電力電子(模板)第1章

制造單位上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院港口機(jī)械系任課教師傅雅萍第1章晶閘管概述第4章晶閘管的觸發(fā)電路第5章交流電力控制電路運(yùn)用教材第2章可控整流電路電力電子技術(shù)第6章有源逆變電路第7章無源逆變電路第8章直流斬波電路第3章晶閘管的串、并聯(lián)及維護(hù)緒論電力電子技術(shù)是電力、電子和控制技術(shù)相結(jié)合的邊緣學(xué)科，自1958年第一個工業(yè)用普通晶閘管誕生以來，電力電子技術(shù)有了很大的開展，由各種電力電子器件組成的功率變換安裝運(yùn)用于從航空航天到家用電器的各個領(lǐng)域。緒論電力電子設(shè)備開展的特點(diǎn)是：〔1〕微機(jī)和現(xiàn)代控制實(shí)際的運(yùn)用，使電力電子設(shè)備走出了過去僅進(jìn)展將交、直流變換用做普通工業(yè)直流電源的初級階段，開辟了高科技領(lǐng)域的運(yùn)用?！?〕完善的電路實(shí)際及新的設(shè)計(jì)方法，使產(chǎn)品性能更先進(jìn)、更符合消費(fèi)實(shí)踐的需求。緒論〔3〕微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)開場相互浸透結(jié)合，使電力電子設(shè)備效率提高、速度更快、運(yùn)用更方便。〔4〕電路拓?fù)浼夹g(shù)和構(gòu)造規(guī)范化加快了新產(chǎn)品的開發(fā)步伐。緒論交流電路是以電力半導(dǎo)體器件為中心，經(jīng)過不同電路的拓?fù)浜涂刂品椒▉韺?shí)現(xiàn)對電能的轉(zhuǎn)換和控制。它的根本功能是使交流〔AC〕和直流〔DC〕電能相互轉(zhuǎn)換。它有以下幾種類型：緒論〔1〕可控整流器AC/DC。把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓?！?〕有源逆變器DC/AC。把直流電壓變換成為頻率固定或可調(diào)的交流電壓?！?〕變頻器AC/AC。把頻率固定或變化的交流電變換成頻率可調(diào)或固定的交流電?！?〕直流斬波器DC/DC。把固定或變化的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)或固定的直流電壓。緒論總之，由于電力半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的開展，主電路構(gòu)造和控制技術(shù)的開發(fā)，以及設(shè)備運(yùn)用技術(shù)的開發(fā)，使電力電子技術(shù)在大功率整流、直流傳動、交流傳動、直流輸電、功率變換、晶閘管電源、電力電子開關(guān)等方面的運(yùn)用日益擴(kuò)展。第1章晶閘管概述晶閘管是指具有三個以上的PN結(jié)，其主電壓——電流特性至少在一個象限內(nèi)具有導(dǎo)通、阻斷兩個穩(wěn)定形狀，且可在這兩個穩(wěn)定形狀之間進(jìn)展轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件。第1章晶閘管概述晶閘管是由多種器件組成的家族，而被廣泛運(yùn)用的普通晶閘管那么是這個家族中的一員，俗稱可控硅整流器〔SCR，SiliconControlledRectifier〕，簡稱可控硅，其規(guī)范術(shù)語是反向阻斷三端晶閘管。電力電子技術(shù)1.1晶閘管的構(gòu)造和任務(wù)原理1.2晶閘管的特性1.3晶閘管的主要參數(shù)1.4雙向晶閘管1.5功率晶體管1.6功率場效應(yīng)晶體管1.7絕緣柵雙極晶體管第1章晶閘管概述1.1晶閘管的構(gòu)造和任務(wù)原理1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(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)迅速開展和廣泛運(yùn)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，開場被全控型器件取代。1.1.1晶閘管的構(gòu)造a)外形b)構(gòu)造c)電氣圖形符號1.1.1晶閘管的構(gòu)造外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器嚴(yán)密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。常用晶閘管的構(gòu)造螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及構(gòu)造1.1.2晶閘管的任務(wù)原理晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)電路圖1.1.2晶閘管的任務(wù)原理歸納以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可見：1)晶閘管導(dǎo)通的條件陽極加正向電壓，同時(shí)門極加適宜的正向觸發(fā)電壓。2)晶閘管關(guān)斷的條件使流過晶閘管的陽極電流小于維持電流或突加反向電壓。3)晶閘管的特點(diǎn)①單導(dǎo)游電性；②屬半控型半導(dǎo)體器件；③屬電流控制器件。1.1.2晶閘管的任務(wù)原理晶閘管的任務(wù)原理表示圖晶閘管導(dǎo)通的任務(wù)原理可以用雙晶體管模型來解釋1.1.2晶閘管的任務(wù)原理S閉合前：IG=0→Ib2=0→Ic2=0→Ib1=0→Ic1=0，三極管V1和V2均處于截止形狀，晶閘管處于正向阻斷形狀。開關(guān)S閉合，那么外電路向門極注入電流IG，也就是注入驅(qū)動電流，該電流最初就是晶體管V2的基極電流Ib2，即產(chǎn)生集電極電流Ic2，它又是晶體管V1的基極電流，經(jīng)V1放大后產(chǎn)生集電極電流Ic1，而Ic1此時(shí)等于β1β2Ib2，比最初的驅(qū)動電流IG大了許多。