電力電子技術(shù)教學(xué)課件 ppt 作者 邊春元 宋崇輝 28532課件

1、電力電子技術(shù),東北大學(xué) 主編：邊春元 宋崇輝,第一章 電力電子技術(shù)概述,1.1 什么是電力電子技術(shù)　　1.2電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容　　1.3電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r　　1.4電力電子技術(shù)的應(yīng)用,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)的概念 電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，它是一門利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科　 電力電子技術(shù)突出對(duì)“電力”的變換，它變換的功率可以大到數(shù)百兆瓦甚至億瓦，也可

2、小到幾瓦或更小 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支，信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換 目前所用的電力電子器件采用半導(dǎo)體制成，故稱電力半導(dǎo)體器件,,,,,,,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)也可以理解為功率強(qiáng)大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣大電流、高電壓場(chǎng)合應(yīng)用的電子技術(shù)　 　為了解決發(fā)熱和效率問題，對(duì)于大功率的電子電路，器件的運(yùn)行都采用開關(guān)方式。這種開關(guān)運(yùn)

3、行方式就是電力電子器件運(yùn)行的特點(diǎn),,,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子學(xué) 電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論這3個(gè)學(xué)科交叉而形成用圖中但三角形描述,,,,電子學(xué),電力學(xué),電力電子學(xué),控制理論,圖1-1 描述電力電子學(xué)的到三角,,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)與電子學(xué) 從電子和電力電子的器件制造技術(shù)上講，兩者同根同源，從兩種電路的分析方法上講也是一致的 電力電子學(xué)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛

4、應(yīng)用于電氣工程中，這就是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系,,,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)與控制理論 控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系 統(tǒng)的性能日益優(yōu)越和完善，可以滿足人們的各種需求 電力電子技術(shù)可以看作弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口，而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的強(qiáng)有力的紐帶 控制理論和自動(dòng)化技術(shù)是密不可分的，而電力電子裝置又是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要

5、支撐技術(shù),,1.2 電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容,電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容包括3個(gè)方面： 電力電子器件、變換器主電路和控制電路 電力電子器件 不控型器件　　 不控型器件是指無控制極的二端器件，如大功 率 二極管、快恢復(fù)二極管等 半控型器件 是指有控制端口的三端器件　　 這類器件主要有晶閘管（ SCR或 Thyristor）及其派生器件。,,

6、,,,,1.2 電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容,全控型器件 　全控型器件也是具有控制端的三端器件，但控制極不但可控制開通，而且也能控制其關(guān)斷，故稱為全控型器件，也稱為自關(guān)斷器件 在應(yīng)用器件時(shí)，選擇電力電子器件一般需要考慮的是：器件的容量（額定電壓和額定電流值）、過載能力、關(guān)斷控制方式、導(dǎo)通壓降、開關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)性質(zhì)和驅(qū)動(dòng)功率等,,,1.2 電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容,電力電子器件 采用電力電子電路可以實(shí)現(xiàn)電能

7、的多種變換。從實(shí)現(xiàn)電能變換的角度出發(fā)，電力電子電路也稱為電力變換器，主要有以下幾種基本類型 AC/DC變換 即將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，也稱為整流 DC/DC變換 即把固定或變化的直流電壓變換成可調(diào)或恒定的直流電壓，也稱為直流斬波,,,,1.2 電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容,DC/AC變換 即將直流電能變換為交流電能，也稱為逆變。完成逆變的電力電子裝

8、置叫逆變器 AC/AC變換 即把交流電能的參數(shù)（幅值、頻率）加以轉(zhuǎn)換，稱為交流變換電路。根據(jù)變換參數(shù)的不同，交流變換電路可以分為交流調(diào)壓電路和交—交變頻電路 上述變換器均具有電力變換功能，凡是具有一種電能變換功能的電路稱為基本變換電路，這部分內(nèi)容將在本教材3、4、5、6章中分別詳細(xì)講述,,,1.2 電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容,電力電子電路的控制

9、電力電子控制電路的主要作用：根據(jù)輸入和輸出的要求產(chǎn)生主電路所有大功率電子器件的通斷信號(hào)，為變換器中的功率開關(guān)器件提供控制 極驅(qū)動(dòng)信號(hào) 根據(jù)電力電子器件開關(guān)狀態(tài)與控制信號(hào)的關(guān)系，電力電子器件的常用 控制方式可以分為以下3種類型。 　 相控方式 相控方式是指器件導(dǎo)通的相位，受控于控制信號(hào)幅度的變化，通過改變器件的導(dǎo)通相位角來改變輸出電壓的大小　　 頻控方式　 頻控方式是指開關(guān)器件

