電力電子技術(shù)-第二章電力電子器件2.12.2

1、第 二 章 緒論第1、2 節(jié) 電力電子器件概述 不可控器件電力二極管 授課時數(shù)2學(xué)時教學(xué)目的與要求目的和要求：概述電力電子器件的概念、特點和分類。掌握電力二極管的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。教學(xué)難點與重點掌握電力二極管的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用?；觾?nèi)容課堂提問和討論：自學(xué)內(nèi)容無授課方法講授（現(xiàn)代化）教學(xué)手段多媒體作業(yè)思考題無第二章 電力電子器件電子技術(shù)（模擬電子電路和數(shù)字電子電路）*電力電子技術(shù)就是實現(xiàn)電能的變換和控制*一般電路分為一次電路和二次電路，一次電路是主電路，二次電路是控制電路，電力電子器件通常在一次電路/主電路中。*電真空器件：晶閘管

2、問世前的水銀整流器（汞弧整流器）都屬于此類基本淘汰了半導(dǎo)體器件：現(xiàn)在使用的，基本都是半導(dǎo)體器件，所以通常把電力電子器件也叫電力半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢：半導(dǎo)體既不是導(dǎo)體也不是絕緣體，對它進(jìn)行不同的摻雜，可變成N型、P型，能夠控制它的導(dǎo)通和關(guān)斷。（如手機里的芯片，也是用硅制作的集成電路）*信息電路的電子器件，能處理各種不同的信息，能放大、變換，但處理電功率的能力都不大，流過的電流，承受的電壓都比較小，主要用來處理信息（微弱的信號），而一般電力電子器件，處理電功率的能力遠(yuǎn)大于信息的電子器件。*處理信息的電子器件，有很多器件在模擬電路中，可能工作在放大狀態(tài)，而電力電子器件，一般都是開關(guān)狀態(tài)，若放

3、大狀態(tài)，管子承受的電壓比較高，電流比較大，損耗比較大，發(fā)熱會損壞。所以，一般要么電壓高，電流很??；要么電流大，而通態(tài)壓降低，損耗不會太大。*電力電子器件一般都有一個門極或控制極，通過信息電路來控制。（電力電子器件的驅(qū)動，需要控制電路來控制，所以。）*電力電子器件即使不工作在放大狀態(tài)，損耗相對來說也比較大，會發(fā)熱，所以要安裝散熱器，防止器件燒壞。（書P11）損耗的組成：l 通態(tài)損耗：管子處于導(dǎo)通時的損耗，管子有管壓降，流過比較大的電流， 例：100A的電流流過管子，有1V的管壓降，100W的損耗就會發(fā)熱，就要安裝散熱器。l 斷態(tài)損耗：斷開時的損耗，理想情況下，斷開時，應(yīng)該是沒有電流流過，沒有損耗

4、，但實際上，存在漏電流，漏電流一般比較小，所以斷態(tài)損耗所占比例比較小。（任何情況下，所占比重都不大）l 開關(guān)損耗：開通或關(guān)斷過程中的損耗，任何電力電子開關(guān)，開通或斷開都不是瞬時完成，有一個過程，例：從斷到通，電壓從高到低，電流從小到大，在這個過程中，電流和電壓都不高也不低，兩個想乘，數(shù)值也不小，所以開關(guān)損耗的功率比較大，時間非常短。開通損耗（斷通）和關(guān)斷損耗（通斷）的損耗不一樣。一般來說，這個損耗功率不小，但如果次數(shù)不多（開關(guān)頻率比較低時），總的損耗也可能不大。例如，開關(guān)頻率為50HZ（比較低的頻率，每個周期通斷的頻率?。?，即使開關(guān)過程中單位時間的損耗不小，但由于次數(shù)少，所以開關(guān)損耗所占比例并

5、不大。但如果電力電子器件工作頻率比較高（幾十、幾百KHZ），則每個周期通斷次數(shù)多?？偨Y(jié)：開關(guān)損耗與管子工作頻率關(guān)系密切，若頻率高，開關(guān)損耗占比重大（可能比通態(tài)損耗比重還大），若頻率低，開關(guān)損耗可以忽略不計。電力電子系統(tǒng)中，器件處于一個什么樣的位置一個電力電子系統(tǒng)，并不是僅僅是幾個管子組成，是由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。（主電路也不僅僅只有電力電子器件，可能還有電感、電容等其他元件）主電路：兩個管子（IGBT）、電感、電容?？刂齐娐罚河尚畔㈦娮与娐方M成，按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號。通過驅(qū)動電路，控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，完成功能。（書）有時

