浙大电力电子技术第一章ppt课件

1、电力电子技术电力电子技术浙江大学电气工程学院浙江大学电气工程学院 江道灼江道灼 教授教授：Telephone：67899975887999电力电子技术第一章第一章 功率半导体器件功率半导体器件第二章第二章 功率半导体器件的驱动和维护功率半导体器件的驱动和维护第三章第三章 交流交流- -直流直流(AC-DC)(AC-DC)变换变换第四章第四章 直流直流- -直流直流(DC-DC)(DC-DC)变换变换第五章第五章 直流直流- -交流交流(DC-AC)(DC-AC)变换变换第六章第六章 交流交流- -交流交流(AC-AC)(AC-AC)变换变换第七章第七章 谐振软开关技

2、术谐振软开关技术第八章第八章 电力电子在电气工程中的运用电力电子在电气工程中的运用功率半导体器件功率半导体器件1.1 概述1.2 大功率二极管1.3 晶闸管1.4 大功率晶体管1.5 功率场效应晶体管1.6 绝缘栅双极性晶体管1.7 其他新型功率开关器件概述概述功率半导体器件的定义：功率半导体器件的定义：基于半导体资料、构成电力电子安装一次电路主电路的基于半导体资料、构成电力电子安装一次电路主电路的根本元件根本元件功率半导体器件的任务特点：功率半导体器件的任务特点：任务在开关形状，且通态电阻很小，压降接近于任务在开关形状，且通态电阻很小，压降接近于0 0等效于等效于短接，断态电阻很大，漏电流接

3、近于等效于开断；短接，断态电阻很大，漏电流接近于等效于开断；任务开关频率较高，存在开关损耗开通与关断损耗；任务开关频率较高，存在开关损耗开通与关断损耗；任务过程中需接受高电压、大电流。任务过程中需接受高电压、大电流。电力电子安装表示图电力电子安装表示图概述概述理想功率半导体器件：动、静态特性好理想功率半导体器件：动、静态特性好通态电流大且管压降极低通态电流大且管压降极低断态漏电流极小且能接受高电压断态漏电流极小且能接受高电压极短的开关转换时间极短的开关转换时间极小的开关损耗包括通、断态损耗极小的开关损耗包括通、断态损耗接受接受du/dt与与di/dt才干强等才干强等概述概述功率半导体器件的开展

4、功率半导体器件的开展 大功率二极管产生于大功率二极管产生于20世纪世纪40年代，目前已构成整流二极年代，目前已构成整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等管、快恢复二极管、肖特基二极管等3种主要类型。种主要类型。 20世纪世纪60年代出现了第一代电力电子器件年代出现了第一代电力电子器件晶闸管及其晶闸管及其派生器件，如逆导晶闸管、双向晶闸管等；派生器件，如逆导晶闸管、双向晶闸管等； 70年代出现了第二代自关断型电力电子器件，如年代出现了第二代自关断型电力电子器件，如GTO、GTR、P-MOSFET等；等； 80年代出现了第三代场控功率半导体器件，如年代出现了第三代场控功率半导体器件，如IGBT、

5、IGCT等；等； 80年代末年代末90年代初开场出现第四代电力电子器件：集胜利年代初开场出现第四代电力电子器件：集胜利率半导体器件，如率半导体器件，如IPM等。等。 功率半导体器件的分类功率半导体器件的分类 1按可控性分类：按可控性分类： 不可控型、半控型、全控型不可控型、半控型、全控型 2按驱动信号分类：按驱动信号分类： 电流驱动型、电压驱动型、光驱动电流驱动型、电压驱动型、光驱动型型大功率二极管大功率二极管为不可控型功率半导体器件，主要用于不可控整流、为不可控型功率半导体器件，主要用于不可控整流、电感性负载回路的续流等。电感性负载回路的续流等。大功率二级管的构造及符号：大功率二级管的构造及

6、符号：(a)符号符号 (b)螺旋式构造螺旋式构造 (c)平板式构造平板式构造 I200A I200A大功率二极管大功率二极管伏安特性伏安特性(a)实践特性 (b)理想特性大功率二极管大功率二极管开通、关断特性开通、关断特性(a) 开通特性 (b)关断特性大功率二极管大功率二极管主要参数主要参数1.额定正向平均电流额定电流额定正向平均电流额定电流IF2.反向反复峰值电压额定电压反向反复峰值电压额定电压VRRM3.反向漏电流反向漏电流IRR4.正向平均电压正向平均电压VF通态压降通态压降5.大功率二级管的型号定义大功率二级管的型号定义 ZP电流等级电流等级-电压等级电压等级/100通态平均电压通态