10、的工作頻率受控于控制信號(hào)的頻率，改變控制信號(hào)的頻率，輸出電壓的頻率也隨之改變　　 斬控方式　　 控方式是指利用控制電壓的幅值（調(diào)制電壓的幅值）來改變一個(gè)開關(guān)周期中器件導(dǎo)通的占空比，器件以遠(yuǎn)高于輸入、輸出電壓工作頻率的開關(guān)頻率運(yùn)行,,,,,1.2 電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容,另外，電力電子電路必須在一些輔助電路的支持下才能正常工作，這些輔助電路包括： 　 控制電路　　控制電路的功能是根據(jù)輸入和輸

11、出的要求產(chǎn)生主電路所有大功率電子器件的通斷信號(hào)?！　?驅(qū)動(dòng)電路　　驅(qū)動(dòng)電路的功能是根據(jù)控制電路給出的通斷信號(hào)，提供大功率電子器件的足夠功率，以確保大功率電子器件的迅速可靠開通和關(guān)斷?！　?緩沖電路　　緩沖電路的功能是在大功率電子器件開通和關(guān)斷的過程中減緩其電流或電壓的上升速度，以降低其開關(guān)應(yīng)力和開關(guān)損耗。　 保護(hù)電路　　　保護(hù)電路的功能是在電力電子電路的電源或負(fù)載出現(xiàn)異常時(shí)，保

12、護(hù)電力電子設(shè)備免于損壞。,,,,,,1.2 電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容,電力電子裝置 電力電子裝置是由各類電力電子電路組成的裝置，用于大功率電能的變換和控制，又稱變流裝置。它包括整流器、逆變器、直流變流器、交流變流器、各類電源和開關(guān)、電機(jī)調(diào)速裝置、直流輸電裝置、感應(yīng)加熱裝置、無功補(bǔ)償裝置、電鍍電解裝置、家用電器變流裝置等。,,1.3 電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管

13、為標(biāo)志的 晶閘管出現(xiàn)的前期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。 1904年出現(xiàn)了電子管。它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開了電子技術(shù)之先河。 20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器迅猛發(fā)展，它廣泛地應(yīng)用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道的直流變電，以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)中，甚至用于直流輸電。在這一時(shí)期，把交流變?yōu)橹绷鞯姆椒ǔy整流器外，還有發(fā)展更早的電動(dòng)機(jī)—直流

14、發(fā)電機(jī)組，即變流機(jī)組 1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明出了晶體管，晶體管的問世則引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命,,,,,,1.3 電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,晶閘管時(shí)代 晶閘管出現(xiàn)由于其優(yōu)越的電器性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。 晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷，因此屬于半控型

15、器件。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)，這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了局限,,,,1.3 電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,全控型器件和電力電子集成電路 70年代后期，以GTO、BJT和MOSFET為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是通過對(duì)門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可以使其關(guān)斷 與晶閘管電路的相位控制方式相對(duì)應(yīng)，采用全控型器件電路的主要控制方式為PMW方式。PMW控制技術(shù)在

16、電力電子變流技術(shù)中占有十分重要的位置 80年代后期，以IGBT為代表的復(fù)合型器件異軍突起。IGBT是MOSFET和BJT的復(fù)合。它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)集于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件,,,,,1.3 電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（Power Integrated Circu

17、it，PIC）目前，功率集成電路的功率都還較小，但它代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向 隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率不斷提高，軟開關(guān)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，采用軟開關(guān)技術(shù)可使開關(guān)損耗降為零，可以提高效率。另外，它可以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率，從而提高了電力電子裝置的功率密度。 目前，國際電力電子學(xué)界普遍認(rèn)為，電力電子集成技術(shù)是解決電力電子技術(shù)發(fā)展面臨障礙，并進(jìn)一步拓展電力電子技術(shù)應(yīng)

18、用領(lǐng)域最有希望的出路。,,,,1.4 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電力電子技術(shù)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、交通、IT、通信、國防以及民用電器、能源等領(lǐng)域，它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門。 電力電子變化電源 電源變換廣義地講，就是將某一頻率、某一電壓的電源通過電子線路或其他手段得到所需的頻率和電壓的電源所進(jìn)行的變換 電源變換技術(shù)的發(fā)展，是以現(xiàn)代微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展為前