6、需要檢測電路，要通過控制實現(xiàn)相應(yīng)功能，必須要有檢測，否則不知道是否達(dá)到要求，類似于反饋?？磮D：檢測電路把信息傳達(dá)給控制電路，控制電路根據(jù)檢測的情況，產(chǎn)生控制開通或關(guān)斷的信號，通過驅(qū)動電路，驅(qū)動主電路/負(fù)載 。保護(hù)電路：使電力電子器件和整個系統(tǒng)能可靠工作。一旦出現(xiàn)問題，不會損壞附加的電路電氣隔離：主電路一般是高壓的（幾百伏，上千伏），而控制電路一般只有幾伏，檢測、保護(hù)、驅(qū)動電路都在二次這邊，驅(qū)動電路是連接主電路和控制電路的，所以必須要進(jìn)行隔離，否則高電壓回到低電壓那邊去，導(dǎo)致短路。/控制電路的元器件承受不了高壓，所以要隔離。（強電、弱電必須隔離，若混在一起，危險） 隔離一般有光電隔離、磁隔離等。

7、控制電路有時也把檢測、保護(hù)、驅(qū)動電路包括進(jìn)去，主要是左側(cè)的控制電路。l 半控型器件：一半可以控制。這類器件主要是指晶閘管（Thyristor），它是通過門極的控制，能使它導(dǎo)通，不能使它關(guān)斷。（沒有只能控制關(guān)斷，不能控制導(dǎo)通的）（本書主要講的）l 全控型器件：代表器件IGBT、MOSFET。即可控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷。（現(xiàn)在流行）l 不可控器件：代表器件電力二極管（Power Diode），只有兩個電極，不能用控制信號來控制，不需要控制電路、驅(qū)動電路，加正向電壓就通，加負(fù)向電壓就斷。（下節(jié)就講，現(xiàn)在幾乎不用）按照被控制程度分成三類，按驅(qū)動方式、器件名稱等方法也可由其他分類。 不能驅(qū)動的不考慮，如二

8、極管，不能有控制電路、驅(qū)動電路驅(qū)動。 電流驅(qū)動型例如，晶閘管、GTO抽取電流可使其關(guān)斷。 電壓驅(qū)動型例如GTR 電流驅(qū)動型的電流怎么來的？也是通過加電壓得到的電流，一般的電壓比較容易，電容是通過加電壓得到的。本質(zhì)上都是電壓控制/驅(qū)動的。 電壓驅(qū)動型，只要加一個電壓信號就可以，顯然，電壓驅(qū)動型需要的驅(qū)動功率比較小，加個電壓就可以通或斷，而電流驅(qū)動型需要的驅(qū)動功率比較大。所以現(xiàn)在的電力電子器件，盡量做成電壓驅(qū)動型。2.2 不可控器件電力二極管Ø Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。二極管，可以說是使用最早的電力電子器件，它比晶閘管產(chǎn)生早，但不

9、能說二極管產(chǎn)生了，電力電子技術(shù)就產(chǎn)生了，因為它不能控制。晶閘管1957年才出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)簡單：一個PN結(jié)Ø 除一般二極管外，還有快恢復(fù)二極管和肖特基二極管（電子技術(shù)時學(xué)過），分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。 價格比普通二極管昂貴，一般用于大功率電路中。比較特殊 快恢復(fù)二極管從名字上說，是一種比較快速的，一般用在中頻、高頻整流時； 肖特基二極管主要用在低壓高頻整流的場合?！緢D1】最普通二極管的一個封裝，里面是一片硅基半導(dǎo)體芯片，外面樹脂封裝，兩根引出的金屬，一個為P（A陽極），一個為N（K陰極）【圖2、3】模塊：多個二極管并聯(lián)/串聯(lián)在一起，總的有兩個輸

