1、第二章電力電子器件，2.1電力電子器件概述2.2不可控器件二極管2.3半控器件晶閘管2.4典型全控器件2.5其他新型電力電子器件2.6電力集成電路和集成電力電子模塊本章概要，電子技術(shù)基礎(chǔ)電子器件：晶體管和集成電路電力電子器件本章主要內(nèi)容：電力電子器件的概念、特性和分類概述。介紹了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)注意的問題。第二章電力電子裝置簡(jiǎn)介，2.1.1電力電子裝置的概念和特點(diǎn)2.1.2電力電子裝置的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子裝置的分類2.1.4本章的內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)，2.1電力電子裝置概述，1)概念：電力電子裝置可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或控制。主電源

2、電路(Main Power Circuit)是電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中直接承擔(dān)電能轉(zhuǎn)換或控制的電路。2)分類：電真空裝置(汞弧整流器、閘流管)半導(dǎo)體裝置(主要由硅制成)仍然，2.1.1電力電子裝置的概念和特性，電力電子裝置處理電力的能力，一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理信息的電子裝置。電力電子設(shè)備一般工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子設(shè)備通常需要由信息電子電路控制。電力電子設(shè)備的功率損耗比信息電子設(shè)備的功率損耗大得多，所以通常安裝散熱器。2.1.1電力電子設(shè)備的概念和特點(diǎn)；3)與處理信息的電子設(shè)備相比的一般特征：接通狀態(tài)損耗是設(shè)備功率損耗的主要原因。當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主損耗、開

3、態(tài)損耗、關(guān)態(tài)損耗、開關(guān)損耗、關(guān)態(tài)損耗、開態(tài)損耗、2.1.1電力電子器件的概念和特性、電力電子器件的損耗、電力電子系統(tǒng)：它由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖2-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成，在主電路和控制電路中增加一些電路，保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)的正?？煽窟\(yùn)行，2.1.2電力電子器件的系統(tǒng)組成，電氣隔離，控制電路，晶閘管可以通過控制信號(hào)控制其導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷。完全受控的器件(IGBT，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)可以通過控制信號(hào)控制它們的導(dǎo)通和關(guān)斷，也稱為自關(guān)斷器件。功率二極管不能通過控制信號(hào)打開和關(guān)閉，所以它們不需要驅(qū)動(dòng)電路。2.1.3電力

4、電子裝置的分類可根據(jù)裝置可控制的程度分為以下三類：(1)電流驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或汲取電流來實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。2.1.3根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，電力電子器件的分類可分為兩類：本章：介紹了各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用時(shí)應(yīng)注意的一些問題。學(xué)習(xí)：點(diǎn)最重要的是掌握它的基本特征。掌握電力電子設(shè)備的型號(hào)命名，以及它們的參數(shù)和特性曲線的使用。主電路的其他電路元件可能有特殊要求。2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)，2 . 2 . 1pn結(jié)和功率二極管的工作原理，2.2.2功率二極管的基本特性，2.2.3功率二極管的主要參

5、數(shù)，2.2.4功率二極管的主要類型，2.2不可控器件功率二極管，自20世紀(jì)50年代初開始應(yīng)用，結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠?？焖倩謴?fù)二極管和肖特基二極管在中高頻整流逆變以及低壓高頻整流中發(fā)揮著不可替代的作用。2.2不可控設(shè)備介紹功率二極管，整流二極管和模塊，ba它由一個(gè)大面積的PN結(jié)、兩端的引線和一個(gè)封裝組成。從外觀上看，包裝主要有兩種類型：螺栓型和平板型。圖2-2功率二極管的形狀、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)A)形狀B)結(jié)構(gòu)C)電氣圖形符號(hào)2 . 2 . 1PN結(jié)和功率二極管的工作原理二極管的基本原理在于pn結(jié)單向?qū)щ姷闹饕攸c(diǎn)。PN結(jié)反向擊穿(兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿可能導(dǎo)致熱擊穿，2 . 2 . 1

6、PN結(jié)和功率二極管的工作原理，pn結(jié)的狀態(tài)主要指其伏安特性閾值電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加相應(yīng)的電壓。對(duì)應(yīng)于中頻的功率二極管兩端的電壓是其直流壓降。當(dāng)受到反向電壓時(shí)，只有小而恒定的反向漏電流。圖2-4功率二極管的伏安特性，2.2.2功率二極管的基本特性，1)靜態(tài)特性，在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下允許流動(dòng)的最大工頻正弦半波電流的平均值。中頻是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來定義的。使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)有效值相等的原則選擇當(dāng)前定額，并預(yù)留一定的余量。2.2.3功率二極管的主要參數(shù)，1)正向平均電流，當(dāng)指定的穩(wěn)定正向電流在指定的溫度下流動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的正向電壓降。3)反向重復(fù)峰值電壓URRM是可重復(fù)施加到功率二極管

