電力電子技術：第2講 電力電子器件

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1、 電力電子技術電力電子技術 第第2 2章章 電力電子器件電力電子器件 電力電子技術電力電子技術 目目 錄錄2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.4 典型全控型器件典型全控型器件 電力電子技術電力電子技術 學習目的：掌握各種二極管，重點掌握半控型器件：掌握各種二極管，重點掌握半控型器件：SCRSCR工作原理、特性、主要參數，重點掌握典型全控型工作原理、特性、主要參數，重點掌握典型全控型器件：器件：GTOGTO、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT。掌握包括掌握包括SCRSCR、GTOGTO、MOS

2、FETMOSFET、IGBTIGBT等電力電等電力電子器件的驅動電路，子器件的驅動電路，掌握電力電子器件的保護電掌握電力電子器件的保護電路，掌握電力電子器件的串并聯技術。路，掌握電力電子器件的串并聯技術。電力電子器件，又稱功率半導體器件，是電力電子電路（變流技術）的基礎。p 學時：2 電力電子技術電力電子技術 2.12.1電力電子器件電力電子器件的概述的概述電力電子器件的概念和特征1）概念）概念:電力電子器件（電力電子器件（Power Electronic Device）可直接用于可直接用于主電路主電路中，實現電能的變換或中，實現電能的變換或控制的電子器件。控制的電子器件。主電路（主電路（Ma

3、in Power Circuit）電氣設備或電力系統中，電氣設備或電力系統中，直接直接承擔電能的承擔電能的變換或控制任務的電路。變換或控制任務的電路。2）分類）分類:電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管汞弧整流器、閘流管)半導體器件半導體器件 (采用的主要材料采用的主要材料硅硅）電力電子技術電力電子技術 3 3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：電力電子器件能電力電子器件能處理電功率處理電功率的能力，一般遠大于的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)開關狀態(tài)。電力電子器件往往

4、需要由信息電子電路來電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制控制。電力電子器件自身的電力電子器件自身的功率損耗功率損耗遠大于信息電子器遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。件，一般都要安裝散熱器。電力電子器件主要指半導體功率開關器件電力電子器件主要指半導體功率開關器件半導體功率開關與普通半導體器件有何區(qū)別半導體功率開關與普通半導體器件有何區(qū)別?電力電子技術電力電子技術 電力電子系統的組成 電力電子器件在實際應用中的系統組成電力電子器件在實際應用中的系統組成控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2保護電路電氣隔離控制電路電力電子系統：由控制電路、驅動電路、保護電路 和以電力電子器件為核心的主

5、電路組成。在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統正?？煽窟\行 電力電子技術電力電子技術 Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀世紀50年代年代初期就獲得應用。初期就獲得應用?？旎謴投O管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言圖圖2-1 2-1 整流二極管及模塊整流二極管及模塊 電力電子技術電力電子技術 基本結構和工作原基本結

6、構和工作原理與信息電子電路中理與信息電子電路中的二極管一樣。的二極管一樣。由一個面積較大的由一個面積較大的PNPN結和兩端引線以及結和兩端引線以及封裝組成的。封裝組成的。從外形上看，主要從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩有螺栓型和平板型兩種封裝。種封裝。圖圖2-2 2-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號符號 a)a)外形外形 b)b)結構結構 c)c)電氣圖形符號電氣圖形符號AKAKa)IKAPNJb)c)AK 電力電子技術電力電子技術 2.2.1 2.2.1 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性2.2.2 2.2.2 電力二極管的主要參數電力二極管的

7、主要參數2.3.3 2.3.3 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 電力電子技術電力電子技術 圖圖2-3 2-3 各種二極管的外形各種二極管的外形 電力電子技術電力電子技術 圖圖2-4 PN2-4 PN結的形成結的形成內電場內電場PN結加正向電壓，多子擴散運動形成正向電流IF，空間電荷區(qū)變窄,導通狀態(tài)PN結加反向電壓，少子漂移運動形成反向電流IR，空間電荷區(qū)變寬窄，截止狀態(tài) 電力電子技術電力電子技術 電力二極管與普通二極管的區(qū)別電力二極管與普通二極管的區(qū)別 電力二極管是垂直導電結構；普通二極管是橫向電力二極管是垂直導電結構；普通二極管是橫向導電結構；導電結構；電力二極管在電力二極管在P