19、提的，依托現(xiàn)代的電力電子器件及推陳出新的電子線路，伴隨日益提高的生產(chǎn)應(yīng)用需求而發(fā)展。,,,1.4 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電力電子補(bǔ)償控制器 在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個(gè)最基本、最重要的指標(biāo)，為確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。頻率的控制與有功功率的控制密切相關(guān)，而電壓控制的重要方法之一是對(duì)電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行控制。 無功功率補(bǔ)償通過調(diào)控?zé)o功功率來提高

20、交流電力系統(tǒng)的性能，大多數(shù)的電能質(zhì)量問題都可以通過對(duì)無功功率進(jìn)行適當(dāng)控制而得到緩解或徹底解決。 無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有幾十年的歷史，以前采用同步電機(jī)來產(chǎn)生無功功率，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無功補(bǔ)償中的補(bǔ)償控制器、無功檢測(cè)裝置、投切方式都有了很大的進(jìn)步。,1.4 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,晶閘管補(bǔ)償控制器（SVC） SVC由標(biāo)準(zhǔn)無功并聯(lián)設(shè)備（電感和電容）組成，能快速地提供變化的無功。它可以分為兩個(gè)

21、基本類型：晶閘管投切電容器（TSC）和晶閘管控制電抗器（TCR）,TCR和TSC組合后的運(yùn)行原理為：當(dāng)系統(tǒng)電壓低于設(shè)定的運(yùn)行電壓時(shí)，根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)臒o功量投入適當(dāng)組數(shù)的電容器組，并略有一點(diǎn)正偏差（過補(bǔ)償），此時(shí)再利用TCR調(diào)節(jié)輸出的感性無功功率來抵消這部分過補(bǔ)償容性無功；當(dāng)系統(tǒng)電壓高于設(shè)定電壓時(shí)，則切除所有電容器組，只留有TCR運(yùn)行 SVC有兩個(gè)主要特點(diǎn)：一是靜止性，其主要部件無轉(zhuǎn)動(dòng)部分；二是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，其反應(yīng)速度很快，能及時(shí)跟蹤無

22、功功率變化并進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到所設(shè)計(jì)的各種控制目標(biāo) 由于SVC換流元件關(guān)斷不可控，因而容易產(chǎn)生較大的諧波電流，而且其對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的調(diào)節(jié)能力也不夠理想,圖 1-2 TCR+TSC型SVC的基 本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),1.4 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,自關(guān)斷無功補(bǔ)償器 具有如下優(yōu)點(diǎn)：　　 體積小、成本低、不需要大量無源元件、無源元件容量較小。自關(guān)斷無功補(bǔ)償器用于穩(wěn)定輸電系統(tǒng)，提高電壓調(diào)節(jié)能力和功率因數(shù)，校正負(fù)載不平衡

23、，并且可以串聯(lián)和并聯(lián)于系統(tǒng)。能提供超前或滯后的無功，節(jié)省了電容和電感，可避免在某些運(yùn)行方式下的諧振?！　?響應(yīng)時(shí)間小于一個(gè)基波周期，可以連續(xù)、精確地控制無功。　　 開關(guān)頻率高，低次諧波電流小，需要的濾波器比較小?！　?沒有浪涌電流?！　?電壓變化和暫態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)特性好?！　?自關(guān)斷無功補(bǔ)償器通過控制，可以作為濾波器用。,圖1-6 電流源變流器的無功補(bǔ)償器,圖1-3 電

24、壓源變流器的無功補(bǔ)償器,第二章 電力電子器件與應(yīng)用,2.1 電力電子器件概述　 2.2 不可控器件—電力二極管 2.3 半控型器件—晶閘管　 2.4 全控型器件 2.5 電力電子器件的保護(hù),,2.1 電力電子器件概述,2.1.1 電力電子器件的概念和特征2.1.2 電力電子器件的分類2.1.3 電力電子器件的主要技術(shù)指標(biāo),,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的概

25、念和特征 目前，電力電子器件主要指以半導(dǎo)體材料硅（Si）或碳化硅（SiC）制成的電力半導(dǎo)體器件 電力電子器件和普通半導(dǎo)體器件不一樣，在電壓等級(jí)和功率要求上都遠(yuǎn)大于普通半導(dǎo)體器件，因而制造工藝也有所不同 電力電子器件主要工作于開關(guān)狀態(tài)，因此，也稱為功率開關(guān)器件,,,,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的理想開關(guān)模型 A、B代表器件的兩個(gè)主電極

26、 K 控制開關(guān)通斷的控制極,圖2-1 電力電子器件的理想開關(guān) 模型,,,通態(tài)電流,斷態(tài)損耗,開關(guān)損耗,通常來說，電力電子器件的通態(tài)損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斷態(tài)損耗 開關(guān)損耗會(huì)隨器件的開關(guān)頻率升高而增大，這也是大功率電力 電子設(shè)備的開關(guān)頻率不能太高的主要原因,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件用于電能的變換和控制，其特性表現(xiàn)在以下幾方面?！。?）電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，為的是減小本身的損耗?！。?

