电力电子器件与变换电路(2)ppt课件

1、电力电子与现代生活电力电子与现代生活第第 2 2 章章 电力电子器件与变换电路电力电子器件与变换电路 第一部分第一部分 电子器件与电力电子器件电子器件与电力电子器件 2.1 半导体根本知识 2.2 半导体二极管及电力二极管 2.3 半导体三极管及电力三极管 2.4 半控型器件晶闸管 2.5 门极可关断晶闸管GTO 2.6 电力场效应管 电力MOSFET 2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT 第第2 2章章 电力电子器件与变换电路电力电子器件与变换电路 概述概述概述：概述：由前一章我们知道，电力电子器件又称为电力电子开由前一章我们知道，电力电子器件又称为电力电子开关、功率开关、或开关器件，那么它与我

2、们常见的关、功率开关、或开关器件，那么它与我们常见的电力开关有什么不同呢？电力开关有什么不同呢？电力开关：电力开关：构成资料：金属铜等、机械构造构成资料：金属铜等、机械构造任务原理：借助外力或电磁力，使触头接通或断开。任务原理：借助外力或电磁力，使触头接通或断开。任务频率：不能频繁操作，无法用频率描画任务频率：不能频繁操作，无法用频率描画0.01Hz运用场所：用于电路的接通或断开，不能改动电能的运用场所：用于电路的接通或断开，不能改动电能的性质。性质。 特特 点：点： 接通后，接通电阻为零，无电压降落；接通后，接通电阻为零，无电压降落； 断开后，电阻为无穷大，没有漏电流。断开后，电阻为无穷大，

3、没有漏电流。 电力开关类型：电力开关类型： 概述概述 概述概述 概述概述电磁接触器电磁接触器 概述概述电力电子开关：电力电子开关：构成资料：半导体资料，有内阻，集成构造。构成资料：半导体资料，有内阻，集成构造。任务原理：借助控制电压或电流，使开关接通任务原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。或断开。任务频率：能频繁操作，不同的器件，任务频任务频率：能频繁操作，不同的器件，任务频率不同，如：率不同，如：晶闸管：晶闸管：50Hz 几几kHzIGBT: 5kHz 50kHzMOSFET: 几几kHz 几几MHz 运用场所：电路的接通或断开，或电能变换。运用场所：电路的接通或断开，或电能变换。特

4、点：特点： 接通后，接通电阻不为零，有一定电接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落；压降落； 断开后，电阻不为无穷大，存在一断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。定漏电流。 概述概述2.1.1 2.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属普通都导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属普通都是导体，如铁、铜、铝等。是导体，如铁、铜、铝等。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。瓷、塑料和石英。半导体：有的物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半半导体：有的物质的

5、导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为：半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为： 当受外界热和光的作用时，它的导电才干明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电才干明显变化。 往纯真半导体中掺入某些杂质，会使其导电才干明显改动。往纯真半导体中掺入某些杂质，会使其导电才干明显改动。2.1 半导体的根本知识半导体的根本知识2.1 半导体的根本知识半导体的根本知识GeSi在绝对零度以下，本征半导体中无活泼载流子，不导电在绝对零度以下，本征半导体中无活泼载流子，不导电用的

6、最多的半导体是硅和锗，最外层电子价电子都是四个。用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子价电子都是四个。2.1.2 本征半导体：完全纯真的、构造完好的半导体晶体。本征半导体：完全纯真的、构造完好的半导体晶体。构成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定构造。构成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定构造。+4+4+4+4共价键构造共价键构造束缚电子束缚电子2.1 半导体的根本知识半导体的根本知识2.1.3 N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷或锑而构成，也称为或锑而构成，也称为 电子型半导体。电子型半导体。+5自在电子自在电子半导体掺

7、杂半导体掺杂 在本征半导体中掺入某些微量的杂在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其缘质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其缘由是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大添加。由是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大添加。2.1 半导体的根本知识半导体的根本知识掺入五价元素后自在电子数目大量添加，自在电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体 或 N型半导体。掺杂浓度越大，自在电子数目越多，导电才干越强。在N型半导体中自在电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2.1 半导体的根本知识半导体的根本知识2.1.4 P 2.1.4 P 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量

8、的三型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元价元 素，如硼素，如硼( (或铟或铟) )而构成，也称为而构成，也称为 空穴型空穴型半导体。半导体。+3 空穴空穴2.1 半导体的根本知识半导体的根本知识掺入三价元素后空穴数目大量添加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自在电子是少数载流子。分散运动分散运动构成空间电荷区构成空间电荷区 分散的结果使分散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。内电场内电场漂移运动漂移运动1 . PN1 . PN结的构成结的构成二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。二极管主要特点：单导游电性