8、P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間多了一層低摻雜區(qū)之間多了一層低摻雜N N區(qū)，區(qū)，也稱為漂移區(qū)，這種結構稱為也稱為漂移區(qū)，這種結構稱為P-i-NP-i-N結構結構,使反向耐使反向耐壓值更高。壓值更高。電導調制效應電導調制效應 齊納擊穿和雪崩擊穿齊納擊穿和雪崩擊穿 結電容（勢壘電容和擴散電容）結電容（勢壘電容和擴散電容）電力電子技術電力電子技術 2.2.1 電力二極管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向電壓大到一定值（正向電壓大到一定值（門檻門檻 電壓電壓U UTOTO ），正向電流才開始），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與與I I

9、F F對應的電力二極管兩端的對應的電力二極管兩端的 電壓即為其電壓即為其正向電壓降正向電壓降U UF F。承受反向電壓時，只有承受反向電壓時，只有少子少子 引起的微小而數值恒定的引起的微小而數值恒定的反向反向 漏電流漏電流。IOIFUTOUFU圖圖2-5 2-5 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性 電力電子技術電力電子技術 a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖圖2-6 2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形a)a)正向偏置轉換為反向偏置正向偏置轉換為反向偏置 b)b)零偏置轉換為正向偏置

10、零偏置轉換為正向偏置 動態(tài)特性動態(tài)特性 因為因為結電容結電容的存在，電壓的存在，電壓電流電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的態(tài)之間轉換過程的開關特性開關特性。由正向偏置轉換為反向偏置由正向偏置轉換為反向偏置 電力二極管并不能立即關斷，而是須電力二極管并不能立即關斷，而是須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。斷能力，進入截止狀態(tài)。在關斷之前有較大的反向電流出現，在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電

11、壓過沖。并伴隨有明顯的反向電壓過沖。延遲時間：延遲時間：t td d=t=t1 1-t-t0 0 電流下降時間：電流下降時間：t tf f =t=t2 2-t-t1 1 反向恢復時間：反向恢復時間：t trrrr=t=td d+t tf f 恢復特性的軟度：恢復特性的軟度：t tf f/t td d，或稱恢復或稱恢復系數，用系數，用S Sr r表示。表示。t0:正向正向電流降電流降為零的為零的時刻時刻t1:反向電反向電流達最大流達最大值的時刻值的時刻t2:電流變電流變化率接近化率接近于零的時于零的時刻刻 電力電子技術電力電子技術 2.2.2 2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性

12、UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉換為正向偏置由零偏置轉換為正向偏置 先出現一個先出現一個過沖過沖U UFPFP，經，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值。降的某個值。正向恢復時間正向恢復時間t tfrfr 出現出現電壓過沖的原因電壓過沖的原因：1 1、電導調制效應起作用、電導調制效應起作用所需所需的的大量少子需要一定的時間來大量少子需要一定的時間來儲存，在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管儲存，在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較大；壓降較大；2 2、正向電流的上升會因器件、正向電流的上升會因器件自身的自身的電感電感而產生較大壓降。而產生較大壓降。電流上升率電流上升率越大，越大，U

13、 UFPFP越高。越高。圖圖2-7 電力二極管的動態(tài)過程波電力二極管的動態(tài)過程波形形 b)零偏置轉換為正向偏置零偏置轉換為正向偏置 電力電子技術電力電子技術 2.2.3 2.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數 正向平均電流正向平均電流I IF(AV)F(AV)指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用溫，用T TC C表示）和散熱條件下，其允許流過的最大表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦工頻正弦半波電流半波電流的平均值。的平均值。I IF(AV)F(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按是按照電流的發(fā)熱

14、效應來定義的，使用時應按有效有效值相等值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。正向壓降正向壓降U UF F 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向穩(wěn)態(tài)正向電流電流時對應的正向壓降。時對應的正向壓降。反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓U URRMRRM 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。使用時，應當留有使用時，應當留有兩倍兩倍的裕量。的裕量。電力電子技術電力電子技術 最高工作結溫最高工作結溫TJM 結溫是指管芯結溫是指管芯PN結的平均溫度，用

15、結的平均溫度，用TJ表示。表示。最高工作結溫是指在最高工作結溫是指在PN結不致損壞的前提下所能承受結不致損壞的前提下所能承受的的最高平均溫度最高平均溫度。TJM通常在通常在125175 C范圍之內。范圍之內。反向恢復時間反向恢復時間trr浪涌電流浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期工頻周期的過電流的過電流。電力電子技術電力電子技術 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。是

