电力电子器件.华北电力大学.ppt

1、1 .第一章电力电子器件， 1.1电力电子器件概述1.2电力二极管1.3晶闸管及其衍生器件1.4栅极可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6电力场效应晶体管1.7绝缘栅极双极晶体管1.8其他新型电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念基本类型1.1.3电力电子设备的模块化和集成1.1.4电力电子设备的应用领域、3、1.1.1电力电子设备的概念和特征、1 .概念主电路电气电子设备是处理电能的主、4、电力电子器件为功率半导体器件。 1 )电力电子设备能够处理的电力的幅度是其最重要的残奥仪表。 处理功率的能力远大于处理信息的电子设备。 2 )低功率电子装置通常在开关状态下操作，以便减小其自身损耗并提高

2、效率。 3 )电力电子器件在实用上多由信息电子电路控制。 信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。 4 )尽管电力电子器件在开关状态下操作，但是其自身的电力损耗通常远大于信息电子器件，为了防止由损耗产生的热量导致器件温度上升，从而导致损坏，不仅需要在器件封装中考虑散热设置修正，而且需要在其操作时设置、修正和安装散热器。特征，特征，特征，特征， 1.1.2电力电子设备的基本类型、1 .根据电力电子设备的控制程度，半控制型设备、全控制型设备无法通过控制信号来控制其导通、截止，晶闸管及其派生设备、截止， 主电路绝缘栅极双极晶体管功率场效应晶体管栅极可截止晶闸管、自截止器件、栅极可截止晶闸管、处理兆瓦级

3、大功率功率、6、不能用控制信号控制其导通截止、不需要驱动电路、功率二极管、非控制型器件电压电压驱动型、控制端子、导通截止、电流注入、电流引出、电压信号、公共端子、控制端子、7，3 .元件内部的电子和空穴两种载流子参与导电时，单极型元件、一种载流子参与导电的元件、双极型元件、8、8， 1.1.3电力电子器件的模块化和集成，电力电子器件最初是单管结构，分立器件，电力电子器件的电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路，结构松散，体积大，可靠性差，成本高， 电力电子器件的模块化和集成化结构紧凑，将多个功率开关器件和闪存二极管组合的单片集成型模块、功率器件、具有驱动、驱动、保护、自诊断功能的集成芯片再次

4、集成到电力电子器件中的智能功率电动机表1-1电力电子器件电力电子器件的应用广泛，电力电子器件可接受的开关频率和可接受的电力范围和主要应用领域，12，1.2电力二极管，结构和原理简单可靠，目前仍有许多电气设备，电力二极管(半导体整流管)，20世纪50年代初应用，和快速恢复二极管肖特基二极管，1.2功率二极管，1.2.1 PN结的工作原理1.2.2功率二极管的结构和基本特性1.2.3功率二极管的主要残奥仪表1.2.4功率二极管的主要类型，14，1.2.1 pn结、图1-2的功率二极管的外形、构造和电图形符号a )外形b )构造c )电图形符号、15、PN结的单向导电性：接受正向电压而导通，接受反向

5、电压而切断，PN结的正向导通状态PN结即使在正向电流大时，电压降也维持在低1V左右，因此是正向偏置、16、PN结反向破坏、施加的PN结反向电压过大，反向电流急剧增大，破坏PN结的反向切断状态，PN结反向破坏、反向电流急剧增大，17、18、1.2.2功率二极管的结构和基本特性，1 .静特性，图1-，顺正向电压上升到UTO，正向电流显着增加。 阈值、阈值电压、正向电压大于UTO，正向电流线性增加。19、1.2.2功率二极管的结构和基本特性、1 .静态特性、图1-4功率二极管的伏安特性、功率二极管静态特性、伏安特性，值从一定受到大压电正、逆电压时，只有微小数值一定的逆漏电流。 与顺向电流IF对应的电

