電力電子技術(shù)第五版(王兆安)

1、第1章 緒論,1.1 什么是電力電子技術(shù) 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 1.4 本教材的內(nèi)容簡介,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)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 ?電力電子技術(shù)中所變換的“電力” 有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力” ，后者特指電力網(wǎng)的“電力” 。

2、 ?電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)(模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù))和電力電子技術(shù)兩大分支。,2/21,,1.1 什么是電力電子技術(shù),◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件 對電能進行變換和控制的技術(shù)。 ?電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。 ?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。,3/21,表1-1 電力變換的種類,1.1 什么是電力電子技術(shù),■電力電子學(xué) ◆美國學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電

3、力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。,4/21,圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角形,1.1 什么是電力電子技術(shù),?電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)的理論和工藝與用于信息變換的電子器件制造技術(shù)相同。?電力電子技術(shù)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電 子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。,5/21,1.1 什么是電力電子技術(shù),? 電力電子技術(shù)與電氣工程學(xué)科的關(guān)系

4、 隸屬于電氣工程一級學(xué)科 電力電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展必須依賴其它學(xué)科 電力電子技術(shù)促進了其他學(xué)科的發(fā)展 圖1-2 電氣工程的雙三角形描述,6/21,1.1 什么是電力電子技術(shù),?電力電子技術(shù)和控制理論 控制理論使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足

5、人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。 電力電子技術(shù)是弱電和強電之間的接口而控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強有力的紐帶。 控制理論是自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而電力電子裝置則是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。,7/21,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,8/21,■電力電子技術(shù)的發(fā)展史,圖1-3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆一般認(rèn)為，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晶閘管為標(biāo)志。,,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆

6、晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。 ?電子管(1904) ，在真空中對電子流進行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。 ?水銀整流器(1930s-1950s)，廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時期，也應(yīng)用直流發(fā)電機組來變流。 ?1

7、947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。,9/21,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆晶閘管時代 ?晶閘管憑借其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。 ?晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱

8、相控方式。 ?晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。 這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。,10/21,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC） ?70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。 全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通

9、又可使其關(guān)斷。 ?采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。 ?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。 與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。,11/21,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史

10、,?把驅(qū)動、控制、保護電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。?隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。,12/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,■電

11、力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍 ◆一般工業(yè) ?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動機，都是用電力電子裝置進行調(diào)速的。一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機等近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。避免調(diào)速電機起動時的電流沖擊的軟起動裝置。 ?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源 ?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源淬火電源及直

12、流電弧爐電源等場合。,13/21,,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆交通運輸 ?電氣化鐵道：電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。 ?電動汽車：電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅(qū)動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它

13、們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。 ?飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。,14/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆電力系統(tǒng) ?用戶終端：發(fā)達(dá)國家在用戶使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 ?直流輸電：其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實

14、現(xiàn)的。 ?電能質(zhì)量提高：晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無功補償或諧波抑制。 ? 在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等。 ?在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。,15/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,16/21,圖1-

15、5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站,圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆電子裝置用電源 ?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。 ?在大型計算機等場合，常常需要不間斷電

16、源（Uninterruptible Power Supply__ UPS）供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。,17/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆家用電器 ?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 ?空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、家用計算機， 不少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)?！羝渌??航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人

17、航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。 ?抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術(shù)來起動和調(diào)速。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。,18/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,19/21,?新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時，更離不開電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電

18、源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實驗或某些特殊場合，常需要一些特種電源。,圖1-7 風(fēng)場,1.4 本教材的內(nèi)容簡介,■本教材的內(nèi)容,20/21,,■參考書目?趙良炳.現(xiàn)代電力電子器件基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,1995.?丁道宏.電力電子技術(shù).北京:航空工業(yè)出版社,1992.?張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社,1998.?李先允,陳剛.電力電子技術(shù)習(xí)題集.北京:中國電力出版社,2008.,■網(wǎng)絡(luò)資源

19、? http://www.dianyuan.com/? http://www.21dianyuan.com/,21/21,學(xué)習(xí)目標(biāo)初級目標(biāo)：掌握常用電力電子器件工作原理、基本電路及控制方法。中級目標(biāo)：能利用上述知識進行簡單電力電子裝置設(shè)計與開發(fā)。高級目標(biāo)：綜合利用所學(xué)知識，設(shè)計滿足生產(chǎn)實際需要的電力電子裝置。,學(xué)習(xí)方法在掌握電力電子器件和基本電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用分段線性分析方法，熟悉電路中主要器件工作波形。充分利用教學(xué)實驗

20、，驗證電路工作原理和相關(guān)器件工作波形。發(fā)揮現(xiàn)代電力電子仿真軟件的作用，加強對本課程的感性認(rèn)識。,22/21,第2章 電力電子器件 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 典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié),,24

