电力电子技术第五版第2章课件.ppt
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- 电力 电子技术 第五 课件
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1、第第2章章 电力电子器件电力电子器件 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 v电力电子器件的电力电子器件的概念、特点和分类概念、特点和分类等问题。等问题。v各种常用电力电各种常用电力电子器件的工作原理、子器件的工作原理、基本特性、主要参基本特性、主要参数以及选择和使用数以及选择和使用中应注意的一些问中应注意的一些问题。题。2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
2、应用电力电子器件的系统组成2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1 电力电子器件的概述电力电子器件的概述电力电子器件(电力电子器件(power electronic device)可直可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件。制的电子器件。主电路(主电路(main power circuit)电气设备或电力电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路。系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路。2.1.1 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、概念:、概念:2、同处理信息的电子器件相比,电
3、力电子器件的一同处理信息的电子器件相比,电力电子器件的一般特征:般特征:能处理电功率的大小,即能处理电功率的大小,即承受电压和电流的能力承受电压和电流的能力,是最重要,是最重要的参数。的参数。电力电子器件一般都工作在电力电子器件一般都工作在开关状态开关状态。实用中,电力电子器件往往需要由实用中,电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制信息电子电路来控制。电电力力电电子子器器件件主主要要损损耗耗通态损耗:通态损耗:导通时器件上有一定的通态压降导通时器件上有一定的通态压降断态损耗:断态损耗:阻断时器件上有微小的断态漏电流流过阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗:开关损耗:开通损耗:在器件开通
4、的转换过程中开通损耗:在器件开通的转换过程中产生的损耗产生的损耗关断损耗:在器件关断的转换过程中关断损耗:在器件关断的转换过程中产生的损耗产生的损耗电力电子系统:由控制电路、驱动电路和以电力电力电子系统:由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。电子器件为核心的主电路组成。2.1.2 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控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2按照器件能够被控制电路信号所控制的程度,分为按照器件能够被控制电路信号所控制的程度,分为以下三类:以下三类:2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类绝缘栅双极晶体管(绝
5、缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT)电力场效应晶体管(电力电力场效应晶体管(电力MOSFET)门极可关断晶闸管(门极可关断晶闸管(GTO)3)不可控器件不可控器件电力二极管(电力二极管(Power Diode)只有两个端子,器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决只有两个端子,器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断,通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断,又称自关断器件。又称自关断器件。晶闸管晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件及其大部分派生器件器件的关断由其在
6、主电路中承受的电压和电流决定器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱因此也就不需要驱动电路。动电路。1)半控型器件半控型器件 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质,分为两类:性质,分为两类:2)电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制导通或者关断的控制 1)电流驱动型电流驱动型仅通过在控制端
7、和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制电压信号就可实现导通或者关断的控制 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情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:况分为三类:2)双极型器件双极型器件3)复合型器件复合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 1)1)单极型器件单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由单极型器件和双极型器件集成混合而成由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件的器件 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二
8、极管的主要类型及典型应用电力二极管的主要类型及典型应用2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.正向平均电流正向平均电流IF(AV)额定电流额定电流在指定的管壳温度(简称壳温,用在指定的管壳温度(简称壳温,用TC表示)和表示)和散热条件下,其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。散热条件下,其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下,流过某一指定的稳态正向电指电力二极管在指定温度下,流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。流时对应的正向压降。3.反向重复峰值电压反向重复峰值电
