自动化外语教学课件

1、自动化专业英语教程自动化专业英语教程教学课件July 28, 2007Email : http: / P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 A 功率半导体器件功率半导体器件1. 课文内容简介：主要介绍专业课电力电子技术中大功率二极管、晶闸管、双向可控硅、门极可关断晶闸管、电力金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管的电路符号、伏安控制特性、特点和适用场合等内容。2. 温习电力电子技术中概述、第一章“晶闸管”等内容。3. 生词

2、与短语 converter n. 转换器，换流器，变流器 matrix n. 模型，矩阵 diode n. 二极管，半导体二极管 thyristor n. 晶闸管 triac n. 三端双向晶闸管P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 GTO 门极可关断晶闸管 BJT 双极结型晶体管 power MOSFET 电力MOS场效应晶体管 SIT 静态感应晶体管 IGBT 绝缘栅双极型晶体管 MCT MOS控制晶闸管 IGCT 集成门极换向晶闸管 rectification n. 整流 feedba

3、ck n. 反馈 freewheeling n. 单向传动 snubber n. 缓冲器，减震器 intrinsic adj. 固有的，体内的，本征 forward biased 正向偏置 conduction n. 导电，传导 emitter n. 发射极P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 reverse biased 反向偏置 leakage current 漏电流 threshold n. 门限，阈限，极限 breakdown n. 击穿，雪崩 recovery n. 恢复 scho

4、ttky diode 肖基特二极管 workhorse n. 重载，重负荷 thyratron n. 闸流管 breakover n. 导通 latching current 闭锁电流 holding current 保持电流 phase controlled 相控的 asymmetric adj. 不对称的 force commutated 强制换向P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件SMPS 开关电源BLDM 无刷直流电动机stepper motor 步进电动机hybrid n. 混合s

5、aturation n. 饱和 4.难句翻译 1 Power diodes provide uncontrolled rectification of power and are used in applications such as electroplating, anodizing, battery charging, welding, power supplies (DCand AC), and variable-frequency drives.电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的 应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流 电源和变频驱动。 P1U4A Power

6、 Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件2 A gate turn-off thyristor (GTO), as the name indicates, is basically a thyristor-type device that can be turned on by a small positive gate current pulse, but in addition，has the capability of being turned off by a negative gate current pu

7、lse 门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。3 Such a gate current pulse of very short duration and very large di/dt has small energy content and can be supplied by multiple MOSFETs in parallel with ultra-low leakage inductance in the drive circuit. 这样一个持续时间非常短、di/dt非

8、常大、能量又较小的门极电流脉冲可以由多个并联的MOSFET来提供，并且驱动电路中的漏感要特别低。 P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件5.参考译文A 功率半导体器件功率半导体器件 功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。开关式功率变换的效率更高。 现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类如下：二极管晶闸管或可控硅双向可控硅门极可关断晶闸管双极结型晶体管电力金属氧化物半导体场效应晶体管P1U4A Power Semiconducto

9、r Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 静电感应晶体管 绝缘栅双极型晶体管 金属氧化物半导体控制的晶闸管 集成门极换向晶闸管二极管二极管 电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源和变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑行功能。典型的功率二极管具有P-I-N结构，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于P-N结的中部以阻断反向电压。P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件图 1

10、-4A-1 二极管符号和伏安特性AnodeCathodeForward conduction dropReverseleakagecurrentAvalanchebreakdown+IA-IA-VAP1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 图1-4A-1给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。在正向偏置条件下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。典型的正向导通压降为1.0伏。导通压降会引起导通损耗，必须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。

11、在反向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流流过，泄漏电流随电压逐渐增加。如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。 电力二极管分类如下: 标准或慢速恢复二极管 快速恢复二极管 肖特基二极管 P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件晶闸管晶闸管 闸流管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的传统设备。50年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固态电力电子技术。术语“晶闸管”来自与其相应的充气管等效装置，闸流

12、管。通常，晶闸管是个系列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。晶闸管可分成标准或慢速相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。逆变器型现已淘汰。 图1-4A-2给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。基本上，晶闸管是一个三结P-N-P-N 器件，器件内P-N-P 和N-P-N 两个三极管按正反馈方式连接。P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件+IA-VACathodeAnodeLatchingcurrentHoldingcurrentF