9、。主要分为：电子学上的小功率半导体二极管； 电力电子学上的功率型电力二极管。 2.2.1 二极管的主要构造：(a) 点接触型: 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波等高频电路。(b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c) 平面型 用于集成电路制造工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅维护层二氧化硅维护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金

10、锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D二极管的构造表示图二极管的构造表示图电力二极管的构造表示图AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-2 电力二极管的外形、构造和电气图形符号电力二极管的外形、构造和电气图形符号 a) 外形外形 b) 根本构造根本构造 c) 电气图形符号电气图形符号 二极管的外形：二极管的外形：2.2.2 二极管的伏安特性：二极管的伏安特性：反向击穿反向击穿电压电压U(BR) 外加电压大于死区电外加电压大于死区电压二极管才干导通。压二极管才干导通。反向特性反向特性UIPN+2.2.3 二极管的单导游电性二极

11、管的单导游电性 1. 二极管加正向电压正向偏置，阳极接正、阴极接负 时， 处于正导游通形状，正向电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压反向偏置，阳极接负、阴极接正 时， 处于反向截止形状，反向电阻较大，反向电流很小。 3. 外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单导游电性，二极管损坏。 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态2.2.3 二极管的单导游电性二极管的单导游电性uiuottRLuiuo二极管的运用举例二极管的运用举例1：二极管半波整流：二极管半波整流二极管的运用举例二极管的运用举例2：二极管桥式整流：二极管桥式

12、整流2.2.4 2.2.4 特殊二极管特殊二极管 稳压二极管稳压二极管_+UZIZIZM UZ IZUIO2.2.4 2.2.4 特殊二极管特殊二极管发光二极管发光二极管 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，它发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，它包含了可见光、不可见光、激光等类型。包含了可见光、不可见光、激光等类型。 可见光发光二极管也称为可见光发光二极管也称为LED，符号如下，符号如下图。发光颜色目前有红色、绿色、橙色、黄色、图。发光颜色目前有红色、绿色、橙色、黄色、白色等。发光二极管的电特性与普通二极管一白色等。发光二极管的电特性与普通二极管一样，伏安特性曲线也类似，

13、同样具有单导游电样，伏安特性曲线也类似，同样具有单导游电性。但正导游通电压比普通二极管高，红色的性。但正导游通电压比普通二极管高，红色的导通电压在导通电压在1.61.8V间，绿色的为间，绿色的为2V左右。左右。 2.2.4 特殊二极管特殊二极管光电二极管光电二极管 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件。光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件。也有可见光和不可见光如远红外光之分。其外形与也有可见光和不可见光如远红外光之分。其外形与发光管类似。发光管类似。 2.4. 1 根本构造根本构造NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC2.3.2 三极管的构造特点：三极管的构造特点：2

14、.3.3.三极管内部载流子的运动规律基极基极-发射极：发射极：基极基极发射极发射极2.3.3.三极管内部载流子的运动规律基极基极-集电极：集电极：基极基极集电极集电极2.3.3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEBC II最重要特性：电流放大最重要特性：电流放大 2.3.4 三极管的外形三极管的外形普通三极管普通三极管按功率大小分： 普通三极管 电力三极管2.3.4 三极管的外形三极管的外形电力三极管电力三极管GTR2.3.5 电力三极管电力三极管GTR的常见构造的常见构造 1达林顿GTR 达林顿构造由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其

15、性质由驱动管来决议。如图4-2，图中：V1为驱动管、V2为输出管 。V1 V2BEC V1 V2BEC达林顿达林顿GTRa)NPN型型 b)PNP型型 c)适用达林顿电路适用达林顿电路 V1 V2BEC B2VD12.3.5 电力三极管电力三极管GTR的常见构造的常见构造2. GTR2. GTR模块模块 GTRGTR模块模块: :它将它将GTRGTR管芯、稳定电阻管芯、稳定电阻R1R1、R2R2，加速，加速二极管二极管VD1VD1以及续流二极管以及续流二极管VD2VD2等构成一个单元，等构成一个单元，根据不同用途将几个单元电路组装在根据不同用途将几个单元电路组装在个外壳之内个外壳之内构成模块。

16、构成模块。将上述单元电路集成制造在同一硅片上，大大提高了将上述单元电路集成制造在同一硅片上，大大提高了器件的集成度。器件的集成度。特点：小型轻量化、性能特点：小型轻量化、性能/ /价钱比提高价钱比提高2.3.5 电力三极管电力三极管GTR的常见构造的常见构造1234ABCD4321DCBATitleNum berR evisionSizeADate:3-Jan-2003 Sheet of File:A:GTR .SC HDrawn B y:(b)(a)(c)C1C2 E1E2B2E1B1B1E1B2E2UB3B4E3VE4N(d)PPB1B4NUB3B5WVB2B6(e) 实 例 ：几类达林顿