27、）電力電子器件因直接用在電力電路上，要承受高電壓、大電流。?。?）電力電子器件需要弱電來控制，應(yīng)有控制電路和驅(qū)動(dòng)電路?！。?）因耗散功率大，需有必要的散熱措施。,,2.1.2 電力電子器件的分類,根據(jù)其可控程度分為不可控器件、半 控型器件和全控型器件 根據(jù)參與導(dǎo)電的載流子不同分為： 雙極型器件 兩種載流子都參與導(dǎo)電過程的電力電子器件 單極型器件 只有一種

28、載流子參與導(dǎo)電過程的電力電子器件 混合型器件 由雙極型和單極型兩種器件組成的復(fù)合器件,,,,,,2.1.2 電力電子器件的分類,根據(jù)控制極信號(hào)的不同分類： 電流控制型器件 通過從控制極注入或抽出控制電流的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)器件導(dǎo)通 或關(guān)斷的控制 　電壓控制型器件 利用場(chǎng)控原理控制的電力電子器件，其導(dǎo)通或關(guān)斷是由控 制極上的電壓信號(hào)控制的，控

29、制極電流極小,,,,2.1.3 電力電子器件的主要技術(shù)指標(biāo),從應(yīng)用角度來看，主要有電氣容量、開關(guān)特性、控制特性、熱特性等指標(biāo) 電氣容量指標(biāo) 主要指器件標(biāo)稱的額定電壓、額定電流、極限電流等指標(biāo) 開關(guān)特性指標(biāo) 描述器件從通態(tài)到斷態(tài)或從斷態(tài)到通態(tài)時(shí)器件的電壓、電流隨時(shí)間變化的特性，主要包括開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間等指標(biāo) 控制特性指標(biāo) 描述可控型器件開通與關(guān)斷的條件及其對(duì)控制信號(hào)的要求

30、，如驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流等 熱特性指標(biāo) 描述器件熱耗導(dǎo)致器件溫升的特性，如最高結(jié)溫、熱阻等,,,,,,2.2 不可控器件—電力二極管,2.2.1 電力二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.2 電力二極管的主要特性2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),,2.2.1 不可控器件—電力二極管?引言,電力二極管 電力二極管的開通與關(guān)斷由器件所在的主電路決定，這種器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備中。常用的

31、電力二極管有：普通二極管（又稱整流二極管）、快恢復(fù)二極管和肖特基二極管 圖2-2 整流二極管、快速恢復(fù)二極管、肖特基二極管,,,2.2.1 電力二極管結(jié)構(gòu)與工作原理,電力二極管是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體元件，其結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)如圖2-2所示引出端分別稱為陽極（A）、陰極（K） 基本特性是單向?qū)щ娦?，即承受正向電壓時(shí)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流從陽極A流向陰極K，否則處于阻斷狀

32、態(tài),圖2-3 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu) 和電氣符號(hào),,,2.2.2 電力二極管的主要特性,靜態(tài)特性 主要是指伏安特性 正向電壓（正向偏置）大到某一值（門檻電壓UTO）時(shí)，正向電流開始明顯增大，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài) 電力二極管承受反向電壓（反向偏置）時(shí)，只有微小的反向漏電流,圖2-4 電力二極管的靜態(tài)特性,,2.2.2 電力二極管的主要特性,動(dòng)態(tài)特性 因結(jié)電容的存在，力二極管

33、在零偏置、正向偏置和反向偏置這3個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，必然經(jīng)過一個(gè)過渡過程。將這個(gè)過程中電壓、電流隨時(shí)間變化的特性稱為電力二極管的動(dòng)態(tài)特性 反映了電力二極管在通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性,,2.2.2 電力二極管的主要特性,當(dāng)處于正向?qū)ǖ碾娏ΧO管的外加電壓突然變?yōu)榉聪驎r(shí)，電力二極管不能立即關(guān)斷，而是需經(jīng)過一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間才能進(jìn)入截止,圖2-5 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形,關(guān)斷之前有較大的反向電流IRP和反向過沖電壓