6、力二极管两端的电压UF是其顺向电压降。在过渡过程中，其电压-电流关系随时间而变化，2 .反映动态特性、功率二极管的动态状态、导通状态与断开状态之间的切换过程的开关特性，21，功率二极管的断开在tF时刻施加电压急剧反转。 过一会儿就可以恢复反向阻止能力，变为off状态。 td=t1-t0延迟时间tf=t2-t1电流下降时间trr=td tf反向恢复时间通常： 5数十秒速：数百纳秒肖特基：数十纳秒，关断前有大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。 注意：在电流、电压的反方向的问题使正偏压过冲的情况下，正偏压降约为1V左右。导通时，二极管被视为理想的开关元件，因为导通时间短，但是在关闭时，反向恢复时间

7、(reversse ) 影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。23、1.2.3功率二极管的主要残奥仪表，正向平均电流IF(AV )是在规定的封装温度和散热条件下，所允许的最大商用频率正弦半波电流的平均值。 正向平均电流由电流的发热效应定义，为了有效值相等而选择功率二极管的额定电流，保持一定的馀量使用。 正向电压降UF电力二极管的正向电流导通时二极管上的正向电压降。24、1.2.3功率二极管的主要残奥仪表、浪涌电流、最高工作结温度、反向恢复时间、反向重复峰值电压URRM可向功率二极管重复施加的反向最高峰值电压。 额定电压。 23倍利润。25、1.2.4电力二极管的主要类型、26、快速恢复二

8、极管、恢复过程短，尤其是反向恢复过程短(5s以下，数百ns )的二极管，简称为快速二极管。27、肖特基二极管、导通电压降只有0.30.6V，反复时间短，为1040ns。 缺点：漏电流大，耐压低。28、1.3晶闸管及其派生器件、1.3.1晶闸管的结构和工作原理1.3.2晶闸管的基本特性和主要残奥仪表1.3.3晶闸管的派生器件、29、1.3.1晶闸管的结构和工作原理、图1-6晶闸管外形、反方向接受一定的电压顺向接受一定的电压，高阻抗的切断工作状态和低阻抗的导通工作状态这两个稳定的工作状态。31、图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a )双晶体管模型b的工作原理)、产生注入栅极的触发电流IG的电

9、路、触发器、栅极触发电路、晶闸管的驱动、反向截止、正向截止、32， 晶闸管的工作原理如下式所示，Ic2=a2IK ICBO2 (1-2)、IK=IA IG (1-3)、IA=IC1 IC2 (1-4)、a1和a2分别是晶体管V1和V2的公共基极电流增益。 ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共同基极漏电流。 由式(1-1)的式(1-4)得到：(1-5)、33、晶体管的特性在低发射极电流下微小，但在发射极电流上升时急速增大。 切断状态： ig=0，12小。 晶闸管中流动的漏电流比两个晶体管的漏电流之和略大。 导通(栅极触发):注入触发电流，增大晶体管的发射极电流，使1 2接近1时，流过晶闸管

10、的电流IA (阳极电流)接近无限大，实现饱和导通。 IA实际上由外部电路决定。34、晶闸管的导通、截止规则：接受反电动势电压后，不管栅极上是否有触发电流，晶闸管都不导通。 接受正向电压后，只有在栅极有触发电流时，可控硅才导通。 晶闸管接通后，闸门就会失去控制作用。 即使去除门触发信号，也维持on。 要关闭自锁、手持晶闸管，只能使晶闸管的电流在接近零的某个值以下。维持电流、35、1.3.2晶闸管的基本特性和主要残奥仪、1 .阳极伏安特性和静态残奥仪、IG2IG1 IG，第象限为正向特性的第象限为反向特性，36、IG=0时，在器件两端施加正向电压、正向截止状态，栅电流的振幅大导通后的晶闸管特性接近

11、于二极管的正向特性。 晶闸管本身的电压降很小，只有1V左右。 在导通期间，当栅极电流为零、阳极电流为接近零的某值IH以下时，晶闸管再次变为正向切断状态。 IH叫做维持电流。 37、向晶闸管施加反电动势时，伏安特性与二极管的反特性相似。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流动。 反向电压超过某一限度，变为反向破坏电压后，外部电路无限制地对应，反向漏电流急剧增加，导致晶闸管的反向破坏、破损。38、39、晶闸管的静态残奥仪表、UDB、URB正向重复电压和反向破坏电压UDSM、UDRM的正向截止状态为峰值电压和重复峰值电压反复的URSM、URRM，在峰值电压和重复峰值电压反方向反复的峰值电

