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文檔簡介
1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)浙江大學電氣工程學院浙江大學電氣工程學院 江道灼江道灼 教授教授:Telephone:67899975887999電力電子技術(shù)第一章第一章 功率半導體器件功率半導體器件第二章第二章 功率半導體器件的驅(qū)動和維護功率半導體器件的驅(qū)動和維護第三章第三章 交流交流- -直流直流(AC-DC)(AC-DC)變換變換第四章第四章 直流直流- -直流直流(DC-DC)(DC-DC)變換變換第五章第五章 直流直流- -交流交流(DC-AC)(DC-AC)變換變換第六章第六章 交流交流- -交流交流(AC-AC)(AC-AC)變換變換第七章第七章 諧振軟開關(guān)技
2、術(shù)諧振軟開關(guān)技術(shù)第八章第八章 電力電子在電氣工程中的運用電力電子在電氣工程中的運用功率半導體器件功率半導體器件1.1 概述1.2 大功率二極管1.3 晶閘管1.4 大功率晶體管1.5 功率場效應晶體管1.6 絕緣柵雙極性晶體管1.7 其他新型功率開關(guān)器件概述概述功率半導體器件的定義:功率半導體器件的定義:基于半導體資料、構(gòu)成電力電子安裝一次電路主電路的基于半導體資料、構(gòu)成電力電子安裝一次電路主電路的根本元件根本元件功率半導體器件的任務特點:功率半導體器件的任務特點:任務在開關(guān)形狀,且通態(tài)電阻很小,壓降接近于任務在開關(guān)形狀,且通態(tài)電阻很小,壓降接近于0 0等效于等效于短接,斷態(tài)電阻很大,漏電流接
3、近于等效于開斷;短接,斷態(tài)電阻很大,漏電流接近于等效于開斷;任務開關(guān)頻率較高,存在開關(guān)損耗開通與關(guān)斷損耗;任務開關(guān)頻率較高,存在開關(guān)損耗開通與關(guān)斷損耗;任務過程中需接受高電壓、大電流。任務過程中需接受高電壓、大電流。電力電子安裝表示圖電力電子安裝表示圖概述概述理想功率半導體器件:動、靜態(tài)特性好理想功率半導體器件:動、靜態(tài)特性好通態(tài)電流大且管壓降極低通態(tài)電流大且管壓降極低斷態(tài)漏電流極小且能接受高電壓斷態(tài)漏電流極小且能接受高電壓極短的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間極短的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間極小的開關(guān)損耗包括通、斷態(tài)損耗極小的開關(guān)損耗包括通、斷態(tài)損耗接受接受du/dt與與di/dt才干強等才干強等概述概述功率半導體器件的開展
4、功率半導體器件的開展 大功率二極管產(chǎn)生于大功率二極管產(chǎn)生于20世紀世紀40年代,目前已構(gòu)成整流二極年代,目前已構(gòu)成整流二極管、快恢復二極管、肖特基二極管等管、快恢復二極管、肖特基二極管等3種主要類型。種主要類型。 20世紀世紀60年代出現(xiàn)了第一代電力電子器件年代出現(xiàn)了第一代電力電子器件晶閘管及其晶閘管及其派生器件,如逆導晶閘管、雙向晶閘管等;派生器件,如逆導晶閘管、雙向晶閘管等; 70年代出現(xiàn)了第二代自關(guān)斷型電力電子器件,如年代出現(xiàn)了第二代自關(guān)斷型電力電子器件,如GTO、GTR、P-MOSFET等;等; 80年代出現(xiàn)了第三代場控功率半導體器件,如年代出現(xiàn)了第三代場控功率半導體器件,如IGBT、
5、IGCT等;等; 80年代末年代末90年代初開場出現(xiàn)第四代電力電子器件:集勝利年代初開場出現(xiàn)第四代電力電子器件:集勝利率半導體器件,如率半導體器件,如IPM等。等。 功率半導體器件的分類功率半導體器件的分類 1按可控性分類:按可控性分類: 不可控型、半控型、全控型不可控型、半控型、全控型 2按驅(qū)動信號分類:按驅(qū)動信號分類: 電流驅(qū)動型、電壓驅(qū)動型、光驅(qū)動電流驅(qū)動型、電壓驅(qū)動型、光驅(qū)動型型大功率二極管大功率二極管為不可控型功率半導體器件,主要用于不可控整流、為不可控型功率半導體器件,主要用于不可控整流、電感性負載回路的續(xù)流等。電感性負載回路的續(xù)流等。大功率二級管的構(gòu)造及符號:大功率二級管的構(gòu)造及
