电力电子(模板)第1章

制造单位上海交通职业技术学院港口机械系任课教师傅雅萍第1章晶闸管概述第4章晶闸管的触发电路第5章交流电力控制电路运用教材第2章可控整流电路电力电子技术第6章有源逆变电路第7章无源逆变电路第8章直流斩波电路第3章晶闸管的串、并联及维护绪论电力电子技术是电力、电子和控制技术相结合的边缘学科，自1958年第一个工业用普通晶闸管诞生以来，电力电子技术有了很大的开展，由各种电力电子器件组成的功率变换安装运用于从航空航天到家用电器的各个领域。绪论电力电子设备开展的特点是：〔1〕微机和现代控制实际的运用，使电力电子设备走出了过去仅进展将交、直流变换用做普通工业直流电源的初级阶段，开辟了高科技领域的运用。〔2〕完善的电路实际及新的设计方法，使产品性能更先进、更符合消费实践的需求。绪论〔3〕微电子技术与电力电子技术开场相互浸透结合，使电力电子设备效率提高、速度更快、运用更方便。〔4〕电路拓扑技术和构造规范化加快了新产品的开发步伐。绪论交流电路是以电力半导体器件为中心，经过不同电路的拓扑和控制方法来实现对电能的转换和控制。它的根本功能是使交流〔AC〕和直流〔DC〕电能相互转换。它有以下几种类型：绪论〔1〕可控整流器AC/DC。把交流电压变换成固定或可调的直流电压。〔2〕有源逆变器DC/AC。把直流电压变换成为频率固定或可调的交流电压。〔3〕变频器AC/AC。把频率固定或变化的交流电变换成频率可调或固定的交流电。〔4〕直流斩波器DC/DC。把固定或变化的直流电压变为可调或固定的直流电压。绪论总之，由于电力半导体器件制造技术的开展，主电路构造和控制技术的开发，以及设备运用技术的开发，使电力电子技术在大功率整流、直流传动、交流传动、直流输电、功率变换、晶闸管电源、电力电子开关等方面的运用日益扩展。第1章晶闸管概述晶闸管是指具有三个以上的PN结，其主电压——电流特性至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定形状，且可在这两个稳定形状之间进展转换的半导体器件。第1章晶闸管概述晶闸管是由多种器件组成的家族，而被广泛运用的普通晶闸管那么是这个家族中的一员，俗称可控硅整流器〔SCR，SiliconControlledRectifier〕，简称可控硅，其规范术语是反向阻断三端晶闸管。电力电子技术1.1晶闸管的构造和任务原理1.2晶闸管的特性1.3晶闸管的主要参数1.4双向晶闸管1.5功率晶体管1.6功率场效应晶体管1.7绝缘栅双极晶体管第1章晶闸管概述1.1晶闸管的构造和任务原理1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司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开展和广泛运用的崭新时代。20世纪80年代以来，开场被全控型器件取代。1.1.1晶闸管的构造a)外形b)构造c)电气图形符号1.1.1晶闸管的构造外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器严密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。常用晶闸管的构造螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及构造1.1.2晶闸管的任务原理晶闸管导通/关断实验电路图1.1.2晶闸管的任务原理归纳以上实验结果，可见：1)晶闸管导通的条件阳极加正向电压，同时门极加适宜的正向触发电压。2)晶闸管关断的条件使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流或突加反向电压。3)晶闸管的特点①单导游电性；②属半控型半导体器件；③属电流控制器件。1.1.2晶闸管的任务原理晶闸管的任务原理表示图晶闸管导通的任务原理可以用双晶体管模型来解释1.1.2晶闸管的任务原理S闭合前：IG=0→Ib2=0→Ic2=0→Ib1=0→Ic1=0，三极管V1和V2均处于截止形状，晶闸管处于正向阻断形状。开关S闭合，那么外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，该电流最初就是晶体管V2的基极电流Ib2，即产生集电极电流Ic2，它又是晶体管V1的基极电流，经V1放大后产生集电极电流Ic1，而Ic1此时等于β1β2Ib2，比最初的驱动电流IG大了许多。使V2的基极电流进一步增大，如此构成剧烈的正反响，最后V1和V2完全进入饱和形状，即晶闸管导通。1.2.1晶闸管的阳极伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性1.2.1晶闸管的阳极伏安特性1)正向伏安特性晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳极与阴极间施加一定的正向阳极电压，器件也仍处于正向阻断形状，只需很小的正向漏电流流过。外加的阳极正向电压在其转机电压以下时，只需在门极注入适当的电流(普通为毫安级)，器件也会立刻进入正导游通形状。1.2.1晶闸管的阳极伏安特性2)反向伏安特性晶闸管接受反向阳极电压时，由于J1、J3结处于反向偏置形状，晶闸管流过的电流仅由各区少数载流子构成，只需极小的反向漏电流经过，这就是器件的反向阻断形状。随着反向电压的添加，穿过J2结的少数载流子稍有添加，反向漏电流逐渐增大。1.2.2晶闸管的门极伏安特性PGMBCDAEGFLK0IFGMUGTUFGMIGTUGTUGDIGTIGDABCIHJ1.2.2晶闸管的门极伏安特性图中ABCGFED所围成的区域为可靠触发区图中阴影部分为不触发区图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区1.3.1晶闸管的电压参数断态反复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许反复加在器件上的正向峰值电压。反向反复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许反复加在器件上的反向峰值电压。通态〔峰值〕电压UT——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。1.3.2晶闸管的电流参数通态平均电流IT(AV〕——在环境温度为40C和规定的冷却形状下，稳定结温不超越额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——运用时应按有效值相等的原那么来选取晶闸管。维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。1.3.2晶闸管的电流参数擎住电流IL——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超越额定结温的不反复性最大正向过载电流。1.3.3晶闸管的动态参数1)断态电压临界上升率du/dt这是指在额定结温暖门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。假设电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。运用中实践电压上升率必需低于此临界值。