7、平均电压组别组别如：如：ZP50-16为：普通型大功率二极管，额定电流为：普通型大功率二极管，额定电流50A、电压、电压1600V晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管SCR的构造的构造(a)螺旋式构造螺旋式构造 (b)平板式构造平板式构造 (c)符号符号 I200A I200ASCR管芯构造原理管芯构造原理晶闸管晶闸管晶闸管的任务原理晶闸管的任务原理1. 正向阻断、反向阻断正向阻断、反向阻断1导通条件：导通条件：晶闸管的阳极晶闸管的阳极阴极之间加正向电压；阴极之间加正向电压；门极加正向电压，使足够的门极电流门极加正向电压，使足够的门极电流Ig流入。流入。2关断条件：关断条件：阳极电流小于维持电流阳极电流小

8、于维持电流IH以下并经过一段时间。以下并经过一段时间。晶闸管晶闸管晶闸管的任务原理续晶闸管的任务原理续2. 内部物理过程内部物理过程 晶体管的内部物理过程可用复合三极管效应等晶体管的内部物理过程可用复合三极管效应等效，如以下图：集电极电流为另一只晶体管的基极电效，如以下图：集电极电流为另一只晶体管的基极电流，构成正反响。流，构成正反响。晶闸管的等效复合三极管效应晶闸管的等效复合三极管效应晶闸管正反响过程仿真演示晶闸管正反响过程仿真演示晶闸管晶闸管晶闸管的阳极电流：agkIII)(1212gcoaIII晶闸管的阴极电流：由以上两式可求出晶闸管的阴极电流：cokacccaIIIIIII21021两

9、个晶闸管的共基极电流放大倍数两个晶闸管的共基极电流放大倍数 与其发射极电与其发射极电Ia、Ic成非线性正比关系，即当成非线性正比关系，即当Ia、Ic很小时很小时 也很也很小；小； 随着随着Ia、Ic的增大而增大。的增大而增大。12、12、12、晶闸管晶闸管11112222)(00) 1 (ebcebgIIIIII0acII为正向漏电流，晶闸管不导通。g222b11112c02 g12aa1212gg(2)I0III1II1-()1I0IgececbIIIIII当晶闸管承受正向电压且时有：（=）正反馈过程当时，由知，此时 将急剧增大且晶闸管内部无法控制，其大小完全有外部电路条件决定晶闸管进入完全

10、导通状态，且维持此时即使也不能关断晶闸管无影响，门极失去控制作用。aHae11c1e2kc221212ac0III (I )II (I )I0II(3) 关断已导通晶闸管的唯一办法就是使其阳极电流 下降到小于维持电流，此时有：当、下降到时，晶闸管恢复阻断状态而关断。晶闸管晶闸管晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性 一、静态特性一、静态特性1. 晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性 理想特性理想特性 实践特性实践特性 正向阻断高阻区；正向阻断高阻区； 负阻区；负阻区； 正导游通低阻区；正导游通低阻区； 反向阻断高阻区。反向阻断高阻区。晶闸管晶闸管2. 门极伏安特性门极伏安特性 IGFM： 门极正

11、向峰电流门极正向峰电流 UGFM：门极正向峰电压：门极正向峰电压PGM： 门极峰值功率门极峰值功率 PG： 门极平均功率门极平均功率 具有分散性，具有分散性， 采用区域表示法采用区域表示法 IGFM IGTUGT UGFM PGM PG UgIg晶闸管晶闸管二、动态特性二、动态特性1开通特性；开通特性； 2关断特性关断特性开通开通过程过程关断关断过程过程晶闸管晶闸管三、晶闸管的主要参数三、晶闸管的主要参数 1、电压参数、电压参数1断态反复峰值电压断态反复峰值电压UDRM2反向反复峰值电压反向反复峰值电压URRM3晶闸管的额定电压晶闸管的额定电压UR取取UDRM和和URRM中较小值，取整中较小值

12、，取整 1000V以下以下100V一个等级一个等级 1000-3000V200V一个等级一个等级4通态平均电压通态平均电压U T(AV)晶闸管晶闸管2、电流参数、电流参数1通态平均电流额定电流通态平均电流额定电流IT(AV) 单相、工频、正弦半波、角度单相、工频、正弦半波、角度170 IT(AV)=210mIsinttdI = 2I)sin(I21m02mtdtf/ IT(AV) =/2 = 1.57 选择元件：有效电流整流输出：平均电流从平均电流找出相应波形的有效电流以保证不过热2维持电流维持电流H 几十几十mA，结温，结温IH(难关断难关断)3擎住电流擎住电流L 开经过程中，能维持导通的最

