值电压。规定：反复频率为规定：反复频率为50次次/s，电压继续时间为，电压继续时间为10ms以内。以内。3)额定电压额定电压通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量定裕量,普通取额定电压为正常任务时晶闸管所接受峰值电

19、普通取额定电压为正常任务时晶闸管所接受峰值电压压23倍倍4) 通态峰值电压通态峰值电压UTM晶闸管通以某一规定倍数的晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMSCR的主要参数的主要参数2. 电流定额电流定额 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) -额定电流额定电流 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。额定电流本来应按照正向电流呵斥的发热效应来定义。实际选管时，需求思索任务电流有效值发热损耗是否会超越允许的定额。器件的发热与有效值有关

20、，晶闸管的通态平均电流IT(AV)对应着一个有效值 I。由于整流电路的方式和带负载性质不同，导通角不同，流过晶闸管的电流波形不一样。运用时应按实践电流与通态平均电流有效值相等的原那么来选取晶闸管的电流额定值，并留一定的裕量，普通取1.52倍SCR的主要参数的主要参数电力电子技术根底iIm0tIT(AV)()(21)(1200tdtidttiTITd电流平均值的定义电流平均值的定义)() )(21220tdtiI电流有效电流有效值的定义值的定义dfIIK波形系数波形系数 的定义的定义SCR的主要参数的主要参数iIm0tIT(AV)峰值为峰值为IM的正弦半波电流对应的平均值的正弦半波电流对应的平均

21、值/)(sin21)()(21)(10200)(MMTAVTItd tItdtidttiTI峰值为峰值为IM的正弦半波电流对应的有效值的正弦半波电流对应的有效值2/)()sin(21)() )(2120220MMItdtItdtiI()()1(/ 2)1.57(1.57)T AVT AVfIIIK有效值工频半波的波形系数不同电流波形对应的波形系数不同，实践选管时应按照与工频半波时的不同电流波形对应的波形系数不同，实践选管时应按照与工频半波时的有效值相等的原那么进展换算，即实践波形的电流有效值等于工频半波有效值相等的原那么进展换算，即实践波形的电流有效值等于工频半波的有效值：的有效值：2()21

22、.57()fdTAVfIKIIK有效值为实际波形波形系数iIm0td()TAVII：实际的电流波形，流经额定电流为的晶闸管，其允许的电流平均值。例：求波形的电流平均值、电流有效值以及波形系数例：求波形的电流平均值、电流有效值以及波形系数iIm0tiIm0t解：解：1)()(2120tdtiId2)()sin(212mmItdtI22220)()sin(21)() )(21tdtItdtiIm42mI22. 22422mmdfIIIIK例：上题中不思索平安裕量，例：上题中不思索平安裕量，额定电流额定电流IT(AV)=100A的晶闸的晶闸管，能送出电流平均值各为管，能送出电流平均值各为多少？多少？

23、iIm0t解：解：“额定电流为额定电流为100A的的SCR，表示该，表示该SCR在在 工频正弦半波情况下可以经过的平均电流工频正弦半波情况下可以经过的平均电流 为为100A，由于正弦半波的波形系数为，由于正弦半波的波形系数为1.57, 所以，该所以，该SCR可以经过的电流有效值为可以经过的电流有效值为 1001.57157A AI157上题中曾经求出波形的波形系数，所以上题中曾经求出波形的波形系数，所以AKIIfd7 .7022. 2157这时，100A的器件只能当70A运用。SCR的主要参数的主要参数2) 维持电流维持电流 IH 指在关断指在关断SCR时维持其导通所必需的最小时维持其导通所必

24、需的最小阳极电流。普通为几十到几百毫安，与结温有关，结阳极电流。普通为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，那么温越高，那么IH越小针对关断过程越小针对关断过程3) 擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号 后，后， 能维持导通所需的最小阳极电流针对开经过程能维持导通所需的最小阳极电流针对开经过程 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍倍4) 浪涌电流浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超越指由于电路异常情况引起的并使结温超越 额定结温的不反复性最大正向过载电流额定结温的不反复性最大正向过载电

25、流 浪涌电流有浪涌电流有L、H两级。两级。L低级的数值为低级的数值为 ITAV)。比如。比如100A定额的晶闸管，定额的晶闸管，L级级ITSM为为1.3kA，H 级级ITSM为为1.9kA。ITSM在器件寿命期内仅限几次。在器件寿命期内仅限几次。4SCR的主要参数的主要参数电力电子技术根底3. 动态参数动态参数 除开通时间除开通时间ton和关断时间和关断时间toff外，还外，还有：有： (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温暖门极开路的情况下，不指在额定结温暖门极开路的情况下，不导致晶闸导致晶闸 管从断态到通态转换的外加电压最大上管从断态到通态转换的外加电压最大上

26、升率升率 UAK上升率过高，会呵斥上升率过高，会呵斥SCR误导通。误导通。 (2) (2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt 指在规定条件下，晶闸管能接受而无指在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最大通态电流上升率。有害影响的最大通态电流上升率。 假设电流上升太快，那么晶闸管刚一开假设电流上升太快，那么晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而呵斥部分过热而使晶闸管损坏内，从而呵斥部分过热而使晶闸管损坏 。其他晶闸管其他晶闸管电力电子技术根底1. 快速晶闸管快速晶闸管Fast Switching ThyristorFST)包括一切专为快速运用而设计的晶闸管，有快速包括一切专为快速运用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管晶闸管和高频晶闸管管芯构造和制造工艺进展了改良，开关时间以及管芯构造和制造工艺进展了改良，开关时间以及du/dt和和di/dt耐量都有明显改善耐量都有明显改善普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十普通晶闸管关断时间数百