第1章 电力电子器件.ppt

1、电力电子技术电子教案，第1章电力电子器件，第1章第2页，第1章电力电子器件，引言1.1电力电子器件概述1.2不可控器件功率二极管1.3半控器件晶闸管1.4典型全控器件1.5其他新型电力电子器件1.6电力电子器件驱动1.7电力电子器件保护1.8电力电子器件串并联概述，第1章第3页，引言， 电子技术基础电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路基础电力电子器件本章主要内容：简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等。 介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的一些问题、第1章第4页、1.1电力电子器件概述、1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特性1.

2、1.2电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类1.1.4本章内容和学习要点，第1章第5页。 1.1电力电子设备概述，1.1.1电力电子设备的概念和特点在电力电子设备或电力系统的主电路中，直接承担电力转换或控制任务的电路可以直接用于处理电力的主电路，以及实现电力转换或控制的电子设备。第1章，第6页，1.1.1电力电子器件的概念和特点，广义上，电力电子器件可分为电两大类，自20世纪50年代以来，真空管只用于大功率和高频电源的高频(如微波)，而功率半导体器件已经取代了汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为绝对的主力军。因此，功率电子器件目前通常指功率半导体器件。功率半导体器件中使用的主要材料

3、仍然是硅。与处理信息的电子设备相比，电力电子设备的一般特征如下：(1)处理电力的能力，即耐受电压和电流的能力，是最重要的参数，其处理电力的能力小到毫瓦，大到兆瓦，远远大于处理信息的电子设备。第1章，第8页，1.1.1电力电子器件的概念和特性(2)电力电子器件通常工作在开关状态。当它们接通时，阻抗非常小，接近短路，并且管电压降接近零。当电流被外部电路阻断时，阻抗非常大，接近开路，电流几乎为零，而管两端的电压由外部电路决定。为简单起见，通常使用理想开关来代替1.1.1电力电子器件的概念和特性。(3)在实践中，电力电子设备经常需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路来放大

4、控制电路的信号，控制电路是电力电子器件的驱动电路。(4)为了保证器件不会因散热引起的温度过高而损坏，不仅要注意器件封装的散热设计，还要注意散热器在工作时的安装。当器件导通时，会有一定的导通状态电压降，形成导通状态损耗。第1章，第10页，1.1.1电力电子设备的概念和特性。当器件被阻断时，有一个小的关态漏电流流过器件，形成关态损耗，在开关器件的过程中产生开态损耗和关态损耗。驱动电路注入的功率也是器件发热的原因之一。通常，电力电子器件的关态漏电流极小，因此导通损耗是器件功率损耗的主要原因。当器件的开关频率较高时，开关损耗会增加，并可能成为器件功率损耗的主要因素。第1章，第11页，1.1.2电力电子

5、装置的系统组成，1.1.2电力电子系统由控制电路、驱动电路和以电力电子装置为核心的主电路组成。图1-1电力电子设备在实际应用中的系统组成。控制电路根据系统的工作要求形成控制信号，主电路中的电力电子器件由驱动电路控制，完成整个系统的功能。从广义上讲，除主电路以外的电路，如驱动电路，都属于控制电路，所以粗略地说，电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。通常，主电路中的电压和电流相对较大，而控制电路的元件只能承受相对较小的电压和电流。因此，在主电路和控制电路之间的连接路径中，例如驱动电路和主电路之间的连接、驱动电路和控制信号之间的连接以及主电路和检测电路之间的连接，通常需要电隔离，并且信号通过诸如光

6、和磁的其他方式传输。第1章，第13页，1.1.2系统组成采用电力电子器件，由于主电路中经常存在电压和电流过冲，电力电子器件一般比主电路中的普通元件更昂贵，但承受过电压和过电流的能力较差，因此，往往需要在主电路和控制电路中增加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统的正常可靠运行。设备通常有三个端子(或极或角)，其中两个连接在主电路中，第三个端子称为控制端子(或控制极)。通过在其控制端子和主电路端子之间添加特定信号来控制器件的开关，主电路端子是驱动电路和主电路的公共端子，并且通常是主电路电流流出器件的端子。第1章，第14页，1.1.3电力电子器件的分类，1.1.3电力电子器件的分类根据

