【大学课件】-【电力电子技术】第2章_电力电子器件(08.11)

第 2章 电力电子器件2.1 电力电子器件概述2.2 功率二极管2.3 晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件l 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 以及选择和使用中应注意的一些问题l 简要概述电力电子器件的 概念 、 特点 和 分类 等本章主要内容： 电力电子器件电力电子技术的基础电子器件：晶体管和集成电路 电力电子器件电子技术的基础2.1 电力电子器件的概述2.1.1电力电子系统组成2.1.2电力电子器件的概念和特征2.1.3 电力电子器件的分类一 . 电力电子系统组成电力电子系统 ：由 控制电路 、 驱动电路 和以电力电子器件为核心的 主电路及缓冲保护电路） 组成图 2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2锁闭电路二 . 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的概念电力电子器件（ power electronic device） 可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件主电路（ main power circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路 电力电子器件的特征电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件 )半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅 ) 能处理的电功率大，即器件承受电压和电流的能力大。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 电力电子器件的特征主要损耗通态损耗： 导通时器件上有一定的通态压降断态损耗： 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开通损耗： 在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗： 在器件关断的转换过程中产生的损耗 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而 通态损耗 是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时， 开关损耗 会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素 电力电子器件的损耗三 . 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：1) 半控型器件 绝缘栅双极晶体管（ Insulated-Gate Bipolar Transistor IGBT） 电力场效应晶体管（ Power-MOSFET） 门极可关断晶闸管（ GTO）3）不可控器件 功率二极管（ Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断。 晶闸管 （ Thyristor） 及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2) 全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断 , 因此也就不需要驱动电路。 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类： 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1) 电流驱动型1) 单极型器件电力电子器件的分类2) 电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 2) 双极型器件3) 复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 2.2 功率二极管2.2.1 功率二极管的结构与原理 2.2.2 功率二极管的基本特性 2.2.3 功率二极管的主要类型一 . 功率二极管结构与原理 结构、符号与外形基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体 PN结为基础，由一个面积较大 的 PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有塑封、螺栓型和平板型三种封装图 2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 工作原理 PN结的正向导通状态电导调制效应使得 PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持 在 1V左右，所以正向偏置的 PN结表现为低阻态。 PN结的反向截止状态PN结的单向导电性。二极管的基本原理就在于 PN结的单向导电性这一主要特征。功率二极管结构与原理二 . 功率二极管的基本特性静态伏安特性图 2-3 功率二极管的伏安特性当功率二极管承受的正向电压大到一定值（ 门槛电压 UTO)，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流 IF对应的功率二极管两端的电压 UF即为其正向电压降。当功率二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。三 . 功率二极管的主要类型1. 普通二极管 （ General Purpose Diode）又称整流二极管 （ Rectifier Diode）多用于开关频率不高 （ 1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在 5s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2. 快恢复二极管 （ Fast Recovery DiodeFRD ）功率二极管的主要类型恢复过程很短特别是反向恢复过程很短 （ 5s以下）的二极管，也简称快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在 100ns以下，甚至达到 2030ns。 工艺上多采用了掺金措施、改进的 PiN结构等 2.3 晶闸管2.3.1 晶闸管及其工作原理 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 晶闸管的派生器件 晶闸管 （ Thyristor）： 硅晶体闸流管，可控硅整流器 （ Silicon Controlled RectifierSCR ） 1956年美国贝尔实验室 （ Bell Lab） 发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司 （ GE） 开发出第一只晶闸管产品1958年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 能承受的电压和电流容量大，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型 普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 一 . 晶闸管及其工作原理1.晶闸管外型、结构及符号 外形有塑封式、螺栓型和平板型三种封装形式 引出阳极 A、 阴极 K和门极（控制端 ） G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号2.晶闸管的工作原理门级控制开通原理IG Ib2 IC2=Ib1 IC1 -形成正反馈工作过程，很快使两个晶体管都转为饱和导通状态，晶闸管开通。晶闸管开通后门级失去控制作用 。当 S闭和，形成门级电流 阻断特性 正向阻断UAK为正， IG=0 反向阻断UAK为负，晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理晶闸管的工作原理正向转折现象 Ic1=1 IA （ 1-1） Ic2=2 IK （ 1-2）IK=IA+IG （ 1-3） IA=Ic1+Ic2 + Ic0 （ 1-4）式中 1和 2分别是晶体管 V1和 V2的电流增益； Ic0 是 漏电流。由以上式 （ 1-1） （ 1-4） 可得 （ 1-5） 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理当：当： IG =0时时 1和和 2很小很小 IA=IK IC0 正向阻断当当 UAK IC0 1、 2 IA当当 1+2 1 时时 IA急剧增大急剧增大当当 UAK达到某一电压，使 晶闸管由阻断状态转为导通状态 ， 称为 正向转折现象 晶闸管的工作原理 晶闸管的关断由式 ：当 ： 1+2 1， 晶闸管便可恢复关断。通常规定：能维持晶闸管导通的最小电流称为维持电流 IH使主电路电流 IAIG1IG二 . 晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性1) 正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压 Ubo， 则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在 1V左右。 导 通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值 IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。 IH称为维持电流。 晶闸管的伏安特性2) 反向特性 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 动态特性晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性1) 开通过程 延迟时间 td： 门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的 10%的时间 。 上升时间 tr： 阳极电流从10% 上升到稳态值的90% 所需的时间。 开通时间 tgt以上两者之和，tgt=td+ tr （ 1-6）普通晶闸管延迟时为 0.51.5