電子器件PPT課件

1、西門子第1頁/共84頁ABB變頻器第2頁/共84頁1、變頻器的概念和用途 變頻器的概念：利用半導(dǎo)體器件的通斷作用來實(shí)現(xiàn)電能頻率變化的電子控制裝置。 整流和逆變 變頻器的用途：用于驅(qū)動(dòng)控制交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)平滑的變頻調(diào)速。第3頁/共84頁變頻器的用途第4頁/共84頁第5頁/共84頁2、變頻器的發(fā)展歷程 直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)： 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速平滑、調(diào)速性能好 但直流電機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、維護(hù)不變 交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)： 交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價(jià)格低廉、規(guī)格較多（小容量到大容量的） 但調(diào)速比較困難第6頁/共84頁 變頻器的誕生 20世紀(jì)70年代，微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為

2、變頻器的誕生奠定了基礎(chǔ)。 變頻器的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。 變頻器的發(fā)展與成熟 近30年來，微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了變頻器的不斷發(fā)展和成熟 高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)可以與傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。第7頁/共84頁3、我國變頻器的應(yīng)用現(xiàn)狀 起步較晚 20世紀(jì)90年代中國企業(yè)界才開始認(rèn)識(shí)并嘗試使用 以進(jìn)入“黃金時(shí)期” 近幾年，隨著變頻器價(jià)格的下調(diào)、性能的提高,以及節(jié)能方面的要求，推動(dòng)了變頻器的推廣應(yīng)用。 國外品牌：作為高新科技產(chǎn)品，國外品牌占據(jù)了絕大多數(shù)市場(chǎng)。 如：日本三菱、富士、西門子等第8頁/共84頁 國內(nèi)品牌 國內(nèi)變頻器的研制和生產(chǎn)也在向前發(fā)展 規(guī)模較大的

3、廠家有：成都森蘭、佳靈，北京的利德華福等。 變頻調(diào)速的效果 節(jié)能（風(fēng)機(jī)、泵類） 提高速度和精度 提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量 延長設(shè)備使用壽命（和直流調(diào)速比較） 增加使用者的舒適度等（電梯）第9頁/共84頁 市場(chǎng)空間 變頻器的應(yīng)用目前不足十分之一 一個(gè)主要原因是變頻器應(yīng)用人才的缺乏第10頁/共84頁應(yīng)用效果應(yīng)用效果領(lǐng)域領(lǐng)域應(yīng)用方法應(yīng)用方法以前方式以前方式節(jié)能鼓風(fēng)機(jī)、泵調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，采用工頻恒速和變頻調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)相結(jié)合采用工頻電源恒速運(yùn)轉(zhuǎn)自動(dòng)化各種搬運(yùn)機(jī)械1、多臺(tái)電動(dòng)機(jī)以比例速度運(yùn)轉(zhuǎn)2、聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，同步運(yùn)轉(zhuǎn)1、機(jī)械式變速減速器2、定子電壓控制提高產(chǎn)量機(jī)床搬運(yùn)機(jī)械增速運(yùn)轉(zhuǎn)消除或緩沖起動(dòng)停止引起的不良降低1、采用工頻

4、電源恒速運(yùn)轉(zhuǎn)2、定子電壓控制減少維修（惡劣環(huán)境的對(duì)策）車輛傳動(dòng)生產(chǎn)流水線取代直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)提高質(zhì)量機(jī)床攪拌機(jī)選擇無級(jí)的最佳速度運(yùn)轉(zhuǎn)采用工頻電源恒速運(yùn)轉(zhuǎn)提高舒適性空調(diào)機(jī)采用壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行連續(xù)溫度控制采用工頻電源的通、斷控制第11頁/共84頁風(fēng)機(jī)、水泵用節(jié)能型變頻器第12頁/共84頁 風(fēng)機(jī)、水泵，是風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)矩或風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，所以在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩非常小，變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度及轉(zhuǎn)矩都不存在問題，所以變頻器可制造出節(jié)能型。第13頁/共84頁4、變頻器的發(fā)展趨勢(shì) 向?qū)Ｓ眯头较虬l(fā)展 針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域的專用變頻器（風(fēng)機(jī)泵類） 以降低成本，節(jié)省安裝調(diào)試

