电力电子技术课件程汉湘-第一章--电力电子器件-.ppt
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- 电力 电子技术 课件 程汉湘 第一章 电子器件
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1、1第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结21.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点31.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.概念概念主电路(主电路(Power CircuitPower
2、 Circuit)在电气设备或电力在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变化或控制任务的电系统中,直接承担电能的变化或控制任务的电路。路。电力电子器件(电力电子器件(Power Electronic Device)Power Electronic Device)直接直接用于处理电能主电路中,实现电能的变换或控用于处理电能主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件。制的电子器件。2.2.分分类类电真空器件电真空器件(汞弧整流器、闸流管等,已(汞弧整流器、闸流管等,已逐步被半导体器件取代)逐步被半导体器件取代)半导体器件半导体器件(目前所指电力电子器件,采用(目前所指电力电子器件,采用材料任然是硅)
3、材料任然是硅)4电力电子器件是功率半导体器件(金属电导率106mhos-cm-1,良绝缘体10-15mhos-cm-1)。1)电力电子器件所能处理电功率的大小,是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电 子器件。2)电力电子器件因处理电功率较大,为了减小本身的损 耗、提高效率,一般都工作在开关状态。3)电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4)电力电子器件尽管工作在开关状态,但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件,为了保证不至于因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏,不仅在器 件封装上考虑散热设计,而且在其工作时一般
4、都还需 要设计安装散热器。3.3.特征特征51.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点61.1.2 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子系统电力电子系统由控制电路、驱由控制电路、驱动电路、电力电动电路、电力电子器件为核心的子器件为核心的主电路主电路组成组成7导通导通主电路中主电路中电力电
5、子器件电力电子器件关断关断检测电路、驱动电路以外的电路检测电路、驱动电路以外的电路控制电路控制电路由信息电路组成由信息电路组成控制电控制电路路主电路主电路电力电子系统电力电子系统检测电检测电路路检测主电路或应用现场信号检测主电路或应用现场信号通过驱动电路通过驱动电路控制控制8主电路主电路驱动电路驱动电路检测电检测电路路控制信号控制信号电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离保护电路保护电路 保证电力电子器件和整个电力电保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行子系统正常可靠运行9 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2主电路端子主电路端子之间
6、信号之间信号导通导通关断关断电力电子器件电力电子器件控制端控制端主电流端子(公共端)主电流端子(公共端)驱动电路和主电路,驱动电路和主电路,是主电路电流流出电力电子器件的端子是主电路电流流出电力电子器件的端子101.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点111.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度分为以下三类分为以下三类半控型器件全控型器件通
7、过控制信号可控制通过控制信号可控制其导通而其导通而不不能能控制其关断控制其关断晶闸管晶闸管及其派生器件及其派生器件关关 断断主主电电路路电电流流电电压压通过控制信号即可控制通过控制信号即可控制其导通又其导通又能能控制其关断控制其关断绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管自关断器件门极可关断晶体管门极可关断晶体管处理兆瓦级处理兆瓦级大功率电能大功率电能12不能不能用用控制信号控制控制信号控制其通断,其通断,不需要不需要驱动电路驱动电路电力二极电力二极管管不控型器件主主电电路路通通 断断电电流流电电压压只有两个端子只有两个端子2.2.按照驱动电
8、路加在按照驱动电路加在电力电子电力电子器件控制端和公共端器件控制端和公共端之间信号的性质分为两类之间信号的性质分为两类电流驱动型电压驱动型控控制制端端通通 断断注注入入电电流流 抽抽出出电电流流电压信号电压信号公公共共端端控控制制端端133.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类:分为三类:单极型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件141.1
9、1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点151.1.4 1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点电力电子器件选择、使用时选择、使用时注意的问题注意的问题 工作原理工作原理基本特征基本特征主要参数主要参数电力电子器件基本特征基本特征型号命名法型号命名法参数参数特征曲线特征曲线16第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电
10、力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结171.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管逐步逐步取代取代结构和原理简单结构和原理简单工作可靠工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管电力二极管(半导体整流器)(半导体整流器)2020世纪世纪5050年年初获得应初获得应汞弧汞弧整流器整流器应用应用快恢复二极管快恢复二极管肖特基二极管肖特基二极管中、高频电流中、高频电流逆变逆变低压高频电流低压高频电流181.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性
11、 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型191.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 以半导体以半导体PNPN结为基结为基础,由一个面积较大础,由一个面积较大的的PNPN结和两端引线结和两端引线以及封装组成,外形以及封装组成,外形上看,主要有螺栓型上看,主要有螺栓型和平板型两种封装,和平板型两种封装,基本结构和工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的与信息电子电路中的二极管一样。二极管一样。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号20NN型半导体和型半导体和P P型半导体结合后
12、构成型半导体结合后构成PNPN结结图1-3 PN结的形成扩散运动扩散运动 N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别,造成各区多数载流子(多子)向另一区移动,到对方区成为少数载流子(少子)的运动。空间电荷空间电荷 在界面两侧不能任意移动的正、负电荷。内电场(自建电场)内电场(自建电场)空间电荷建立的电场漂移运动漂移运动内电场一方面阻止扩散运动,另一方面又吸引对方区内少子向本区运动。空间电荷区空间电荷区扩散运动和漂移运动达动态平衡,正、负空间电荷量达稳定值,形成稳定的由空间电荷构成的区域空间空间电荷区电荷区耗尽层耗尽层阻挡层阻挡层势垒区势垒区+P P型区型区空间电荷区空间电荷区 NN型区型区内电内电场
13、场21图1-3 PN结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动少子的漂移运动少子的漂移运动扩散电流扩散电流PN结外加电场PN结自建电场方向相反形成自P区流入从N区流出的电流内部内部外电路外电路造成空间电荷区变窄正向电流正向电流I IF F+P P型区型区空间电荷区空间电荷区 NN型区型区内电内电场场22外加电压升高PNPN结的正向导通状结的正向导通状态态扩散电流增加自建电场削弱PN结流过的正向电流电阻值较高且为常数较小较大电阻率下降电导率增加电导调电导调制效应制效应PNPN结的正向导通状态结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低,维持在1V左右,所以正向偏置的PN结表现为
