第一章电力二极管与晶闸管

《电力电子技术》任课教师：赵斌主要参考书：《电力电子技术》1、王兆安，黄俊主编.电力电子技术(第四版).北京：机械工业出版社,2、邵丙衡，电力电子技术，北京：铁道出版社，1997相关网站：（搜索goggle）（电力电子技术课程网站）—online.com.cn培养自学能力，理论联系实际；第一章电力二极管与晶闸管绪论1.1电力二极管1.2晶闸管与派生器件绪论一、什么是电力电子技术1．电子技术可分为信息电子技术和电力电子技术信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术。电力电子技术——应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，也称为变流技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至1W以下2．电力电子技术分为两个分支：变流技术：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，及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。是电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力电子器件制造技术：电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。绪论3．描述电力电子技术的倒三角形：1974年，美国的W.Newell用倒三角形对电力电子技术进行了描述，被全世界普遍接受。电力电子技术电子学电力学控制理论、器件绪论广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路。电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路。器件的工作状态信息电子，既可放大，也可开关电力电子，为避免功率损耗过大，总在开关状态——电力电子技术的一个重要特征。电力电子技术归属于电气工程学科电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力。控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带。绪论二、电力电子技术的发展史电力电子技术的诞生1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管的诞生为标志。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件复合型器件和功率集成电路（80年代后期开始）复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表模块（如IPM）：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向绪论三、电力电子技术的应用1）一般工业直流电动机调速，交流电机的变频调速，电化学工业，冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源2）交通运输电气化铁道中，电动汽车飞机、船舶的电源等。3）电力系统：直流输电，柔性交流输电（FACTS），无功补偿和谐波抑制，晶闸管控制电抗器（TCR）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）、电能质量控制等。4）电子装置用电源各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的高频开关电源。大型计算机、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中采用高频开关电源。5）家用电器变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯绪论6）其他不间断电源（UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。航天飞行器，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。四、专业术语1、整流与可控整流或称交流、直流（AC/DC）变换电路：把交流电变换为固定或可调直流。绪论2、逆变电路亦称直流、交流（DC/AC）变换电路，把直流电变换成频率固定或频率可调的交流电。把直流电逆变成50HZ的交流电返送交流电网称有源逆变；把直流电逆变为固定频率或频率可调的交流电供负载则称为无源逆变。3、直流斩波电路亦称DC/DC变换电路，其功能是把固定直流变换为可调或固定直流电压。4、交流调压与周波变换亦称AC/AC变换电路：把恒定交流变换为可变交流称为交流调压；把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频电路。5、粗电：电网交流电；6、精电：通过电力电子电路处理变换，使电压稳定，波形、频率、数值大小、抗干扰、谐波等方面符合用电设备要求。发达国家60%精电。电力电子技术21世纪研究方向：无公害绿色化，含义是功率因数等于1，输入电流正弦无谐波，电压和电流过零切换，开关损耗降为零，电磁辐射和射频干扰小。绪论五、电力电子器件的概念和特征(1)主电路（mainpowercircuit）——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(2)电力电子器件（powerelectronicdevice）——可直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(3)电力电子器件的一般特征：能处理大电功率：其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。绪论其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗，阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗，器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素安装散热器保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏。六、电力电子器件的分类（1）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：①半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断包括晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。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——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；包括绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO③不可控器件——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。包括电力二极管（PowerDiode），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。绪论（2）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：1．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。2．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）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：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——由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件返回1.1不可控器件电力二极管电力二极管：允许电流较大、电压较高的二极管一、PN结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型。四种工作状态：静态正向导通和反向阻断、动态的开通过程和关断过程1、PN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结表现为低阻态。2、PN结的反向截止状态：高阻态PN结的单向导电性，二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征，PN结的反向击穿，有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。3、结电容的影响：势垒电容只在外加电压变化时才起作用，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，应用时应加以注意。1.1不可控器件电力二极管二、电力二极管的基本特性1.静态特性（电力二极管伏安特性）当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。当反向电压增大到UB（击穿电压）时，使PN结内电场达到雪崩击穿程度时，反向漏电流IRR剧增，导致二极管击穿损坏。2.动态特性因结电容的存在，各状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。开关特性——反映通态和断态之间的转换过程。关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲URM。1.1不可控器件电力二极管开通过程：电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态降的某个值。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。三、电力二极管的主要参数1.正向通态平均电流IF(AV)额定电流——在指定的管壳温度（简称壳温，用TC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，对应额定电流IF，其有效值为1.57IF。使用中按有效值相等来选取管子电流定额。2.正向压降UF3.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。4.最高工作结温TJM通常在125~1750C范围之内。5.反向恢复时间trr关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间1.1不可控器件电力二极管四、功率二极管作用1、交直流变换中：整流器件；2、电感滤波及具有电感元件的电路中：续流器件；3、逆变电路中：反向充电和能量传输；4、各类变流器中：隔离、箝位、保护和高频整流。返回1.2半控型器件晶闸管与派生器件一、晶闸管的结构与工作原理1.结构：四层半导体结构、三个PN结①外形：外形有螺栓型和平板型两种封装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②图形符号：阳极A、阴极K和门极（控制端）G三端元件。2．工作原理：①导通条件：晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，且在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。②截止条件：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（维持电流）以下。承受反向电压时，不论门极是否有触发电流