5、時(shí)間，方便操作 向個(gè)性化方向發(fā)展 操作更簡單（設(shè)計(jì)時(shí)菜單更加方便） 使用更方便 易用型不斷提高 提供輔助工具 簡化調(diào)試過程第14頁/共84頁 功率結(jié)構(gòu)模塊化 采用模塊化設(shè)計(jì)，為不同系列的產(chǎn)品提供了一致性 為用戶選型、安裝、調(diào)試維護(hù)帶來方便 智能化（信息化） 加強(qiáng)編程能力 通訊能力 優(yōu)化電網(wǎng)缺口 內(nèi)置電抗器減少諧波對(duì)電網(wǎng)的影響 采用高功率因數(shù)整流器第15頁/共84頁5、課程內(nèi)容 課程性質(zhì) “變頻器原理及應(yīng)用”是一門應(yīng)用性較強(qiáng)的專業(yè)課程 是“數(shù)學(xué)”、“物理”、“電工基礎(chǔ)”、“電子技術(shù)”、“電子電子技術(shù)”、“電力拖動(dòng)”、“電氣控制”等課程的后續(xù)課程。 同時(shí)又與“交直流調(diào)速系統(tǒng)”、“PLC控制技術(shù)”等

6、專業(yè)課程有著橫向聯(lián)系。第16頁/共84頁 課程主要任務(wù) 掌握變頻器的結(jié)構(gòu)和工作原理 重點(diǎn)：變頻器的概念和用途 難點(diǎn)：變頻器的發(fā)展趨勢(shì)第17頁/共84頁第2章 電力電子器件 第18頁/共84頁電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 半控型器件 主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號(hào)來控制其通斷第19頁/共84頁電力電子器件的分類按

7、照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型 必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。第20頁/共84頁電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器

8、件集成混合而成， 也稱混合型器件。 第21頁/共84頁本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。學(xué)習(xí)要點(diǎn) 最重要的是掌握其基本特性。 掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。 了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。 了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。第22頁/共84頁2.2 不可控器件功率二極管功率二極管的工作原理 功率二極管的基本特性 功率二極管的主要參數(shù) 功率二極管的主要類型第23頁/共84頁2.2 不可控器件功率

9、二極管引言功率二極管（Power Diode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。整流二極管及模塊 第24頁/共84頁功率二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的, ,實(shí)際上是由一個(gè)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，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。AKAKa)IKAPNJb)c)AK圖2-2 功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)第25頁

10、/共84頁二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。第26頁/共84頁靜

11、態(tài)特性 主要是指其伏安特性 正向電壓大到一定值（門檻 電壓UTO ），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與IF對(duì)應(yīng)的功率二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降UF。 承受反向電壓時(shí)，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5 功率二極管的伏安特性第27頁/共84頁a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻t0:正向電流降為零的時(shí)刻動(dòng)態(tài)特性 因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是功率二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 功

12、率二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。 延遲時(shí)間：td=t1-t0 電流下降時(shí)間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。b)UFPiiFuFtfrt02V 圖2-6 功率二極管的動(dòng)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 第28頁/共84頁正向平均電流IF(AV) 指功率二極管長期運(yùn)行時(shí)，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

13、值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)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。正向壓降UF 指功率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(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。第29頁/共84頁最高工作結(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125175 C范圍之內(nèi)。反向恢復(fù)時(shí)間trr浪涌電流IFSM 指功率二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。第30頁/共84頁2.3

14、 半控器件晶閘管引言晶閘管（晶閘管（Thyristor）是）是晶體閘流管晶體閘流管的簡稱，又稱作的簡稱，又稱作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡稱為可控硅。，以前被簡稱為可控硅。 1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（年美國通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第一只）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。年使其商業(yè)化。由于其能承受的由于其能承受的電壓和電流容量電壓和

15、電流容量仍然是目前電力電子器件中最高仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。位。第31頁/共84頁晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) 第32頁/共84頁晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKI

16、II21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中 1和 2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。圖2-8 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 第33頁/共84頁晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 由以上式（2-1）（2-4）可得)(121CBO2CBO1G2AIIII(2-5)晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。迅速增大。在晶體管在晶體管阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)下，下，IG=0，而，而 1+

17、2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管可看出，此時(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致 1+ 2趨近于趨近于1的話，流過晶閘管的電流的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）（陽極電流）將將趨近于趨近于無窮大無窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持實(shí)際上會(huì)維持有限值有限值。 第34頁/共84頁晶閘管的基本特性靜態(tài)特性 正常工作時(shí)的特性 當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，