34、URP出現(xiàn)。 延遲時(shí)間 td=t1-t0 電流下降時(shí)間 tf=t2-t1 向恢復(fù)時(shí)間 trr=td+tf,,,,電流降到零時(shí)刻,,外加電壓突變,,電流變化率接近0,,正向電流降到0,2.2.2 電力二極管的主要特性,二極管由零偏置轉(zhuǎn)為正向偏置，在這一動(dòng)態(tài)過程中，電力二極管的正向壓降也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，然后逐漸趨于穩(wěn)態(tài)壓降值UF。這一動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間，稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr,,2.2.3

35、電力二極管的主要參數(shù),正向平均電流IF（AV） 規(guī)定的散熱條件與管殼溫度下，電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值 低頻工作時(shí)器件發(fā)熱主要是由正向電流的發(fā)熱效應(yīng)引起的,因此選用電力二極管時(shí)要按有效值相等的原則來確定器件電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量,圖2-6 正弦半波電流波形示意圖,,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),反向重復(fù)峰值電壓URRM 它是指可重復(fù)施加的、

36、不會(huì)損壞電力二極管的反向最高峰值電壓 應(yīng)用中，所選電力二極管的反向重復(fù)峰值電壓應(yīng)為該二極管實(shí)際承受反向電壓峰值的2倍。 正向壓降UF 它是在指定的管殼溫度下，電力二極管流過規(guī)定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降 反向恢復(fù)時(shí)間trr trr反映了電力二極管恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力，它限制了電力二極管的開關(guān)工作頻率,,,,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),最高工作結(jié)溫TJM

37、 它是指在規(guī)定電流和散熱條件和PN結(jié)不致?lián)p壞的條件下所能承受的最高平均溫度 最大容許非重復(fù)浪涌電流IFSM 它是指電力二極管所能承受的一次工頻半周期峰值浪涌電流，該項(xiàng)參數(shù)反應(yīng)了二極管抵抗短路沖擊電流的能力,,,2.3 半控型器件—晶閘管,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理　　2.3.2 晶閘管的主要特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的門極觸發(fā)電路 2.3.

38、5 晶閘管的派生器件,,2.3 半控型器件—晶閘管?引言,晶閘管（SCR）由于它具有體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用。SCR能承受的電壓和電流容量高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合仍具有很重要地位。本節(jié)主要介紹普通晶閘管的工作原理、基本特性以及主要參數(shù)等,圖 2-7 晶閘管及其模塊,,,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管的結(jié)構(gòu) 外形有螺栓型和平板型兩種封裝

39、 陽極A、陰極K和門極（控制端）G PNPN四層三端半導(dǎo)體材料構(gòu)成,圖2-8 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及其電氣符號(hào),,,,,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管的工作原理 用電路來說明 晶閘管 A：陽極 K：負(fù)極 G：控制極 晶閘管承受正向電壓，S斷開，燈不亮；晶閘管承受正向電壓，S閉合，燈亮。后S斷開，燈亮；晶閘管承受反向電壓，燈滅 總結(jié)條件：,,,圖2-9 晶閘管導(dǎo)通

40、試驗(yàn)電路圖,A,A,A,K,K,K,G,G,G,晶閘管陽極和陰極承受正向電壓 控制極加正向電壓，晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極就失去了控制,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析 晶閘管可以看作由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管VT1、VT2組合而成 IG IC2 IC1 到晶閘管

41、 導(dǎo)通 導(dǎo)通后，控制極失去作用 晶閘管的陽極電流減小到小于 維持電流，晶閘管截止,,圖2-10 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理,,,,,,,,,2.3.2 晶閘管的主要特性,靜態(tài)特性 晶閘管的陽極與陰極間的電壓和它的陽極電流間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性 存在轉(zhuǎn)折電壓，在iG=0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大正向阻斷電壓稱為正向轉(zhuǎn)折電壓UFBO（約為1V）

42、 從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)向?qū)顟B(tài)需經(jīng)過負(fù)阻區(qū) 導(dǎo)通后晶閘管壓降較小 維持電流IH 反向擊穿電壓URBD,圖2-11 晶閘管的伏安特性,,,2.3.2 晶閘管的主要特性,動(dòng)態(tài)特性: 開通時(shí)間 ton=td+tr 關(guān)斷時(shí)間 toff=trr+tgr 晶閘管開關(guān)時(shí)功耗較大,觸發(fā)脈沖幅值、前沿陡度都會(huì)影響開通時(shí)間。幅值愈大，前沿愈陡，開通時(shí)間愈短

