电力电子器件(36)

1、第二章电力电子设备2.1电力电子设备概述2.2不可控制设备电力二极管2.3核销设备晶闸管2.4通用前提设备2.5其他新型电力电子设备2.6电力集成电路和集成电力电子模块牙齿章节摘要、引言、模拟和数字电路基本电晶体和集成电路等电子设备电力电子电路基本电力电子设备本章的主要内容：电力电子设备的概念、特性和分类等简要概述。介绍了各种常用电力电子设备的工作原理、基本特性、主要参数、选择和使用中应注意的几个茄子问题。2.1电力电子设备概述，2.1.1电力电子设备的概念和特性2.1.2应用电力电子设备的系统配置2.1.3电力电子设备的分类2.1.4章内容和学习要点，2.1.1电力电子设备的概念和特性，电力

2、电子主电路：在传记设备或电力系统中直接执行电力转换或控制任务的电路。广义上，电力电子装置可分为传记真空装置和半导体器件两种，目前仅指电力半导体器件。2.1.1电力电子设备的概念和特性，电力电子设备的特性处理电力的大小，即承受电压和电流的能力，远远大于最重要的参数，一般处理信息的电子设备。通常在开关状态下工作，以减少自身损失并提高效率。由信息电路控制，需要驱动电路。自身功率损失通常比信息电子设备大得多，工作时通常需要安装散热器。2.1.1电力电子装置的概念和特点，怠速损耗是电力电子装置电力损失的主要原因。设备的开关频率高可能会增加开关损耗，成为设备功率损耗的主要因素。怠速损耗、稳态损耗、开关损耗

3、、开路损耗、阻塞损耗、电力电子设备功率损耗、2.1.2应用电力电子设备的系统配置，电力电子设备在实际应用中通常由以控制电路、驱动电路和电力电子设备为核心的主电路系统组成。根据传记隔离、图2-1电力电子设备的实际应用节目系统组件、2.1.3电力电子设备的分类、控制电路信号控制的程度，核销设备主要表示晶闸管(Thyristor)和大多数派生部件。零件的闭合完全由主电路中所承受的电压和电流决定。完全控制设备目前在IGBT和Power MOSFET中使用最多。通过控制信号，可以同时控制其传导和阻断。不可控制的器件电源二极管不能通过控制信号控制阻塞。2.1.3根据电力电子装置的分类、驱动信号的性质，电流

4、驱动型从控制端注入或提取电流，实现传导或阻塞控制。电压驱动型在控制侧和公共侧之间具有一定的电压信号，从而实现传导或阻塞控制。根据驱动信号的波形(不包括功率二极管)脉冲触发器，在控制端应用电压或电流的脉冲信号以打开或关闭设备。平面控制型必须在控制侧和公共侧之间持续应用一定水平的电压或电流信号，以开通零件，保持或切断通关状态，保持阻塞状态。2.1.3根据电力电子设备的分类，载流子参与传导，单极型设备参与载流子参与传导。双极型装置同时参与电子和空穴两种茄子载流子的传导。复合零件整合了单极零件和阳极零件，也称为混合零件。，2.1.4牙齿章节的内容和学习要点，牙齿章节介绍了各种电力电子设备的工作原理、基

5、本特性、主要参数、选择和使用时需要注意的一些茄子问题。学习要点最重要的是掌握其基本特性。了解电力电子设备的型号命名方法以及参数和特性曲线的使用方法。了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。确定某些主电路中其他电路组件的特殊要求。2.2不可控制元件电源二极管，2.2.1 PN结电源二极管工作原理2.2.2电源二极管基本特性2.2.3电源二极管主要参数2.2.4电源二极管主要类型，2.2不可控制元件电源二极管概论，电源二极管(特别是Po电源二极管，其开启和关闭速度快的二极管和肖特基二极管恢复)，在使用前提设备的电子电路中具有不可替代的地位(威廉莎士比亚、美国电视电视剧(Northern E

