电力电子器件概述

1、第二章电力电子器件，2.1电力电子器件概述2.2不可控器件二极管2.3半控器件晶闸管2.4典型全控器件2.5其他新型电力电子器件2.6电力集成电路和集成电力电子模块本章概要，电子技术基础电子器件：晶体管和集成电路电力电子器件本章主要内容：电力电子器件的概念、特性和分类概述。介绍了常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的问题。第二章电力电子装置简介，2.1.1电力电子装置的概念和特点2.1.2电力电子装置的系统组成2.1.3电力电子装置的分类2.1.4本章的内容和学习要点，2.1电力电子装置概述，1)概念：电力电子装置可直接用于主电路中，实现电能的转换或控制。主电源

2、电路(Main Power Circuit)是电气设备或电力系统中直接承担电能转换或控制的电路。2)分类：电真空装置(汞弧整流器、闸流管)半导体装置(主要由硅制成)仍然，2.1.1电力电子装置的概念和特性，电力电子装置处理电力的能力，一般远远大于处理信息的电子装置。电力电子设备一般工作在开关状态。电力电子设备通常需要由信息电子电路控制。电力电子设备的功率损耗比信息电子设备的功率损耗大得多，所以通常安装散热器。2.1.1电力电子设备的概念和特点；3)与处理信息的电子设备相比的一般特征：接通状态损耗是设备功率损耗的主要原因。当器件的开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主损耗、开

3、态损耗、关态损耗、开关损耗、关态损耗、开态损耗、2.1.1电力电子器件的概念和特性、电力电子器件的损耗、电力电子系统：它由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成，在主电路和控制电路中增加一些电路，保证电力电子器件和整个系统的正常可靠运行，2.1.2电力电子器件的系统组成，电气隔离，控制电路，晶闸管可以通过控制信号控制其导通，但不能控制其关断。完全受控的器件(IGBT，金属氧化物半导体场效应晶体管)可以通过控制信号控制它们的导通和关断，也称为自关断器件。功率二极管不能通过控制信号打开和关闭，所以它们不需要驱动电路。2.1.3电力

4、电子装置的分类可根据装置可控制的程度分为以下三类：(1)电流驱动型通过从控制端注入或汲取电流来实现开关控制。电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可以实现开关控制。2.1.3根据驱动电路信号的性质，电力电子器件的分类可分为两类：本章：介绍了各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用时应注意的一些问题。学习：点最重要的是掌握它的基本特征。掌握电力电子设备的型号命名，以及它们的参数和特性曲线的使用。主电路的其他电路元件可能有特殊要求。2.1.4本章内容和学习要点，2 . 2 . 1pn结和功率二极管的工作原理，2.2.2功率二极管的基本特性，2.2.3功率二极管的主要参

5、数，2.2.4功率二极管的主要类型，2.2不可控器件功率二极管，自20世纪50年代初开始应用，结构和原理简单，运行可靠。快速恢复二极管和肖特基二极管在中高频整流逆变以及低压高频整流中发挥着不可替代的作用。2.2不可控设备介绍功率二极管，整流二极管和模块，ba它由一个大面积的PN结、两端的引线和一个封装组成。从外观上看，包装主要有两种类型：螺栓型和平板型。图2-2功率二极管的形状、结构和电气图形符号A)形状B)结构C)电气图形符号2 . 2 . 1PN结和功率二极管的工作原理二极管的基本原理在于pn结单向导电的主要特点。PN结反向击穿(两种形式)雪崩击穿齐纳击穿可能导致热击穿，2 . 2 . 1

6、PN结和功率二极管的工作原理，pn结的状态主要指其伏安特性阈值电压UTO，正向电流IF开始明显增加相应的电压。对应于中频的功率二极管两端的电压是其直流压降。当受到反向电压时，只有小而恒定的反向漏电流。图2-4功率二极管的伏安特性，2.2.2功率二极管的基本特性，1)静态特性，在规定的管壳温度和散热条件下允许流动的最大工频正弦半波电流的平均值。中频是根据电流的热效应来定义的。使用时，应根据有效值相等的原则选择当前定额，并预留一定的余量。2.2.3功率二极管的主要参数，1)正向平均电流，当指定的稳定正向电流在指定的温度下流动时，相应的正向电压降。3)反向重复峰值电压URRM是可重复施加到功率二极管