12、压反复重复电压是指晶闸管在通断过渡过程中能够重复承受的最大瞬时电压。 将正反重复峰值电压的90%作为正反重复峰值电压。 将正反重复峰值电压中较小的一方作为晶闸管的额定电压。40、晶闸管的静态残奥仪表以晶闸管的UDRM和URRM中较小的一方为额定电压。 额定电压留有馀量，取通常动作时晶闸管受到的峰值电压的23倍的额定电压。 正向导通电压是指晶闸管通过额定电流时阳极和阴极间的电压降，也称为管电压降，该残奥仪表直接反映器件的导通损失特性。 如果通过晶闸管的电流为导通平均电流，则电压降为导通平均管电压降。 41、额定电流、导通平均电流IT(AV )晶闸管是在周围温度为40C的规定的冷却条件下，稳定的结

13、温度不超过额定结温度时允许流动的最大商用正弦波半波电流的平均值。 晶闸管的额定电流由动作波形的平均值定义。 根据选择晶闸管时有效值相等的原则，选择晶闸管额定电流时，通常需要根据电流波形换算平均值和有效值。 以正弦半波为例，考虑到实际的散热条件、过载现象，有1.52倍的馀量。 42、维持电流IH的晶闸管保持导通所需的最小电流。 当晶闸管的阳极电流小于维持电流时，晶闸管变为切断状态。 紧接在去除了握持电流IL的晶闸管从截止状态转移至导通状态的触发信号之后，能够维持该导通所需的最小阳极电流。 对于同一晶闸管，通常IL约为IH的24倍。 IL是可控硅的临界导通电流，如果阳极电流IA达不到IL，则去除栅

14、极信号，可控硅自动变为截止状态。 在电感性负载电路中，由于阳极电流上升至IL需要一定的时间，因此如果栅极信号持续时间低于该值，则晶闸管无法维持导通状态。 43、2 .动态特性及其残奥仪表、动态特性：晶闸管在断路、导通两种状态转移过程中出现的特性。 包括导通特性和截止特性。 导通特性：晶闸管正向偏置，接受理想的电流触发时的导通状况。 断开特性：施加导通的晶闸管的反电动势时的断开状况。 44、导通过程、延迟时间td从栅极电流的步进定时开始，阳极电流上升到额定值的10%所需的时间上升时间tr阳极电流从额定值的10%到90%所需的时间导通时间tgt tgt=td tr通常晶闸管的延迟时间为0.5us

15、其延迟时间随着栅极电流的增大而减小。强触发、45、截止过程、反向恢复时间trr的正向电流下降从零衰减到反向恢复电流接近零的时间。 恢复对反电动势的阻断能力。 栅极恢复时间tgr晶闸管完全断开、截止能力恢复所需的时间。 恢复对正向电压的切断能力。 关断时间tq tq=trr tgr通常晶闸管的时间约为数百s、46，关断电压临界上升率du/dt是在额定结和栅极打开的情况下，不导致晶闸管从关断向导通的转换的施加电压最大上升率。 过大，误导通电流的临界上升率di/dt在规定的条件下可控硅能够承受的最大通路状态电流上升率。 太大，闸门局部过热，47，1.3.3晶闸管的派生器件，快速，反转，双向，光控晶闸管，48，1.4闸门可以关闭晶闸管，晶闸管耐压高，电流大，相对强的过载能力，因此高压半控型设备，如何关闭转流？ 必须通过外部手段使其电流小于维持电流。 为此需要附加强制换流电路，使电力电子设备复杂化。 为了满足现场的实际需要，基于晶闸管成功开发了可关闭闸流管，GTO。 全控制型设备的电压、电流容量比其他全控