电力电子器件基础知识.ppt
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1、1模块模块1 1:电力电子器件基础知识:电力电子器件基础知识1.1 概述1.2 电力二极管1.3 晶闸管1.4 门极关断晶闸管1.5 电力晶体管1.6 电力场效应晶体管1.7 绝缘栅双极晶体管1.8 其他新型功率开关器件1.9 任务实施电力电子器件测试1.10知识拓展谐振软开关基本概念小结21.1 1.1 概述概述1.电力电子器件的发展2.电力电子器件的使用特点3.电力电子器件的分类4.电力电子技术主要组成部分3晶闸管问世,(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代全控型器件迅速发展时期1957197019801990 2000t(年)电力电子器件发展电力电子器件发展4电力
2、电子器件使用特点电力电子器件使用特点1.导通压降2.运行频率3.器件容量4.耐冲击能力5.可靠性5电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1)根据控制信号可 以控制的程度半控型器件(Thyristor)通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件(IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控导通又可控制其关断,又称自关断器件。不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。6 2)根据驱动信 号的类型 电流驱动型 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。电压驱动型 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
3、。3)根据内部导 电载流子分单极型器件内只有一种载流子(多数载流子)参与导电过程的半导体器件双极型器件内电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件混合型是指单极型和双极型器件的集成混合电力电子器件的分类电力电子器件的分类72.2.2.2.变流技术(电力电子器件应用技术)变流技术(电力电子器件应用技术)变流技术(电力电子器件应用技术)变流技术(电力电子器件应用技术)用电力电子器件构成电力变换电路和对其用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术,以及构成电力电子装置进行控制的技术,以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。和电力电子系统的技术。是电力电子技术的核心,其理论基础是电路
4、理论。是电力电子技术的核心,其理论基础是电路理论。电力电子技术主要组成部分电力电子技术主要组成部分1.1.1.1.电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础,其理论基础是半导体物理是电力电子技术的基础,其理论基础是半导体物理。3.3.3.3.控制技术控制技术控制技术控制技术电力电子技术的关键电力电子技术的关键电力电子技术的关键电力电子技术的关键8电力变换分四大类电力变换分四大类交流变直流整流(AC-DC变换器)直流变交流逆变(DC-AC变换器)直流变直流斩波(DC-DC变换器)交流变交流交交变换(AC-AC变换器)电力电子技术主要组成部
5、分电力电子技术主要组成部分9AKAKa)1.2 电力二极管电力二极管电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管,它与其他电力电子器件相配合,作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件,在各种变流电路中发挥着重要作用;它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同,以半导体PN结为基础;主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管;由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成,从外形上看,大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装,小功率的和普通二极管一致。IKAPNJb)c)图图1-1 1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号
6、a)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气图形符号电气图形符号101.3 1.3 晶晶 闸闸 管管 晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管,普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。从1958年美国研制出第一只普通晶闸管以来,至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品;晶闸管作为大功率的半导体器件,只需用几十至几百毫安的电流,就可以控制几百至几千安培的大电流,实现了弱电对强电的控制;晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点,曾经在许多领域中得到了广泛的应用。11一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构晶闸管具有四层PNPN结构,引出阳极A、
7、阴极K和门极G三个联接端;晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型;晶闸管对于螺栓型封装,通常螺栓是其阳极,能与散热器紧密联接且安装方便;平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图图1-2 1-2 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)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气图形符号电气图形符号G G12二、晶闸管的导通和关断条件二、晶闸管的导通和关断条件简单描述晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。图图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管的工作条件的试验电路13解释解释当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0时,且时,
8、且EGk0,SCR才能才能导通导通。SCR一旦导通,门极一旦导通,门极G将失去控制作用将失去控制作用,即无论,即无论EG如何,均保持导通状态。如何,均保持导通状态。SCR导通后的管压降为导通后的管压降为1V左右,主电路中的电流左右,主电路中的电流I由由R和和RW以及以及EA的大小决定;的大小决定;当当UAK0 同时同时 UGK0由导通由导通关断的条件:关断的条件:使流过使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降低至维持电流以下。(一般通过减小一般通过减小EA,直至直至EA0来实现。)来实现。)14图图1-4 1-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)a)双
9、晶体管模型双晶体管模型 b)b)工作原理工作原理三、晶闸管的工作原理分析三、晶闸管的工作原理分析具体描述具体描述如果如果IG(门极电流门极电流)注入注入V2基极,基极,V2导通,产生导通,产生IC2(2IG)。它同时。它同时为为V1的基极电流,使的基极电流,使V1导通,且导通,且IC1=1IC2,IC1加上加上IG进一步加大进一步加大V2的基极电流,的基极电流,从而形成强烈的正反馈,使从而形成强烈的正反馈,使V1V2很快进入完全饱和状态。此时很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通,通饱和导通,通过过SCR的电流由的电流由R确定为确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个之间的压降相当于一个P