13、orwardCondution dropIG3IG2IG1IG3IG2IG1IG=0+VA-IAReverseLeakagecurrentAvalanchebreakdownForwardLeakagecurrentForwardBreakovervoltageGate图 1-4A-2 晶闸管符号和伏安特性P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 晶闸管可阻断正向和反向电压（对称阻断）。当阳极为正时，晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；但晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。晶

14、闸管也可由阳极过电压、阳极电压的上升率（dv/dt）、结温的上升、PN结上的光照等产生误导通。 在门电流IG = 0时，如果将正向电压施加到晶闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限（转折电压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流IG 的增加，正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流IG= IG3时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。在晶闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞电流，晶闸管将成功导通。 P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 在导通期间，如果

15、门极电流是零并且阳极电流降到临界极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。相对反向电压而言，晶闸管末端的P-N 结处于反向偏置状态。现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、大电流（数千安）额定值。双向可控硅双向可控硅 双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲，它是在同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。图1-4A-3给出了双向可控硅的符号。在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。在+工作方式，T2端为正，双向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。在-工作方式，T1端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通。P1U4A Power Semiconductor Devices 第一

16、部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 双向可控硅比一对反并联的晶闸管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。由于少数载流子效应，双向可控硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。由于同样的原因，重复施加的dv/dt 额定值较低，因此用于感性负载比较困难。双向可控硅电路必须有精心设计的RC 缓冲器。双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60赫兹电源频率的固态继电器。 GateT2T1图 1-4A-3 双向可控硅符号P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率

17、半导体器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。GTO 的关断能力来自由门极转移P-N-P 集电极的电流，因此消除P-N-PN-P-N 的正反馈效应。GTO 有非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。 GTO 的阻断电流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为4或5，非常低。这意味着6000安培的GTO 需要1,500安培的门极电流脉冲。 P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第

18、四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 但是，脉冲化的门极电流和与其相关的能量非常小，用低压电力MOS场效应晶体管提供非常容易。GTO被用于电机驱动、静态无功补偿器和大容量AC/DC 电源。大容量GTO的出现取代了强迫换流、电压回馈的可控硅换流器。图1-4A-4给出了GTO的符号。图 1-4A-4 GTO 符号GateAnodeCathodeKGP1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件电力电力MOS场效应晶体管场效应晶体管 与以前讨论的器件不同，电力MOS场效应晶体管是一

19、种单极、多数载流子、“零结”、电压控制器件。图1-4A-5给出了N型MOS场效应晶体管的符号。GateDrainDIntegralInversediodeSourceSVGSVDS图 1-4A-5 MOSFET 符号P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 如果栅极电压为正并且超过它的门限值，N 型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电子）组成的电流。虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅源极电容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。MOS场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部集

20、成一个通过所有的反向电流的二极管。二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。 虽然对较高的电压器件来说，MOS场效应晶体管处于导通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损耗小。它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟问题。虽然在静态MOS场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由电流源驱动而后跟随一个电压源来减少开关延迟。 P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 MOS场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫兹）开关应用等领域得到

21、极其广泛的应用。譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机驱动和固态直流继电器。绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 在20世纪80年代中期出现的绝缘栅双极型晶体管是功率半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。它们在中等功率（数千瓦到数兆瓦）的电力电子设备上处处可见，被广泛用于直流/交流传动和电源系统。它们在数兆瓦功率级取代了双极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。IGBT 基本上是混合的MOS 门控通断双极性晶体管，它综合了MOSFET 和BJT 的优点。它的结构基本上与MOSFET 的结构相似，只是在MOSFET 的N+漏极层上的集电极加了一个额外的P+层。 P1U4A Powe

22、r Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 IGBT有MOSFET 的高输入阻抗和像BJT 的导通特性。如果门极电压相对于发射极为正，P 区的N 型沟道受到感应。这个P-N-P 晶体管正向偏置的基极发射极结使IGBT导通并引起 N区传导性调制，这使得导通压降大大低于MOSFET 的导通压降。在导通条件下，在IGBT 的等效电路中，驱动器MOSFET 运送大部分的端子电流。由寄生N-P-N 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少P+层电阻系数和通过MOSFET 将大部分电流转移而得到预防。CEG图 1-4A-