10、出端。模塊內(nèi)部是多個二極管用樹脂封裝在一起。基本結(jié)構(gòu)：由PN結(jié)組成，與信息電子學(xué)中學(xué)的二極管類似?；驹砥鋵嵰粯?。用一根線引出，這端為陰極（K）組成：l 功率二極管，流過大電流時，會產(chǎn)生損耗，產(chǎn)生熱，此處可加散熱片。l 中間還有芯片（核心部分）外形（早期的）：陽極是螺栓型（A） l 兩邊各加一個散熱器l 中間：芯片 平板型：芯片夾在中間，兩邊封裝起來，一邊陽極A，一邊陰極K結(jié)構(gòu)：一邊P一半N型半導(dǎo)體，構(gòu)成PN結(jié)，陽極一定接P結(jié)，陰極一定接N結(jié)。 PN結(jié)有單向?qū)щ娦裕枠O加正，陰極加負(fù)，就導(dǎo)通。電氣符號： 電流只能單向流，從陽極流向陰極總結(jié)：基本原理與信息電子技術(shù)中學(xué)的二極管一樣，只是它流過的

11、電流比較大l 正向?qū)ǎ弘娏鲝年枠O流向陰極（管子兩端壓降很小）（類似于流過一個很小的電阻）l 反向截止：有一個反向電壓時，陰極高，陽極低。（只有很小的漏電流）（加了多大反相電壓，就承受了多大反向電壓）（類似于流過了一個很大的電阻）l 反向擊穿：反向電壓過大時（已擊穿，所以反向會流過很大電流）（反向電壓超過反向擊穿電壓時，就是反向擊穿電壓，也非常大）管子有可能損壞，一般不允許這個狀態(tài)。*PN結(jié)單向?qū)щ娦裕篜加正電壓，N加負(fù)電壓，就通。反過來，不通。應(yīng)用這個原理來做成的二極管。*雪崩擊穿和齊納擊穿都有可能導(dǎo)致熱擊穿。什么是熱擊穿？雪崩、齊納擊穿后，電壓、電流很大，器件上產(chǎn)生的功率就很大，器件上產(chǎn)生

12、的功率就是自身的損耗，損耗會導(dǎo)致產(chǎn)生熱量，當(dāng)熱量使器件上升到一定溫度時，會使器件材料燒毀。二極管就被徹底毀壞。若雪崩、齊納擊穿后，沒有導(dǎo)致熱擊穿（將反向電流限制在一定范圍內(nèi)），管子還能用。PN結(jié)相當(dāng)于一個電容，若外加電壓大的話，它的電荷量就大，反之，就小。電容效應(yīng)。電容的存在是好還是不好？在工作在一般頻率時，電容不會產(chǎn)生影響。若工作在高頻時，電容一定要很小，否則，時間常數(shù)會很大（t=RC），會使高頻特性不好。 高頻時，結(jié)電容會影響PN結(jié)的工作頻率，限制了PN結(jié)的工作頻率。所以高頻時，盡量要選用結(jié)電容小的電力二極管。反向正向伏安特性曲線（U/I曲線）（靜態(tài)特性主要是看伏安特性）l 加正向電壓時，

13、（1）開始時，二極管不工作，I=0（即使加了正向電壓也不工作）；當(dāng)電壓達(dá)到UTO并繼續(xù)增加時，電流呈指數(shù)形式上升（斜線是有一定斜度，斜度表示管子通后的通態(tài)電阻），開始有明顯電流時的電壓門檻電壓。管子處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。（2）假設(shè)點（UF，IF）處為工作點，則，IF為正向電流，UF為電力二極管的正向管壓降l 加反向電壓時，反向電流很小。（雖然有反相電壓，但由于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，電流只能從P到N，所以二極管截止，但還有少量漏電流）若反相電壓過高，管子擊穿，反向電流變大。靜態(tài)特性穩(wěn)定工作時的特性；動態(tài)特性狀態(tài)發(fā)生改變時的過渡過程，研究器件，一般都是研究它的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。二極管不要把它簡單看成，