43、。這樣可降低開通損耗，有利于安全運(yùn)行,圖2-12 晶閘管的開通和關(guān)斷過程,,,,從導(dǎo)通時(shí)的穩(wěn)態(tài)值下降到零開始，到反向恢復(fù)電流再次接近于零,,需維持反向電壓一段時(shí)間，以恢復(fù)正向阻斷能力,,,從門極加觸發(fā)電流到陽極電流上升至穩(wěn)態(tài)值的10%,陽極電流從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),晶閘管陽極電壓和電流參數(shù) 正向（斷態(tài)）重復(fù)峰值電壓UDRM UDRM是在門極斷路、結(jié)溫額定時(shí)，

44、允許重復(fù)加在器件上而不會(huì)使其開通的正向峰值電壓，也稱斷態(tài)重復(fù)峰值電壓　反向重復(fù)峰值電壓URRM URRM是在門極斷路、結(jié)溫額定時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管上而不使其反向擊穿的峰值電壓。 通常把UDRM和URRM中的較小值標(biāo)作器件的額定電壓　 通常在選用晶閘管時(shí)，應(yīng)使晶閘管的額定電壓為正常工作電壓峰值的2～3倍。 通態(tài)平均電壓UT UT是在結(jié)溫額定、晶閘管中通

45、過額定通態(tài)平均電流時(shí)，陽極與陰極間的平均電壓值,,,,,,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),晶閘管的動(dòng)態(tài)參數(shù) 斷態(tài)電壓臨界上升率 斷態(tài)電壓臨界上升率是指在結(jié)溫額定和門極開路情況下，不導(dǎo)致從斷態(tài)向通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大陽極電壓上升率 通態(tài)電流臨界上升率 通態(tài)電流臨界上升率是指在規(guī)定條件下，晶閘管能隨時(shí)通過的無有害影響的最大通態(tài)電流上升率 門極定額參數(shù) 門極觸發(fā)電流IGT

46、 IGT是在室溫下，陽極電壓為直流6V時(shí)使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所需的最小門極電流 門極觸發(fā)電壓UGT,,,,,,,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),溫度特性參數(shù) 結(jié)溫TJM TJM是晶閘管正常工作時(shí)所能允許的最高結(jié)溫，晶閘管的額定結(jié)溫通常為125℃或150℃ 結(jié)殼熱阻RJC 結(jié)殼熱阻描述了晶閘管每瓦功率損耗導(dǎo)致的內(nèi)部PN結(jié)與晶閘管外殼之間的溫差。該參數(shù)可用于晶閘管的散

47、熱系統(tǒng)設(shè)計(jì),,,,2.3.4 晶閘管的門極觸發(fā)電路,對(duì)門極觸發(fā)信號(hào)有如下要求　 門極電流上升率：觸發(fā)脈沖前沿要陡　　 門極電流幅值：脈沖前沿的電流幅值較大　　 門極脈沖信號(hào)寬度：需要門極脈沖信號(hào)具有一定寬度?！　?門極脈沖信號(hào)應(yīng)不超過門極電壓、電流、功率等最大限定值。 觸發(fā)可靠，抗干擾能力強(qiáng) 典型晶閘管門極觸發(fā)電路 iB＞0時(shí)晶體管VT導(dǎo)通，電源電壓UD通過脈沖變壓器Tr傳遞到副邊，經(jīng)VD2、

48、RG觸發(fā)晶閘管,,,圖2-13 典型晶閘管門極觸發(fā)電路,,2.3.5 晶閘管的派生器件,雙向晶閘管 主電極在正、負(fù)電壓作用下均可用同一門極觸發(fā)導(dǎo)通 雙向晶閘管門極加正、負(fù)脈沖都可以觸發(fā) 雙向晶閘管多用于交流調(diào)壓電路（如小型異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速、電加熱電路等）、固態(tài)繼電器（SSR）等電路中 逆導(dǎo)晶閘管 正向特性與普通晶閘管相同，具有開通可控性 反向特性與逆導(dǎo)晶閘管承受反向電壓

49、時(shí)具有相同導(dǎo)通特點(diǎn)　 與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘管具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短等特點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。,,,圖2-14 雙向晶閘管的等效電路和電氣符號(hào),圖2-15 逆導(dǎo)晶閘管的等效電路和電氣符號(hào),,2.4 全控型器件,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管　　2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管　　2.4.3 絕緣柵雙極型晶體管　　2.4.4 集成門極換流晶閘管 2.4.5 智能功率模塊,,2.4