14、低阻态。23PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导电性,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。反向电流反向电流I IR R少子浓度很小,在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定PN结外加反向电压N区流入P区流入出反向反向饱饱和流和流I IS S高电阻几乎没有电流流过PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态24PNPN结的反向击穿结的反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结反向偏置为截止的工作状态雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿热击热击穿穿因热量散发不出PN结温度上升过热烧坏25结电容结电容C C J J(微分电容微分电容)PN结中电荷量随外加电压变化
15、,呈现电容效应势垒电容势垒电容C CB B扩散电容扩散电容CDPN结截面成正比阻挡层成反比大小正正向向电电压压较较高高正向电压较低仅在正向偏置时起作用外加电压变化时起作用结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作。261.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型271.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.1.静态特性静态特性UIIFUFUT O0IFtr rtfIR PUR Pt0t1t2d i/
16、d tRd i/d tFURttiFUF P2 Vtf r0UF(a)(b)(c)图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管电力二极管静态特征静态特征伏安特征伏安特征值定一到大压电向正正向电流开始明显增加,处于稳定导通状态。承受反向电压时只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。28零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中电压电流特性随时间变化2.2.动态特性动态特性电力二极管的动态状态电力二极管的动态状态反映通态和断态之间过程的开关特性29图1-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置电力二极管的关断电力二极管的关断经过一段短暂的时
17、间才能重新获得反向阻断,进入截止状态。IRP电流过冲最大值URP电压过冲最大值td=t1-t0延迟时间tf=t2-t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间tf/td 恢复特性的软度,用Sr表示a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURtdtdiFtF t0 dtdiRURPdt在关断之前有较大的反向电流,伴随明显的反向电压过冲。30图1-5电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的开通电力二极管的开通iu,FPUFiFufrt2V0tb)正向恢复时间正向恢复时间tfr 电力二极管的正向压降出现过冲uFP,经过一段时间 接近稳态降压的某个值,这一动态过程时间。电压过冲
18、原因电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。2)正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大,UFP越高。31 注意:电流、电压反向问题注意:电流、电压反向问题 正偏压时,正向偏压降约为1V左右;导通时,二极管看成是理想开关元件,因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多;但在关断时,它需要一个反向恢复的时间(reverser-recovery time)以清除过剩载流子。321.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力
19、二极管的主要类型331.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV)在规定的管壳温度和散热条件下,所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义,使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定,应留有一定的裕量。当用在频率较高的的场合,其开关损耗也不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管,其断态损耗造成的发热效应也不小。正向压降正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。34浪涌电流浪涌电流IFSM 电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。最高工作结温最高工作结温TJM 在
20、PN结不受损坏的前提下,二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175范围内。反向恢复时间反向恢复时间trr 二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压351.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型361.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型普通二极管普通二极管(整流二极管)整流二极管)多用于开关频率多用于开关频率不高(不高(1 1kHz以下)以下)
21、的整流电路中的整流电路中 反向恢复时间长反向恢复时间长一般在一般在5s以上以上正向电流定额和正向电流定额和反向电压定额很反向电压定额很高,分别可达数高,分别可达数千安和数千伏以上千安和数千伏以上 37快恢复二极管快恢复二极管恢复过程很短,特别是反向恢复过程很短(5s以下)的二极管,简称快速二极管。工艺多采用掺金措施结构上采用PN结构 也有采用加以改进的PiN结构 采用外延型PiN结构快恢复外延二极管快恢复外延二极管其反向恢复时间更短(可低于50ns),正向压降也很低(0.9V左右),反向耐压多在1200V以下。快速恢复二极管快速恢复二极管超快速恢复二极管超快速恢复二极管 反向恢复时间数百纳秒或
22、更长100ns以下,甚至达2030ns快恢复二极管从性能上分为两种 38肖特基二极管肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。导通压降只有0.3V(forward voltage drop),反压为50-100V。反向恢复时间更短,1040ns,不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向耐压时,正向压降也会提高,多用于200V以下的低压场合;反向漏电流也很大。39第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护
23、 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结401.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性(静态、动态、)晶闸管的基本特性(静态、动态、)1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件41晶闸管的正向阻断电压(blocking voltage)是相同的,根据不同的应用对象,有各种不同的晶闸管。除了电压电流的额定值外,tq、正向导通压降、导通时的电流上升率di/dt,关断时的电压上升率dv/dt等,都是要考虑的特性。
24、相控晶闸管Phase-control Thyrister,有时称作整流晶闸管Converter thyristor,用于主要用于整流器。器件圆盘达到10cm。平均电流4000A或更高,阻断电压5-7kV,通态压降从1.5V(1000V器件)到30V(对5-7kV晶闸管)。逆导晶闸管Inverter-grade thyristor,导通压降低,tq(考虑了trr的可靠系数)小,额定值达到2500V/1500A,tq一般在几个微秒到100微秒,这取决于阻断电压的而定值及导通电压降。光控晶闸管Light-cutivated thyristor:级联方式用于高压系统,易于触发,4kV/3kA。421.
25、3.11.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKA AK KG图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 a)c)b)AGKGKA43RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型 b工作原理)产生注入门极的触发电流IG的电路触发触发门极触发电路门极触发电路对晶体管的驱动44晶体管工作原理如以下方程所示晶体管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1 (1-1)Ic2=a2IK+ICBO2 (
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