電力電子技術(shù)-第二章電力電子器件2.12.2

1、第 二 章 緒論第1、2 節(jié) 電力電子器件概述 不可控器件電力二極管 授課時(shí)數(shù)2學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求目的和要求：概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類。掌握電力二極管的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。教學(xué)難點(diǎn)與重點(diǎn)掌握電力二極管的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用。互動(dòng)內(nèi)容課堂提問和討論：自學(xué)內(nèi)容無授課方法講授（現(xiàn)代化）教學(xué)手段多媒體作業(yè)思考題無第二章 電力電子器件電子技術(shù)（模擬電子電路和數(shù)字電子電路）*電力電子技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制*一般電路分為一次電路和二次電路，一次電路是主電路，二次電路是控制電路，電力電子器件通常在一次電路/主電路中。*電真空器件：晶閘管

2、問世前的水銀整流器（汞弧整流器）都屬于此類基本淘汰了半導(dǎo)體器件：現(xiàn)在使用的，基本都是半導(dǎo)體器件，所以通常把電力電子器件也叫電力半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)：半導(dǎo)體既不是導(dǎo)體也不是絕緣體，對(duì)它進(jìn)行不同的摻雜，可變成N型、P型，能夠控制它的導(dǎo)通和關(guān)斷。（如手機(jī)里的芯片，也是用硅制作的集成電路）*信息電路的電子器件，能處理各種不同的信息，能放大、變換，但處理電功率的能力都不大，流過的電流，承受的電壓都比較小，主要用來處理信息（微弱的信號(hào)），而一般電力電子器件，處理電功率的能力遠(yuǎn)大于信息的電子器件。*處理信息的電子器件，有很多器件在模擬電路中，可能工作在放大狀態(tài)，而電力電子器件，一般都是開關(guān)狀態(tài)，若放

3、大狀態(tài)，管子承受的電壓比較高，電流比較大，損耗比較大，發(fā)熱會(huì)損壞。所以，一般要么電壓高，電流很小；要么電流大，而通態(tài)壓降低，損耗不會(huì)太大。*電力電子器件一般都有一個(gè)門極或控制極，通過信息電路來控制。（電力電子器件的驅(qū)動(dòng)，需要控制電路來控制，所以。）*電力電子器件即使不工作在放大狀態(tài)，損耗相對(duì)來說也比較大，會(huì)發(fā)熱，所以要安裝散熱器，防止器件燒壞。（書P11）損耗的組成：l 通態(tài)損耗：管子處于導(dǎo)通時(shí)的損耗，管子有管壓降，流過比較大的電流， 例：100A的電流流過管子，有1V的管壓降，100W的損耗就會(huì)發(fā)熱，就要安裝散熱器。l 斷態(tài)損耗：斷開時(shí)的損耗，理想情況下，斷開時(shí)，應(yīng)該是沒有電流流過，沒有損耗

4、，但實(shí)際上，存在漏電流，漏電流一般比較小，所以斷態(tài)損耗所占比例比較小。（任何情況下，所占比重都不大）l 開關(guān)損耗：開通或關(guān)斷過程中的損耗，任何電力電子開關(guān)，開通或斷開都不是瞬時(shí)完成，有一個(gè)過程，例：從斷到通，電壓從高到低，電流從小到大，在這個(gè)過程中，電流和電壓都不高也不低，兩個(gè)想乘，數(shù)值也不小，所以開關(guān)損耗的功率比較大，時(shí)間非常短。開通損耗（斷通）和關(guān)斷損耗（通斷）的損耗不一樣。一般來說，這個(gè)損耗功率不小，但如果次數(shù)不多（開關(guān)頻率比較低時(shí)），總的損耗也可能不大。例如，開關(guān)頻率為50HZ（比較低的頻率，每個(gè)周期通斷的頻率?。词归_關(guān)過程中單位時(shí)間的損耗不小，但由于次數(shù)少，所以開關(guān)損耗所占比例并

5、不大。但如果電力電子器件工作頻率比較高（幾十、幾百KHZ），則每個(gè)周期通斷次數(shù)多?？偨Y(jié)：開關(guān)損耗與管子工作頻率關(guān)系密切，若頻率高，開關(guān)損耗占比重大（可能比通態(tài)損耗比重還大），若頻率低，開關(guān)損耗可以忽略不計(jì)。電力電子系統(tǒng)中，器件處于一個(gè)什么樣的位置一個(gè)電力電子系統(tǒng)，并不是僅僅是幾個(gè)管子組成，是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。（主電路也不僅僅只有電力電子器件，可能還有電感、電容等其他元件）主電路：兩個(gè)管子（IGBT）、電感、電容?？刂齐娐罚河尚畔㈦娮与娐方M成，按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)。通過驅(qū)動(dòng)電路，控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，完成功能。（書）有時(shí)