50、 全控型器件?引言,本節(jié)主要介紹門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、集成門極換流晶閘管（IGCT）、智能功率模塊（IPM）等常用器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性及其主要參數(shù)等內(nèi)容,圖 2-16 全控型器件及其模塊,,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,（GTO）是晶閘管的一種派生器件，具有門極正脈沖信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通、門極負(fù)脈沖信號(hào)觸發(fā)關(guān)斷的特性 GTO的結(jié)構(gòu) 與普通晶

51、閘管的相同點(diǎn)： P1N1P2N2四層半導(dǎo)體結(jié) 與構(gòu)普通晶閘管的不同點(diǎn)： GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元，這些 GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，共有一個(gè)陽極,圖2-17 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和 電氣圖形符號(hào),,,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的工作原理 與普通晶閘管相同： 兩個(gè)晶體管VT1、VT2分別具有共基極電流增益α1和

52、α2，α1+α2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件， >1時(shí)導(dǎo)通 ， <1時(shí)關(guān)斷 與普通晶閘管的不同： 設(shè)計(jì)器件時(shí)使得α2較大，這樣晶體管VT2控制靈敏，使得GTO易于關(guān)斷 α1+α2更接近于1，使GTO導(dǎo)通時(shí)接近于臨界飽和，有利于門極控制關(guān)斷，但會(huì)使導(dǎo)通管壓降增大 每個(gè)GTO元陰極面積很小，使得P2基區(qū)所謂的橫向電阻很小，使從門極抽出較大的電流成為可能,圖2-18 晶閘管的雙晶體管模型及

53、其工作原理,,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，有同樣的正反饋過程，只不過導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖信號(hào)（門極為負(fù)，陰極為正），門極出現(xiàn)反向電流，此反向電流將GTO的門極電流抽出，使其電流減小，α1和α2也同時(shí)下降，以致無法維持正反饋，從而使GTO關(guān)斷 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受能力強(qiáng),2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,動(dòng)態(tài)特性 開通

54、過程與普通晶閘管類似 關(guān)斷過程 儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間tt 通常tf比ts小得多,而tt比ts要長(zhǎng) 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts就越短。在tt階段保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間,圖2-19 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形,,,,抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間,等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小

55、的時(shí)間,殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間,,,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,主要參數(shù) 最大可關(guān)斷陽極電流IATO IATO是標(biāo)稱GTO額定電流容量的參數(shù) 門極關(guān)斷電流IGM IATO與IGM之比稱為電流關(guān)斷增益βoff有 開通時(shí)間ton 指延遲時(shí)間td與上升時(shí)間tr之和，即ton=td+tr GTO的延遲時(shí)間一般約為1～2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大 關(guān)斷時(shí)間toff

56、 一般指儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和，而不包括尾部時(shí)間tt GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般<2s GTO是電氣容量最大的全控型器件，但由于GTO驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，開關(guān)頻率也不高，只有在大容量場(chǎng)合才選用GTO,,,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,門極驅(qū)動(dòng)電路 GTO的開通控制與普通晶閘管相似,但對(duì)觸發(fā)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流 GTO關(guān)斷

57、需施加負(fù)門極電流,對(duì)其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓 理想的GTO門極電壓、電流波形如圖2-20所示。,圖2-20 理想的GTO門極電壓、電流波形,,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路 高頻電源經(jīng)二極管整流后提供： VD1和C1供+5V VD2、VD3、C2、C3供+15V VD4、C4供-15V 場(chǎng)效應(yīng)晶體管V1開通時(shí)，輸出正的增強(qiáng)脈沖；

58、V2開通時(shí)輸出正脈沖平頂部分；V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖；V3關(guān)斷后，電阻R3和R4提供門極負(fù)偏壓,圖2-21 典型的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型兩種，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。本書也沿用習(xí)慣說法，提及功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管也是指絕緣柵型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET）是一種單極型電壓控制器件，通過柵極電壓

59、來控制漏極電流。其特點(diǎn)為： 驅(qū)動(dòng)功率小、工作速度快、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，但其功率容量仍偏小,,,,,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,MOSFET的結(jié)構(gòu) MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為N溝道和P溝道。3個(gè)引腳，S為源極，G為柵極，D為漏極。每種類型又分為耗盡型和增強(qiáng)型兩種 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要是增強(qiáng)型，圖2-22（a）即為N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,,,圖2-22 MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符

60、號(hào),,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,MOSFET的工作原理 截止：柵源極間電壓為零時(shí)，漏源極間加正電源，管子截止，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過 導(dǎo)通： 當(dāng)在柵源極間加正電壓UGS時(shí)，柵極的正電壓會(huì)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。 當(dāng)UGS大于某一電壓UT（稱為開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，

