電力電子技術(shù)(第一章)

1、第一章 電力電子器件第一節(jié) 晶閘管 一、普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理一、普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理 普通晶閘管是一種功率四層半導(dǎo)體（P1N1P2N2）器件，由三個PN結(jié)J1、J2、J3組成。普通晶閘管有三個電極，分別為陽極（A）、陰極（K）、門極（G）。 1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和圖形符號如下圖所示。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 2、工作原理 單向?qū)щ娦裕号c二極管一樣具有單向?qū)щ娦裕娏髦荒軓年枠O流向陰極。 正向阻斷性：在晶閘管陽極和陰極之間加上正向電壓管子不能導(dǎo)通，必須在門極和陰極之間加上門極電壓，有了足夠的門極電流流入后才能使晶閘管正向?qū)?。要使?dǎo)通德晶閘管恢復(fù)為阻斷

2、狀態(tài)，可降低陽極的電源電壓或增加陽極回路的電阻，使流過管子的陽極電流Ia減小，當(dāng)陽極電流Ia減小到一定數(shù)值，陽極電流Ia會突然降為0，之后即使再調(diào)高陽極電壓或減小陽極回路電阻，陽極電流Ia也不會增加，說明管子已經(jīng)恢復(fù)了正向阻斷。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 結(jié)論結(jié)論晶閘管導(dǎo)通條件為： （1）在陽極和陰極之間加上一定大小的正向電壓； （2）在門極和陰極之間加上一定的正向觸發(fā)

3、電壓；晶閘管關(guān)斷條件為： （1）減小陽極電壓 （2）增加陽極回路電阻 （3）加反向電壓 二、晶閘管的陽極伏安特性和主要參數(shù)二、晶閘管的陽極伏安特性和主要參數(shù) 1、陽極伏安特性：陽極和陰極之間電壓與陽極電流之間的關(guān)系。IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM （1）正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很

4、小，在1V左右。 導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。 （2）反向特性 晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 2、主要參數(shù) （1）額定電壓： 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。 選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓 倍。 （2）額定電流：在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下，

5、元件在電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波、導(dǎo)通角不小于170的電路中，當(dāng)結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流 。22) 32(UUTn57. 1/)32()(TAVTII（3）維持電流與掣住電流 維持電流：在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽極電流。用 表示。 掣住電流：在晶閘管加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件從阻斷狀態(tài)剛轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就去除觸發(fā)電壓，此時能維持管子繼續(xù)導(dǎo)通所需要的最小陽極電流。用 表示。HILIHLII)42(（4）國產(chǎn)晶閘管的型號KP通態(tài)平均電壓組別正反向重復(fù)峰值電壓等級額定通態(tài)平均電流系列普通反向阻斷型閘流特性三、雙向晶閘管（Triode AC Swi

6、tchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）（一）圖形符號以及伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2 可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。 正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性。 與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。 （二）觸發(fā)方式與參數(shù)選擇1、觸發(fā)方式（1）+觸發(fā)方式 第一陽極為正，第二陽極為負(fù)；門極為正，第二陽極為負(fù)；（2）-觸發(fā)方式第一陽極為正，第二陽極為負(fù)；門極為負(fù)，第二陽極為正；（3）+觸發(fā)

7、方式 第一陽極為負(fù)，第二陽極為正；門極為正，第二陽極為負(fù)；（4）-觸發(fā)方式第一陽極為負(fù)，第二陽極為正；門極為負(fù)，第二陽極為正； 2、參數(shù)選擇（1）額定電流 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不不用平均值而其允許流過的最大交流有效值來用平均值而其允許流過的最大交流有效值來表示其額定電流值。表示其額定電流值。（2）額定電壓 380V線路用的交流開關(guān)，一般選用1000-1200V的雙向晶閘管。 3、普通晶閘管與雙向晶閘管的互換 雙向晶閘管可以看成是兩個普通晶閘管的反向并聯(lián)，所以雙向晶閘管一般用在交流電路之中。 兩者互換等式關(guān)系為IIImAVT2)(第二節(jié) 電力晶體管（GTR） 電力晶體管也稱巨型晶體

8、管（GTR:GiantTransistor） GTR是一種電流控制的雙極大功率、高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力,產(chǎn)生于本世紀(jì)70年代，其額定值已達(dá)1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管飽和壓降低、開關(guān)時間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符號如圖和普

9、通的NPN晶體管一樣。 （1）靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。 （2）動態(tài)特性 開通過程： 延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間tn。td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程 。 關(guān)斷過程： 儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。減小導(dǎo)通時的飽和深度以

10、減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。 GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) （1）一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 （2）二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點(diǎn)時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。 （3）安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。 第三節(jié) GTO、MOS

11、FET、IGBT 一、門極可關(guān)斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件；可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷；GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。 1、GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 （1）結(jié)構(gòu)： 與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。 c )圖1 - 1 3AGKGGKN1P1N2N2P2b )a )AGK （2）原理 與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶

12、體管模型來分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 2、主要參數(shù) 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。 （1）開通時間 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。 （2）關(guān)斷時間 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s。 （3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO 指GTO的額定電流 （4）電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。 off一般很小，只

13、有5左右，這是GTO的一個主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 v二、功率MOSFETv1、特點(diǎn)v用柵極電壓來控制漏極電流；其驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率??；開關(guān)速度快，工作頻率高；熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR；電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。v2、結(jié)構(gòu)和工作原理v（1）種類v按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道v耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道v增強(qiáng)型增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道v電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型（2）結(jié)構(gòu)N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N

14、+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19v（3）工作原理v截止：截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。vP基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。v導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGSv柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。v當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。 v三、絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）vGTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。v1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。v1、IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理v（1）三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注