7、的最高反向峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)預(yù)留兩倍的余量。4)反向恢復(fù)時(shí)間trr trr=td tf，2.2.3功率二極管主要參數(shù)，2)正向壓降UF，結(jié)溫指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM指的是在不損壞PN結(jié)的情況下可以維持的最高平均溫度。TJM通常在125175攝氏度的范圍內(nèi)。6)浪涌電流IFSM是指功率二極管能夠承受的一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的最大連續(xù)過電流。2.2.3功率二極管的主要參數(shù)，5)最大工作結(jié)溫TJM，1)通用二極管，又稱整流二極管，主要用于開關(guān)頻率低(1kHz以下)的整流電路，其反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，根據(jù)正向壓降、反向耐壓和反向漏電流的性能，特別是反向

8、恢復(fù)特性的差異。2.2.4主要類型的功率二極管，稱為快速恢復(fù)外延二極管弗雷德，具有較短的trr(低于50ns)和較低的UF(約0.9V)，但其反向耐受電壓大多低于1200V。性能可分為兩個(gè)級(jí)別：快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)。前者的trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，而后者的TRR低于100納秒，甚至高達(dá)2030納秒。2.2.4功率二極管的主要類型，2)快速恢復(fù)二極管，肖特基二極管的弱點(diǎn)，正向壓降會(huì)隨著反向耐受電壓的增加而增加，主要用于200伏以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間非常短(1040納秒)。正向恢復(fù)過程中不會(huì)出現(xiàn)明顯的電壓過沖。當(dāng)反向耐受電壓較低時(shí)，正向壓降

9、明顯低于快速恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗小于快速二極管。2.2.4功率二極管的主要類型3。肖特基二極管基于金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管SBD。2.3晶閘管半控裝置，2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理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晶閘管的衍生裝置，2.3晶閘管半控裝置的介紹，貝爾實(shí)驗(yàn)室在1956年發(fā)明了晶閘管。1957年，美國(guó)通用電氣公司開發(fā)了第一個(gè)晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。它開辟了電力電子技術(shù)快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新時(shí)代。自20世紀(jì)80年代以來，它已經(jīng)被完全受控的設(shè)備所取代。它能承受最高的電壓和電流容量，工作可靠，在大容

10、量場(chǎng)合發(fā)揮重要作用。晶閘管：晶體晶閘管，可控硅整流器，圖2-17晶閘管的形狀、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)A)形狀b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)，2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理，帶螺栓型和平板型封裝。有三個(gè)連接端。螺栓式封裝，通常以螺栓為陽極，可與散熱器緊密連接，安裝方便。扁平晶閘管可以被兩個(gè)散熱器夾在中間。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理，常用的晶閘管結(jié)構(gòu)，插銷晶閘管，晶閘管模塊，扁平晶閘管的形狀和結(jié)構(gòu)，1-27，晶閘管的陽極和陰極之間應(yīng)加直流電壓。晶閘管的柵極和陰極之間應(yīng)加直流電壓和電流。一旦晶閘管接通，柵極就會(huì)失去控制。(半控裝置)要關(guān)斷晶閘管，晶閘管的電流只能降低到接近于零的某個(gè)值以下，或者它能承受

11、反向電壓。你為什么會(huì)有以上的開關(guān)特性？為了接通晶閘管，必須滿足以下兩個(gè)條件：2.3.1晶閘管結(jié)構(gòu)和工作原理，2.3.1晶閘管結(jié)構(gòu)和工作原理，其中1和2分別是晶體管V1和V2的公共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的公共基極漏電流。根據(jù)上面的公式，我們可以得到：(2-10)、1-29、2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理，圖2-18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。Ic2(Ib1)、Ic1、2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理在低發(fā)射極電流時(shí)非常小，但當(dāng)發(fā)射極電流建立時(shí)，它迅速增加。(形成強(qiáng)正反饋，器件保持自鎖導(dǎo)通，不再需要觸發(fā)電流)阻塞狀態(tài)：IG=0，1

12、2很小。流經(jīng)晶閘管的漏電流略大于兩個(gè)晶體管的漏電流之和。導(dǎo)通狀態(tài)(柵極觸發(fā)):如果通過注入觸發(fā)電流增加晶體管的發(fā)射極電流，使1/2接近1，流經(jīng)晶閘管的電流IA將接近無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。儀表放大器實(shí)際上是由外部電路決定的。(2-10)，2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理，陽極電壓上升到相當(dāng)高的值所引起的雪崩效應(yīng)，高陽極電壓上升率du/dt，高結(jié)溫，光觸發(fā)和光觸發(fā)可以保證控制電路和主電路之間的良好絕緣，所以它被用于高壓電力設(shè)備，稱為光觸發(fā)晶閘管。只有閘門觸發(fā)是最準(zhǔn)確、快速、可靠的控制方法。其他可能的導(dǎo)通情況：2.3.2晶閘管的基本特性，當(dāng)承受反向電壓時(shí)，無論柵極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。在

