电力电子(模板)第1章

绪论电力电子技术是电力、电子和控制技术相结合的边缘学科，自1958年第一个工业用普通晶闸管诞生以来，电力电子技术有了很大的发展，由各种电力电子器件组成的功率变换装置应用于从航空航天到家用电器的各个领域。绪论电力电子设备发展的特点是：（1）微机和现代控制理论的应用，使电力电子设备走出了过去仅进行将交、直流变换用做一般工业直流电源的初级阶段，开拓了高科技领域的应用。（2）完善的电路理论及新的设计方法，使产品性能更先进、更符合生产实际的需要。绪论（3）微电子技术与电力电子技术开始相互渗透结合，使电力电子设备效率提高、速度更快、使用更方便。（4）电路拓扑技术和结构标准化加快了新产品的开发步伐。绪论交流电路是以电力半导体器件为核心，通过不同电路的拓扑和控制方法来实现对电能的转换和控制。它的基本功能是使交流（AC）和直流（DC）电能互相转换。它有以下几种类型：绪论（1）可控整流器AC/DC。把交流电压变换成固定或可调的直流电压。（2）有源逆变器DC/AC。把直流电压变换成为频率固定或可调的交流电压。（3）变频器AC/AC。把频率固定或变化的交流电变换成频率可调或固定的交流电。（4）直流斩波器DC/DC。把固定或变化的直流电压变为可调或固定的直流电压。绪论总之，由于电力半导体器件制造技术的发展，主电路结构和控制技术的开发，以及设备应用技术的开发，使电力电子技术在大功率整流、直流传动、交流传动、直流输电、功率变换、晶闸管电源、电力电子开关等方面的应用日益扩大。第1章晶闸管概述晶闸管是指具有三个以上的PN结，其主电压——电流特性至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。第1章晶闸管概述晶闸管是由多种器件组成的家族，而被广泛使用的普通晶闸管则是这个家族中的一员，俗称可控硅整流器（SCR，SiliconControlledRectifier），简称可控硅，其规范术语是反向阻断三端晶闸管。•1.1晶闸管的结构和工作原理•1.2晶闸管的特性•1.3晶闸管的主要参数•1.4双向晶闸管•1.5功率晶体管•1.6功率场效应晶体管•1.7绝缘栅双极晶体管第1章晶闸管概述1.1晶闸管的结构和工作原理1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。1.1.1晶闸管的结构AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3a)外形b)结构c)电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.1.1晶闸管的结构外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。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1.1.2晶闸管的工作原理正反反正2S1SAKKUKIRAKURUWRRUGEAEGAVVAI晶闸管导通/关断实验电路图1.1.2晶闸管的工作原理归纳以上实验结果，可见：1)晶闸管导通的条件阳极加正向电压，同时门极加合适的正向触发电压。2)晶闸管关断的条件使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流或突加反向电压。3)晶闸管的特点①单向导电性；②属半控型半导体器件；③属电流控制器件。1.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理示意图晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释1.1.2晶闸管的工作原理S闭合前：IG=0→Ib2=0→Ic2=0→Ib1=0→Ic1=0，三极管V1和V2均处于截止状态，晶闸管处于正向阻断状态。开关S闭合，则外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，该电流最初就是晶体管V2的基极电流Ib2，即产生集电极电流Ic2，它又是晶体管V1的基极电流，经V1放大后产生集电极电流Ic1，而Ic1此时等于β1β2Ib2，比最初的驱动电流IG大了许多。使V2的基极电流进一步增大，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2完全进入饱和状态，即晶闸管导通。1.2.1晶闸管的阳极伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性1.2.1晶闸管的阳极伏安特性1)正向伏安特性晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳极与阴极间施加一定的正向阳极电压，器件也仍处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。外加的阳极正向电压在其转折电压以下时，只要在门极注入适当的电流(一般为毫安级)，器件也会立即进入正向导通状态。1.2.1晶闸管的阳极伏安特性2)反向伏安特性晶闸管承受反向阳极电压时，由于J1、J3结处于反向偏置状态，晶闸管流过的电流仅由各区少数载流子形成，只有极小的反向漏电流通过，这就是器件的反向阻断状态。随着反向电压的增加，穿过J2结的少数载流子稍有增加，反向漏电流逐渐增大。1.2.2晶闸管的门极伏安特性PGMBCDAEGFLK0IFGMUGTUFGMIGTUGTUGDIGTIGDABCIHJ1.2.2晶闸管的门极伏安特性•图中ABCGFED所围成的区域为可靠触发区•图中阴影部分为不触发区•图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区1.3.1晶闸管的电压参数断态重复峰值电压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。通态（峰值）电压UT——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。1.3.2晶闸管的电流参数通态平均电流IT(AV）——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。1.3.2晶闸管的电流参数擎住电流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2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。1.3.3晶闸管的动态参数1)断态电压临界上升率du/dt这是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。使用中实际电压上升率必须低于此临界值。1.3.3晶闸管的动态参数2)通态电流临界上升率di/dt这是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。1.3.4器件的型号1.4双向晶闸管双向晶闸管（TRIAC，BidirectionalTriodeThyrister，TriodeACSwitch）是把两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上，用一个门极控制触发的组合型器件。1.4双向晶闸管双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性图1.4双向晶闸管双向晶闸管（TRIAC）内部结构可看做两只普通晶闸管反向并联，引出的三个端子为主极T1，T2和门极G。它具有正、反向对称的伏安特性，主要参数有断态重复峰值电压和额定通态电流，因双向晶闸管正、反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效值。1.5功率晶体管术语用法：电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效1.5.1功率晶体管的结构与工作原理图1-15a)基极bP基区N漂移区N+衬底基极b发射极c集电极cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib单管GTR的结构1.5.1功率晶体管的结构与工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的主要特性是耐压高、电流大、开关特性好通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成1.5.1功率晶体管的结构与工作原理在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。bcii1.5.1功率晶体管的结构与工作原理当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。1.5.1功率晶体管的结构与工作原理达林顿GTR1.5.2功率晶体管的特性截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。1.5.2功率晶体管的特性图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd动态特性1.5.2功率晶体管的特性开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开通过程的办法。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。1.5.2功率晶体管的特性最高工作电压GTR上电压超过规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcboBUcexBUcesBUcerBuceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。1.5.2功率晶体管的特性集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。1.5.2功率晶体管的特性集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。1.6功率场效应晶体管功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是对小功率场效应晶体管的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于电压驱动控制器件。1.6.1功率场效应晶体管的结构与工作原理N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19功率MOSFET的结构示意与符号图1.6.1功率场效应晶体管的结构与工作原理小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。1.6.1功率场效应晶体管的结构与工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。–P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS–当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电力MOSFET的工作原理1.6.2功率场效应晶体管的特性功率MOSFET的转移特性功率MOSFET的输出特性静态特性1.6.2功率场效应晶体管的特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。1.6.2功率场效应晶体管的特性测试电路开关过程波形动态特性1.6.2功率场效应晶体管的特性开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间