23、6 IGBT 符号P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 IGBT通过减小门极电压到零或负电压来关断，这样就切断了P 区的导通通道。IGBT比BJT 或MOSFET 有更高的电流密度。IGBT 的输入电容(Ciss)比MOSFET 的要小得多。还有，IGBT的门极集电极电容与门极发射极电容之比更低，给出了改善的密勒反馈效应。金属氧化物半导体控制的晶闸管金属氧化物半导体控制的晶闸管 金属氧化物半导体控制的晶闸管(MCT)，正像名字所说的那样，是一种类似于晶闸管，通过触发进入导通的混合器件，它可以

24、通过在MOS 门施加一个短暂的电压脉冲来控制通断。MCT 具有微单元结构，在那里同一个芯片上数千个微器件并联连接。单元结构有点复杂。 P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 图1-4A-7 给出了MCT 的符号。它由一个相对于阳极的负电压脉冲触发导通，由一个相对于阳极的正电压脉冲控制关断。MCT 具有类似晶闸管的P-N-P-N 结构，在那里P-N-P 和N-P-N 两个晶体管部件连接成正反馈方式。但与晶闸管不同的是MCT只有单极（或不对称）电压阻断能力。如果MCT 的门极电压相对于阳极为负，在

25、P 型场效应晶体管中的P 沟道受到感应，使N-P-N 晶体管正向偏置。这也使 P-N-P 晶体正向偏置，由正反馈效应MCT进入饱和状态。在导通情况下，压降为1伏左右（类似于晶闸管）。 图 1-4A-7 MCT 符号GCP1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 如果MCT 的门极电压相对于阳极为正，N 型场效应晶体管饱和并将P-N-P 晶体管的发射极-基极短路。这将打破晶闸管工作的正反馈环，MCT关断。关断完全是由于再结合效应因而MCT 的关断时间有点长。MCT 有限定的上升速率，因此在MCT 变

26、换器中必须加缓冲器电路。最近，MCT 已用于“软开关”变换器中，在那不用限定上升速率。尽管电路结构复杂，MCT的电流却比电力 MOSFET、BJT和IGBT的大，因此它需要有一个较小的死区。1992年在市场上可见到MCT，现在可买到中等功率的MCT。MCT的发展前景尚未可知。P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件集成门极换向晶闸管集成门极换向晶闸管 集成门极换向晶闸管是当前电力半导体家族的最新成员，由ABB 在1997年推出。图1-4A-8给出了IGCT 的符号。基本上，IGCT是一个具有单位

27、关断电流增益的高压、大功率、硬驱动不对称阻塞的GTO。这表示具有可控3,000安培阳极电流的4,500 V IGCT需要3,000安培负的门极关断电流。这样一个持续时间非常短、di/dt非常大、能量又较小的门极电流脉冲可以由多个并联的MOSFET来提供，并且驱动电路中的漏感要特别低。 A G图 1-4A-8 IGCT 符号P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文A 功率半导体器件功率半导体器件 门驱动电路内置在IGCT模块内。IGCT内有一对单片集成的反并联二极管。导通压降、导通时电流上升率di/dt 、门驱动器损耗、少数载流

28、子存储时间、关断时电压上升率dv/dt 均优于GTO 。IGCT更快速的通断时间使它不用加缓冲器并具有比GTO 更高的开关频率。多个IGCT可以串联或并联用于更大的功率场合。IGCT已用于电力系统连锁电力网安装（100兆伏安）和中等功率（最大5兆瓦）工业驱动。 P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换器B 电力电子变换器电力电子变换器1. 课文内容简介：主要介绍专业课电力电子技术中整流器、逆变器、斩波器、周波变换器的作用、工作原理、基本电路结构等内容。2. 温习电力电子技术中整流电路、逆变电路、斩

29、波电路、交-交变频电路等内容。3. 生词与短语 rectifier n. 整流器 chopper n. 斩波器 inverter n. 逆变器 cycloconverter n. 周波变换器 electrochemical adj. 电化学的 VAR 静态无功功率 harmonics n. 谐波P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换器 lagging n. 滞后，迟滞 power factor 功率因数 configuration n. 轮廓，格局 voltage-fed inverter 电压

