第1章 電力電子器件.ppt

1、電力電子技術(shù)電子教案，第1章電力電子器件，第1章第2頁(yè)，第1章電力電子器件，引言1.1電力電子器件概述1.2不可控器件功率二極管1.3半控器件晶閘管1.4典型全控器件1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件驅(qū)動(dòng)1.7電力電子器件保護(hù)1.8電力電子器件串并聯(lián)概述，第1章第3頁(yè)，引言， 電子技術(shù)基礎(chǔ)電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路基礎(chǔ)電力電子器件本章主要內(nèi)容：簡(jiǎn)要概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等。 介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及在選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題、第1章第4頁(yè)、1.1電力電子器件概述、1.1電力電子器件概述1.1.1電力電子器件的概念和特性1.

2、1.2電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.3電力電子器件的分類1.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)，第1章第5頁(yè)。 1.1電力電子設(shè)備概述，1.1.1電力電子設(shè)備的概念和特點(diǎn)在電力電子設(shè)備或電力系統(tǒng)的主電路中，直接承擔(dān)電力轉(zhuǎn)換或控制任務(wù)的電路可以直接用于處理電力的主電路，以及實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換或控制的電子設(shè)備。第1章，第6頁(yè)，1.1.1電力電子器件的概念和特點(diǎn)，廣義上，電力電子器件可分為電兩大類，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，真空管只用于大功率和高頻電源的高頻(如微波)，而功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)取代了汞弧整流器、閘流管等電真空器件，成為絕對(duì)的主力軍。因此，功率電子器件目前通常指功率半導(dǎo)體器件。功率半導(dǎo)體器件中使用的主要材料

3、仍然是硅。與處理信息的電子設(shè)備相比，電力電子設(shè)備的一般特征如下：(1)處理電力的能力，即耐受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)，其處理電力的能力小到毫瓦，大到兆瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理信息的電子設(shè)備。第1章，第8頁(yè)，1.1.1電力電子器件的概念和特性(2)電力電子器件通常工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)它們接通時(shí)，阻抗非常小，接近短路，并且管電壓降接近零。當(dāng)電流被外部電路阻斷時(shí)，阻抗非常大，接近開(kāi)路，電流幾乎為零，而管兩端的電壓由外部電路決定。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，通常使用理想開(kāi)關(guān)來(lái)代替1.1.1電力電子器件的概念和特性。(3)在實(shí)踐中，電力電子設(shè)備經(jīng)常需要由信息電子電路來(lái)控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路來(lái)放大

4、控制電路的信號(hào)，控制電路是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。(4)為了保證器件不會(huì)因散熱引起的溫度過(guò)高而損壞，不僅要注意器件封裝的散熱設(shè)計(jì)，還要注意散熱器在工作時(shí)的安裝。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，會(huì)有一定的導(dǎo)通狀態(tài)電壓降，形成導(dǎo)通狀態(tài)損耗。第1章，第10頁(yè)，1.1.1電力電子設(shè)備的概念和特性。當(dāng)器件被阻斷時(shí)，有一個(gè)小的關(guān)態(tài)漏電流流過(guò)器件，形成關(guān)態(tài)損耗，在開(kāi)關(guān)器件的過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)態(tài)損耗和關(guān)態(tài)損耗。驅(qū)動(dòng)電路注入的功率也是器件發(fā)熱的原因之一。通常，電力電子器件的關(guān)態(tài)漏電流極小，因此導(dǎo)通損耗是器件功率損耗的主要原因。當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增加，并可能成為器件功率損耗的主要因素。第1章，第11頁(yè)，1.1.2電力電子

5、裝置的系統(tǒng)組成，1.1.2電力電子系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子裝置為核心的主電路組成。圖1-1電力電子設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成?？刂齐娐犯鶕?jù)系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，主電路中的電力電子器件由驅(qū)動(dòng)電路控制，完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。從廣義上講，除主電路以外的電路，如驅(qū)動(dòng)電路，都屬于控制電路，所以粗略地說(shuō)，電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。通常，主電路中的電壓和電流相對(duì)較大，而控制電路的元件只能承受相對(duì)較小的電壓和電流。因此，在主電路和控制電路之間的連接路徑中，例如驅(qū)動(dòng)電路和主電路之間的連接、驅(qū)動(dòng)電路和控制信號(hào)之間的連接以及主電路和檢測(cè)電路之間的連接，通常需要電隔離，并且信號(hào)通過(guò)諸如光

6、和磁的其他方式傳輸。第1章，第13頁(yè)，1.1.2系統(tǒng)組成采用電力電子器件，由于主電路中經(jīng)常存在電壓和電流過(guò)沖，電力電子器件一般比主電路中的普通元件更昂貴，但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較差，因此，往往需要在主電路和控制電路中增加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)的正常可靠運(yùn)行。設(shè)備通常有三個(gè)端子(或極或角)，其中兩個(gè)連接在主電路中，第三個(gè)端子稱為控制端子(或控制極)。通過(guò)在其控制端子和主電路端子之間添加特定信號(hào)來(lái)控制器件的開(kāi)關(guān)，主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端子，并且通常是主電路電流流出器件的端子。第1章，第14頁(yè)，1.1.3電力電子器件的分類，1.1.3電力電子器件的分類根據(jù)

