电气工程概论第三章-电力电子.ppt

1、第3章电力电子技术，电气工程导论，电气工程导论第3章电力电子技术，导论近年来，基于相关技术的发展，电力电子领域得到了高度发展。与此同时，电力电子市场正在迅速扩大，并已广泛应用于开关电源、不间断电源、节能、自动化、交通、感应加热和电力行业。电气工程导论第三章电力电子技术第一节电力半导体器件第三章电力电子技术电力半导体器件是电力电子系统的核心，也是电力电子电路的基础。功率集成电路是近10年来功率半导体器件发展的一个重要趋势，它将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和保护硬件集成在一起，形成一个功率集成电路PIC。智能功率模块IPM是功率集成电路的一个典型例子，近年来得到了广泛的应用。电气工

2、程导论3.1功率半导体器件1。概述(1)功率半导体器件的功能。图3-1是电力电子设备的示意图。功率输入通过功率转换器后输出到负载。电力变换器通常使用电力电子器件作为电力开关，由不同的拓扑结构组成，实现电力形式(如电压或频率)的转换。此外，系统电源可以是双向的，也就是说，电力也可以从输出端发送到输入端。电气工程导论3.1功率半导体器件作为功率开关，具有以下工作特性：1)功率半导体器件通常处于开关状态。2)当功率半导体器件从截止状态转换到导通状态以及从导通状态转换到截止状态时，转换过程中产生的损耗分别称为导通状态损耗和截止状态损耗，并且统称为开关损耗。3)高功率是功率半导体器件的特征，这要求理想的

3、功率半导体器件应该能够承受高电压和大电流。理想功率半导体器件的理想静态和动态特性是：在阻断状态下，它能承受高电压；在导通状态下，它具有高电流密度和低导通压降；在开关状态下，开关的通断时间短，能承受较高的总和；同时，该装置具有完全的控制功能，即可以通过电信号控制装置的开关。电气工程导论3.1功率半导体器件；(2)功率半导体器件的发展。功率半导体器件的发展经历了以下几个阶段：产生于20世纪40年代的大功率二极管是最简单、应用最广泛的功率半导体器件。20世纪70年代，出现了第二代自关断器件，如可关断晶闸管、大功率双极晶体管、功率场效应晶体管等。20世纪80年代，以绝缘栅双极晶体管(IGBT或IGT)

4、为典型代表，以及静电感应晶体管、静电感应晶闸管、金属氧化物半导体控制晶闸管、集成门极换流晶闸管等，出现了第三代复合导电机制的场控半导体器件。目前，第四代集成功率半导体器件已经出现，它将功率器件与驱动电路、控制电路和保护电路集成在一个芯片上，开辟了功率电子器件的智能化方向，具有广阔的应用前景。电气工程导论3.1功率半导体器件，图3-2显示了各种功率半导体器件的工作范围，电气工程导论3.1功率半导体器件，2。大功率二极管是不可控器件，广泛应用于感性负载电路的不可控整流和续流。(1)大功率二极管的结构。大功率二极管的内部结构为两层半导体器件，包括p型和n型半导体、一个PN结、阳极a和阴极k，其符号表

5、示如图3-3(a)所示。从外部结构来看，它也分为两部分：芯片和散热器。通常，200A以下的模具是螺旋形的(图3-3(b)，200A以上的模具是平的(图3-3(c)。电气工程导论3.1功率半导体器件，(2)大功率二极管的特性1。大功率二极管的伏安特性阳极和阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系称为伏安特性，如图3-4所示。由于大功率二极管的导通压降和反向漏电流非常小，可以忽略不计，因此大功率二极管的理想伏安特性如图3-4(b)所示。电气工程导论3.1功率半导体器件，电气工程导论3.1功率半导体器件，图3-6显示了大功率二极管的关断过程，关断时必须考虑反向电流恢复时间。电气工程导论3.1功率