7、的最高反向峰值电压。使用时，应预留两倍的余量。4)反向恢复时间trr trr=td tf，2.2.3功率二极管主要参数，2)正向压降UF，结温指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM指的是在不损坏PN结的情况下可以维持的最高平均温度。TJM通常在125175摄氏度的范围内。6)浪涌电流IFSM是指功率二极管能够承受的一个或几个工频周期的最大连续过电流。2.2.3功率二极管的主要参数，5)最大工作结温TJM，1)通用二极管，又称整流二极管，主要用于开关频率低(1kHz以下)的整流电路，其反向恢复时间长，正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，根据正向压降、反向耐压和反向漏电流的性能，特别是反向

8、恢复特性的差异。2.2.4主要类型的功率二极管，称为快速恢复外延二极管弗雷德，具有较短的trr(低于50ns)和较低的UF(约0.9V)，但其反向耐受电压大多低于1200V。性能可分为两个级别：快速恢复和超快速恢复。前者的trr为数百纳秒或更长，而后者的TRR低于100纳秒，甚至高达2030纳秒。2.2.4功率二极管的主要类型，2)快速恢复二极管，肖特基二极管的弱点，正向压降会随着反向耐受电压的增加而增加，主要用于200伏以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间非常短(1040纳秒)。正向恢复过程中不会出现明显的电压过冲。当反向耐受电压较低时，正向压降

9、明显低于快速恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗小于快速二极管。2.2.4功率二极管的主要类型3。肖特基二极管基于金属和半导体接触形成的势垒的二极管称为肖特基势垒二极管SBD。2.3晶闸管半控装置，2.3.1晶闸管的结构和工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的衍生装置，2.3晶闸管半控装置的介绍，贝尔实验室在1956年发明了晶闸管。1957年，美国通用电气公司开发了第一个晶闸管产品。1958年商业化。它开辟了电力电子技术快速发展和广泛应用的新时代。自20世纪80年代以来，它已经被完全受控的设备所取代。它能承受最高的电压和电流容量，工作可靠，在大容

10、量场合发挥重要作用。晶闸管：晶体晶闸管，可控硅整流器，图2-17晶闸管的形状、结构和电气图形符号A)形状b)结构c)电气图形符号，2.3.1晶闸管的结构和工作原理，带螺栓型和平板型封装。有三个连接端。螺栓式封装，通常以螺栓为阳极，可与散热器紧密连接，安装方便。扁平晶闸管可以被两个散热器夹在中间。2.3.1晶闸管的结构和工作原理，常用的晶闸管结构，插销晶闸管，晶闸管模块，扁平晶闸管的形状和结构，1-27，晶闸管的阳极和阴极之间应加直流电压。晶闸管的栅极和阴极之间应加直流电压和电流。一旦晶闸管接通，栅极就会失去控制。(半控装置)要关断晶闸管，晶闸管的电流只能降低到接近于零的某个值以下，或者它能承受

11、反向电压。你为什么会有以上的开关特性？为了接通晶闸管，必须满足以下两个条件：2.3.1晶闸管结构和工作原理，2.3.1晶闸管结构和工作原理，其中1和2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的公共基极漏电流。根据上面的公式，我们可以得到：(2-10)、1-29、2.3.1晶闸管的结构和工作原理，图2-18晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理。Ic2(Ib1)、Ic1、2.3.1晶闸管的结构和工作原理在低发射极电流时非常小，但当发射极电流建立时，它迅速增加。(形成强正反馈，器件保持自锁导通，不再需要触发电流)阻塞状态：IG=0，1