16、反向恢復特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。普通二極管（普通二極管（General Purpose Diode）又稱又稱整流二極管（整流二極管（Rectifier Diode），多用于開關頻率不多用于開關頻率不高（高（1kHz以下）的整流電路中。以下）的整流電路中。其其反向恢復時間反向恢復時間較長，一般在較長，一般在5 s以上以上。其其正向電流定額正向電流定額和和反向電壓定額反向電壓定額可以達到很高。可以達到很高。電力電子技術電力電子技術 vEUPEC DD89N：IF(AV)89A 100CVRRM 12001400VVRSM 13001700VIFSM 2800AvF 1,5 VVISO

17、L 3,0kV 電力電子技術電力電子技術 快恢復二極管（快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD）恢復過程恢復過程很短，特別是很短，特別是反向恢復過程反向恢復過程很短（一般在很短（一般在5 s以下）。以下）?？旎謴屯庋佣O管快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial Diodes-FRED），其反向恢復時間更短（可低于，其反向恢復時間更短（可低于50ns），），正向壓降很低（正向壓降很低（0.9V左右）。左右）。從性能上可分為從性能上可分為快速恢復快速恢復和和超快速恢復超快速恢復兩個等級。前兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在者反向恢復時

18、間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，以下，甚至達到甚至達到20-30ns。電力電子技術電力電子技術 肖特基二極管（肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD）屬于屬于多子多子器件器件 優(yōu)點在于：優(yōu)點在于：反向恢復時間反向恢復時間很短（很短（1040ns），正向恢復），正向恢復過程中也不會有明顯的過程中也不會有明顯的電壓過沖電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下；在反向耐壓較低的情況下其其正向壓降正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其開關開關損耗損耗和和正向導通損耗正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。都比快速二極管還要小

19、，效率高。弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降正向壓降也也會高得不能滿足要求，因此多用于會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；以下的低壓場合；反反向漏電流向漏電流較大且對較大且對溫度溫度敏感，因此敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。而且必須更嚴格地限制其工作溫度。電力電子技術電力電子技術 20世紀世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大 容量的場合具有重要地位。容量的

20、場合具有重要地位。晶閘管（晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整）：晶體閘流管，可控硅整流器（流器（Silicon Controlled RectifierSCR）2.3.1 晶閘管的結構和工作原理晶閘管的結構和工作原理2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 電力電子技術電力電子技術 常用常用晶閘管的結構晶閘管的結構螺栓型晶閘管晶閘管模塊圖圖2-8 晶閘管外形及結構晶閘管外形及結構平板型晶閘管外形及結構平板型晶閘管外形及結構 電力電子技術電力電子技術 圖圖2-9 晶閘管外形比較晶閘管外形比較 電力電子技術電力電子技術 1 1、晶閘管的可控單向導電性、晶閘管的可控單向導電性EgEa

21、Q2UgGKAQ1圖圖2-10 晶閘管導通關斷實驗原理圖晶閘管導通關斷實驗原理圖 電力電子技術電力電子技術 實驗順序實驗前燈的情況實驗時晶閘管情況實驗后燈的情況陽極電壓門極電壓導通實驗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關斷實驗123亮亮亮正向正向正向正向 零反向亮亮亮4亮正向(減小到零）(任意)暗表表1.11.1 電力電子技術電力電子技術 實驗結果表明實驗結果表明:1.晶閘管在反向陽極電壓作用下，不論門極為何種電壓，晶閘管在反向陽極電壓作用下，不論門極為何種電壓，都處于關斷狀態(tài)。都處于關斷狀態(tài)。2.當門極未加觸發(fā)電壓時，晶閘管具有正向阻斷能力。當門

22、極未加觸發(fā)電壓時，晶閘管具有正向阻斷能力。3.晶閘管同時在正向陽極電壓與正向門極電壓作用下，才晶閘管同時在正向陽極電壓與正向門極電壓作用下，才能導通。能導通。4.已導通的晶閘管在正向陽極電壓作用下，門極失去控制已導通的晶閘管在正向陽極電壓作用下，門極失去控制作用。作用。5.晶閘管在導通狀態(tài)時，當晶閘管在導通狀態(tài)時，當 Ea 減小到接近零時，晶閘管減小到接近零時，晶閘管關斷。關斷。電力電子技術電力電子技術 v可控性：當晶閘管加上正向陽極電壓后可控性：當晶閘管加上正向陽極電壓后,門極加門極加 上適當的正向門極電壓，晶閘管才能由上適當的正向門極電壓，晶閘管才能由 截止變?yōu)閷?。截止變?yōu)閷?。v晶閘管