6、半导体器件，当应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态过程，trr=25微秒。然而，在高频功率电子电路如高频逆变器、高频整流器和缓冲电路中，必须考虑动态过程如大功率二极管的导通和关断，并且通常使用快速恢复二极管(反向恢复时间短的大功率二极管，trr=200500nm)。快速恢复二极管具有导通电压低、反向快速恢复性能好的优点。电气工程导论3.1功率半导体器件3。晶闸管是硅晶闸管的简称，价格低廉，运行可靠。尽管开关频率较低，但它们在大功率和低频功率电子器件中仍占主导地位。(1)晶闸管的结构晶闸管是大功率半导体器件。从整体结构来看，它们可以分为两部分：芯片和散热器，分别如图3-7和图3-8所

7、示。电气工程导论3.1功率半导体器件，(2)晶闸管的基本特性。理论分析和实验验证表明：1)晶闸管只有同时承受正向阳极电压和正向栅极电压才能导通。2)一旦晶闸管导通，背栅将失去其控制功能，栅极电压对管的后续导通或关断没有影响。因此，用于导通晶闸管的栅极电压不必是连续的DC电压，而必须是具有一定宽度和幅度的正向脉冲电压，其脉冲宽度与晶闸管的导通特性和负载特性有关。这个脉冲通常被称为触发脉冲。3)为了关断已经接通的晶闸管，阳极电流必须降低到某个值以下(晶闸管保持电流，大约几十毫安)。这通常通过将阳极电压降低到接近零或施加反向阳极电压来实现。电气工程导论3.1功率半导体器件，静态特性(1)阳极伏安特性

8、。晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极和阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如图3-9所示。电气工程导论3.1对于功率半导体器件，阳极的伏安特性可分为两个区域，第一象限为正向特性区域，第三象限为反向特性区域。象限一的正向特性可分为正向阻断状态和正向导通状态。在正向阻断状态下，随着栅极电流的不同，Ig具有不同的分支。在正向导通状态下，其特性与普通二极管相同。此时，晶闸管流过大的阳极电流，而管本身只承受约1V的管压降，特性曲线接近并几乎平行于纵轴。第三象限晶闸管的反向特性类似于二极管。电气工程导论3.1功率半导体器件2。动态特性晶闸管通常用于低频相控功率电子电路，有时也用于高频功率电子

9、电路，如逆变器。在高频电路的应用中，需要严格考虑晶闸管的开关特性，即导通特性和关断特性。(1)导通特性晶闸管从关断到导通的过程就是导通过程。图3-11显示了晶闸管的开关特性。延迟时间随着栅极电流的增加而减少，延迟时间和上升时间随着阳极电压的增加而减少，阳极电压通常为15微秒。电气工程导论3.1功率半导体器件(2)普通晶闸管的关断时间是几百微秒。为了完全恢复晶闸管的正向阻断能力，施加到晶闸管的反向阳极电压必须比晶闸管的关断时间长，否则晶闸管不能可靠地关断。(3)晶闸管的主要参数，1。电压参数，(1)关断状态非重复峰值电压UDSM的关断状态重复峰值电压UDRM 90被定义为关断状态重复峰值电压UD

10、RM，“重复”意味着该电压可以以每秒50次的重复方式施加到元件，每次持续不超过10ms。电气工程导论3.1功率半导体器件，(2)反向重复峰值电压URRM定义为反向重复峰值电压URRM，它是反向非重复峰值电压URRM的90%，该电压允许重复施加。(3)晶闸管的额定电压UR是UDRM和URRM中较小的一个，并被积分到等于或小于该值的规定电压电平，作为晶闸管的额定电压UR。由于晶闸管在运行过程中可能会遭受一些意外的瞬时过电压，为了保证管的安全运行，晶闸管的额定电压应为正常工作电压峰值UTM的2-3倍，以保证安全裕度。电气工程导论3.1功率半导体器件，2。电流参数：(1)导通平均电流选择晶闸管时，应根

11、据等效电流原则确定晶闸管的额定电流。晶闸管的额定电流应选择为其相应的有效值电流为流动电流实际有效值的1.52倍。(2)保持电流IH保持电流IH指晶闸管保持导通所需的最小电流，一般为几十到几百毫安。(3)保持电流i1当晶闸管刚从阻断状态变为导通状态并移除栅极触发信号时，保持元件导通所需的最小阳极电流称为保持电流i1。通常，保持电流是保持电流的24倍。电气工程导论3.1功率半导体器件，3。其他参数：(1)关态电压du/dt的临界上升率在额定结温和开栅条件下，元件从关态到导通状态的最低电压上升率称为关态电压du/dt的临界上升率。在实际应用中，当晶闸管关断时，阳极电压的上升速度必须低于该值。(2)导