6、符號:(a)符號符號 (b)螺旋式構(gòu)造螺旋式構(gòu)造 (c)平板式構(gòu)造平板式構(gòu)造 I200A I200A大功率二極管大功率二極管伏安特性伏安特性(a)實踐特性 (b)理想特性大功率二極管大功率二極管開通、關(guān)斷特性開通、關(guān)斷特性(a) 開通特性 (b)關(guān)斷特性大功率二極管大功率二極管主要參數(shù)主要參數(shù)1.額定正向平均電流額定電流額定正向平均電流額定電流IF2.反向反復峰值電壓額定電壓反向反復峰值電壓額定電壓VRRM3.反向漏電流反向漏電流IRR4.正向平均電壓正向平均電壓VF通態(tài)壓降通態(tài)壓降5.大功率二級管的型號定義大功率二級管的型號定義 ZP電流等級電流等級-電壓等級電壓等級/100通態(tài)平均電壓通態(tài)
7、平均電壓組別組別如:如:ZP50-16為:普通型大功率二極管,額定電流為:普通型大功率二極管,額定電流50A、電壓、電壓1600V晶閘管晶閘管晶閘管晶閘管SCR的構(gòu)造的構(gòu)造(a)螺旋式構(gòu)造螺旋式構(gòu)造 (b)平板式構(gòu)造平板式構(gòu)造 (c)符號符號 I200A I200ASCR管芯構(gòu)造原理管芯構(gòu)造原理晶閘管晶閘管晶閘管的任務原理晶閘管的任務原理1. 正向阻斷、反向阻斷正向阻斷、反向阻斷1導通條件:導通條件:晶閘管的陽極晶閘管的陽極陰極之間加正向電壓;陰極之間加正向電壓;門極加正向電壓,使足夠的門極電流門極加正向電壓,使足夠的門極電流Ig流入。流入。2關(guān)斷條件:關(guān)斷條件:陽極電流小于維持電流陽極電流小
8、于維持電流IH以下并經(jīng)過一段時間。以下并經(jīng)過一段時間。晶閘管晶閘管晶閘管的任務原理續(xù)晶閘管的任務原理續(xù)2. 內(nèi)部物理過程內(nèi)部物理過程 晶體管的內(nèi)部物理過程可用復合三極管效應等晶體管的內(nèi)部物理過程可用復合三極管效應等效,如以下圖:集電極電流為另一只晶體管的基極電效,如以下圖:集電極電流為另一只晶體管的基極電流,構(gòu)成正反響。流,構(gòu)成正反響。晶閘管的等效復合三極管效應晶閘管的等效復合三極管效應晶閘管正反響過程仿真演示晶閘管正反響過程仿真演示晶閘管晶閘管晶閘管的陽極電流:agkIII)(1212gcoaIII晶閘管的陰極電流:由以上兩式可求出晶閘管的陰極電流:cokacccaIIIIIII21021兩
9、個晶閘管的共基極電流放大倍數(shù)兩個晶閘管的共基極電流放大倍數(shù) 與其發(fā)射極電與其發(fā)射極電Ia、Ic成非線性正比關(guān)系,即當成非線性正比關(guān)系,即當Ia、Ic很小時很小時 也很也很小;?。?隨著隨著Ia、Ic的增大而增大。的增大而增大。12、12、12、晶閘管晶閘管11112222)(00) 1 (ebcebgIIIIII0acII為正向漏電流,晶閘管不導通。g222b11112c02 g12aa1212gg(2)I0III1II1-()1I0IgececbIIIIII當晶閘管承受正向電壓且時有:(=)正反饋過程當時,由知,此時 將急劇增大且晶閘管內(nèi)部無法控制,其大小完全有外部電路條件決定晶閘管進入完全
10、導通狀態(tài),且維持此時即使也不能關(guān)斷晶閘管無影響,門極失去控制作用。aHae11c1e2kc221212ac0III (I )II (I )I0II(3) 關(guān)斷已導通晶閘管的唯一辦法就是使其陽極電流 下降到小于維持電流,此時有:當、下降到時,晶閘管恢復阻斷狀態(tài)而關(guān)斷。晶閘管晶閘管晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性 一、靜態(tài)特性一、靜態(tài)特性1. 晶閘管的陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性 理想特性理想特性 實踐特性實踐特性 正向阻斷高阻區(qū);正向阻斷高阻區(qū); 負阻區(qū);負阻區(qū); 正導游通低阻區(qū);正導游通低阻區(qū); 反向阻斷高阻區(qū)。反向阻斷高阻區(qū)。晶閘管晶閘管2. 門極伏安特性門極伏安特性 IGFM: 門極正