21、/89,引言,■模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) ——晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) ——電力電子器件■本章主要內(nèi)容： ◆概述電力電子器件的概念、特點和分類。 ◆分別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)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。,25/89,2.1 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 應(yīng)用電力電子器件的

22、系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分類 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點,,26/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,■電力電子器件的概念 ◆電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 ?主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 ?廣義上電力電子器件可分

23、為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。,,27/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,■電力電子器件的特征 ◆處理電功率的大小（承受電壓和電流的能力）一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)， ◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 ◆由信息電子電路來控制 ,而且需要驅(qū)動電路。 ◆自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。

24、,28/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,? 通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。? 當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。,,,,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開關(guān)損耗,開通損耗,關(guān)斷損耗,?電力電子器件的功率損耗,29/89,2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,■電力電子器件實際應(yīng)用：由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。,,電氣隔離,圖2-1 電力電子

25、器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,,30/89,2.1.3 電力電子器件的分類,■按照能夠被控制電路信號所控制的程度 ◆半控型器件 ?器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 ?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。◆全控型器件 ?通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通、關(guān)斷。 ?目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ◆不可控器件

26、 ?電力二極管（Power Diode） ?不能用控制信號來控制其通斷。,,31/89,2.1.3 電力電子器件的分類,■按照驅(qū)動信號的性質(zhì) ◆電流驅(qū)動型 ?從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 ◆電壓驅(qū)動型 ?在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號實現(xiàn)器 件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。■按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外 ）

27、 ◆脈沖觸發(fā)型 ?在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 ◆電平控制型 ?通過持續(xù)在控制端施加一定電平的電壓或電流信號使器件開通并維持導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持阻斷狀態(tài)。,32/89,2.1.3 電力電子器件的分類,■按照載流子參與導(dǎo)電的情況 ◆單極型器件 ?由一種載流子參與導(dǎo)電。 ◆雙極型器件 ?由電子和空穴兩種載流子

28、參與導(dǎo)電。 ◆復(fù)合型器件 ?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。,33/89,2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點,■本章內(nèi)容 ◆介紹不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題?！鰧W(xué)習(xí)要點 ◆掌握其基本特性（重點）。 ◆掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。 ◆了解電

29、力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。 ◆了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。,,34/89,2.2 不可控器件——電力二極管,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類型,,35/89,2.2 不可控器件——電力二極管·引言,■電力二極管（Power Diode）

30、 ?自1950s初期就獲得應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。 ?在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。,整流二極管及模塊,36/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實際上是由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多

31、種封裝。,圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號,,37/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦?◆正向?qū)ǎ篜N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF。 ◆反向截止：當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過。

32、◆反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)。 ?按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 。 ?反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 ?否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。,38/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■PN結(jié)的電容效應(yīng) ◆

33、稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容 ◆按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD ?勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。 ?擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結(jié)電容主要成分。 ◆結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?39/

34、89,2.2.2 電力二極管的基本特性,■靜態(tài)特性 ◆主要是指其伏安特性 ◆正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO ），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。 ◆承受反向電壓時，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,圖2-5 電力二極管的伏安特性,,40/89,,,,2.2.2 電力二極管的基本特性,u,圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形

35、 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,■動態(tài)特性 ◆因為結(jié)電容的導(dǎo)致電壓-電流隨時間變化，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。 ◆由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 ?電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止?fàn)顟B(tài)。 ?在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。

36、?延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。,t0:正向電流降為零的時刻,t1:反向電流達(dá)最大值的時刻,t2:電流變化率接近于零的時刻,41/89,2.2.2 電力二極管的基本特性,◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 ?先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)

37、過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。 ?正向恢復(fù)時間tfr ?出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。,圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,42/89,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),■正向平均電流IF(AV) ◆

38、指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其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?！稣驂航礥F ◆指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降?！龇聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM ◆指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 ◆使

39、用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。,,43/89,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),■最高工作結(jié)溫TJM ◆結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 ◆最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 ◆TJM通常在125～175?C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴?fù)時間trr■浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。,44/89,2.2.4 電力二極管的主要類型,■

40、按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。 ◆普通二極管（General Purpose Diode） ?又稱整流二極管（Rectifier Diode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。 ?其反向恢復(fù)時間較長，一般在5?s以上 。 ?其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。,,45/89,2.