使V2的基極電流進(jìn)一步增大，如此構(gòu)成劇烈的正反響，最后V1和V2完全進(jìn)入飽和形狀，即晶閘管導(dǎo)通。1.2.1晶閘管的陽極伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性1.2.1晶閘管的陽極伏安特性1)正向伏安特性晶閘管在門極開路(IG=0)的情況下，在陽極與陰極間施加一定的正向陽極電壓，器件也仍處于正向阻斷形狀，只需很小的正向漏電流流過。外加的陽極正向電壓在其轉(zhuǎn)機(jī)電壓以下時(shí)，只需在門極注入適當(dāng)?shù)碾娏?普通為毫安級)，器件也會立刻進(jìn)入正導(dǎo)游通形狀。1.2.1晶閘管的陽極伏安特性2)反向伏安特性晶閘管接受反向陽極電壓時(shí)，由于J1、J3結(jié)處于反向偏置形狀，晶閘管流過的電流僅由各區(qū)少數(shù)載流子構(gòu)成，只需極小的反向漏電流經(jīng)過，這就是器件的反向阻斷形狀。隨著反向電壓的添加，穿過J2結(jié)的少數(shù)載流子稍有添加，反向漏電流逐漸增大。1.2.2晶閘管的門極伏安特性PGMBCDAEGFLK0IFGMUGTUFGMIGTUGTUGDIGTIGDABCIHJ1.2.2晶閘管的門極伏安特性圖中ABCGFED所圍成的區(qū)域?yàn)榭煽坑|發(fā)區(qū)圖中陰影部分為不觸發(fā)區(qū)圖中ABCJIH所圍成的區(qū)域?yàn)椴豢煽坑|發(fā)區(qū)1.3.1晶閘管的電壓參數(shù)斷態(tài)反復(fù)峰值電壓UDRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許反復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向反復(fù)峰值電壓URRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許反復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。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)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。1.3.2晶閘管的電流參數(shù)通態(tài)平均電流IT(AV〕——在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻形狀下，穩(wěn)定結(jié)溫不超越額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！\(yùn)用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原那么來選取晶閘管。維持電流IH——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。1.3.2晶閘管的電流參數(shù)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。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超越額定結(jié)溫的不反復(fù)性最大正向過載電流。1.3.3晶閘管的動態(tài)參數(shù)1)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt這是指在額定結(jié)溫暖門極開路的情況下，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。假設(shè)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。運(yùn)用中實(shí)踐電壓上升率必需低于此臨界值。1.3.3晶閘管的動態(tài)參數(shù)2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt這是指在規(guī)定條件下，晶閘管能接受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。假設(shè)電流上升太快，那么晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而呵斥部分過熱而使晶閘管損壞。1.3.4器件的型號通態(tài)平均電壓組別額定電壓額定電流表示普通晶扎閘管表示閘流特性1.4雙向晶閘管雙向晶閘管〔TRIAC，BidirectionalTriodeThyrister，TriodeACSwitch〕是把兩個反并聯(lián)的晶閘管集成在同一硅片上，用一個門極控制觸發(fā)的組合型器件。1.4雙向晶閘管雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性圖1.4雙向晶閘管雙向晶閘管〔TRIAC〕內(nèi)部構(gòu)造可看做兩只普通晶閘管反向并聯(lián)，引出的三個端子為主極T1，T2和門極G。它具有正、反向?qū)ΨQ的伏安特性，主要參數(shù)有斷態(tài)反復(fù)峰值電壓和額定通態(tài)電流，因雙向晶閘管正、反向都能觸發(fā)導(dǎo)通，所以額定通態(tài)電流為有效值。1.5功率晶體管術(shù)語用法：電力晶體管〔GiantTransistor——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〔BipolarJunctionTransistor——BJT〕，英文有時(shí)候也稱為PowerBJT在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個稱號等效1.5.1功率晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理單管GTR的構(gòu)造1.5.1功率晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一樣的主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元構(gòu)造采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成1.5.1功率晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理在運(yùn)用中，GTR普通采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為