18、不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，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，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 第35頁/共84頁晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性 正向特性 當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。 如果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，晶閘管本身的壓降

19、很小，在1V左右。 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。 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+ 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 第36頁/共84頁晶閘管的基本特性正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+反向特性 其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(shí)，只有極小的反向漏電流通過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，

20、外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG第37頁/共84頁晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性 開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的正反饋 過程需要時(shí)間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不可能 是瞬時(shí)的。 延遲時(shí)間td (0.51.5 s) 上升時(shí)間tr (0.53 s) 開通時(shí)間tgt=td+tr 延遲時(shí)間隨門極電流的增 大而減小,上升時(shí)間除反映晶 閘管本身特性外，還受到外電 路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極 電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都 可顯著縮短。陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtg

21、rURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10% 圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第38頁/共84頁晶閘管的基本特性關(guān)斷過程 由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽極電流在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第39頁/共84頁晶閘管的主

22、要參數(shù)電壓定額 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向 峰值電壓（見圖2-9）。 國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向 峰值電壓（見圖2-8）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。第40頁/共84頁晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電

23、流時(shí)的瞬態(tài)峰值電 壓。 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。 選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。電流定額 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40 C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(shí)所允許流過的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。 第41頁/共84頁晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫

24、越高，則IH越小。 擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。 約為IH的24倍 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。第42頁/共84頁晶閘管的主要參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù) 開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘

25、管損壞。第43頁/共84頁2.4 典型全控型器件引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。第44頁/共84頁典型全控型器件引言GTO：現(xiàn)在已有的6000V、6000A，9000V、8000A。GTO廣泛應(yīng)用于高壓、大容量場(chǎng)合中的一種大功率開關(guān)器件。第45頁/共84頁門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的結(jié)構(gòu) 是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)。 是一種多元的功率集成 器件，雖然外

26、部同樣引出個(gè) 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)百個(gè)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)在一起圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào) 第46頁/共84頁門極可關(guān)斷晶閘管GTO 門極可關(guān)斷晶閘管是一種通過門極來控制器件導(dǎo)通和關(guān)斷的電力半導(dǎo)體器件。優(yōu)點(diǎn)：既具有普通晶閘管的優(yōu)點(diǎn)（耐高壓，電流大，耐浪涌能力強(qiáng)，價(jià)格便宜），同時(shí)又具有GTR的優(yōu)點(diǎn)（自關(guān)斷能力，無需輔助關(guān)斷電路，使用方便）。GTO是目前應(yīng)用于高壓、大容量場(chǎng)合中的一種大功率開關(guān)器件。第47頁/共84頁門極可關(guān)斷晶閘管 圖2-8

27、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GTO的工作原理 仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，V1、V2的共基極電流增益分別是 1、 2。 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同 設(shè)計(jì) 2較大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí) 1+ 2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 第48頁/共84頁門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，

28、即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使 1+ 21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。 GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。 第49頁/共84頁門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動(dòng)態(tài)特性 開通過程與普通晶閘管類似。 關(guān)斷過程 儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡， ts就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)

29、間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時(shí)間 殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間 圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形 第50頁/共84頁門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 最大可關(guān)斷陽極電流IATO 用來標(biāo)稱GTO額定電流。 電流關(guān)斷增益 off 最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 開通時(shí)間ton 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。 延遲時(shí)間一般約12 s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而 增大。 關(guān)斷時(shí)間toff 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。 儲(chǔ)

30、存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2 s。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。 第51頁/共84頁電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。 第52頁/共84頁圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子

31、的流動(dòng) GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。第53頁/共84頁N-漂移區(qū)由于摻雜濃度低而接近無摻雜的純半導(dǎo)體材料即本征半導(dǎo)體，因此可以承受很高的電壓而不被擊穿，因此低摻雜區(qū)越厚，管子所能承受的反向電壓就越高。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：低摻雜區(qū)由于摻雜濃度低而具有的高電阻率對(duì)于PN結(jié)的正向?qū)ㄊ遣焕?。?dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較大時(shí)，由P區(qū)注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導(dǎo)體的電中性條件，其多子濃度也將相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是電導(dǎo)率大大增加，這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。第54頁/共84頁電力晶體管Ii

