《電力電子技術(shù)》word版.doc
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電 力 電 子 技 術(shù) Power Electronics 電 子 教 案 自動化學院“電力電子技術(shù)”課程組編寫 緒 論 一、教學目的與要求 讓學生了解電力電子技術(shù)的基本概念、發(fā)展史及其應(yīng)用領(lǐng)域 二、授課主要內(nèi)容 1．電力電子技術(shù)概念 2．電力電子技術(shù)發(fā)展史 3．應(yīng)用領(lǐng)域、舉例 三、重點、難點及對學生的要求 1．重點：電力電子的基本概念機器應(yīng)用 2．難點：電力電子技術(shù)的概念 3．要求：掌握電力電子技術(shù)的基本概念 了解電力電子技術(shù)的發(fā)展史 熟悉電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 四、輔助教學情況 多媒體課件、板書相結(jié)合 五、復(fù)習思考題 1．什么是電力電子技術(shù)？ 2．電力變換的種類 六、教材： 《電力電子技術(shù)》，王兆安、黃俊主編機械工業(yè)出版社，2005年1月第4版 七、參考教材 1. 《電力電子技術(shù) 》，張友漢主編 ，北京：高等教育出版社，2002 2. 《電力電子技術(shù) 》，王云亮主編 ，北京：電子工業(yè)出版社，2004.8 3. 《電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 》，應(yīng)建平[等]編著，北京：機械工業(yè)出版社，2003 4. 《電力電子技術(shù)手冊 》，(美)Muhammad H.Rashid主編；陳建業(yè)等譯 ，北京：機械工業(yè)出版社，2004 5.《電力電子技術(shù)釋疑與習題解析 》，葛延津主編 ，沈陽：東北大學出版社，2003 6. Power electronics: converters, applications, and design N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins，高等教育出版社 八、主要外語詞匯： power electronics; information electronics; rectifier; chopper; inverter; Uninterruptible Power Supply; High-voltage dc transmission; Flexible ac transmission(FACTS) 1. 什么是電力電子技術(shù)（What is power electronics） 1.1電力電子與信息電子技術(shù)(power electronics and information electronics) 信息電子技術(shù)——信息處理 電力電子技術(shù)——電力變換 電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。 電力電子技術(shù)——使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。 電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。 1.2 兩大分支 電力電子器件制造技術(shù)：電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。 變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）： 用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對其進行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)；是電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。 1．3 變流技術(shù)的種類 電力——交流和直流兩種：從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流 電力變換四大類：交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流 表1 電力變化的種類 1.4 與相關(guān)學科的關(guān)系 電力電子學 (Power Electronics)名稱60年代出現(xiàn)； 1974年，美國的W. Newell用圖1的倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受； 1） 與電子學（信息電子學）的關(guān)系 ①都分為器件和應(yīng)用兩大分支 ②器件的材料、工藝基本相同，都采用微電子技術(shù) ③應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件也基本相同 ④信息電子電路的器件可工作在開關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài) 電力電子電路的器件一般只工作在開關(guān)狀態(tài) ⑤二者同根同源 2） 與電力學（電氣工程）的關(guān)系 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中： 高壓直流輸電 靜止無功補償 電力機車牽引 交直流電力傳動 電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源 國內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個分支 電力電子技術(shù)是電氣工程學科中最為活躍的一個分支 3） 與控制理論（自動化技術(shù)）的關(guān)系 控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中 電力電子技術(shù)是弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電的接口控制理論是這種接口的有力紐帶 電力電子裝置是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù) 1.5 地位和未來 電力電子技術(shù)和運動控制一起，和計算機技術(shù)共同成為未來科學技術(shù)的兩大支柱 計算機——人腦 電力電子技術(shù)——消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng) 電力電子＋運動控制——肌肉和四肢 電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù),是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù) 能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源，因此，電力電子技術(shù)將青春永駐。 20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)，21世紀仍將以迅猛的速度發(fā)展 2. 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 一般工業(yè)： 交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè) 交通運輸： 電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海 電力系統(tǒng)： 高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償 電子裝置電源： 為信息電子裝置提供動力 家用電器： “節(jié)能燈”、變頻空調(diào) 其他： UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置 總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛，激發(fā)了一代又一代的學者和工程技術(shù)人員學習、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。 電力電子裝置提供給負載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。 電力電子技術(shù)對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用變頻調(diào)速方面，在使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術(shù)的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱為是節(jié)能技術(shù)。 3．發(fā)展史 電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的 4. 教材的內(nèi)容簡介和使用說明 4.1 教材的內(nèi)容簡介 教材的內(nèi)容可分為三大部分 u 第一部分：電力電子器件 （第1章-----全書的基礎(chǔ)) 第二部分：各種電力電子電路 （第2~5章和第8章-----全書的主體) 第三部分：PWM技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù) （第6、7兩章） 4.2 教材的使用說明 每章的最后有小結(jié)，對全章的要點和重點進行總結(jié)。 教材正文后附有“教學實驗”部分，精選了5個最基本的，也有較高實用價值的實驗 。 書末附有“術(shù)語索引”。 課時分配：課內(nèi)教學學時為48~56學時（包含實驗，每個實驗2學時）。 和其他課程的關(guān)系： 電路/ 電子技術(shù)基礎(chǔ) 電力電子技術(shù) 運動控制系統(tǒng) 第一章 電力電子器件 一、 教學目的與要求 通過本章的學習使學生掌握各種電力電子器件的特性和使用方法。 二、授課內(nèi)容 1、 電力電子器件的概念、特點和特性。 2、 各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。 三、重點、難點及學生的要求 1、重點 1） 晶閘管，GTO, GTR, P-MOSFET等 電力電子器件的工作原理，基本特性 及主要參數(shù)。 2） 電力電子器件的驅(qū)動及保護 2、難點 各類電力電子器件的基本特性。 3、 要求 1) 掌握電力電子器件的型號命名法醫(yī)及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。 2) 掌握各類電力電子器件驅(qū)動電路的特點。 3) 熟悉各類保護電路的作用及原理。 4) 了解電力電子器件的串并聯(lián)使用方法 四、主要外語詞匯 Power Electronic Device Thyristor Insulated-Gate Bipolar Transistor –IGBT Power MOSFET Gate-Turn-off Thyristor-GTO Power Diode Semiconductor Rectifier-SR Rectifier Diode Giant Transistor -GTR 五、輔助教學情況： 板書與多媒體課件相結(jié)合 六 復(fù)習思考題： 1-1，1-2，1-3，1-9 1.1 電力電子器件的概念和特征 電力電子電路的基礎(chǔ) —— 電力電子器件 概念: 電力電子器件（power electronic device）——可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件 主電路（main power circuit）——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務(wù)的電路 廣義上分為兩類: 電真空器件(汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導(dǎo)體器件(采用的主要材料仍然是硅) 1.1.1 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成 控 制 電 路 檢測 電路 驅(qū)動 電路 R L 主電路 V 1 V 2 控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\行，也往往是非常必要的。 