10、N结加一个三极管的结加一个三极管的饱和压降约为饱和压降约为1V。此时,将。此时,将I IG G调整为调整为0,即,即UGK0 0 产生产生I IGG V2 V2通通产生产生I IC2C2 V1 V1通通 I IC1C1 I IC2C2 出现强烈的正反馈,出现强烈的正反馈,GG极失去控制作用,极失去控制作用,V1V1和和V2V2完全饱和,完全饱和,SCRSCR饱和导通。饱和导通。15晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系,称为阳极伏安特性。(见图1-5)四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性IG =0=0图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1
11、IG2正向正向导通导通UBO正向特正向特性性反向特反向特性性雪崩雪崩击穿击穿161)正向特性 IG=0时,器件两端施加正向电压,正向阻断状态,只有很小的正向漏电流流过,正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通。随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小,在1V左右。导通期间,如果门极电流为零,并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下,则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性172)反向特性晶闸管上施加反向电压时,伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处
12、于反向阻断状态时,只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度,到反向击穿电压后,外电路如无限制措施,则反向漏电流急剧增加,导致晶闸管发热损坏。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性181.额定电压(UTn)1)正向断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的正向峰值电压。2)反向阻断重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。3)通态(峰值)电压UTM晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数19通通常常取取晶晶闸闸管管的的U UDRMDRM和和U URR
13、MRRM中中较较小小的的标标值值作作为为该该器器件件的的额额定定电电压压。选选用用时时,额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电电压压为为正正常常工工作作时时晶晶闸闸管管所所承承受受峰峰值电压值电压2 23 3倍:倍:U UTnTn()()U UTMTM (在交流市电中在交流市电中U UTMTM311V)311V)一一般般来来说说,SCRSCR的的额额定定电电压压等等级级规规范范标标准准为为:100V100V1000V1000V,每每100V100V一一个个等等级级;1000V1000V3000V3000V,每每200V200V一个等级。一个等级。20举例:一晶闸管
14、用于相电压一晶闸管用于相电压为220V 的单相电路中时,器件的电压等级选择如下:考虑到既能满足耐压要求,又较经济取系列值:考虑到既能满足耐压要求,又较经济取系列值:21 2.额定电流(通态平均电流)IT(AV)定义:在环境温度为+140度和规定的散热条件下,晶闸管在电阻性负载时的单相、工频(50Hz)、正弦半波(导通角不小于170度)的电路中,结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。注意:由于晶闸管较多用于可控整流电路,而整流电路往往按直流平均值来计算,它是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。22闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为:正弦半波电流的有
15、效值为:平均电流IT(AV)与有效值关系为:23流过晶闸管的电流波形不同时,其电流有效值也不同,以上比值也不同。实际应用中,应根据电流有效值相同的原则进行换算,并且在选用晶闸管时,电流电流参数还应取(1.52)倍的安全裕量,即式中式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值24 有一晶闸管的电流额定值I(TAV)=100A,用于电路中流过的电流波形如图所示,允许流过的电流峰值IM=?分析:I(TAV)=100A的晶闸管对应的电流有效值为:IT=1.57 I(TAV)157A;波形对应的电流有效值:考虑2倍的安全雨量后得:举例:举例:251)通态平均电压U
16、T(AV):当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时,阳极与阴极之间电压降的平均值,称为通态平均电压。通态平均电压UT(AV)分为A,对应为0.4V1.2V共九个组别。2)维持电流 IH: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,与结温有关,结温越高,则IH越小3)擎住电流 IL:晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说,通常IL约为IH的24倍。3.3.其他参数其他参数264)断态电压临界上升率dudt:在额定结温和门极开路情况下,不使元件从断态到通态转换的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。5)通态电流临界上升率didt:在规
17、定条件下,晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。27六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1、门极伏安特性 指门极电压与电流的关系,晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结,所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线可通过实验画出,如图1-6所示。28 2、门极几个主要参数的标准 1)门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD:不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极不触发电压UGD,相应的最大电流称为门极不触发电流IGD。)门极触发电压UGT和门极触发电流IGT 在室温下,对晶闸管加上V正向阳极电压时,使元件由断态转入通态所必
18、须的最小门极电流称为门极触发电流IGT,相应的门极电压称为门极触发电压UGT。)门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM 29 一、双向晶闸管 1.双向晶闸管的外形与结构 双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似,有塑封式、螺栓式和平板式。但其内部是一种NPNPN五层结构引出三个端线的器件。如图1-7所示。双向晶闸管及其他派生晶闸管图图1-7 1-7 双向晶闸管双向晶闸管 302.双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第I象限,反向部分位于第III象限。双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为 313.双向晶闸管的触发
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