6、需要檢測(cè)電路，要通過控制實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，必須要有檢測(cè)，否則不知道是否達(dá)到要求，類似于反饋?？磮D：檢測(cè)電路把信息傳達(dá)給控制電路，控制電路根據(jù)檢測(cè)的情況，產(chǎn)生控制開通或關(guān)斷的信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)主電路/負(fù)載 。保護(hù)電路：使電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)能可靠工作。一旦出現(xiàn)問題，不會(huì)損壞附加的電路電氣隔離：主電路一般是高壓的（幾百伏，上千伏），而控制電路一般只有幾伏，檢測(cè)、保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電路都在二次這邊，驅(qū)動(dòng)電路是連接主電路和控制電路的，所以必須要進(jìn)行隔離，否則高電壓回到低電壓那邊去，導(dǎo)致短路。/控制電路的元器件承受不了高壓，所以要隔離。（強(qiáng)電、弱電必須隔離，若混在一起，危險(xiǎn)） 隔離一般有光電隔離、磁隔離等。

7、控制電路有時(shí)也把檢測(cè)、保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電路包括進(jìn)去，主要是左側(cè)的控制電路。l 半控型器件：一半可以控制。這類器件主要是指晶閘管（Thyristor），它是通過門極的控制，能使它導(dǎo)通，不能使它關(guān)斷。（沒有只能控制關(guān)斷，不能控制導(dǎo)通的）（本書主要講的）l 全控型器件：代表器件IGBT、MOSFET。即可控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷。（現(xiàn)在流行）l 不可控器件：代表器件電力二極管（Power Diode），只有兩個(gè)電極，不能用控制信號(hào)來控制，不需要控制電路、驅(qū)動(dòng)電路，加正向電壓就通，加負(fù)向電壓就斷。（下節(jié)就講，現(xiàn)在幾乎不用）按照被控制程度分成三類，按驅(qū)動(dòng)方式、器件名稱等方法也可由其他分類。 不能驅(qū)動(dòng)的不考慮，如二

8、極管，不能有控制電路、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。 電流驅(qū)動(dòng)型例如，晶閘管、GTO抽取電流可使其關(guān)斷。 電壓驅(qū)動(dòng)型例如GTR 電流驅(qū)動(dòng)型的電流怎么來的？也是通過加電壓得到的電流，一般的電壓比較容易，電容是通過加電壓得到的。本質(zhì)上都是電壓控制/驅(qū)動(dòng)的。 電壓驅(qū)動(dòng)型，只要加一個(gè)電壓信號(hào)就可以，顯然，電壓驅(qū)動(dòng)型需要的驅(qū)動(dòng)功率比較小，加個(gè)電壓就可以通或斷，而電流驅(qū)動(dòng)型需要的驅(qū)動(dòng)功率比較大。所以現(xiàn)在的電力電子器件，盡量做成電壓驅(qū)動(dòng)型。2.2 不可控器件電力二極管 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。二極管，可以說是使用最早的電力電子器件，它比晶閘管產(chǎn)生早，但不能說二極管產(chǎn)

9、生了，電力電子技術(shù)就產(chǎn)生了，因?yàn)樗荒芸刂啤＞чl管1957年才出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：一個(gè)PN結(jié) 除一般二極管外，還有快恢復(fù)二極管和肖特基二極管（電子技術(shù)時(shí)學(xué)過），分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位。 價(jià)格比普通二極管昂貴，一般用于大功率電路中。比較特殊 快恢復(fù)二極管從名字上說，是一種比較快速的，一般用在中頻、高頻整流時(shí)； 肖特基二極管主要用在低壓高頻整流的場(chǎng)合?！緢D1】最普通二極管的一個(gè)封裝，里面是一片硅基半導(dǎo)體芯片，外面樹脂封裝，兩根引出的金屬，一個(gè)為P（A陽極），一個(gè)為N（K陰極）【圖2、3】模塊：多個(gè)二極管并聯(lián)/串聯(lián)在一起，總的有兩個(gè)輸出端。模塊內(nèi)部是多個(gè)二極