13、直流電壓下，晶閘管只有在柵極有觸發(fā)電流時(shí)才能導(dǎo)通。一旦晶閘管接通，柵極就會(huì)失去控制。為了關(guān)閉晶閘管，晶閘管的電流只能下降到接近零的某個(gè)值以下，或者承受反向電壓。數(shù)據(jù)表，晶閘管在正常運(yùn)行時(shí)的特性總結(jié)如下：2.3.2晶閘管的基本特性，當(dāng)IG=0時(shí)，UAK0處于閉鎖狀態(tài)，漏電流很??；當(dāng)UAK接通正向電壓UbO時(shí)，IA變尖并接通，UAK1V；IG越大，電壓轉(zhuǎn)向值越小。如果IG0和IA到IH(保持電流)，返回正向阻斷狀態(tài)；當(dāng)UAK0處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，反向漏電流很??；如果|UAK|反向擊穿電壓|，反向漏電流會(huì)急劇增加，雪崩擊穿，甚至熱擊穿。1)靜態(tài)特性，圖2-19晶閘管IG2IG1IG的伏安特性，1-3

14、4。在導(dǎo)通期間，如果柵極電流為零，并且陽極電流下降到接近零的某個(gè)值IH以下，則晶閘管返回到正向阻斷狀態(tài)。IH被稱為保持電流。當(dāng)對(duì)晶閘管施加反向電壓時(shí)，伏安特性與二極管相似。陰極是晶閘管主電路和控制電路之間的公共端子。2.3.2晶閘管的基本特性，1-35，晶閘管的柵極觸發(fā)電流從柵極流入晶閘管，柵極觸發(fā)電流從陰極流出，這通常是通過觸發(fā)電路在柵極和陰極之間施加觸發(fā)電壓引起的。為了確保可靠和安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠的觸發(fā)范圍內(nèi)。2.3.2晶閘管的基本特性，1-36，在晶閘管的柵極伏安特性圖中由ABCGFED包圍的區(qū)域是可靠的觸發(fā)區(qū)域，在圖的陰影部分由ABCJIH包圍的

15、區(qū)域是不可靠的觸發(fā)區(qū)域。圖2-20晶閘管門極伏安特性，2.3.2晶閘管的基本特性，2.3.3晶閘管的主要參數(shù)，關(guān)態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM門極斷路。反向重復(fù)峰值電壓URRM允許在柵極打開且結(jié)溫達(dá)到額定時(shí)，向器件施加反向重復(fù)峰值電壓。導(dǎo)通狀態(tài)(峰值)電壓當(dāng)UTM晶閘管以額定導(dǎo)通狀態(tài)平均電流的指定倍數(shù)通電時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。一般情況下，器件的額定電壓UTN取晶閘管的直流電阻和直流電阻中較小的一個(gè)。選擇時(shí)，額定電壓一般取正常運(yùn)行時(shí)晶閘管峰值電壓23倍。使用注意事項(xiàng)：1)電壓定額，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列：1、2、3、10、12、14、1-38、2.3.3晶閘管主要參數(shù)，1)電壓定額，導(dǎo)通狀態(tài)平均電壓(管壓降)，2.3

16、.3晶閘管主要參數(shù)，導(dǎo)通狀態(tài)平均電流IT(標(biāo)稱額定電流的反車輛參數(shù))。使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)有效值相等的原則選擇晶閘管。(有效值：1.57伏安)保持電流IH保持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流。在從關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)之后，保持電流i1晶閘管可以保持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)于相同的晶閘管，電流互感器通常是IH的24倍。浪涌電流ITSM指的是由異常電路條件導(dǎo)致的不可重復(fù)的最大正向過載電流，該電流導(dǎo)致結(jié)溫超過額定結(jié)溫。2)電流定額，1-40，例如：正弦半波電流的平均值IT (AV)、有效值IT和最大值im之間的關(guān)系為：具有DC分量的各種電流波形的有效值I與平均值id的比值稱為該電流的波形系數(shù)，用Kf表示。因此，在正弦半波的情況下，電流波形系數(shù)為：2.3.3晶閘管的主要參數(shù)，1-41，2.3.3晶閘管的主要參數(shù)，1-42，2.3.3晶閘管的主要參數(shù)，1-43，電