17、GTR及其辅助元器件构成的模块。2.3.5 电力三极管电力三极管GTR的常见构造的常见构造GTR模块外形：模块外形： 两个单元，四重达林顿两个单元，四重达林顿2.3.6 三极管的三种任务形状三极管的三种任务形状三极管有三种任务形状：截止形状、放大形状、饱和形状。当三极管用于不同目的时，它的任务形状是不同的。三种形状也叫三个任务区域 即：截止区、放大区和饱和区：截止区：当 B 极无电流时，三极管截止，C到E之间阻值无穷大，C到E之间无电流经过。 放大区：B极有电流，IC和IE都随IB改动而变化饱和区：当集电结电流IC增大到最大时，进入饱和区。饱和时，集电极和发射之间的内阻最小，集电极和发射之间的

18、电流最大。普通三极管：放大形状、开关形状电力三极管：开关形状 = 饱和形状+截止形状BC II2.4 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管Thyristor是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器Silicon Controlled RectifierSCR，以前被简称为可控硅。 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开发出了世界上第一只晶闸管，并于1958年使其商业化。由于其能接受的电压和电流容量依然是目前电力电子器件中最高的，而且任务可靠，因此在大容量的场所依然具有比较重要的位置。晶闸管及模块晶闸管及模块2.4.1 引言引言2.4.2 晶闸管的构造

19、 2.4.2 晶闸管的构造 从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装构造 。 引出阳极A、阴极K和门极控制端G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体构造。 图图2-7 晶闸管的外形、构造和电气图形符号晶闸管的外形、构造和电气图形符号 a) 外形外形 b) 构造构造 c) 电气图形符号电气图形符号 2.4.3 晶闸管的双晶体管模型及其任务原理AGKP1N1P2N2J1J2J3任务原理 : 1. uak0, uG=0; 3. uak0, uG0; 4. 门极作用; 5. IA=02.4.3 晶闸管的任务原理关键词：关键词：正反响，饱和正反响，饱和2.4.3 晶闸管的任务原理 正常任务时的

20、特性 总结如下： 当晶闸管接受反向电压时，不论门极能否有触发电流，晶闸管都不会导通 。-截止 当晶闸管接受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才干开通 。-开通条件 晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用，不论门极触发电流能否还存在，晶闸管都坚持导通。-半控 假设要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到零。 -关断条件10 t1 : 开关开关S未合上，晶闸管未导通；未合上，晶闸管未导通；2t1 t2 : uAK 0 ，由于开关，由于开关S合上，使合上，使ug0，即晶闸管导通；，即晶闸管导通； 3t2 t3 : uAK 0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；

21、，即晶闸管关断； 4t3 t4 : uAK 0，这时，这时ug 0 ，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通； 5t 4 t5 ： ug = 0 ，但，但uAK 0 ，即晶闸管仍处于导通形状；，即晶闸管仍处于导通形状； 6t = t5 : uAK = 0 ， ug=0 ，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断形状。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断形状。 实验电路如图：实验电路如图：2.4.3 晶闸管的任务原理晶闸管的任务原理2.4.3 晶闸管的任务原理晶闸管的任务原理2.4.4 晶闸管的根本特性晶闸管的伏安特性 正向特性： 正向阻断形状 导通形状 反向特性： 反向阻断形状 反向击穿 图图

22、2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转机电压机电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.4.5 晶闸管的派生器件双向晶闸管a)b)IOUIG=0GT1T2Bidirectional triode thyristor 可以以为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。图图2-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特

23、性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 双向晶闸管 Triode AC SwitchTRIAC 或 2.4.5 晶闸管的派生器件双向晶闸管 台灯调光电路双向晶闸管外形 台灯调光电路波形2.4.5 晶闸管的派生器件光控晶闸管a)AGKAK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管Light Triggered ThyristorLTT 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以防止电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场所。图图2-13 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性

24、 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 2.4.5 晶闸管的派生器件光控晶闸管光控晶闸管常用于路灯控制、高压直流输电等场所。2.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5.1 概述：概述： 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管Gate-Turn-Off Thyristor GTO 晶闸管的一种派生器件。晶闸管的一种派生器件。 全控型，可以经过在门极施加负的脉冲电流全控型，可以经过在门极施加负的脉冲电流使其关断。使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，程度管接近，程度4500A/5000V、1000A/9000V。 在兆瓦级以

25、上的大功率场所仍有较多的运用。在兆瓦级以上的大功率场所仍有较多的运用。如电力有源滤波器、直流输电、静止无功补如电力有源滤波器、直流输电、静止无功补偿等。偿等。 2.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO外形外形2.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5.2 构造构造与普通晶闸管的一样点：与普通晶闸管的一样点： PNPN四层半导体构造，外四层半导体构造，外部引出阳极、阴极和门极部引出阳极、阴极和门极 和普通晶闸管的不同点：和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元功率集成是一种多元功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元。元