61、使P型半導(dǎo)體反型為N型而形成反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極在電源作用下形成漏極電流,,,,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,主要特性 轉(zhuǎn)移持性 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)Gfs，即 輸出特性 包括截止區(qū)、飽和區(qū)、非飽和區(qū) MOSFET工作于開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換 MOSFET漏源極之間存在與之反并聯(lián)的寄生二極管，使用MOSFET時(shí)應(yīng)注意寄生

62、二極管的影響,,,,圖2-23 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,MOSFET內(nèi)寄生有輸入電容，而MOSFET的開關(guān)速度與電容充放電有很大關(guān)系，只要降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻，減小時(shí)間常數(shù)，可加快開關(guān)速度。 MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時(shí)間在10～100ns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 MOSFET屬于場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不

63、需輸入電流；但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率,,,,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,主要參數(shù)靜態(tài)特性參數(shù)　 漏極擊穿電壓UDS：指場(chǎng)效應(yīng)管能承受的最高工作電壓，是標(biāo)稱MOSFET額定電壓的參數(shù)。通常選UDS為實(shí)際工作電壓的2～3倍。　 漏極直流電流iD和漏極脈沖電流幅值IDM：是標(biāo)稱MOSFET額定電流的參數(shù)　 通態(tài)電阻Ron：指在一定柵源電壓下，MOSFET從可變電 阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)的直流電阻值

64、在一定范圍內(nèi)，Ron將隨著UGS的增加而減小 Ron具有正的溫度系數(shù)，Ron的正溫度系數(shù)特性使得通過各MOSFET的電流趨于平均，有利于MOSFET并聯(lián)應(yīng)用,,,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,開啟電壓UT：漏、源極之間形成導(dǎo)電溝道所需的最小柵源電壓，多為5V左右　柵源擊穿電壓BUGS：保證柵源絕緣不被擊穿的最高電壓，通常為±20V。柵源驅(qū)動(dòng)電壓通常為12～15V 跨導(dǎo)Gfs：在一定漏源電壓下，柵源電

65、壓高低決定了漏極電流大小，跨導(dǎo)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,動(dòng)態(tài)特性參數(shù) 開通時(shí)間ton 上升延遲時(shí)間td(on)與上升時(shí)間tr之和: 關(guān)斷時(shí)間toff 下降延遲時(shí)間td(off)與下降時(shí)間tf之和: MOSFET的開關(guān)過程很快，通常開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都小于1s，因而適合在高頻開關(guān)電路中作為開關(guān)元件使用　 過高的可能使MOSFET誤導(dǎo)通，易損壞器件。,,2.4.2

66、 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,功耗與溫度特性參數(shù)　　設(shè)MOSFET開關(guān)頻率為f，通過電流的有效值為I2D，一次開通、關(guān)斷損耗分別為Pon、Poff，則有：　　開關(guān)損耗： 　　通態(tài)損耗： 　　斷態(tài)損耗: 　　則MOSFET內(nèi)部發(fā)熱功率： 　　使用時(shí)應(yīng)限制器件的功耗，使 并提供良好的散熱條件使器件溫升不超過額定溫升。 應(yīng)用于高

67、頻開關(guān)時(shí)不能忽略開關(guān)損耗。,,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,MOSFET允許的最高結(jié)溫TM是確定的，而殼溫與外部散熱條件密切相關(guān)。因此，外部散熱條件決定了MOSFET器件的實(shí)際允許功耗。　　MOSFET柵極輸入電阻極大，柵、源極之間的擊穿電壓較低，因此MOSFET容易受到靜電危害。通常在使用時(shí)應(yīng)在柵、源極之間并接電阻。 MOSFET中寄生有一個(gè)反并聯(lián)二極管，使用中有時(shí)需要利用該管進(jìn)行續(xù)流，這時(shí)還要注意這個(gè)二極管的使用特

68、性，該寄生二極管不是快速二極管,2.4.2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,柵極驅(qū)動(dòng)電路　　MOSFET是電壓控制型器件，開關(guān)過程中只要對(duì)等效輸入電容充、放電即可。MOSFET的等效輸入電容應(yīng)按其開通所需總柵極電荷QG來計(jì)算?？倴艠O電荷包括柵源電容充電電荷、柵漏電容充電電荷。 等效輸入電容為Cin UGS:柵源電壓 開通時(shí)驅(qū)動(dòng)電路提供