1.1.2 電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類： 1)半控型器件: 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。 2)全控型器件: 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。 3)不可控器件 :不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。 1．2 不可控器件—電力二極管。 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用。快恢復(fù)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。 1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣 以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。 交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。 PN結(jié)的反向截止狀態(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴? 二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。 PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。 結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD 。 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用。外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。 造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： 正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大影響。 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。 1.2.2 電力二極管的基本特性 1. 靜態(tài)特性 主要指其伏安特性 電力二極管的基本特性 開通過程： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高 。 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf 恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1. 正向平均電流IF(AV) 額定電流——在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當用在頻率較高的場合時，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。 2. 正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降，有時參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降。 3.反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3，使用時往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。 4. 最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內(nèi)。 5. 反向恢復(fù)時間trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時間。 6. 浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 1.2.4 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，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。在應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。 1. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中，其反向恢復(fù)時間較長，一般在5ms以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要。 正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 2. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode——FRD） 3. 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode——SBD），簡稱為肖特基二極管 20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用 肖特基二極管的弱點 當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下 反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。 肖特基二極管的優(yōu)點： 反向恢復(fù)時間很短（10~40ns）。 正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。 在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。 其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。 1．3 半控器件—晶閘管 晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR） 1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管 1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 1958年商業(yè)化 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代 20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位 晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型——普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端 對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下a 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，a 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，a1+a2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。 開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致a1+a2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況： 陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)。 陽極電壓上升率du/dt過高。 結(jié)溫較高。 光直接照射硅片，即光觸發(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應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT）。 只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。 1.3.2 晶閘管的基本特性 1. 靜態(tài)特性 總結(jié)前面介紹的工作原理，可以簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下： 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(dǎo)通。 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。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。 要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。 晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性 晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG 1) 正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。 導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。 2) 反向特性 晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。 當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 2. 動態(tài)特性 圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 1) 開通過程 延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。 上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。 開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6） 普通晶閘管延遲時為0.5~1.5ms，上升時間為0.5~3ms。 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 2) 關(guān)斷過程 反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間 正向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間 在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ā? 實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr , 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 1. 電壓定額1)通態(tài)平均電流 IT(AV) ——晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。 