12、通状态电流临界上升率di/dt是指在特定条件下，晶闸管由门极触发导通时，管能承受而不损坏的导通状态平均电流的最大上升率。在应用中，晶闸管允许的最大电流上升率小于该值。电气工程导论3.1功率半导体器件，(4)晶闸管的衍生器件，快速晶闸管，双向晶闸管，反向晶闸管，门极开关，光控晶闸管，(5)驱动晶闸管，1。晶闸管触发电路的基本要求：1)触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。2)触发电路应能产生强触发脉冲，以使并联的晶闸管元件同时导通。3)触发脉冲的同步和相移范围。4)隔离输出模式和抗干扰能力。电气工程导论3.1功率半导体器件，电气工程导论3.1功率半导体器件，(1)引言，(2)工作特性的静态特性，和(

13、1)漏极的伏安特性。漏极的伏安特性也称为输出特性，可分为三个区域，如图3-14(a)所示，即可调电阻区一、饱和区二和击穿区三。2)传递特性。漏极电流ID和栅源电压UGS反映了输入电压和输出电流之间的关系，这就是所谓的转移特性，如图3-14(b)所示。电气工程导论3.1功率半导体器件，2。开关特性，图3-15是元件极间电容的等效电路。器件的输入电容需要在开关过程中充电和放电，这会影响开关速度。同时可以看出，虽然静态下电网电流小，驱动功率小，但由于电容器充放电的强度一定，动态驱动仍然需要一定的电网功率电气工程导论3.1功率半导体器件，(3)主要参数和安全工作区，1。主要参数1)漏源电压UDS 2)

14、电流配额ID，IDM 3)栅源电压UGS安全工作区功率场效应晶体管的正向偏置安全工作区被四个边界包围，如图3-17所示。其中为漏源导通电阻限制线；二是最大漏极电流限制线；三是最大功耗限制线；IV是最大漏极-源极电压限制线。电气工程导论3.1功率半导体器件5。绝缘栅双极晶体管(IGBT)。(1)结构和工作原理。图319(c)是IGBT的象征。电气工程导论3.1功率半导体器件，(2)静态特性工作特性，静态特性IGBT主要包括输出特性和传输特性，如图3-20所示。输出特性表示集电极电流集成电路和集电极-发射极电压UCE之间的关系。IGBT传输特性显示了栅极电压UG和集电极电流IC之间的控制关系。电气

15、工程导论3.1功率半导体器件2。动态特性。IGBT的动态特性是开关特性，如图321所示，其导通过程主要由其场效应晶体管结构决定。电气工程导论3.1功率半导体器件。电源模块和电源集成电路。电源模块最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥及其子电路。相似开关设备串联和并联的目的是为了提高整体额定电压和电流。如果功率半导体器件与功率电子器件控制系统中的检测环节、驱动电路、故障保护、缓冲环节和自诊断电路制作在同一芯片上，将构成一个功率集成电路。三菱电机公司于1991年推出的智能功率模块(IPM)是一种先进的混合集成功率器件，由高速低功耗的IGBT芯片和优化的栅极驱动保护电路组成。它的基本结构如图3

16、25所示。IPM的特点是采用IGBT功率器件，饱和压降低，开关速度快，内置低损耗电流传感器。采用单电源供电、逻辑电平输入和优化栅极驱动。电气工程导论3.1功率半导体器件，电气工程导论3.1功率半导体器件，第七章。功率半导体器件的保护(1)过电压保护，根据原因可分为两类：1)操作过电压：在频繁的操作中，如拉、关、关换流器等，由电磁过程引起的过电压。2)浪涌过电压：由雷击等意外原因引起的从电网进入变流器的过电压可能高于运行过电压。电气工程导论3.1功率半导体器件，(2)过流保护。由于晶闸管等功率半导体器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此有必要对变流器器件进行适当的过流保护。二次击穿：对于集电极电压超过VCEO