1.3.3晶闸管的动态参数2)通态电流临界上升率di/dt这是指在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最大通态电流上升率。假设电流上升太快，那么晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而呵斥部分过热而使晶闸管损坏。1.3.4器件的型号通态平均电压组别额定电压额定电流表示普通晶扎闸管表示闸流特性1.4双向晶闸管双向晶闸管〔TRIAC，BidirectionalTriodeThyrister，TriodeACSwitch〕是把两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上，用一个门极控制触发的组合型器件。1.4双向晶闸管双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性图1.4双向晶闸管双向晶闸管〔TRIAC〕内部构造可看做两只普通晶闸管反向并联，引出的三个端子为主极T1，T2和门极G。它具有正、反向对称的伏安特性，主要参数有断态反复峰值电压和额定通态电流，因双向晶闸管正、反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效值。1.5功率晶体管术语用法：电力晶体管〔GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管〕耐高电压、大电流的双极结型晶体管〔BipolarJunctionTransistor——BJT〕，英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个称号等效1.5.1功率晶体管的构造与任务原理单管GTR的构造1.5.1功率晶体管的构造与任务原理与普通的双极结型晶体管根本原理是一样的主要特性是耐压高、电流大、开关特性好通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元构造采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成1.5.1功率晶体管的构造与任务原理在运用中，GTR普通采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制才干。1.5.1功率晶体管的构造与任务原理当思索到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。1.5.1功率晶体管的构造与任务原理达林顿GTR1.5.2功率晶体管的特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR任务在开关形状。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。1.5.2功率晶体管的特性动态特性1.5.2功率晶体管的特性开经过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开经过程的方法。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。加快关断速度的方法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。1.5.2功率晶体管的特性最高任务电压GTR上电压超越规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。实践运用时，最高任务电压要比BUceo低得多。1.5.2功率晶体管的特性集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。实践运用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。1.5.2功率晶体管的特性集电极最大耗散功率PcM最高任务温度下允许的耗散功率。产品阐明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高任务温度。1.6功率场效应晶体管功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是对小功率场效应晶体管的工艺构造进展改良，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于电压驱动控制器件。1.6.1功率场效应晶体管的构造与任务原理功率MOSFET的构造表示与符号图1.6.1功率场效应晶体管的构造与任务原理小功率MOS管是横导游电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电构造，又称为VMOSFET〔VerticalMOSFET〕。按垂直导电构造的差别，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双分散MOS构造的VDMOSFET。这里主要以VDMOS器件为例进展讨论。1.6.1功率场效应晶体管的构造与任务原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间构成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层构成N沟道而使PN结J1消逝，漏极和源极导电。电力MOSFET的任务原理1.6.2功率场效应晶体管的特性功率MOSFET的转移特性功率MOSFET的输出特性静态特性1.6.2功率场效应晶体管的特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。1.6.2功率场效应晶体管的特性测试电路开关过程波形动态特性1.6.2功率场效应晶体管的特性开经过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和1.6.2功率场效应晶体管的特性MOSFET正向偏置平安任务区1.7绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管简称IGBT，它将MOSFET与GTR的优点集于一身。1.7.1绝缘栅双极晶体管的构造与任务原理IGBT的构造、简化等效电路和电气图形符号1.7.1绝缘栅双极晶体管的构造与任务原理图a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流才干。简化等效电路阐明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿构造，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。1.7.1绝缘栅双极晶体管的构造与任务原理IGBT的原理导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内构成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消逝，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性静态特性转移特性伏安特性1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值普通为2~6V1.7.2绝缘栅双极晶