单片机第一章电力电子器件n

电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——二极管1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件1.6电力电子器件的驱动1.7电力电子器件的保护1.8电力电子器件的串联和并联使用电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日电子电路的基础———电子器件电力电子电路的基础———电力电子器件本章主要内容：电力电子器件的概念、特点和分类等问题。电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。第1章电力电子器件电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.1电力电子器件概述电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——直接用于电能的变换或控制主电路。主电路（MainPowerCircuit）——直接承担电能的变换或控制任务的电路。1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日处理电功率的能力大。工作在开关状态。需要信息电子电路控制。功率损耗大。1.1.1电力电子器件的概念和特征2）电力电子器件一般特征：电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日通态损耗是器件功率损耗的主要成因。开关频率较高时，开关损耗可能是功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日电力电子系统：由控制电路(检测电路、驱动电路、保护电路)和主电路组成。V(Valve阀)图1-1电力电子系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行1.1.2电力电子系统组成电气隔离控制电路电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日半控型器件（Thyristor）——控制信号可控制其导通不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET，GTO)——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。不可控器件(PowerDiode)——控制信号不能控制其通断。1.1.3电力电子器件的分类按器件被控程度，分为三类：电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日电流驱动型——控制端注入或者抽出电流来实现导通或关断。电压驱动型——电压信号实现导通或者关断。1.1.3电力电子器件的分类按驱动信号性质，分为两类：电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日单极型双极型复合型1.1.3电力电子器件的分类按参与导电的载流子，分为三类：电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.2不可控器件—电力二极管整流二极管及模块PowerDiode。应用：整流SR（SemiconductorRectifier)快恢复二极管。应用：中、高频整流和逆变。肖特基二极管。应用：低压高频整流。电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日由一个面积较大的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两种封装。图1-2电力二极管a)外形b)结构c)符号1.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AKAnodeKathode电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——基本原理在于单向导电性。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿1.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，该效应影响PN结的工作频率。1.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结电容效应：电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4电力二极管的伏安特性1.2.2电力二极管的基本特性IOIFUTOUFU电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按电流发热效应有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。1.2.3电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.2.3电力二极管的主要参数器件电流额定的选择：工频正弦半波电流:额定值：IF(AV)=Im/π,有效值：If=Im/2波形系数：Kf=If/IF(AV)=π/2=1.57有效值与额定值关系式：If=1.57IF(AV)电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日2）正向压降UF在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3）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。使用时，应当留有两倍的裕量。1.2.3电力二极管的主要参数电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1)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）的整流电路正向电流定额和反向电压定额可以达到很高DATASHEET1.2.4电力二极管的主要类型电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日简称快速二极管trr在5μS以下快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），trr低于50ns，UF也很低（0.9V左右），反向耐压多在1200V以下。DATASHEET1231.2.4电力二极管的主要类型2)、快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.2.4电力二极管的主要类型3)肖特基二极管(DATASHEET)以金属和半导体接触形成势垒（SchottkyBarrierDiode——SBD）。优点：trr短（10-40ns)URRM低，UF低正向功耗小，动态功耗小缺点：URRM提高，UF也增高反向漏电流大，温度敏感电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3半控器件—晶闸管能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大功率的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor),可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日图1-6晶闸管a)外形b)结构c)电气图形符号1.3.1晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.1晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.1晶闸管的结构与工作原理图1-7晶闸管a)双晶体管模型b)工作原理电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.1晶闸管的结构与工作原理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。开通状态：1+2趋近于1的，IA趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。)(121CBO2CBO1G2AIIII电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.1晶闸管的结构与工作原理其它可能导通的情况：阳极电压升高造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor—LTT）。电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.2晶闸管的基本特性晶闸管正常工作时的特性总结如下：承受反向电压，不论门极是否有触发电流，晶闸管不导通。承受正向电压时，仅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。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。DATASHEET电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.2晶闸管的基本特性（1）正向特性正向阻断状态。IG=0，器件阳阴两极加正向电压，有很小的正向漏电流。器件开通。正向电压超过正向转折电压Ubo，阳极电流急剧增大，电压减小。门极电流增大，正向转折电压降低。晶闸管正向压降1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.2晶闸管的基本特性反向阻断状态时，只有极小的反向漏电。反向击穿后，可能导致晶闸管发热损坏。图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.3晶闸管的主要参数1）电压定额断态重复峰值电压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。反向重复峰值电压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。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2-3倍。使用注意：电气工程学院ElectricalEngineeringInstituteofNEDU2019年8月4日星期日1.3.