10、管用樹脂封裝在一起?；窘Y(jié)構(gòu)：由PN結(jié)組成，與信息電子學(xué)中學(xué)的二極管類似。基本原理其實(shí)一樣。用一根線引出，這端為陰極（K）組成：l 功率二極管，流過大電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生損耗，產(chǎn)生熱，此處可加散熱片。l 中間還有芯片（核心部分）外形（早期的）：陽極是螺栓型（A） l 兩邊各加一個(gè)散熱器l 中間：芯片 平板型：芯片夾在中間，兩邊封裝起來，一邊陽極A，一邊陰極K結(jié)構(gòu)：一邊P一半N型半導(dǎo)體，構(gòu)成PN結(jié)，陽極一定接P結(jié)，陰極一定接N結(jié)。 PN結(jié)有單向?qū)щ娦?，陽極加正，陰極加負(fù)，就導(dǎo)通。電氣符號(hào)： 電流只能單向流，從陽極流向陰極總結(jié)：基本原理與信息電子技術(shù)中學(xué)的二極管一樣，只是它流過的電流比較大l 正向?qū)ǎ?/p>

11、電流從陽極流向陰極（管子兩端壓降很?。愃朴诹鬟^一個(gè)很小的電阻）l 反向截止：有一個(gè)反向電壓時(shí)，陰極高，陽極低。（只有很小的漏電流）（加了多大反相電壓，就承受了多大反向電壓）（類似于流過了一個(gè)很大的電阻）l 反向擊穿：反向電壓過大時(shí)（已擊穿，所以反向會(huì)流過很大電流）（反向電壓超過反向擊穿電壓時(shí)，就是反向擊穿電壓，也非常大）管子有可能損壞，一般不允許這個(gè)狀態(tài)。*PN結(jié)單向?qū)щ娦裕篜加正電壓，N加負(fù)電壓，就通。反過來，不通。應(yīng)用這個(gè)原理來做成的二極管。*雪崩擊穿和齊納擊穿都有可能導(dǎo)致熱擊穿。什么是熱擊穿？雪崩、齊納擊穿后，電壓、電流很大，器件上產(chǎn)生的功率就很大，器件上產(chǎn)生的功率就是自身的損耗，損

12、耗會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生熱量，當(dāng)熱量使器件上升到一定溫度時(shí)，會(huì)使器件材料燒毀。二極管就被徹底毀壞。若雪崩、齊納擊穿后，沒有導(dǎo)致熱擊穿（將反向電流限制在一定范圍內(nèi)），管子還能用。PN結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電容，若外加電壓大的話，它的電荷量就大，反之，就小。電容效應(yīng)。電容的存在是好還是不好？在工作在一般頻率時(shí)，電容不會(huì)產(chǎn)生影響。若工作在高頻時(shí)，電容一定要很小，否則，時(shí)間常數(shù)會(huì)很大（t=RC），會(huì)使高頻特性不好。 高頻時(shí)，結(jié)電容會(huì)影響PN結(jié)的工作頻率，限制了PN結(jié)的工作頻率。所以高頻時(shí)，盡量要選用結(jié)電容小的電力二極管。反向正向伏安特性曲線（U/I曲線）（靜態(tài)特性主要是看伏安特性）l 加正向電壓時(shí)，（1）開始時(shí)，二極管不工

13、作，I=0（即使加了正向電壓也不工作）；當(dāng)電壓達(dá)到UTO并繼續(xù)增加時(shí)，電流呈指數(shù)形式上升（斜線是有一定斜度，斜度表示管子通后的通態(tài)電阻），開始有明顯電流時(shí)的電壓門檻電壓。管子處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。（2）假設(shè)點(diǎn)（UF，IF）處為工作點(diǎn)，則，IF為正向電流，UF為電力二極管的正向管壓降l 加反向電壓時(shí)，反向電流很小。（雖然有反相電壓，但由于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，電流只能從P到N，所以二極管截止，但還有少量漏電流）若反相電壓過高，管子擊穿，反向電流變大。靜態(tài)特性穩(wěn)定工作時(shí)的特性；動(dòng)態(tài)特性狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)的過渡過程，研究器件，一般都是研究它的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。二極管不要把它簡(jiǎn)單看成，加正電壓就通，加負(fù)電壓就不通。（書：開關(guān)特性）結(jié)電容的存在，導(dǎo)致這種動(dòng)態(tài)特性（書p16）【圖a】正向偏置反向偏置（關(guān)斷過程：由UF0UF1200V，可能被擊穿） 工作頻率高的情況下，普通二極管加正向反向電壓，它來不及反應(yīng)。只能用快速二極管，一快也是有代價(jià)，耐壓會(huì)低。缺點(diǎn)：（1）反向耐壓一般不高，最多在200V。（反向耐壓提高，正向壓降也會(huì)提高，損耗會(huì)增加，效率低，可能無法滿足要求）（2）反向漏電流比較大，反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略。優(yōu)點(diǎn)：（1）恢復(fù)時(shí)間短，可用于高工作頻率場(chǎng)合。