第2章 电力电子器件3

湘潭大学机械工程学院电力电子技术第 2章 电力电子器件湘潭大学机械工程学院主要内容：n 常用电力电子器件的 基本结构 、 工作原理 、外特性 、 主要参数 、 开关特性 、 安全工作区。n 电力电子器件的驱动电路和缓冲电路。湘潭大学机械工程学院2.1.1 功率二极管的结构和工作原理功率二极管的结构和工作原理1. 功率二极管的结构由于 PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。2. 功率二极管的工作原理其通断完全由承受的电压、电流决定2.1 功率二极管功率二极管 （不控型器件）（不控型器件）湘潭大学机械工程学院2.1.2 功率二极管的特性和主要参数功率二极管的特性和主要参数1. 功率二极管的特性(1) 功率二极管的伏安特性当外加正向电压小于门坎电压 Uth(又称死区电压 )时，正向电流几乎为零。当外加正向电压大于 Uth后 ，电流会迅速上升。硅二极管的门坎电压约为 0.5V，当外加反向电压时 ，二极管的反向电流 IS很小，但 当外加反压超过反向击穿电压 URO后 , 被击穿，反向电流迅速增加。一般反向电压应小于 1/2URO或采取限流保护措施。湘潭大学机械工程学院(2) 功率二极管的开关特性具有延迟导通和延迟关断的特点湘潭大学机械工程学院加加 反压反压10% IRM反向恢复时间 trr最大反向电流值 IRM导通时正向电流 IF当 IF IRMtrr URM正向恢复时间 tfr湘潭大学机械工程学院1）大功率二极管在高频电路中必须考虑动态过程结论：结论：2）二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间 trr 最大反向电流值 IRM二极管 PN结结电容的大小导通时正向电流 IFR所对应的存储电荷 Q电路参数反向电流 di/dt等 众多因素有关。湘潭大学机械工程学院普通大功率二极管 trr=2 10s，快速恢复二极管 trr=20 500 ns,超快恢复二极管 trr=2 10 ns。3）在高频电路中使用快恢复二极管（ trr 较小）4）几种典型二极管的主要特性：普通大功率二极管：通态压降 0.7 1.8V，额定电流 5KA电压 6KV；快速恢复二极管：通态压降 1.6 4V, trr小；肖特基二极管：通态压降 0.3 0.6V,漏电大，理想选择 额定电流 500A电压 200V 。湘潭大学机械工程学院(1)额定电流 IFR2. 功率二极管的主要参数二极管的额定电流 IFR被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。若正弦电流的最大值为 Im， 则额定电流为(1-1)湘潭大学机械工程学院(2)正弦半波电流的有效值 IFrms(1-2)二极管流过半波正弦电流的平均值为 IFR时，正弦半波电流的有效值为：由式 (1-1)和 (1-2)可得 ：(1-3)湘潭大学机械工程学院即二极管的额定电压 URR。URRM小于二极管的反向击穿电压 URO。(4)反向漏电电流 IRR(5)正向平均电压 UF(6) 最大允许非重复浪涌电流 IFSMn二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。体现二极管抗短路冲击电流的能力。(3)反向重复峰值电压 URRM湘潭大学机械工程学院功率二极管属于功率最大的半导体器件，最大额定电压、电流在 6kV、 6kA以上。功率二极管的正确选用：型号：型号：ZP 电流电流 电压电压 /100 通态平均电压类通态平均电压类根据不同的用途，计算后查手册选用。根据不同的用途，计算后查手册选用。注意：应留注意：应留 1.5 2倍的余量！倍的余量！湘潭大学机械工程学院2.2 晶闸管晶闸管 （半控型器件）n 晶闸管 (Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅 SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达 8kV 6kA。湘潭大学机械工程学院1、晶闸管的外形、晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式图形符号大电流平板式2.2.1晶闸管的一般知识晶闸管的一般知识湘潭大学机械工程学院晶闸管的外形晶闸管的外形螺旋式螺旋式平板式平板式模块式模块式湘潭大学机械工程学院2、晶闸管的散热片、晶闸管的散热片自冷式自冷式风冷式风冷式水冷式水冷式湘潭大学机械工程学院2、晶闸管的散热片、晶闸管的散热片水冷式水冷式风冷式风冷式自冷式自冷式湘潭大学机械工程学院3、晶闸管的结构、晶闸管的结构P1N1P2N2AGKJ1J2J3GP1N1N2 N2P2AKp 晶闸管是 PNPN四层半导体结构。p 具有 J1、 J2、 J3三个 PN结。p 可用两个三极管等效。湘潭大学机械工程学院4、晶闸管的等效电路、晶闸管的等效电路 (三极管等效电路三极管等效电路 )P2N2GKP1N1AJ1J2J3P2N1AGKN1P2P1P2N1N2湘潭大学机械工程学院2.2.2. 