XXXX年高级电工电力电子部分12章

电力电子技术PowerElectronics第1章绪论1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术的发展史1.3电力电子技术的应用1.4本教材的内容简介信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件几乎均用半导体制成，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mW级。1.1电力电子与信息电子变流技术（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。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。2两大分支2两大分支电力——交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1-1电力变换的种类进行电力变换的技术称为变流技术。变流技术输入输出交流（AC）直流（DC）直流（DC）整流直流斩波交流（AC）交流电力控制变频、变相逆变第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——电力二极管2.3半控型器件——晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结2.1电力电子器件概述2.1.1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2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点2.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的概念◆电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指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。☞主电路：在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，即动力系统的电源电路。☞控制电路：指控制主电路的控制回路。2.1.1电力电子器件的概念和特征■广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。◆两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（MercuryArcRectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。◆电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。2.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的特征（同处理信息的电子器件相比）◆由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，所以其能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。◆为了减小本身的损耗，提高效率，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。☞作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。◆实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制，即需要驱动电路。（门极，控制极）☞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。◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.1电力电子器件的概念和特征☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。☞当器件的开关频率较高时，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。通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗☞电力电子器件的功率损耗2.1.2应用电力电子器件的系统组成■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电气隔离控制电路检测电路保护电路驱动电路RLV1V2主电路图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成2.1.3电力电子器件的分类■按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。◆全控型器件☞目前最常用的是IGBT，GTO和PowerMOSFET。☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断，又称自关断器件。◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。☞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。2.1.3电力电子器件的分类■按照驱动信号的性质◆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。GTO,GTR等，所需驱动功率较大。◆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，所需驱动功率较小。MOS管等。☞电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件。■按照驱动信号的波形（电力二极管除外）◆脉冲触发型☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。◆电平控制型☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。2.1.3电力电子器件的分类2.1.3电力电子器件的分类■按照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。◆双极型器件☞由电子和空穴两种载流子参与导电。◆复合型器件☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。2.2不可控器件——电力二极管·引言■电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。整流二极管及模块AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN结与电力二极管的工作原理■电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)基本结构c)电气图形符号2.2.1PN结与电力二极管的工作原理N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。■2.2.1PN结与电力二极管的工作原理图1-3PN结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场■2.2.1PN结与电力二极管的工作原理■二极管的基本原理——PN结的单向导电性◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。◆垂直导电结构，低掺杂N区（漂移区），电导调制效应◆PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。状态参数正向导通反向截止反向击穿电流大几乎为零大电压约1V高高阻态低阻态高阻态-----2.2.1PN结与电力二极管的工作原理■PN结的电容效应◆PN结交界处存在势垒区。结两端电压变化引起积累在此区域的电荷数量的改变，从而显现电容效应。称为结电容CJ，又称为微分电容。◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD2.2.2电力二极管的基本特性■静态特性◆主要是指其伏安特性。◆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。◆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。◆与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向管压降UF。◆承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU图2-5电力二极管的伏安特性2.2.2电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V图2-6电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置■动态特性◆因为结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，电压—电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。◆由正向偏置转换为反向偏置☞电力二极管并不能立即关断，而是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。☞延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。Sr越大，tf越长，IRP变化速度越慢，所产生的URP越小，称为特性越软。t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻2.2.2电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置转换为正向偏置☞先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。☞正向恢复时间tfr☞出现电压过冲的原因:1.电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；2.正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。图2-6电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置2.2.4电力二极管的主要类型■按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。◆普通二极管（GeneralPurposeDiode）☞又称整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。☞其反向恢复时间较长，一般在5s以上。☞其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。2.2.4电力二极管的主要类型◆快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）☞恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下），正向压降很低，0.9V左右，反向耐压多在1200V以下。☞快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。☞从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。2.2.4电力二极管的主要类型◆肖特基二极管（Schottky