電力電子技術(shù)第二章總結(jié)

1、電力電子技術(shù)作業(yè)：第二章總結(jié)班級(jí)：XXXXXX學(xué)號(hào)：XXXXXXX姓名：XXXXXX2016第二章電力電子器件 總結(jié)1.概述不可控器件電力二極管(Power Diode) GPD FRD SBD半控型器件晶閘管(Thyristor) FST TRIAC LTT典型全控型器件 GTO GTR MOSFET IGBT其他新型電力電子器件 MCT SIT SITH IGCT 功率集成電路與集成電力電子模塊 HVIC SPIC IPM1.1相關(guān)概念主電路(Main Power Circuit):在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中,直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路電力電子器件(Power Electronic D

2、evice)是指可直接用于處理電能的主電路中,實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件1.2特點(diǎn)電功率大,一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)由信息電子電路來(lái)控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路(主要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大)功率損耗大,工作時(shí)一般都需要安裝散熱器通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開(kāi)關(guān)損耗(開(kāi)通損耗 關(guān)斷損耗) 開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí),可能成為器件功率損耗的主要因素電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成一般是由控制電路驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵詞 電力電子系統(tǒng) 電氣隔離 檢測(cè)電路 保護(hù)電路 三個(gè)端子1.3電力電子器件的分類(lèi)按能夠被控制電路信號(hào)控制的程度不同可分為 半控型器件(開(kāi)通可控,關(guān)斷

3、不可控) 全控型器件(開(kāi)通,關(guān)斷都可控) 不可控器件(開(kāi)通,關(guān)斷都不可控)按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)不同可分為 電流驅(qū)動(dòng)型 電壓驅(qū)動(dòng)型按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形(電力二極管除外 )不同可分為 脈沖觸發(fā)型 電平控制型按照載流子參與導(dǎo)電的情況不同可分為 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件集成混合而成,也稱(chēng)混合型器件)關(guān)鍵詞 控制的程度 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)波形 載流子參與導(dǎo)電的情況 工作原理 基本特性 主要參數(shù)2不可控器件電力二極管(Power Diode)2.1結(jié)構(gòu)與工作原理電力二極管實(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

4、組成的PN節(jié)(PN junction):采用不同的摻雜工藝,通過(guò)擴(kuò)散作用,將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體(通常是硅或鍺)基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱(chēng)為PN結(jié)N型半導(dǎo)體(N為Negative的字頭,由于電子帶負(fù)電荷而得此名):即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體(P為Positive的字頭,由于空穴帶正電而得此名):即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體正向電流IF :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)流出的電流反向截止?fàn)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(méi)有電流流過(guò)的狀態(tài)反向擊

5、穿: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(guò)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)雪崩擊穿 齊納擊穿(可以恢復(fù)) 熱擊穿(不可恢復(fù))P-i-N結(jié)構(gòu)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)(Conductivity Modulation):當(dāng)正向電流較小時(shí),管壓降隨正向電流的上升而增加;當(dāng)正向電流較大時(shí),電阻率明顯下降,電導(dǎo)率大大增加的現(xiàn)象關(guān)鍵詞 少子 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 空間電荷區(qū)(耗盡層阻擋區(qū)勢(shì)壘區(qū))結(jié)電容CJ:PN結(jié)中的電荷量隨外加電壓而變化,呈現(xiàn)電容效應(yīng)(微分電容)擴(kuò)散電容CD:擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用正向電壓較高時(shí),擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分 勢(shì)壘電容CB:勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作

6、用,外加電壓頻率越高,勢(shì)壘電容作用越明顯在正向偏置時(shí),當(dāng)正向電壓較低時(shí),勢(shì)壘電容為主作用:結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率,特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下,可能使其單向?qū)щ娦宰儾?甚至不能工作2.2基本特性靜態(tài)特性(伏安特性)門(mén)檻電壓UTO 正向電壓降UF 反向漏電流是由少子引起的微小而數(shù)值定動(dòng)態(tài)特性結(jié)電容 零偏置,正向偏置,反向偏置 不能立即轉(zhuǎn)換狀態(tài) 過(guò)渡過(guò)程 正向偏置時(shí)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:Sr = tf / td,或稱(chēng)恢復(fù)系數(shù),Sr越大恢復(fù)特性越軟由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置過(guò)沖UFP : 原因:1)電

7、導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存,在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大2)正向電流的上升會(huì)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 正向恢復(fù)時(shí)間:tfr 2.3主要參數(shù)正向平均電流IF(AV) 正向壓降UF反向重復(fù)峰值電壓URRM最高工作結(jié)溫TJM反向恢復(fù)時(shí)間trr浪涌電流IFSM2.4主要類(lèi)型普通二極管(General Purpose Diode)快恢復(fù)二極管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件晶閘管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)3.