7、器件受控制电路信号控制的程度，可分为以下三类：(1)半控器件可通过控制信号控制其导通，但不能控制其关断。晶闸管及其衍生器件的关断取决于它们在主电路中承受的电压和电流。第1章，第15页，1.1.3电力电子设备的分类，(2)完全受控设备可以通过控制信号控制其开启和关闭，也称为自关断设备、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(功率金属氧化物半导体场效应晶体管，缩写为功率金属氧化物半导体场效应晶体管)栅极关断晶闸管GTO、第1章，第16页，1.1.3电力电子设备的分类，(3)不受控制的设备不能由控制信号控制，因此不需要驱动电路。功率二极管只有两个端子。根据驱动电路在设备的控制端和公共端之间施

8、加的信号的性质，设备的开/关由它在主电路中承载的电压和电流来确定，驱动电路可以分为两类：通过从控制端注入或汲取电流来实现开/关的电流驱动型，以及仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现开/关控制的电压驱动型。1.1.3电力电子设备的分类。电压驱动器件实际上通过施加到控制端的电压在器件的两个主电路端之间产生可控电场，以改变流经器件的电流和开关状态，因此它们也被称为场控器件。或者根据电子和空穴两种载流子参与传导的情况，场效应器件可以分为三类：单载流子参与传导的单极器件、双载流子参与传导的双极器件、单极器件和双极器件集成混合的复合器件、第1章，第18页，1.1.4内容和学习要点本章介绍了工

9、作原理、基本特性、 介绍了各种设备的主要参数和选择使用时应注意的一些问题，并重点介绍了电力电子设备的驱动、保护和串并联使用。 最重要的是掌握它的基本特性、电力电子器件的型号命名、参数和特性曲线的使用方法，这是电力电子器件在实践中正确应用的两个基本要求。由于电力电子电路的不同工作特性和特定条件，在同一主电路中使用的其他电路元件作为电力电子器件，如变压器、电感、电容、电阻等。可能与普通电路有不同的要求。第1章，第19页，1.2不可控器件功率二极管，1 . 2 . 1pn结和功率二极管的工作原理1.2.2功率二极管的基本特性1.2.3功率二极管的主要参数1.2.4功率二极管的主要类型，第1章，第20

10、页，1.2不可控器件功率二极管结构和原理简单。自20世纪50年代初开始应用的可靠工作、快速恢复二极管和肖特基二极管，分别在中高频整流和逆变、低压和高频整流中发挥着不可替代的作用。第1章，第21页，1 . 2 . 1PN结和功率二极管的工作原理。其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同，后者基于半导体PN结，由一个大的pn结、两个端子引线和封装组成。从外观上看，主要有两种包装：螺栓型和扁平型。图1-2功率二极管的外形、结构和电气图形符号A)外形B)结构C)电气图形符号、第1章，第22页，1 . 2 . 1pn结和功率二极管的工作原理，n结处电子和空穴浓度的差异导致多重态从一个区域扩散到另

11、一个区域，并在另一个区域变成少数载流子，在界面两侧留下带正负电荷的杂质离子，不能任意移动。这些不动的正电荷和负电荷被称为空间电荷。空间电荷建立的电场称为内部电场或自建电场，其方向是防止扩散运动，另一方面，它吸引其他区域的少数载流子(对于这个区域，它是多载流子)向这个区域移动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又相互矛盾，最终达到动态平衡，正负空间电荷达到稳定值，形成由空间电荷组成的稳定范围，称为空间电荷区，根据不同的受力角度又称为耗尽层、阻挡层或势垒区。第1章，第23页，1 . 2 . 1PN结和功率二极管的工作原理，以及PN结正向导通状态的电导调制效应，使得PN结在正向电流较大时压降仍