11、向峰電流門極正向峰電流 UGFM:門極正向峰電壓:門極正向峰電壓PGM: 門極峰值功率門極峰值功率 PG: 門極平均功率門極平均功率 具有分散性,具有分散性, 采用區(qū)域表示法采用區(qū)域表示法 IGFM IGTUGT UGFM PGM PG UgIg晶閘管晶閘管二、動態(tài)特性二、動態(tài)特性1開通特性;開通特性; 2關(guān)斷特性關(guān)斷特性開通開通過程過程關(guān)斷關(guān)斷過程過程晶閘管晶閘管三、晶閘管的主要參數(shù)三、晶閘管的主要參數(shù) 1、電壓參數(shù)、電壓參數(shù)1斷態(tài)反復峰值電壓斷態(tài)反復峰值電壓UDRM2反向反復峰值電壓反向反復峰值電壓URRM3晶閘管的額定電壓晶閘管的額定電壓UR取取UDRM和和URRM中較小值,取整中較小值
12、,取整 1000V以下以下100V一個等級一個等級 1000-3000V200V一個等級一個等級4通態(tài)平均電壓通態(tài)平均電壓U T(AV)晶閘管晶閘管2、電流參數(shù)、電流參數(shù)1通態(tài)平均電流額定電流通態(tài)平均電流額定電流IT(AV) 單相、工頻、正弦半波、角度單相、工頻、正弦半波、角度170 IT(AV)=210mIsinttdI = 2I)sin(I21m02mtdtf/ IT(AV) =/2 = 1.57 選擇元件:有效電流整流輸出:平均電流從平均電流找出相應波形的有效電流以保證不過熱2維持電流維持電流H 幾十幾十mA,結(jié)溫,結(jié)溫IH(難關(guān)斷難關(guān)斷)3擎住電流擎住電流L 開經(jīng)過程中,能維持導通的最
13、小電流,普通開經(jīng)過程中,能維持導通的最小電流,普通L(24)H晶閘管晶閘管3、其他參數(shù)、其他參數(shù)1斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率UB0 額定結(jié)溫、門極開路,使元件斷額定結(jié)溫、門極開路,使元件斷通的最小電壓上升率通的最小電壓上升率 U ak (duak /dt) UB0(=min duak /dt時,時, IC相當于相當于Ig2通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率3門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流GT與門極觸發(fā)電壓與門極觸發(fā)電壓GT 對觸發(fā)電路要求,隨溫度變化。對觸發(fā)電路要求,隨溫度變化。晶閘管晶閘管4、晶閘管的型號、晶閘管的型號普通普通, 快速型,快速型,雙向型,雙向型,逆導型,逆導型,可關(guān)斷,
14、可關(guān)斷,LTT 光控光控 KP電流電流電壓電壓/100 通態(tài)壓降組別通態(tài)壓降組別 如如KP500-12G,表示該晶閘管通態(tài)平均電,表示該晶閘管通態(tài)平均電流流 I T ( A V ) = 5 0 0 A 通 態(tài) 壓 降 通 態(tài) 壓 降0.9V=UT(AV)=1.0V ,斷態(tài)正反,斷態(tài)正反向反復峰值電壓向反復峰值電壓UR=1200V。晶閘管晶閘管晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 (1).快速晶閘管快速晶閘管FST (2).雙向晶閘管雙向晶閘管TRIAC (3).逆導晶閘管逆導晶閘管RCT (4).門級可關(guān)斷晶閘管門級可關(guān)斷晶閘管GTO (5).光控晶閘管光控晶閘管LTT大功率晶體管大功率晶體管構(gòu)造