30、源型逆变器 current-fed inverter 电流源型逆变器 stiff voltage source 恒压源 stiff current source 恒流源 Thevenin impedance 戴维南电路等效阻抗 filter n. 滤波器 isolation transformer 隔离变压器 buck chopper 降压式变压器 boost chopper 升压式变压器 quadrant n. 象限 duty ratio 占空比，功率比 P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换

31、器4.难句翻译1 The efficiency of the rectifiers is very high, typically in the vicinity of 98%, because device conduction loss is low and switching loss is practically negligible.由于器件开通时损耗低，且其开关损耗几乎可忽略不计，故该类整流器的效率很高，典型值约为98。2 A variable voltage source can be converted to a variable current source by conne

32、ction a large inductance in series and controlling the voltage within a feedback current control loop.通过串联大电感，可变电压源可以在电流反馈控制回路的控制下转换为可变电流源。P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换器5.参考译文B 电力电子变换器电力电子变换器 电力电子变换器能将电力从交流转换为直流（整流器），直流转换为直流（斩波器），直流转换为交流（逆变器），同频率交流转换为交流（交流控制器）

33、，变频率交流转换为交流（周波变换器）。它们是四种类型的电力电子变换器。变换器被广泛用于加热和灯光控制，交流和直流电源，电化学过程，直流和交流电极驱动，静态无功补偿，有源谐波滤波等等。整流器整流器 整流器可将交流转换成直流。整流器可由二极管、可控硅、GTO、 IGBT、IGCT等组成。二极管和相控整流器是电力电子设备中份额最大的部分，它们的主要任务是与电力系统连接。P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换器由于器件开通时损耗低，且其开关损耗几乎可忽略不计，故该类整流器的效率很高，典型值约为98。但是

34、，它们的缺点是在电力系统中产生谐波，对其他用户产生供电质量问题。此外，晶闸管变换器给电力系统提供了一个滞后的低功率因数负载。 二极管整流器是最简单、可能也是最重要的电力电子电路。因为功率只能从交流侧流向直流侧，所以它们是整流器。最重要的电路配置包括单相二极管桥和三相二极管桥。常用的负载包括电阻性负载、电阻-电感性负载、电容-电阻性负载。图1-4B-1给出了带RC负载的三相二极管桥式整流器。P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换器abc 图 1-4B-1 带RC负载的三相桥式整流器uaubucLa

35、VD1VD3VD5VD4VD6VD2UdCFRLbLcNIdP1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换器逆变器逆变器 逆变器是从一侧接受直流电压，在另一侧将其转换成交流电压的装置。根据应用情况，交流电压和频率可以是可变的或常数。逆变器可分成电压源型和电流源型两种。电压源型逆变器在输入侧应有一个刚性的电压源，即，电源的戴维南电路等效阻抗应该为零。如果电源不是刚性的，再输入侧可接一个大电容。直流电压可以是固定的或可变的，可从电网或交流发电机通过一个整流器和滤波器得到。电流注入或电流源型逆变器，像名字所表

36、示的那样，在输入侧有一个刚性的直流电流源，与电压源型逆变器需要一个刚性的电压源相对应。通过串联大电感，可变电压源可以在电流反馈控制回路的控制下转换为可变电流源。这两种逆变器都有着广泛的应用。它们使用的半导体器件可以是IGBT、电力MOSFET和IGCT等等。 图1-4B-2给出了一种三相桥式电压源型逆变器的常见电路。 P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换器AC图 1-4B-2 带电感负载的三相桥式电压型逆变器LoadrectifierQ1Q3Q5Q4Q6Q2VD1VD3VD5VD4VD6VD2canbCUdLrIaIdP1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文第一部分第四单元课文B 电力电子变换器电力电子变换器斩波器斩波器 斩波器将直流电源转换成另一个具有不同终端参数的直流电源。它们被广泛用于开关式电源和直流电机启动。其中一些斩波器，尤其是电源中的斩波器，有一个隔离变压器。斩波器经常在不同电压的直流系统中用作连接器。 降压和升压斩波器是两种基本的