电力电子技术课件02

1-1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——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1-2信息电子技术的基础———信息电子器件.电力电子电路的基础———电力电子器件.第2章电力电子器件·引言本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍常用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。1-3电力电子开关器件：一般专指以开关方式工作的电力半导体器件，它被直接应用在电力系统或电力设备的主电路中，实现电能的变换和控制任务。教学要求1.了解电力电子开关器件的结构和工作原理；2.掌握开关器件的基本特性和主要参数。第2章电力电子器件·引言1-42.1.1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电力电子器件概述返回1-52.1.1电力电子器件的概念和特征1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——功率半导体开关器件，在主电路中通过控制其开关状态，能实现电能变换和控制的电子器件。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。电力电子器件返回1-62.1.1电力电子器件的概念和特征图1-0电力电子器件的理想开关模型2）电力电子器件基本模型它有三个电极：其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极；它只工作在“通态”和“断态”两种情况：通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。返回1-7电力电子器件一般都工作在开关状态。主要进行电功率的处理，其能力一般远大于信息电子器件。电力电子器件往往需要由信息电子电路来驱动控制。电力电子器件功率损耗较大，远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。2.1.1电力电子器件的概念和特征3）电力电子器件基本特征（由模型分析出）：返回1-8通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件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2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗返回1-9电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1电力电子器件在实际应用中的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2.1.2应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路返回1-10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绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3)不可控器件电力二极管（PowerDiode）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。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。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可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。返回2.1.3电力电子器件的分类1-11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。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。2.1.3电力电子器件的分类按照驱动电路信号的性质，分为两类：返回1-12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：1)单极型器件电力电子器件的分类2.1.32)双极型器件3)复合型器件由一种载流子参与导电的器件。由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。返回1-132.1.4如何考查电力电子器件导通压将(损耗)运行频率(恢复时间/开通时间/关断时间)器件容量(电能处理、变换的能力)可靠性(半控全控)耐冲压力(电流过冲、半控全控)返回1-142.2.1PN结与电力二极管的工作原理2.2.2电力二极管的基本特性2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型2.2不可控器件—电力二极管（PowerDiode）返回1-15PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。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。2.2不可控器件—电力二极管·引言整流二极管及模块1-161-171-18基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。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2.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK返回1-19正向导通状态即PN结外加正向电压时，处于导通状态，表现为低阻态。但维持有1V左右的压降。反向截止状态即PN结外加反向电压时，处于截止状态，表现为高阻态。但维持有微弱的漏电流流通，也称反向饱和电流，一般为微安级，几乎为零。电容效应PN结的电荷量随外加电压而变化，故呈现电容效应。2.2.1PN结与电力二极管的工作原理返回PN结特性：※电容效应PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。1-20主要指其伏安特性门槛电压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2.2.2电力二极管的基本特性1)静态特性IOIFUTOUFU返回1-212)动态特性——二极管的电压-电流特性随时间变化的特性；——是因为有结电容的存在。2.2.2电力二极管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5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延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向（阻断）恢复时间：trr=td+tf。返回1-22——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。在此电流下，因管子的正向压降引起的损耗造成的结温升高不会超过所允许的最高工作结温。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。2.2.3电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)-------额定电流返回1-232.2.3电力二极管的主要参数2011(sin)d()22TmmIIttI()1.57TFAVII1)正向平均电流IF(AV)()011(sin)d()2FAVmmIIttI返回1-24例如:某电力二极管的额定电流是100A，则可求得允许通过正弦半波的幅值电流Im＝314A,允许通过任意波形的的有效值为I=157A,即说明额定电流为100A的二极管可通过幅值为314A的正弦半波电流,可以全周期内通过任意波形的有效值为157A电流,其功耗不超过允许值。57.1)(AVFTfIIK引入波形系数2.2.3电力二极管的主要参数返回1-252.2.3电力二极管的主要参数3）正向压降UF返回在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时，对应的正向导通压降。选择UF小的管子可以降低损耗。2）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。4）反向恢复时间trrtrr=td+tf1-26结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C范围之内。6)浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。1.2.3电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM返回1-271)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;其反向恢复时间较长（5US以上）;正向电流定额和反向电压定额可以达到很高;2.2.4电力二极管的主要类型返回1-28从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。2.2.4电力二极管的主要类型2)快恢复二极管(快速二极管)（FastRecoveryDiode——FRD）返回1-291-30肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高很多，多用于200V以下场合。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（可小于10ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降（0.4-0.5V）明显低于快恢复二极管(0.8-1V)。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。2.2.4电力二极管的主要类型3.肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。返回1-31二极管的典型应用1-322.3半控器件—晶闸管2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件返回1-332.3半控器件—晶闸管·引言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。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。电力电子技术诞生的标志性器件。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管、可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1-34图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号2.3.1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。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。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3返回1-352.3.1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返回1-361）平板型2）螺栓型)返回1-373）SL16螺栓型散热器4）模块散热器2）SS11型水冷散热器1）SF11型风冷散热器返回1-38如何控制灯泡亮、灭（暗）？晶闸管导通关断实验原理图2.3.1晶闸管的结构与工作原理返回1-39实验顺序实验前灯的情况实验时晶闸管情况实验后灯的情况阳极电压门极电压导通实验123暗暗暗反向反向反向反向零正向暗暗暗123暗暗暗正向正向正向反向零正向暗暗亮关断实验123亮亮亮正向正向正向正向零反向亮亮亮4亮正向减小到零(任意)暗1-40实验结论：晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何种电压，都处于关断状态；晶闸管仅在正向阳极电压与正向门极电压同时作用下，才能导通；已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，门极失去控制作用；晶闸管在导通状态时，当Ea(正向阳极电压)减小到接近零时，晶闸管关断。2.3.1晶闸管的结构与工作原理返回1-412.3.2晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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（IH）以下。晶