15、構(gòu)造 (a) 普通晶體管構(gòu)造普通晶體管構(gòu)造 (b) GTR構(gòu)造構(gòu)造 (c) 符號符號 雙極導電性:電子、空穴均參與導電雙極導電性:電子、空穴均參與導電電流全控型:經(jīng)過調(diào)理電流全控型:經(jīng)過調(diào)理B極電流控制集、射極極電流控制集、射極C、E間通斷間通斷大功率晶體管大功率晶體管1. 任務特性a輸入特性;b輸出特性2. 動態(tài)特性a等值電路;b開關(guān)特性 (a)(b)大功率晶體管大功率晶體管主要參數(shù)主要參數(shù)1、電壓參數(shù)、電壓參數(shù) 集電極額定電壓集電極額定電壓UCEM 飽和壓降飽和壓降UCES2、電流參數(shù)、電流參數(shù) 延續(xù)直流額定集電極電流延續(xù)直流額定集電極電流Ic 集電極額定電流最大允許電流集電極額定電流最大
16、允許電流ICM 基極電流最大允許值基極電流最大允許值IBM 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PCM大功率晶體管大功率晶體管1、二次擊穿景象、二次擊穿景象AABceceoccUUi達到點后,出現(xiàn)擊穿一次現(xiàn)象(段)元件不會損壞但性能變差CCDceCUi仍,達點集 電 極 局 部 過 熱出現(xiàn) 低 電 壓 、 大 電 流 的負 阻 效 應 (段 )二 次 擊 穿 , 元 件 損 壞出現(xiàn)擊穿景象出現(xiàn)擊穿景象AB段,稱為一次擊穿。段,稱為一次擊穿。二次擊穿過程仿真演示二次擊穿過程仿真演示大功率晶體管大功率晶體管GTR2、平安任務區(qū)、平安任務區(qū) (a) FBSOA (b) RBSOA 功率場效應晶體管功
17、率場效應晶體管一、構(gòu)造與任務原理一、構(gòu)造與任務原理 (a) 構(gòu)造圖構(gòu)造圖 (b) N溝道符號溝道符號 (c) P溝道符號溝道符號單極導電性:只需電子單極導電性:只需電子N溝道或空穴溝道或空穴P溝道參與導電溝道參與導電電壓全控型:經(jīng)過調(diào)理柵極電壓控制漏、源極電壓全控型:經(jīng)過調(diào)理柵極電壓控制漏、源極D、S間通斷間通斷功率場效應晶體管二、任務特性二、任務特性1、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性1漏極伏安特性漏極伏安特性a可調(diào)電阻區(qū)可調(diào)電阻區(qū)I:UGS固固定,定,UDS由由0上升到預上升到預夾斷電壓,夾斷電壓,ID線性添加;線性添加;接近預夾斷電壓時接近預夾斷電壓時ID變變化慢。化慢。b飽和區(qū)飽和區(qū)II:雖:雖UD
18、S繼續(xù)繼續(xù)增大,但增大,但ID根本堅持不根本堅持不變;假設堅持變;假設堅持UDS不變,不變,那么那么UGS越高,越高, ID越大。越大。c擊穿區(qū)擊穿區(qū)III:UDS增大過增大過頭,頭, ID急劇添加。急劇添加。功率場效應晶體管功率場效應晶體管2轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性GSDmUIg跨導與跨導與GTR中中類似類似表示柵源極電壓表示柵源極電壓UGS對漏極電流對漏極電流ID的控制才干的控制才干功率場效應晶體管功率場效應晶體管2、開關(guān)特性、開關(guān)特性 為多數(shù)載流子器件,沒為多數(shù)載流子器件,沒有存儲有存儲效應,開關(guān)時間短為效應,開關(guān)時間短為20ns左左右。右。輸入電容輸入電容:GDGSinCCC開通:開通:a aGSinPUCU充電,,b bDTH(GSGSiUU時,導電溝道,有)c c不變穩(wěn)定,仍充電,預夾斷隨DGSinGSiUCUDirondonttt)(d d功率場效應晶體管功率場效應晶體管關(guān)斷:關(guān)斷:aUP高電平,高電平,Cin放電,放電,UGS下降,下降,iD未變未變 btdoff時,預夾斷,時,預夾斷,iD下降下降 cCin仍放電,仍放電
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