電力電子技術(shù)第四節(jié)

1、半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDRMURRMo 單相半波整流電路。u2為工頻正弦輸入ug為晶閘管門(mén)極控制信號(hào)分析負(fù)載R兩端得到的電壓ud及晶閘管承受的電壓uvt t021 t2ut2gu0 0t1： u20，但ug=0，VT不導(dǎo)通， i2=0， ud=0，uVT=u2 t1：u20，觸發(fā)VT（ug0），VT導(dǎo)通，uVT=0 ， ud=u2 2 ： u2=I1)(AVT1.57 I=I1)(AVTI=57. 1I1半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 維持電流維持電流 IH ：使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 擎住電流擎住電

2、流 IL ：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍。半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt:指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt:在規(guī)定條件下，晶閘管能承受無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管o 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 快速晶閘管 雙向晶閘管 逆導(dǎo)晶閘管 光控晶閘管a)b)IOUIG=0GT1T2b)UO

3、IIG=0a)KGA典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件n 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTOn 電力晶體管電力晶體管 GTRn 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 Power MOSFETn 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTOGate-Turn-Off Thyristor ：晶閘管的一種派生器件,多元集成的結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。AKGGTO電氣圖形符號(hào)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因（與能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因（與普通晶閘管區(qū)別）：普通晶閘管

4、區(qū)別）： 導(dǎo)通時(shí)飽和程度低，接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 使晶體管V2電流增益較大，控 制靈敏，起主要作用，易于控制GTO。 多元集成結(jié)構(gòu)，能從門(mén)極抽出較大電流。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)（1）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（2）電流關(guān)斷增益）電流關(guān)斷增益 off：最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。之比稱為電流關(guān)斷增益。GMATOoffII= off一般很小，只有一般很小，只有5左右

5、，這是左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有應(yīng)用。 現(xiàn)在最大容量6KV/4KA，開(kāi)關(guān)速度10微秒級(jí)，開(kāi)關(guān)頻率110KHZ，略高于晶閘管。導(dǎo)通壓降2-3V、比晶閘管略高。 電流型驅(qū)動(dòng)器件，所需驅(qū)動(dòng)電路功率較大。 實(shí)際使用時(shí)，常做成逆導(dǎo)型逆導(dǎo)型器件。電力晶體管電力晶體管 GTR電力晶體管電力晶體管GTRGiant Transistor：耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型

6、晶體管。與普通的雙極結(jié)型晶體管原理基本相同。采用集成電路工藝將許多單元并聯(lián)而成 。GTR電氣圖形符號(hào)電力晶體管電力晶體管GTRGTR 靜態(tài)特性靜態(tài)特性： 共發(fā)射極接法時(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài)。 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。共發(fā)射極接法 GTR輸出特性電力晶體管電力晶體管GTRGTR工作特點(diǎn)：工作特點(diǎn)： 應(yīng)用中，GTR一般采用共射接法，通過(guò)基極電流控制極電極電流。 GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) ：集電極電流ic與基極電流ib之比 單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增

7、大電流增益. 不存在內(nèi)部的電流正反饋，開(kāi)關(guān)特性好于GTO。bcii=電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFET電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFETPOWER MOSFET采用多元集成結(jié)構(gòu)的金屬氧化物絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor FET）N+N+N-SGDPPN+N+N+溝道N溝道溝道MOSFET結(jié)構(gòu)剖面示意圖結(jié)構(gòu)剖面示意圖電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFETN溝道增強(qiáng)型電力溝道增強(qiáng)型電力MOSFET工作原理工作原理截止：截止：柵源極間電壓為零時(shí)， PN結(jié)反偏，即使漏源極間加正電源，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵

8、源極間加正電壓(UGS0) ，當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，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 。漏源極之間有寄生二極管，漏源極漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFET分類：分類： 按導(dǎo)電溝道性質(zhì)分：按導(dǎo)電溝道性質(zhì)分：N溝道和P溝道。 按導(dǎo)電溝道的變化趨勢(shì)按導(dǎo)電溝道的變化趨勢(shì)：增強(qiáng)型和耗盡型。 電力電力MOSFET主要是主要是N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型,柵極電壓大于零時(shí)產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道。P溝道N溝道電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFET電力電力MOSFET的

9、靜特性：的靜特性： 轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：漏極電流ID和柵源間電壓UGS關(guān)系 跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs： ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性為了保證較小的導(dǎo)通電阻（大跨導(dǎo)），一般UGS設(shè)置較大（ UGS 10v）電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFET電力電力MOSFET的靜特性：的靜特性： 漏極伏安特性漏極伏安特性：在不同柵源電壓下，漏極電流隨漏源電壓的變化特性。截止區(qū)飽和區(qū)非飽和區(qū) 電力MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET的輸出特性電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFET電力電力MOSFE

10、T的動(dòng)特性：的動(dòng)特性：開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)上升時(shí)間上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間：開(kāi)通時(shí)間：ton= td(on) +tr關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）下降時(shí)間下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間：toff= td(off）+tf 電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程iDOOupttttd(on)trtd(off)tf電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFET電力電力MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù): 漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額 漏極直流直流電流ID，漏極脈沖電流幅值IDM 電力MOSFET電流定額 柵源電壓UGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 極間電容極間電容CGS、CGD和CDS電力場(chǎng)效應(yīng)管電力場(chǎng)效應(yīng)管 POWER MOSFET電力電力 MOSFET的特點(diǎn)的特點(diǎn): 場(chǎng)控器件，用柵極電壓來(lái)控制器件的通斷，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。需要的驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 關(guān)斷過(guò)程非常迅速，開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。 通態(tài)電阻較大，電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)電力晶體管電力晶體管GTRGTR 靜態(tài)特性靜態(tài)特性：共發(fā)射極接法 GTR輸出特性放大區(qū)放大區(qū)：對(duì)Ib放大，直流電流放大倍