26、。 c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK2.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5.3 GTO2.5.3 GTO开通原理开通原理 与普通晶闸管一样，可以用图示的双晶体管模型来与普通晶闸管一样，可以用图示的双晶体管模型来分析。分析。 当阳极加正向电压、门极加触发信号时，当阳极加正向电压、门极加触发信号时， GTOGTO导通，导通，详细过程如下：正反响过程。详细过程如下：正反响过程。器件进入饱和而开通。2.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5.4 GTO关断原理关断过程：是开经过程的逆过程。 门极加负脉冲即从门极抽出电流，构成剧烈正反响 IGIb2IK

27、、Ic2IA、Ic1 器件退出饱和而关断。 2.6 电力场效应管电力场效应管 电力电力MOSFET 2.6.1 概述概述绝缘栅型电力场效应晶体管绝缘栅型电力场效应晶体管Metal Oxide Semiconductor FET简称电力简称电力MOSFETPower MOSFET。特点特点用栅极电压来控制漏极电流。用栅极电压来控制漏极电流。 输入阻抗高，驱动电流小输入阻抗高，驱动电流小(功率小功率小)，驱动电路简单；，驱动电路简单； 开关速度快，任务频率高；开关速度快，任务频率高； 热稳定性好；热稳定性好； 电流容量小，耐压低，普通只适用于功率不超越电流容量小，耐压低，普通只适用于功率不超越10

28、kW的电力电子安装。的电力电子安装。2.6 电力场效应管电力场效应管 电力电力MOSFET 电力电力MOSFET MOSFET 外形外形2.6 电力场效应管电力场效应管 电力电力MOSFET 2.6.2 MOSFET构造MOS 金属(M)极、氧化膜绝缘层(O) 、半导体(S)硅片。 MOSFET 只需一种载流子 (N沟道时是电子，P沟道时是空穴)，从源极(S)出发经漏极(D)流出。-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底金属金属 M氧化物氧化物 O半导体半导体 SPN结结2.6 电力场效应管电力场效应管 电力电力MOSFET 2.6.3 任务原理：任务原理：1栅极电压为零栅极电压为零(VGS0)

29、时：漏时：漏-源间源间PN结反向偏结反向偏置，即器件坚持关断形状。置，即器件坚持关断形状。2栅极加正向电压栅极加正向电压(VGS0)： P区电子被吸向硅外表，区电子被吸向硅外表，栅极下面的硅外表开场出栅极下面的硅外表开场出现耗尽区即电子与空穴现耗尽区即电子与空穴复合，接着出现负电荷复合，接着出现负电荷(电子数电子数空穴数空穴数)，硅的外，硅的外表从表从P型反型成型反型成N型，该型，该反型层称作沟道。反型层称作沟道。-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid2.6 电力场效应管电力场效应管 电力电力MOSFET 此时，沟道处两个PN结消逝，在电压VDS的作用下，电子可以从源极、经过沟道、挪

30、动到漏极，构成漏极电流ID。3栅极加反向电压(VGS0时，那么与2)情况相反，在栅极下面的硅外表上因感应而产生空穴，故没有ID电流流过。 -s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid2.6 电力场效应管电力场效应管 电力电力MOSFET N沟道耗尽型MOSFET(SiO2绝缘层中掺入Na+、K+离子)N沟道加强型沟道加强型MOSFET两种类型的两种类型的MOSFET：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ + +2.6 电力场效应管电力场效应管 电力电力MOSFET 2.6.4 MOSFET提高功率的措施提高功率的措施电力电力MOSFET在传统器件根

31、底上进展了四项艰苦改革：在传统器件根底上进展了四项艰苦改革： (1) 垂直导电：在硅片底面上安装漏极，实现垂直导电，降低电阻，可获得大电流容量。(2) 设置高电阻率N漂移区：不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并且使沟道长度稳定。 (3) 双重分散技术：替代光刻工艺控制沟道长度，实现准确的短双重分散技术：替代光刻工艺控制沟道长度，实现准确的短沟道制造，降低沟道电阻，提高任务速度。沟道制造，降低沟道电阻，提高任务速度。4采用多元集成构造。采用多元集成构造。2.7 绝缘栅极晶体管绝缘栅极晶体管 IGBT2.7.1 概述概述 GTR的特点的特点双极型，电流驱动，通流才干很强，双极型，电流驱动，通流才干很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；MOSFET的优点的优点 单极型，电压驱动，开关速度单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单；且驱动电路简单； 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT，两类器件取长补短结合，两类器件取长补短结合而成的复合器件而成的复合器件Bi-MOS器件。器件。 GTR和和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的复合，结合二者的优点