9、压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压4.浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。的过电流。1.普通二极管(普通二极管(General Purpose Diode)又称整流二极管(又称整流二极管(Rectifier Diode)多用于开关频率不高(多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中以下)的整流电路中其反向恢复时间较长,一般在其反向恢复时间较长,一般在5 s以上,这在开关频率不以上,这在开关频率不高时并不重要。高时并不重要。正向电流定额
10、和反向电压定额可以达到很高,分别可达数正向电流定额和反向电压定额可以达到很高,分别可达数千安和数千伏以上。千安和数千伏以上。2.2.4 电力二极管的主要类型及典型应用电力二极管的主要类型及典型应用v分类:分类:2.快恢复二极管(快恢复二极管(Fast Recovery DiodeFRD)恢复过程很短特别是反向恢复过程很短(恢复过程很短特别是反向恢复过程很短(5 5 s s以下)的二极管,以下)的二极管,也简称快速二极管也简称快速二极管.3.肖特基二极管肖特基二极管 反向恢复时间很短(反向恢复时间很短(1040ns)正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 在反向
11、耐压较低的情况下其正向压降也很小,明显低于快恢在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小,明显低于快恢复二极管复二极管 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小,效率高其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小,效率高 v二极管的典型应用二极管的典型应用 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 晶闸管(晶闸管(Thyristor):):晶体闸流管,可控硅整流器晶体闸流管,可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifie
12、rSCR)1956年美国贝尔实验室(年美国贝尔实验室(Bell Lab)发明了晶闸管发明了晶闸管;1957年美国通用电气公司年美国通用电气公司(GE)开发出第一只晶闸管产开发出第一只晶闸管产品品;1958年商业化年商业化;开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代;20世纪世纪80年代以来,开始被性能更好的全控型器件取代年代以来,开始被性能更好的全控型器件取代;能承受的电压和电流容量最高,工作可靠,在大容量的能承受的电压和电流容量最高,工作可靠,在大容量的场合具有重要地位场合具有重要地位.AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1
13、J2J3晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号l 结构结构RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)分析分析!结论:触而导通,通结论:触而导通,通而不断,断则反压。而不断,断则反压。其他几种可能导通的情况:其他几种可能导通的情况:阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升阳极电压上升率率du/dt过高过高 结温较高结温较高 光直接照射硅片,即光触发光直接照射硅片,即光触发只有门极触发(包括光触发)是最精确、迅
14、速而只有门极触发(包括光触发)是最精确、迅速而可靠的控制手段可靠的控制手段正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1.静态特性(伏安特性)静态特性(伏安特性)2.动态特性动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形延迟时间延迟时间上升时间上升时间反向阻断反向阻断恢复时间恢复时间正向阻断正向阻断恢复时间恢复时间开通时间:开通时间:tgt=td+tr关断时间:关断时间:tq=trr+tgr1.电压定额电压定额通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和U
15、RRM中较小的标值作为该器件的额定电中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时,额定电压要留有一定裕量压。选用时,额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压时晶闸管所承受峰值电压23倍。倍。1)断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM正向折转电压的正向折转电压的80%2)反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 反向折转电压的反向折转电压的80%3)通态(峰值)电压通态(峰值)电压UTM额定电流管压降峰值额定电流管压降峰值 使晶闸管维持导通所必需的最小电流,一般为几十到几百毫安,与结使晶闸管维持导通所必需的最小电流,一般为几十到几百毫安,与结温
16、有关。结温越高,则温有关。结温越高,则IH越小。越小。4)浪涌电流浪涌电流ITSM 3)擎住电流擎住电流 IL(=2-4IH)2)维持电流维持电流 IH 注意:使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则注意:使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量,一般取来选取晶闸管。应留一定的裕量,一般取1.52倍。倍。1)通态平均电流通态平均电流 IT(AV)2.电流定额电流定额电流的有效值是从电流的热效应来考虑的,电流的有效值是从电流的热效应来考虑的,是电流的平方在时间积累是电流的平方在时间积累效应上的平均效果效应上的平均效果指在额定结温和门极开路的情况下,不导
17、致晶闸管从指在额定结温和门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。断态到通态转换的外加电压最大上升率。指在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大指在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。通态电流上升率。如果电流上升太快,则晶闸管刚一开通,便会有很大的电如果电流上升太快,则晶闸管刚一开通,便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内,从而造成局部过热而使晶闸流集中在门极附近的小区域内,从而造成局部过热而使晶闸管损坏管损坏。(2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时,相在阻断的晶闸管两端施加的电
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