12、然很低，因此正向偏置PN结呈现低阻状态，图1-3pn结的形成，第1章，第24页，1 . 2 . 1pn结单向导通二极管的基本原理是pn结的单向导通是其主要特征。PN结的反向击穿有两种形式：雪崩击穿和齐纳击穿，可能导致PN结的热击穿和电容效应：PN结的电荷随外加电压的变化而变化，表现出电容效应，称为结电容CJ和差分电容。根据其产生机理和作用的不同，结电容可分为势垒电容CB和扩散电容CD、第1章，第25页，1 . 2 . 1pn结和功率二极管的工作原理。势垒电容仅在外加电压变化时起作用，外加电压频率越高，势垒电容越明显。势垒电容的大小与PN结的横截面积成正比，与势垒层的厚度成反比，而扩散电容只在正

13、向偏置中起作用。在正向偏置中，当直流电压较低时，势垒电容占主导地位；当直流电压较高时，扩散电容是PN结电容的主要组成部分，影响pn结的工作频率，尤其是在高速开关状态下，可能会使其单向导电性变差甚至失效，因此在应用中应予以重视。第1章，第26页，1 . 2 . 1pn结和功率二极管的工作原理决定了功率二极管与普通二极管在信息电子电路中的区别。一些因素：正向导通时，会有大电流流过，其电流密度大，所以额外载流子的注入水平高，电导调制效应不可忽略。引线压降和焊接电阻有明显的影响，电流变化率di/dt较大。因此，导线的电感效应和器件本身也会有很大的影响。为了提高反向耐受电压，低掺杂浓度也会导致大的正向电

14、压降。第1章，第27页，1.2.2功率二极管的基本特性，1.2.2功率二极管的基本特性图1-4功率二极管的伏安特性，第1章，第28页，1.2.2功率二极管的基本特性1。静态特性(功率二极管伏安特性图)主要指其伏安特性。当功率二极管的直流电压达到一定值(阈值电压反对派)时，正向电流开始明显增加，并处于稳定的导通状态。对应于正向电流的功率二极管两端的电压是其直流电压降。当功率二极管承受反向电压时，只有一个由少数载流子引起的小而恒定的反向漏电流。2.动态特性动态特性由于结电容的存在，三种状态之间必然有一个过渡过程，其中电压和电流特性随时间变化。第1章，第29页，1.2.2功率二极管的基本特性，开关特

15、性反映了导通状态和关断状态之间的转换过程，以及关断过程：需要很短的时间才能恢复反向阻断能力。在关闭之前，有一个大的反向电流，伴随着明显的反向电压过冲。图1-5功率二极管的动态过程波形A)正向偏置转换为反向偏置B)零偏置转换为正向偏置、第1章，第30页，1.2.2功率二极管的基本特性、延迟时间：td=t1- t0，电流下降时间：tf=t2- t1反向恢复时间：trr=td tf恢复特性的柔度：下降时间与延迟时间之比tf /td，或恢复系数，用Sr表示，正向偏置转换为反向偏置， 零偏压转换为正向偏压，第1章，第31页，1.2.2功率二极管的基本特性，开路过程：功率二极管的正向。这个动态过程时间称为

16、正向恢复时间tfr。 当电导调制效应起作用时，需要一定的时间来存储大量的少数载流子。在达到稳态导通之前，由于器件本身的电感，正向电流的上升将导致较大的电压降。当前的上升速度越大，UFP就越高。第1章，第32页，1.2.3功率二极管的主要参数，1。正向平均电流根据电流的热效应定义允许流动的最大工频正弦半波电流的平均正向平均电流，因此使用时应等于有效值。在高频场合使用时，开关损耗引起的发热不容忽视。当使用反向漏电流大的功率二极管时，其关态损耗引起的热效应不小。第1章，第33页，1.2.3功率二极管的主要参数，2。正向电压降UF是指在特定温度下的功率二极管。当特定的瞬态正向电流在特定温度下流动时，对应于特定稳态正向电流的正向电压降有时会给出器件的最大瞬时正向电压降。3