8、1結(jié)構(gòu)和工作原理內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖a) P1 區(qū)引出陽(yáng)極AN2 區(qū)引出陰極K P2 區(qū)引出門(mén)極G工作原理可以用雙晶體管模型解釋如右圖b)工作過(guò)程關(guān)鍵詞: IG V2 Ic2 Ic1 正反饋 觸發(fā) 門(mén)觸發(fā)電路 其他幾種可能導(dǎo)通的情況陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高光觸發(fā)結(jié)溫較高只有門(mén)極觸發(fā)是最精確迅速而可靠的控制手段 3.2基本特性靜態(tài)特性正常工作特性當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí),不論門(mén)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(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通 晶閘管一旦導(dǎo)通,門(mén)極就失去控制作用,不論門(mén)極觸發(fā)電流是否還存在,晶閘

9、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(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下伏安特性如右圖所示 包括正向特性和反向特性正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 維持電流IH反向最大瞬態(tài)電壓URSM反向重復(fù)峰值電壓URRM斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓UDSM動(dòng)態(tài)特性如右圖所示延遲時(shí)間td (0.51.5ms)上升時(shí)間tr (0.53ms)開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr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+tgr3.3主要參數(shù)(包括電壓定額和電流定額)電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM反向重復(fù)峰值電壓URRM通態(tài)(峰值)電壓UT通常取晶閘管的UDR

10、M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)維持電流IH 擎住電流 IL浪涌電流ITSM動(dòng)態(tài)參數(shù)開(kāi)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 通態(tài)電流臨界上升率di/dt3.4晶閘管的派生器件快速晶閘管(Fast Switching Thyristor, FST)雙向晶閘管(Triode AC SwitchTRIAC or Bidirectional Triode Thyristor)逆導(dǎo)晶閘管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶閘管(Light T

11、riggered Thyristor, LTT) 典型全控型器件4門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)晶閘管的一種派生器件,但可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷,因而屬于全控型器件 4.1結(jié)構(gòu)與工作原理其結(jié)構(gòu)原理可以參考晶閘管 數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)小GTO單元4.2基本特性靜態(tài)特性和普通晶閘管類(lèi)似動(dòng)態(tài)特性 儲(chǔ)存時(shí)間ts下降時(shí)間tf尾部時(shí)間tt4.3主要參數(shù)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO電流關(guān)斷增益boff開(kāi)通時(shí)間ton關(guān)斷時(shí)間toff5電力晶體管(Giant Transistor, GTR)5.1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

12、性是耐壓高電流大開(kāi)關(guān)特性好 達(dá)林頓接法 單元結(jié)構(gòu) 并聯(lián) 三層半導(dǎo)體 兩個(gè)PN結(jié)5.2基本特性右圖所示靜態(tài)特性右圖所示動(dòng)態(tài)特性右圖所示5.3主要參數(shù)電流放大倍數(shù)b直流電流增益hFE集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff 最高工作電壓BUceo:基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓實(shí)際使用GTR時(shí),為了確保安全,最高工作電壓要比BUceo低得多集電極最大允許電流IcM集電極最大耗散功率PcM 6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET)6.1結(jié)構(gòu)和工作原理6.3基本特性靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性MOS

13、FET的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系,可以降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs,從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù),加快開(kāi)關(guān)速度6.4主要參數(shù) 跨導(dǎo)Gfs開(kāi)啟電壓UT以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的各時(shí)間參數(shù) 漏極電壓UDS 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 柵源電壓UGS 極間電容 CGSCGD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) 7絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT or IGT)綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn) 場(chǎng)控器件7.1結(jié)構(gòu)和工作原理內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的7.2基本特性靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間tr 電壓下降時(shí)間tfv開(kāi)通時(shí)間ton= td(on)+tr+ tfvtf