12、2很小。流经晶闸管的漏电流略大于两个晶体管的漏电流之和。导通状态(栅极触发):如果通过注入触发电流增加晶体管的发射极电流，使1/2接近1，流经晶闸管的电流IA将接近无穷大，实现饱和导通。仪表放大器实际上是由外部电路决定的。(2-10)，2.3.1晶闸管的结构和工作原理，阳极电压上升到相当高的值所引起的雪崩效应，高阳极电压上升率du/dt，高结温，光触发和光触发可以保证控制电路和主电路之间的良好绝缘，所以它被用于高压电力设备，称为光触发晶闸管。只有闸门触发是最准确、快速、可靠的控制方法。其他可能的导通情况：2.3.2晶闸管的基本特性，当承受反向电压时，无论栅极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。在

13、直流电压下，晶闸管只有在栅极有触发电流时才能导通。一旦晶闸管接通，栅极就会失去控制。为了关闭晶闸管，晶闸管的电流只能下降到接近零的某个值以下，或者承受反向电压。数据表，晶闸管在正常运行时的特性总结如下：2.3.2晶闸管的基本特性，当IG=0时，UAK0处于闭锁状态，漏电流很小；当UAK接通正向电压UbO时，IA变尖并接通，UAK1V；IG越大，电压转向值越小。如果IG0和IA到IH(保持电流)，返回正向阻断状态；当UAK0处于反向阻断状态时，反向漏电流很小；如果|UAK|反向击穿电压|，反向漏电流会急剧增加，雪崩击穿，甚至热击穿。1)静态特性，图2-19晶闸管IG2IG1IG的伏安特性，1-3

14、4。在导通期间，如果栅极电流为零，并且阳极电流下降到接近零的某个值IH以下，则晶闸管返回到正向阻断状态。IH被称为保持电流。当对晶闸管施加反向电压时，伏安特性与二极管相似。阴极是晶闸管主电路和控制电路之间的公共端子。2.3.2晶闸管的基本特性，1-35，晶闸管的栅极触发电流从栅极流入晶闸管，栅极触发电流从阴极流出，这通常是通过触发电路在栅极和阴极之间施加触发电压引起的。为了确保可靠和安全的触发，触发电路提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠的触发范围内。2.3.2晶闸管的基本特性，1-36，在晶闸管的栅极伏安特性图中由ABCGFED包围的区域是可靠的触发区域，在图的阴影部分由ABCJIH包围的

15、区域是不可靠的触发区域。图2-20晶闸管门极伏安特性，2.3.2晶闸管的基本特性，2.3.3晶闸管的主要参数，关态重复峰值电压UDRM门极断路。反向重复峰值电压URRM允许在栅极打开且结温达到额定时，向器件施加反向重复峰值电压。导通状态(峰值)电压当UTM晶闸管以额定导通状态平均电流的指定倍数通电时的瞬态峰值电压。一般情况下，器件的额定电压UTN取晶闸管的直流电阻和直流电阻中较小的一个。选择时，额定电压一般取正常运行时晶闸管峰值电压23倍。使用注意事项：1)电压定额，国家标准系列：1、2、3、10、12、14、1-38、2.3.3晶闸管主要参数，1)电压定额，导通状态平均电压(管压降)，2.3

16、.3晶闸管主要参数，导通状态平均电流IT(标称额定电流的反车辆参数)。使用时，应根据有效值相等的原则选择晶闸管。(有效值：1.57伏安)保持电流IH保持晶闸管导通所需的最小电流。在从关断状态切换到导通状态并移除触发信号之后，保持电流i1晶闸管可以保持导通所需的最小电流。对于相同的晶闸管，电流互感器通常是IH的24倍。浪涌电流ITSM指的是由异常电路条件导致的不可重复的最大正向过载电流，该电流导致结温超过额定结温。2)电流定额，1-40，例如：正弦半波电流的平均值IT (AV)、有效值IT和最大值im之间的关系为：具有DC分量的各种电流波形的有效值I与平均值id的比值称为该电流的波形系数，用Kf表示。因此，在正弦半波的情况下，电流波形系数为：2.3.3晶闸管的主要参数，1-41，2.3.3晶闸管的主要参数，1-42，2.3.3晶闸管的主要参数，1-43，电