14、加正電壓就通，加負(fù)電壓就不通。（書：開關(guān)特性）結(jié)電容的存在，導(dǎo)致這種動態(tài)特性（書p16）【圖a】正向偏置反向偏置（關(guān)斷過程：由UF>0UF<0）：開始，IF慢慢減到0，減到t0時刻，還有一個反向電流峰值，達(dá)到后，再慢慢下降到0。（延遲時間td=t1-t0，由于結(jié)電容存在，有一個延遲過程。電流從0到反向峰值的時間）（電壓還沒有反向）（電流下降時間tf=t2-t1：電流慢慢由反向峰值開始反向回升，直到反向電流變?yōu)榉€(wěn)態(tài)時（電壓也變?yōu)榉€(wěn)態(tài)）（反向恢復(fù)時間trr=td+tf，從正向轉(zhuǎn)成反向截止，直到恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)=總的恢復(fù)時間）（恢復(fù)特性的軟度Sr=tf/td，若td比較小，tf比較大，則Sr比

15、較大，特性比較軟）總結(jié)：關(guān)斷時，I、U有正向降到0，且存在反向的I、U，再有反向最大值回升到穩(wěn)態(tài)關(guān)斷需要恢復(fù)時間?！緢Db】零偏置正向偏置（開通過程）：電流/電壓一開始為0，電壓有個峰值電壓，此時電流沒有達(dá)到iF，直到電壓穩(wěn)定時，才達(dá)到iF。電流上升速度越快，二極管兩端的電壓峰值越大，這都是由于結(jié)電容的存在導(dǎo)致電壓峰值的存在。正向恢復(fù)時間： 拿到一個管子，這個管子是1KV、500A，500A就是管子的額定電流。l 溫度、散熱條件一定（因為流過的電流，受溫度的影響非常大，只有同樣的溫度和散熱條件下，才有可比性）；l 工頻：我國工頻是50HZ，頻率不能太高，否則二極管會有開關(guān)損耗l 正弦半波：一半有

16、電流，一半沒電流此條件下，管子允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。· IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。例如，一個二極管，實際流過的電流往往也是工頻、半波，但不一定是正弦半波，可能是其他波形。怎么折算呢？就按照發(fā)熱相等/有效值相等的原則來折算。實際上，電力二極管不是一個電阻特性，按照波形來計算是有誤差的，但也沒有更好的辦法，所以用有效值相等的原則。如果是，電阻負(fù)載情況下，不同的波形，有效值相等（發(fā)熱一樣），影響管子的主要是發(fā)熱。例如，管子是100A，在風(fēng)道里，風(fēng)速是5m/s，若3m/s，那就不能到100A可以用

17、，具體多少，要查手冊。所以要留有一定裕量，防止管子燒壞。· 換算關(guān)系：正弦半波電流的有效值I和平均值IF(AV)之比： 正向平均電流=管子允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值= IF(AV)，則該管子允許流過的最大電流有效值為1.57IF(AV)。 反之，若已知某電力二極管在電路中需要流過某種波形電流的有效值為ID，則至少應(yīng)選取額定電流（正向平均電流）為ID/1.57的電力二極管，同時還要留有一定裕量，防止管子燒壞。流過管子的實際電流波形不一定是正弦，所以只能按照有效值相等/發(fā)熱 相等的原則來折算出，額定電流。2）正向壓降UF指定溫度下。即管子的壓降（書P16頁，圖2-5中IF對應(yīng)

18、的UF）3） 反向重復(fù)峰值電壓URRM反向電壓過大，會損壞管子，在管子不會損壞的前提下，能施加的最大反向電壓。比如1kv，100A的管子，1Kv就是標(biāo)稱電壓，通常是反向重復(fù)峰值電壓。二極管能加的電壓不能超過此值，否則管子壞。使用時，只能當(dāng)500V用。因為實際上，設(shè)計的電路，通常存在過電壓，所以管子上加的電壓比500V要高，所以把1Kv的管子當(dāng)500V的用，管子不會壞。（書）4）反向恢復(fù)時間trr 管子加反向電壓后，能夠恢復(fù)阻斷特性的最短時間。（td：延遲時間，反向電流從0增至最大IRP，tf：電流下降時間，反向電流從最大值IRP下降到電流變化率接近于0的時間）（參照P17圖2-6（a）5）最高工作結(jié)溫TJM管子壞：最高溫度超過結(jié)溫（PN結(jié)的平均溫度）超過175，材料可能燒毀，PN結(jié)就失效。 不同管子有差別6) 浪涌電流IFSM 管子是比較嬌