6、xposure)、电力二极管和模块、2.2.1 PN接头和电力二极管工作原理、电力二极管、反转导体PN节点基础，实际上是由大面积的PN节点和双端引线和包组成的。从外形上看，可以有螺栓、平板等多种包装。图2-2功率二极管形状、结构和传记图形符号a)外形规格b)基本结构c)传记图形符号，2.2.1 PN连接功率二极管工作原理，二极管基本原理PN连接的单向导电PN连接加上正向电压(正向偏置)，在外电路上自行形成PN连接加上反向电压(反向偏置)PN接头具有一定的反内压能力，但是如果可逆压力太大，反向电流会急剧增加，破坏PN接头在反方向上处于偏置抛光工作状态，这称为反破坏。根据机器的不同，雪崩有两种茄子

7、形式：击穿和击穿。发生反向制动时，采取了将反向电流限制在一定范围内的措施，PN结仍然可以恢复到原始状态。否则PN结因过热而燃烧，这就是热破坏。2.2.1 PN结电源二极管工作原理，PN结的电容效果也称为结容量CJ，差分电容(差分)根据生成机制和功能的差异分为势障碍电容CB和扩散电容CD势障碍电容(CD)。附加电压频率越高，屏障容量作用越明显。正向偏置时正向电压低时以势壁垒电容为主。漫反射电容仅适用于正向偏置。当纯电压高时，电容扩散是电容的主要成分。电容器会影响PN接头的工作频率，单向传导可能会变坏或无法工作，尤其是高速开关。2.2.2电力二极管基本特性，静态特性主要表示电压电流特性的净电压大于

8、固定值(阈值电压UTO)时，净电流开始大幅度增加，处于稳定的传导状态。与IF相对应的电力二极管两端的电压为正向电压降UF。承受逆压力时，只引起少数人的小的、一定的反泄漏电流。图2-5电力二极管电压电流特性，2.2.2电力二极管基本特性，U，图2-6电力二极管动态过程波形正向偏置转换反向偏置0偏置正向偏移，由于动态特性连接容量存在，电压电流特性随时间变化是电力二极管动态特性，从正向偏置切换到反向偏移功率二极管不是立即关闭，而是需要很短的时间才能关闭关机前出现大逆转，并伴有明显的反逆转压力过冲。延迟：td=t1-t0电流下降时间：TF=t2- t1反向恢复时间：trr=td TF恢复特性的平滑度：

9、TF /td或还原系数(以Sr表示)。t0:正向电流降到0的瞬间，t1:反向电流达到最大值的瞬间，T23360电流变化率接近0的瞬间，2.2.2电力二极管基本特性正向恢复时间TFR发生电压过冲的原因，传记调制效应需要一定数量的元件，在达到稳定传导之前，管压力降很大。正向电流的上升会因装置本身的电感而引起巨大的压降。电流上升率越高，UFP越高。图2-6电力二极管动态过程波形b) 0偏置-非反转偏置、2.2.3电力二极管主参数、非反转平均电流IF(AV)是指在电源二极管器官操作中，可以在指定的shell温度(以TC表示)和冷却条件下流动，IF(AV)是根据电流的热效应定义的正向压降UF表示在指定温

10、度下通过指定的正常状态正向电流时电力二极管正压力降。反向重复峰值电压URRM是适用于电力二极管重复的反向最大峰值电压。使用时要留出两倍的馀地。2.2.3功率二极管主要参数，最大工作接头温度TJM接头温度表示管芯PN接头的平均温度，用TJ表示。最大工作接合温度是PN结完整且可承受的最大平均温度。TJM通常在125175C范围内。反向恢复时间TRR浪涌电流IFSM表示电力二极管期间可承受的最大连续频率周期的过电流。2.2.4根据电力二极管主要类型、正向压降、反向压力、反向泄漏电流等性能，特别是反向恢复特性，介绍了几种茄子典型电力二极管。一般二极管也称为换向二极管，主要用于交换机频率较低的换向电路(