2) 維持電流 IH : ——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。 3) 擎住電流 IL ——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。 4) 浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。 2. 電流定額1)通態(tài)平均電流 IT(AV) 2) 維持電流 IH 3) 擎住電流 IL 4) 浪涌電流ITSM 3. 動態(tài)參數(shù)除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有： (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當于一個電容的J2結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 (2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞 。 1.3.4 晶閘管的派生器件 1. 快速晶閘管（Fast Switching Thyristor——FST） 包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進行了改進，開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。 普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10ms左右。 高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 2.雙向晶閘管（Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode thyristor） 3. 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor——RCT） 4. 光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT） 1.4 典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合——高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個嶄新時代。 典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。 門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 晶閘管的一種派生器件。 可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷。 GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)： 與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。 工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別： 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論： GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。 GTO關(guān)斷過程：強烈正反饋——門極加負脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使 IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流。當IA和IK的減小使a1+a2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。 2. GTO的動態(tài)特性 開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr。 關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同 抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子——儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小——下降時間tf 。 殘存載流子復(fù)合——尾部時間tt 。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短。 門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當負電壓，則可縮短尾部時間 。 3. GTO的主要參數(shù) 最大可關(guān)斷陽極電流IATO 術(shù)語用法： 電力晶體管（Giant Transistor——GTR，直譯為巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有時候也稱為Power BJT。 在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效。 應(yīng)用 20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。 1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。 當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為 ic=b ib +Iceo ，產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE——在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認為bhFE 。單管GTR的b 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。 2. GTR的基本特性 (1) 靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。 在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) 在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū) (2) 動態(tài)特性 開通過程 延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程 。 關(guān)斷過程 儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff 。 ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。 減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。 負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。 GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。 3. GTR的主要參數(shù) 前已述及：電流放大倍數(shù)b、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff (此外還有)： 1)最高工作電壓 GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿，擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。 BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo 實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。 2)集電極最大允許電流IcM 通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic，實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率PcM 最高工作溫度下允許的耗散功率 產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。 安全工作區(qū)（Safe Operating Area——SOA） 最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。 也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率Field Effect Transistor——FET） 但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT） 1. 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道 耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道 電力MOSFET主要是N溝道增強型 電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷? 電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 這里主要以VDMOS器件為例進行討論 電力MOSFET的工作原理 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。 當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。 1)靜態(tài)特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。 ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。 MOSFET的漏極伏安特性： 截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)） 電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。 電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。 電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。 2) 動態(tài)特性 開通過程 開通延遲時間td(on) —— up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段。 上升時間tr—— uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段。 iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。 UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān) UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。 開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和。 關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時間td(off) ——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段。 下降時間tf—— uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS下載提示(請認真閱讀)
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