32、iceobc在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為(2-9) 稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 iibc(2-10)單管GTR的 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=ibie=(1+ )ib圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) 第55頁/共84頁電力晶體管GTR的基本特性 靜態(tài)特性 在共發(fā)射極接法時(shí)的典 型輸出特性分為截止區(qū)、放 大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。 在電力電子電路中， GTR工

33、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(shí)， 一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。 極間電容 CGS、CGD和CDS。 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。 第70頁/共84頁電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 3功率MOSFET的保護(hù)技術(shù)（1 1）柵源過壓保護(hù) 過高的柵源電壓將擊穿柵源氧化層，并產(chǎn)生永久性損壞。 MOSFET的柵源電壓一般不允許超過20V，在柵源兩端反接一個(gè)穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓值為15V），即可實(shí)現(xiàn)柵源過壓保護(hù)。（2 2）漏源過壓保護(hù) 在漏極電路的供電

34、電壓遠(yuǎn)低于功率MOSFET額定電壓的時(shí)候，功率MOSFET也可能遭受瞬態(tài)過電壓而毀壞。這個(gè)瞬態(tài)過電壓就是由于功率MOSFET關(guān)斷時(shí)電路中電感的影響造成的 第71頁/共84頁電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（3 3）峰值電流保護(hù) 所有的功率MOSFET都有一個(gè)最大的峰值電流額定值。為保證能長期可靠地工作，功率MOSFET工作時(shí)不能超過這個(gè)額定值。 在實(shí)際電路中，如光電、熱和電機(jī)類負(fù)載，如不加以限制就會(huì)產(chǎn)生大的沖擊電流。當(dāng)功率MOSFET突然同一個(gè)導(dǎo)通的續(xù)流二極管接通時(shí)，由于二極管的反向恢復(fù)作用，會(huì)產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流。解決這個(gè)問題的辦法是選用快恢復(fù)型二極管，或降低功率MOSFET的開關(guān)速度，以限制續(xù)流二極管的峰值

35、反向恢復(fù)電流。第72頁/共84頁（5 5）過熱保護(hù) 解決過熱保護(hù)的辦法之一是安裝一個(gè)足夠大的散熱器，使它的散熱能力足以在總功耗一定的情況下，使結(jié)溫限制在150之內(nèi)。辦法二是檢測(cè)結(jié)溫，如果結(jié)溫高于某個(gè)值(如100)，就應(yīng)該采取關(guān)斷措施。檢測(cè)結(jié)溫一般是依據(jù)功率MOSFET的通態(tài)電阻RDS（ON）隨結(jié)溫上升而增大的性質(zhì)。在漏極電流一定的情況下，通態(tài)電阻值是和管壓降成正比的，所以檢測(cè)管壓降就能檢測(cè)到結(jié)溫的情況。 （6 6）靜電保護(hù) 由于功率MOSFE了是MOS器件，它有一定的輸入電容，很容易吸收靜電荷，這個(gè)靜電荷積累過多，會(huì)使極間的電壓超過所允許的電壓而毀壞器件。因此要注意以下一些問題： 1)功率MO

36、SFET應(yīng)放置在防靜電袋子或?qū)щ娕菽芰蟽?nèi)，操作者要帶可靠接地的手鐲拿取。 2)用手拿功率MOSFET時(shí)，不要用手觸摸其管腳。 3)工作臺(tái)要采用接地的桌子和地板墊。 4)電烙鐵要良好地接地，在MOSFET電控系統(tǒng)中要設(shè)置過壓、欠壓、過流和過熱保護(hù)單元，以保證安全可靠地工作。第73頁/共84頁2、6絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipola

37、r TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 第74頁/共84頁IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的結(jié)構(gòu) 是三端器件，具有柵極G、 集電極C和發(fā)射極E。 由N溝道VDMOSFET與雙 極型晶體管組合而成的IGBT， 比VDMOSFET多一層P+注入 區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào) 制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流 能力。 簡化等效電路表明，IGBT 是用GTR與MOSFET組成的達(dá) 林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶 體管。 絕緣柵雙極晶體管圖2-23 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b)

38、 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)第75頁/共84頁絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理 IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。 當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。 第76頁/共84頁絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 描述的是集電極電流 IC與柵射電壓UGE之間的 關(guān)系。 開啟電壓UGE(th)是 IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而 導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨 溫度升高而略有下降。 圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 第77頁/共84頁絕緣柵雙極晶體管圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。 分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。 當(dāng)UCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)