23、一旦導通后，門極失去可控作用。晶閘管一旦導通后，門極失去可控作用。v單向導電性：導通的晶閘管，不管門極有沒有電單向導電性：導通的晶閘管，不管門極有沒有電 壓，陽極一旦加上反向電壓，晶閘壓，陽極一旦加上反向電壓，晶閘 管就由導通變?yōu)榻刂?。管就由導通變?yōu)榻刂埂ｋ娏﹄娮蛹夹g電力電子技術 結論一結論一晶閘管的導通條件：晶閘管的導通條件：1 1、陽極與陰極之間加上正向電壓；、陽極與陰極之間加上正向電壓；2 2、門極與陰極之間加上適當的正向電壓。、門極與陰極之間加上適當的正向電壓。結論二結論二晶閘管關斷的條件：晶閘管關斷的條件：使流過晶閘管的陽極電流小于晶閘管規(guī)定的維使流過晶閘管的陽極電流小于晶閘管規(guī)定的

24、維持電流。持電流。關斷實現的方式：關斷實現的方式：減小陽極電壓；減小陽極電壓；增大負載電阻；增大負載電阻；加反向陽極電壓。加反向陽極電壓。電力電子技術電力電子技術 2、晶閘管觸發(fā)導通原理：、晶閘管觸發(fā)導通原理：晶閘管的三個晶閘管的三個PNPN結可等效看成由兩個晶體管結可等效看成由兩個晶體管V1(P1-N1-P2)V1(P1-N1-P2)與與V2(N1-P2-N2)V2(N1-P2-N2)組成。組成。P1N1J1P2N2J2J3P1N1N1P2P2N2圖圖2-11 2-11 晶閘管等效結構圖晶閘管等效結構圖 電力電子技術電力電子技術 AGKRdEaEgIaIkIgIcov1v2由圖可知，由圖可知

25、，v1v1的集電的集電極電流同時又是極電流同時又是v2v2的的基極電流，基極電流，v2v2的集電的集電極電流同時又是極電流同時又是v1v1的的基極電流，當晶閘管基極電流，當晶閘管陽極加正向電壓，一陽極加正向電壓，一旦有足夠的門極電流旦有足夠的門極電流流入時，就形成強烈流入時，就形成強烈的正反饋。的正反饋。圖圖2-12 2-12 晶閘管測試電路圖晶閘管測試電路圖 電力電子技術電力電子技術 式中式中 1 1和和 2 2分別是晶體管分別是晶體管V V1 1和和V V2 2的電流增益；的電流增益；I ICBO1CBO1和和I ICBO2CBO2分別是分別是V V1 1和和V V2 2的漏電流。的漏電流

26、。由上式可得由上式可得 ：圖圖2-13 2-13 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)a)雙晶體管模型雙晶體管模型 b)b)工作原理工作原理 由晶體管的工作原理，得：由晶體管的工作原理，得：c11ACBO1IIIc22KCBO2IIIKAGIIIAc1c2III（2）（1）（3）（4）（5）2GCBO1CBO2A121()IIII 電力電子技術電力電子技術 總結：總結：阻斷狀態(tài)：阻斷狀態(tài)：=0=0，1 1+2 2很小。流過晶閘管的漏電流稍大很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極

27、電流增大以注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致致 1 1+2 2趨近于趨近于1 1的話，流過晶閘管的電流的話，流過晶閘管的電流 將趨近于無將趨近于無窮大，實現飽和導通。窮大，實現飽和導通。實際由外電路決定。實際由外電路決定。AIGIAI 電力電子技術電力電子技術 陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/du/dtdt過高過高結溫較高結溫較高光觸發(fā)光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（Li

28、ght Triggered ThyristorLTT）。）。其他幾種可能導通的情況其他幾種可能導通的情況：只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。電力電子技術電力電子技術 承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通；閘管都不會導通；承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通；晶閘管才能開通；晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用；晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。于零的某一數值以下。晶閘管正常工作時的特性總結如下：晶閘管正常工作時的特性總結如下：