电力电子技术课件

1第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2电力二极管1.3晶闸管及其派生器件1.4门极可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6功率场效应晶体管1.7绝缘栅双极性晶体管1.8其他新型电力电子器件本章小结21.1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电力电子器件的基本类型1.1.3电力电子器件的模块化与集成化1.1.4电力电子器件的应用领域31.1.1电力电子器件的概念和特征1.概念主电路（PowerCircuit）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路。电力电子器件（PowerElectronicDevice)直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。4电力电子器件是功率半导体器件。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都还需要设计安装散热器。2.特征51.1.2电力电子器件的基本类型1.按照电力电子器件的可控程度半控型器件全控型器件通过控制信号可控制其导通而不能控制其关断｛晶闸管及其派生器件关断主电路电流电压通过控制信号即可控制其导通又能控制其关断｛绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管门极可关断晶闸管自关断器件门极可关断晶闸管处理兆瓦级大功率电能6不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路电力二极管不控型器件主电路｛通断电流电压只有两个端子2.按照驱动电路加在电力电子器件上驱动信号的性质电流驱动型电压驱动型通断73.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况单极型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81.1.3电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件最初是单管结构、分立器件电力电子设备电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路结构松散、体积大、可靠性差、成本高电力电子器件的模块化与集成化结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低9功率模块由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片智能功率模块将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再度与电力电子器件集成10表1-1电力电子器件类型名称中文名称英文名称分立器件不可控器件电力二极管PowerDiode半控型器件晶闸管(可控硅)Thyristor(SCR)全控型器件电流控制器件电力晶体管(双极型晶体管)GTR(BJT)门极可关断晶闸管GTO电压控制器件电力场效应晶体管PowerMOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT场控晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成模块功率模块PowerModule单片集成模块SystemonaChip智能功率模块IPM111.1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电力电子器件的基本类型1.1.3电力电子器件的模块化与集成化1.1.4电力电子器件的应用领域121.1.4电力电子器件的应用领域电力电子器件应用广泛电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域101001k10k100k1M1001k10k100k1M10M100Mf/HzP/VA10MGTO（机车、地铁、SVG等）SCR（高压直流输电、静止无功补偿等高压领域）GTR（UPS、空调、冰箱等）IGBT（电机调速、逆变器、变频器等中等功率范围）MOSFET（开关电源、日用电器、汽车电子等）131.2电力二极管结构和原理简单工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管（半导体整流管）20世纪50年代初获得应用应用快恢复二极管肖特基二极管斩波、逆变高频低压仪表、开关电源141.2电力二极管1.2.1PN结的工作原理1.2.2电力二极管的结构与基本特性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151.2.1PN结的工作原理电力二极管在本质上是一个PN节，只是加上电极引线、管壳封装。PN节的工作原理已经在模拟电子技术课程中涉及，不再展开讨论。AKAKa)IKAPNJb)c)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16PN结的单向导电性：承受正向电压导通，承受反向电压截止PN结的正向导通状态PN结在正向电流很大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻状态。PN结的反向截止状态微弱的反向电流。17PN结反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结的反向截止状态PN结反向击穿反向电流急剧增大181.2.2电力二极管的结构与基本特性1.静态特性UIIFUFUTO0IFtrrtfIRPURPt0t1t2di/dtRdi/dtFURttiFUFP2Vtfr0UF(a)(b)(c)图1-4电力二极管的伏安特性电力二极管静态特性伏安特性正向电压为零，电流为零。正向电压较小，正向电流很小，几乎为零。正向电压升高至UTO，正向电流明显增加。门槛、阈值电压正向电压大于UTO，正向电流线性增长。191.2.2电力二极管的结构与基本特性1.静态特性UIIFUFUTO0IFtrrtfIRPURPt0t1t2di/dtRdi/dtFURttiFUFP2Vtfr0UF(a)(b)(c)图1-4电力二极管的伏安特性电力二极管静态特性伏安特性只有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。20零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中，其电压—电流关系随时间而变化2.动态特性电力二极管的动态状态反映通态和断态之间转换过程的开关特性21电力二极管的关断在tF时刻外加电压突然反向。经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。td=t1-t0——延迟时间tf=t2-t1——电流下降时间trr=td+tf——反向恢复时间普通：5～几十微秒快速：几百纳秒肖特基：几十纳秒a)IFtdtrrtfIRPt1t2UFURtdtdiFtFt0dtdiRURP在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。22注意：电流、电压反向问题过冲正偏压时，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，因为它的开通时间很短；但在关断时，它需要一个反向恢复时间（reverser-recoverytime）。影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。231.2.3电力二极管的主要参数正向平均电流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值，应留有一定的裕量。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。241.2.3电力二极管的主要参数浪涌电流最高工作结温反向恢复时间反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。2~3倍裕量。251.2.4电力二极管的主要类型普通二极管(整流二极管）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中反向恢复时间长一般在5µs以上正向电流定额和反向电压定额很高，分别可达数千安和数千伏以上26快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5µs以下，数百ns）的二极管，简称快速二极管。27肖特基二极管导通压降只有0.3~0.6V，反向恢复时间短，10～40ns。缺点：漏电流很大、耐压低。281.3晶闸管及其派生器件1.3.1晶闸管的结构及工作原理1.3.2晶闸管的基本特性及主要参数1.3.3晶闸管的派生器件291.3.1晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG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)AGKGKA30晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等效为可控的单向导电开关。反向承受一定电压，处于阻断（截止）状态。正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高阻抗的阻断工作状态和低阻抗的导通工作状态。31RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)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的电路触发门极触发电路对晶闸管的驱动反向截止正向阻断32晶闸管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1(1-1)Ic2=a2IK+ICBO2(1-2)IK=IA+IG(1-3)IA=IC1+IC2(1-4)a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1-1）~式（1-4）得：)(121212aaIIIaICBOCBOGA(1-5)33晶体管的特性是：在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。34晶闸管的开通、关断规律：1)承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管均不导通。2)承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管开通。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。即使去除门极触发信号，仍然维持导通。自锁、掣住4)要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。维持电流351.3.2晶闸管的基本特性及主要参数1.阳极伏安特性及静态参数IG2IG1IG第Ⅰ象限是正向特性第Ⅲ象限是反向特性0UAKIAIHIG2IG1IG=0UDBUDSMUDRMURRMURSMILURB36IG=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UDB，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。0UAKIAIHIG2IG1IG=0UDBUDSMUDRMURRMURSMILURB37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。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。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，导致晶闸管反向击穿、损坏。0UAKIAIHIG2IG1IG=0UDBUDSMUDRMURRMURSMILURB38晶闸管的静态参数UDB、URB正向转折电压和反向击穿电压；UDSM、UDRM正向断态不重复峰值电压和重复峰值电压；URSM、URRM反向不重复峰值电压和重复峰值电压；不重复峰值电压是指不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一般不允许多次施加。重复电压是指晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的最大瞬时电压。取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向重复峰值电压。取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。39晶闸管的静态参数取晶闸管的UDRM和URRM中较小者作为额定电压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍。正向通态电压指晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压降，也称管压降，该参数直接反映了器件的通态损耗特性。若通过晶闸管的电流为通态平均电流，则电压降为通态平均管压降。40额定电