7、器件受控制電路信號(hào)控制的程度，可分為以下三類：(1)半控器件可通過(guò)控制信號(hào)控制其導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷。晶閘管及其衍生器件的關(guān)斷取決于它們?cè)谥麟娐分谐惺艿碾妷汉碗娏?。?章，第15頁(yè)，1.1.3電力電子設(shè)備的分類，(2)完全受控設(shè)備可以通過(guò)控制信號(hào)控制其開(kāi)啟和關(guān)閉，也稱為自關(guān)斷設(shè)備、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，縮寫為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)柵極關(guān)斷晶閘管GTO、第1章，第16頁(yè)，1.1.3電力電子設(shè)備的分類，(3)不受控制的設(shè)備不能由控制信號(hào)控制，因此不需要驅(qū)動(dòng)電路。功率二極管只有兩個(gè)端子。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路在設(shè)備的控制端和公共端之間施

8、加的信號(hào)的性質(zhì)，設(shè)備的開(kāi)/關(guān)由它在主電路中承載的電壓和電流來(lái)確定，驅(qū)動(dòng)電路可以分為兩類：通過(guò)從控制端注入或汲取電流來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)的電流驅(qū)動(dòng)型，以及僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)控制的電壓驅(qū)動(dòng)型。1.1.3電力電子設(shè)備的分類。電壓驅(qū)動(dòng)器件實(shí)際上通過(guò)施加到控制端的電壓在器件的兩個(gè)主電路端之間產(chǎn)生可控電場(chǎng)，以改變流經(jīng)器件的電流和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此它們也被稱為場(chǎng)控器件?；蛘吒鶕?jù)電子和空穴兩種載流子參與傳導(dǎo)的情況，場(chǎng)效應(yīng)器件可以分為三類：?jiǎn)屋d流子參與傳導(dǎo)的單極器件、雙載流子參與傳導(dǎo)的雙極器件、單極器件和雙極器件集成混合的復(fù)合器件、第1章，第18頁(yè)，1.1.4內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章介紹了工

9、作原理、基本特性、 介紹了各種設(shè)備的主要參數(shù)和選擇使用時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題，并重點(diǎn)介紹了電力電子設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串并聯(lián)使用。 最重要的是掌握它的基本特性、電力電子器件的型號(hào)命名、參數(shù)和特性曲線的使用方法，這是電力電子器件在實(shí)踐中正確應(yīng)用的兩個(gè)基本要求。由于電力電子電路的不同工作特性和特定條件，在同一主電路中使用的其他電路元件作為電力電子器件，如變壓器、電感、電容、電阻等?？赡芘c普通電路有不同的要求。第1章，第19頁(yè)，1.2不可控器件功率二極管，1 . 2 . 1pn結(jié)和功率二極管的工作原理1.2.2功率二極管的基本特性1.2.3功率二極管的主要參數(shù)1.2.4功率二極管的主要類型，第1章，第20

10、頁(yè)，1.2不可控器件功率二極管結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單。自20世紀(jì)50年代初開(kāi)始應(yīng)用的可靠工作、快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中高頻整流和逆變、低壓和高頻整流中發(fā)揮著不可替代的作用。第1章，第21頁(yè)，1 . 2 . 1PN結(jié)和功率二極管的工作原理。其基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管相同，后者基于半導(dǎo)體PN結(jié)，由一個(gè)大的pn結(jié)、兩個(gè)端子引線和封裝組成。從外觀上看，主要有兩種包裝：螺栓型和扁平型。圖1-2功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)A)外形B)結(jié)構(gòu)C)電氣圖形符號(hào)、第1章，第22頁(yè)，1 . 2 . 1pn結(jié)和功率二極管的工作原理，n結(jié)處電子和空穴濃度的差異導(dǎo)致多重態(tài)從一個(gè)區(qū)域擴(kuò)散到另

11、一個(gè)區(qū)域，并在另一個(gè)區(qū)域變成少數(shù)載流子，在界面兩側(cè)留下帶正負(fù)電荷的雜質(zhì)離子，不能任意移動(dòng)。這些不動(dòng)的正電荷和負(fù)電荷被稱為空間電荷。空間電荷建立的電場(chǎng)稱為內(nèi)部電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是防止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，另一方面，它吸引其他區(qū)域的少數(shù)載流子(對(duì)于這個(gè)區(qū)域，它是多載流子)向這個(gè)區(qū)域移動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又相互矛盾，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正負(fù)空間電荷達(dá)到穩(wěn)定值，形成由空間電荷組成的穩(wěn)定范圍，稱為空間電荷區(qū)，根據(jù)不同的受力角度又稱為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。第1章，第23頁(yè)，1 . 2 . 1PN結(jié)和功率二極管的工作原理，以及PN結(jié)正向?qū)顟B(tài)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍

12、然很低，因此正向偏置PN結(jié)呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，圖1-3pn結(jié)的形成，第1章，第24頁(yè)，1 . 2 . 1pn結(jié)單向?qū)ǘO管的基本原理是pn結(jié)的單向?qū)ㄊ瞧渲饕卣?。PN結(jié)的反向擊穿有兩種形式：雪崩擊穿和齊納擊穿，可能導(dǎo)致PN結(jié)的熱擊穿和電容效應(yīng)：PN結(jié)的電荷隨外加電壓的變化而變化，表現(xiàn)出電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ和差分電容。根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理和作用的不同，結(jié)電容可分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD、第1章，第25頁(yè)，1 . 2 . 1pn結(jié)和功率二極管的工作原理。勢(shì)壘電容僅在外加電壓變化時(shí)起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)的橫截面積成正比，與勢(shì)壘層的厚度成反比，而擴(kuò)散電容只在正

13、向偏置中起作用。在正向偏置中，當(dāng)直流電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容占主導(dǎo)地位；當(dāng)直流電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容是PN結(jié)電容的主要組成部分，影響pn結(jié)的工作頻率，尤其是在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，可能會(huì)使其單向?qū)щ娦宰儾钌踔潦?，因此在?yīng)用中應(yīng)予以重視。第1章，第26頁(yè)，1 . 2 . 1pn結(jié)和功率二極管的工作原理決定了功率二極管與普通二極管在信息電子電路中的區(qū)別。一些因素：正向?qū)〞r(shí)，會(huì)有大電流流過(guò)，其電流密度大，所以額外載流子的注入水平高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不可忽略。引線壓降和焊接電阻有明顯的影響，電流變化率di/dt較大。因此，導(dǎo)線的電感效應(yīng)和器件本身也會(huì)有很大的影響。為了提高反向耐受電壓，低摻雜濃度也會(huì)導(dǎo)致大的正向電

14、壓降。第1章，第27頁(yè)，1.2.2功率二極管的基本特性，1.2.2功率二極管的基本特性圖1-4功率二極管的伏安特性，第1章，第28頁(yè)，1.2.2功率二極管的基本特性1。靜態(tài)特性(功率二極管伏安特性圖)主要指其伏安特性。當(dāng)功率二極管的直流電壓達(dá)到一定值(閾值電壓反對(duì)派)時(shí)，正向電流開(kāi)始明顯增加，并處于穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)應(yīng)于正向電流的功率二極管兩端的電壓是其直流電壓降。當(dāng)功率二極管承受反向電壓時(shí)，只有一個(gè)由少數(shù)載流子引起的小而恒定的反向漏電流。2.動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性由于結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，其中電壓和電流特性隨時(shí)間變化。第1章，第29頁(yè)，1.2.2功率二極管的基本特性，開(kāi)關(guān)特

15、性反映了導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，以及關(guān)斷過(guò)程：需要很短的時(shí)間才能恢復(fù)反向阻斷能力。在關(guān)閉之前，有一個(gè)大的反向電流，伴隨著明顯的反向電壓過(guò)沖。圖1-5功率二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形A)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置B)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置、第1章，第30頁(yè)，1.2.2功率二極管的基本特性、延遲時(shí)間：td=t1- t0，電流下降時(shí)間：tf=t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td tf恢復(fù)特性的柔度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間之比tf /td，或恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示，正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置， 零偏壓轉(zhuǎn)換為正向偏壓，第1章，第31頁(yè)，1.2.2功率二極管的基本特性，開(kāi)路過(guò)程：功率二極管的正向。這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間稱為

16、正向恢復(fù)時(shí)間tfr。 當(dāng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用時(shí)，需要一定的時(shí)間來(lái)存儲(chǔ)大量的少數(shù)載流子。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前，由于器件本身的電感，正向電流的上升將導(dǎo)致較大的電壓降。當(dāng)前的上升速度越大，UFP就越高。第1章，第32頁(yè)，1.2.3功率二極管的主要參數(shù)，1。正向平均電流根據(jù)電流的熱效應(yīng)定義允許流動(dòng)的最大工頻正弦半波電流的平均正向平均電流，因此使用時(shí)應(yīng)等于有效值。在高頻場(chǎng)合使用時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗引起的發(fā)熱不容忽視。當(dāng)使用反向漏電流大的功率二極管時(shí)，其關(guān)態(tài)損耗引起的熱效應(yīng)不小。第1章，第33頁(yè)，1.2.3功率二極管的主要參數(shù)，2。正向電壓降UF是指在特定溫度下的功率二極管。當(dāng)特定的瞬態(tài)正向電流在特定溫度下流動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)于特定穩(wěn)態(tài)正向電流的正向電壓降有時(shí)會(huì)給出器件的最大瞬時(shí)正向電壓降。3