11、1kHz或更低)。反向恢复时间较长，通常大于5s。正向和反向电压配额可以很高。2.2.4电源二极管主要类型，快速恢复二极管(Fast Recovery DiodeFRD)恢复过程较短。特别是反向恢复过程较短(通常不超过5s)。采用外延P-i-N结构的快速恢复外延二极管(fast recovery epitaxial diodes Fred)，反向恢复时间短(50ns以下)，正向压力降低(约0.9V)。从性能角度看，可以分为快速恢复和快速恢复两个茄子级别。前者的恢复时间超过数百纳秒，后者低于100纳秒，甚至达到2030纳秒。2.2.4电力二极管主要类型，Schottky Barrier Diod

12、eSBD的优点是反向恢复时间短，(1040ns)前向恢复过程中也没有明显的电压过载。反向内压低的情况下，正向压降也小，明显低于快速恢复二极管。因此，开关损耗和正向传导损耗比快速二极管更小、更高效。弱点是，如果可承受的反向耐压增加，正向压降也高到不能满足要求，因此常用在200V以下的低压场。反向泄漏电流大，对温度敏感，因此反向稳态损失不可忽视，必须更加严格地限制工作温度。2.3半控制单元晶闸管、2.3.1晶闸管结构和工作原理2.3.2晶闸管基本特性2.3.3晶闸管主要参数2.3.4晶闸管衍生设备、2.3半控制单元晶闸管简介、晶闸管(Thyristor)1956年美国贝尔实验室开发了晶闸管，195

13、7年美国通用电气公司世界上第一个晶闸管产品，1958年商业化。可承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子设备中最高、最稳定的工作方式，在大容量应用中仍然占有重要地位。晶闸管和模块、2.3.1晶闸管结构和工作原理、晶闸管结构从外表看，晶闸管也主要有两种茄子包结构：螺栓和板。获取三个茄子连接端：阳极A、阴极K和门极(控制端)G。内部是PNPN四层半导体结构。图2-7晶闸管形状、结构和传记图形符号a)几何体b)结构c)传记图形符号，2.3.1晶闸管结构和工作原理，图2-8晶闸管双电晶体模型和工作原理a)双电晶体模型b)工作原理，晶闸管工作原理生成UGK0的SCR饱和传导，通过SCRUAK之间的压降等于

14、PN结加三极管的饱和压降约为1V。此时，即使将IG调整为0 (UGK0)，也不能禁用积极反馈，G极失去控制。29/89，说明SCR的正负电压UAK0牙齿，必须有EGk0牙齿，才能与SCR牙齿互通。如果通过SCR牙齿，G号门将失去控制作用。也就是说，无论EG如何，都保持传导状态。SCR传导后的管压下降到约1V，主电路电流I由R和RW，EA的大小决定。UAK0禁用R牙齿，无论SCR的原始状态如何。也就是说，SCR牙齿关闭。事实上，通过调整RW，可以在I逐渐降低到小数值时保持SCR通道。继续降低I也会关闭SCR。牙齿小电流称为SCR中的维持电流。传导和阻塞条件，总结：SCR传导条件：UAK0并发UGK0牙齿传导通断的条件：将通过SCR的电流降低到保持电流以下的条件。(通常通过将EA减少到EA0来实现。)、2.3.2晶闸管基本特性、静态特性正常工作的特性晶闸管逆电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管电源都不能通电。当晶闸管承受前电压时，只有在门极有触发电流的情况下，晶闸管牙齿才能开通。一旦晶闸管，门极控制，不管门极触发电流是否存在，保持晶闸管通道。为了切断通电的晶闸管，只能利用外加电压和室外电路作用，将晶闸管流动的电流降低到接近0的某个值以下。(约翰f肯尼迪，2.3.2晶闸管基本特性，晶闸管电压电流特性