13、小电流，普通开经过程中，能维持导通的最小电流，普通L(24)H晶闸管晶闸管3、其他参数、其他参数1断态电压临界上升率断态电压临界上升率UB0 额定结温、门极开路，使元件断额定结温、门极开路，使元件断通的最小电压上升率通的最小电压上升率 U ak (duak /dt) UB0(=min duak /dt时，时， IC相当于相当于Ig2通态电流临界上升率通态电流临界上升率3门极触发电流门极触发电流GT与门极触发电压与门极触发电压GT 对触发电路要求，随温度变化。对触发电路要求，随温度变化。晶闸管晶闸管4、晶闸管的型号、晶闸管的型号普通普通, 快速型，快速型，双向型，双向型，逆导型，逆导型，可关断，

14、可关断，LTT 光控光控 KP电流电流电压电压/100 通态压降组别通态压降组别 如如KP500-12G，表示该晶闸管通态平均电，表示该晶闸管通态平均电流流 I T ( A V ) = 5 0 0 A 通 态 压 降 通 态 压 降0.9V=UT(AV)=1.0V ，断态正反，断态正反向反复峰值电压向反复峰值电压UR=1200V。晶闸管晶闸管晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 (1).快速晶闸管快速晶闸管FST (2).双向晶闸管双向晶闸管TRIAC (3).逆导晶闸管逆导晶闸管RCT (4).门级可关断晶闸管门级可关断晶闸管GTO (5).光控晶闸管光控晶闸管LTT大功率晶体管大功率晶体管构造

15、构造 (a) 普通晶体管构造普通晶体管构造 (b) GTR构造构造 (c) 符号符号 双极导电性：电子、空穴均参与导电双极导电性：电子、空穴均参与导电电流全控型：经过调理电流全控型：经过调理B极电流控制集、射极极电流控制集、射极C、E间通断间通断大功率晶体管大功率晶体管1. 任务特性a输入特性；b输出特性2. 动态特性a等值电路；b开关特性 (a)(b)大功率晶体管大功率晶体管主要参数主要参数1、电压参数、电压参数 集电极额定电压集电极额定电压UCEM 饱和压降饱和压降UCES2、电流参数、电流参数 延续直流额定集电极电流延续直流额定集电极电流Ic 集电极额定电流最大允许电流集电极额定电流最大

16、允许电流ICM 基极电流最大允许值基极电流最大允许值IBM 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PCM大功率晶体管大功率晶体管1、二次击穿景象、二次击穿景象AABceceoccUUi达到点后，出现击穿一次现象（段）元件不会损坏但性能变差CCDceCUi仍，达点集 电 极 局 部 过 热出现 低 电 压 、 大 电 流 的负 阻 效 应 （段 ）二 次 击 穿 ， 元 件 损 坏出现击穿景象出现击穿景象AB段，称为一次击穿。段，称为一次击穿。二次击穿过程仿真演示二次击穿过程仿真演示大功率晶体管大功率晶体管GTR2、平安任务区、平安任务区 (a) FBSOA (b) RBSOA 功率场效应晶体管功

17、率场效应晶体管一、构造与任务原理一、构造与任务原理 (a) 构造图构造图 (b) N沟道符号沟道符号 (c) P沟道符号沟道符号单极导电性：只需电子单极导电性：只需电子N沟道或空穴沟道或空穴P沟道参与导电沟道参与导电电压全控型：经过调理栅极电压控制漏、源极电压全控型：经过调理栅极电压控制漏、源极D、S间通断间通断功率场效应晶体管二、任务特性二、任务特性1、静态特性、静态特性1漏极伏安特性漏极伏安特性a可调电阻区可调电阻区I：UGS固固定，定，UDS由由0上升到预上升到预夹断电压，夹断电压，ID线性添加；线性添加；接近预夹断电压时接近预夹断电压时ID变变化慢。化慢。b饱和区饱和区II：虽：虽UD

18、S继续继续增大，但增大，但ID根本坚持不根本坚持不变；假设坚持变；假设坚持UDS不变，不变，那么那么UGS越高，越高， ID越大。越大。c击穿区击穿区III：UDS增大过增大过头，头， ID急剧添加。急剧添加。功率场效应晶体管功率场效应晶体管2转移特性转移特性GSDmUIg跨导与跨导与GTR中中类似类似表示栅源极电压表示栅源极电压UGS对漏极电流对漏极电流ID的控制才干的控制才干功率场效应晶体管功率场效应晶体管2、开关特性、开关特性 为多数载流子器件，没为多数载流子器件，没有存储有存储效应，开关时间短为效应，开关时间短为20ns左左右。右。输入电容输入电容:GDGSinCCC开通：开通：a aGSinPUCU充电，,b bDTH(GSGSiUU时，导电沟道，有）c c不变稳定，仍充电，预夹断随DGSinGSiUCUDirondonttt）（d d功率场效应晶体管功率场效应晶体管关断：关断：aUP高电平，高电平，Cin放电，放电，UGS下降，下降，iD未变未变 btdoff时，预夹断，时，预夹断，iD下降下降 cCin仍放电，仍放电