41、2.4 電力二極管的主要類型,◆快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode——FRD） ?恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5?s以下） 。 ?快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED） ，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu) ，其反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。 ?從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等

42、級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。,46/89,2.2.4 電力二極管的主要類型,◆肖特基二極管（Schottky Barrier Diode—SBD） ?優(yōu)點：反向恢復(fù)時間很短（10~40ns），正向恢復(fù)過程中不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。 ?弱點：當(dāng)所

43、能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。,47/89,2.3 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 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件,,48/89,2.3 半控器件—晶閘管&#

44、183;引言,■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。 ■1956年美國貝爾實驗室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！銎涑惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡撸夜?/p>

45、作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。,,晶閘管及模塊,49/89,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,■晶閘管的結(jié)構(gòu) ◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 ◆引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。 ◆內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。,圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號,,50/89,,2.3.1 晶閘管的結(jié)

46、構(gòu)與工作原理,圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,■晶閘管的工作原理 ◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：,式中?1和?2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。,51/89,,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下? 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，? 迅速增大?！粼诰w管阻斷

47、狀態(tài)下，IG=0，而?1+?2是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。 ◆如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致?1+?2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。◆由于外電路負(fù)載的限制，IA實際上會維持有限值。,,由以上式（2-1）~（2-4）可得,(2-5),52/89,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,■除門極觸發(fā)外其他幾種可能

48、導(dǎo)通的情況 ◆陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) ◆陽極電壓上升率du/dt過高 ◆結(jié)溫較高 ◆光觸發(fā)■這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,53/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,■靜態(tài)特性 ◆正常工作時的特性 ?當(dāng)晶閘管承受反向電

49、壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通 。 ?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 。 ?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 ?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。,,54/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,◆晶閘管的伏安特性 ?正向特

50、性 √當(dāng)IG=0時，在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。 √如果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，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 √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。,圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2

51、>IG1 >IG,55/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,?反向特性 √其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，只有極小的反向漏電流通過。 √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大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。,圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG,56/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,■動態(tài)特

52、性 ◆開通過程 ?陽極電流的增長不可能是瞬時：晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間；外電路電感的限制 ?延遲時間td (0.5~1.5?s) 上升時間tr (0.5~3?s) 開通時間tgt=td+tr ?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮

53、短。,圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,57/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,◆關(guān)斷過程 ?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。 ?反向阻斷恢復(fù)時間trr 正向阻斷恢復(fù)時間tgr 關(guān)斷時間tq=trr+tgr ?關(guān)斷時間約幾百微秒。 ?在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘

54、管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。,圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,100%,58/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),■電壓定額 ◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM ?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向 峰值電壓（見圖2-9）。 ?國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90

55、%。 ?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 ◆反向重復(fù)峰值電壓URRM ?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向 峰值電壓（見圖2-8）。 ?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 ?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。,,59/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),◆

56、通態(tài)（峰值）電壓UT：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。 ◆額定電壓：通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值。 選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~ ◆通態(tài)平均電流 IT(AV） ?國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40?C和規(guī)定的冷 卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 ?

57、 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。 ?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計算結(jié)果的1.5~2倍。,60/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),◆維持電流IH ?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 ?結(jié)溫越高，則IH越小。 ◆擎住電流 IL ?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的

58、最小電流。 ?約為IH的2~4倍 ◆浪涌電流ITSM ?指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。,61/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),■動態(tài)參數(shù) ◆開通時間tgt和關(guān)斷時間tq ◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt ?在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，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。 ?電壓上升率過大，使充電電流足夠

59、大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 ◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt ?在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 ?如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。,62/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,■快速晶閘管（Fast Switching Thyristor——FST） ◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。 ◆快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了

60、明顯改善。 ◆從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10?s左右。 ◆高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 ◆由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。,,63/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,■雙向晶閘管（Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode th

61、yristor） ◆可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。 ◆門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。 ◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。,圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,64/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,a),K,G,A,,,,,,,,■逆導(dǎo)晶閘管（Rev

62、erse Conducting Thyristor——RCT） ◆是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。 ◆具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。,圖2-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,65/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,A,G,K,a),

63、,,,,,,,,,,,,,,AK,■光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT） ◆是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 ◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合。,圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,66/89,2.4 典型全控型器件,2.4.1 門

64、極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管 2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,,67/89,2.4 典型全控型器件·引言,■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個嶄新時代。■典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。,電力MOSFET,I

65、GBT單管及模塊,68/89,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,■晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。 ■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆GTO的結(jié)構(gòu) ?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 ?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO單元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。,圖2-14 GTO的內(nèi)

66、部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 電氣圖形符號,,69/89,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,◆GTO的工作原理 ?V1、V2的共基極電流增益分別是?1、?2。?1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。 ?GTO與普通晶閘管的不同 √設(shè)計

67、?2較大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關(guān)斷。 √導(dǎo)通時?1+?2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 √多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。,70/89,2.4.1 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，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。 ?而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+?2

68、<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。 ?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。,71/89,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,■GTO的動態(tài)特性 ◆開通過程與普通晶閘管類似。 ◆關(guān)斷過程 ?儲存時間ts 下降時間tf 尾部時間tt ?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 ?門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前