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理IG Ib2 IC2(Ib1) IC1湘潭大学机械工程学院晶闸管的导通关断条件导通条件：导通条件：除阳极加正向电压，必须同时在门极与阴极之间加 除阳极加正向电压，必须同时在门极与阴极之间加一定的门极电压，有足够的门极电流。一定的门极电压，有足够的门极电流。关断条件：关断条件：阳极电流小于维持电流 阳极电流小于维持电流 IH。 可以将阳极电压减小到可以将阳极电压减小到零或加反向阳极电压的方法来实现。零或加反向阳极电压的方法来实现。v晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，为半控型器件。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，为半控型器件。湘潭大学机械工程学院有关晶闸管的几个名词o触发触发 ：当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电：当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压，使晶闸管导通的过程称为触发。压，使晶闸管导通的过程称为触发。o维持电流维持电流 IH： 维持晶闸管导通所需的最小阳极电流。维持晶闸管导通所需的最小阳极电流。o正向阻断：正向阻断： 晶闸管加正向电压未超过其额定电压，门极未加电压的晶闸管加正向电压未超过其额定电压，门极未加电压的情况下，晶闸管关断。情况下，晶闸管关断。o硬开通：硬开通： 给晶闸管加足够的正向阳极电压，即使晶闸管未加门极电给晶闸管加足够的正向阳极电压，即使晶闸管未加门极电压也会导通的现象叫硬开通。压也会导通的现象叫硬开通。o反向阻断：反向阻断： 当晶闸管加反向阳极电压时，晶闸管不会导通。当晶闸管加反向阳极电压时，晶闸管不会导通。湘潭大学机械工程学院2.2.3 晶闸管的特性和主要参数阳极伏安特性阳极伏安特性 是晶闸管阳极与阴极间电压是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流和晶闸管阳极电流 IA间的关系特性。间的关系特性。1. 晶闸管的特性(1) 晶闸管的伏安特性分阳极伏安特性和门极伏安特性分阳极伏安特性和门极伏安特性湘潭大学机械工程学院随 IG增加，正向转折电压 UB0下降；当 IG足够大时， UB0很小，与普通二极管相似。正向特性区： IG=0时，随 UAK增加 I A很小（漏电流），当 UAK增加到正向转折电压 UB0时， IA急剧增加 （导通状态），硬开通，易损坏；反向特性区：与二极管相似湘潭大学机械工程学院 由门极正向峰值电流由门极正向峰值电流IFGM 允许的瞬时最允许的瞬时最大功率大功率 PGM和正向峰和正向峰值电压值电压 UFGM划定的区划定的区域称为门极伏安特性域称为门极伏安特性区域。区域。 PG为门极允许的最大为门极允许的最大平均功率。其中平均功率。其中,0ABC0为不可靠触为不可靠触发区发区 , ADEFGCBA为为可靠触发区可靠触发区 ,(2) 晶闸管的门极伏安特性因门极伏安特性分散性很大，常以一条极限高阻门极伏安特性和因门极伏安特性分散性很大，常以一条极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性间的区域来代表所有器件的伏安特性一条极限低阻门极伏安特性间的区域来代表所有器件的伏安特性。湘潭大学机械工程学院(3) 晶闸管的开关特性（动态特性）开通过程延迟时间 td，阳极电流上升到 10所需时间，此时 J2结仍为反偏，晶闸管电流不大。上升时间 tr， 阳极电流由 0.1上升到 0.9所需时间，这时靠门极的局部区域已经导通，相应的 J2结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。湘潭大学机械工程学院n 通常定义 晶闸管 的 开通时间 ton为延迟时间 td与上升时间 tr之和。即 ton=td+tr (1-4)v也就是说：晶闸管 经过 ton后 ， 才能由断态变成通态。v普通晶闸管的 延迟时间 td=0.5-1.5us，上升时间 tr =0.5-3us， 总的 开通时间 ton 约为 6us开通时间受触发脉冲的影响较大在 高频电路中，为缩短 开通时间一般采用 强触发v增加门极触发电流 3-5倍 ， 或增加触发脉冲前沿陡度。湘潭大学机械工程学院关断过程 一般加反压p电源电压反向后， 从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间 toff湘潭大学机械工程学院n toff约为几百 us数量级。n 为保证可靠关断，加反压的时间应大于 toffn 为缩短关断时间可提高反压。ptoff为反向阻断恢复时间 trr与正向阻断恢复时间 tgr之和。即 toff=trr+tgr 湘潭