——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制才干。1.5.1功率晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理當(dāng)思索到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為ic=ib+Iceo單管GTR的值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。1.5.1功率晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理達(dá)林頓GTR1.5.2功率晶體管的特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)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任務(wù)在開關(guān)形狀。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)。1.5.2功率晶體管的特性動態(tài)特性1.5.2功率晶體管的特性開經(jīng)過程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。加快開經(jīng)過程的方法。關(guān)斷過程儲存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。加快關(guān)斷速度的方法。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。1.5.2功率晶體管的特性最高任務(wù)電壓GTR上電壓超越規(guī)定值時(shí)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(shí)踐運(yùn)用時(shí)，最高任務(wù)電壓要比BUceo低得多。1.5.2功率晶體管的特性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(shí)所對應(yīng)的Ic。實(shí)踐運(yùn)用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。1.5.2功率晶體管的特性集電極最大耗散功率PcM最高任務(wù)溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品闡明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高任務(wù)溫度。1.6功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管簡稱功率MOSFET，它是對小功率場效應(yīng)晶體管的工藝構(gòu)造進(jìn)展改良，在功率上有所突破的單極型半導(dǎo)體器件，屬于電壓驅(qū)動控制器件。1.6.1功率場效應(yīng)晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理功率MOSFET的構(gòu)造表示與符號圖1.6.1功率場效應(yīng)晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理小功率MOS管是橫導(dǎo)游電器件。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電構(gòu)造，又稱為VMOSFET〔VerticalMOSFET〕。按垂直導(dǎo)電構(gòu)造的差別，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙分散MOS構(gòu)造的VDMOSFET。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)展討論。1.6.1功率場效應(yīng)晶體管的構(gòu)造與任務(wù)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)之間構(gòu)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當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層構(gòu)成N溝道而使PN結(jié)J1消逝，漏極和源極導(dǎo)電。電力MOSFET的任務(wù)原理1.6.2功率場效應(yīng)晶體管的特性功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性功率MOSFET的輸出特性靜態(tài)特性1.6.2功率場效應(yīng)晶體管的特性靜態(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(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。1.6.2功率場效應(yīng)晶體管的特性測試電路開關(guān)過程波形動態(tài)特性1.6.2功率場效應(yīng)晶體管的特性開經(jīng)過程開通延遲時(shí)間td(on)上升時(shí)間tr開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和1.6.2功率場效應(yīng)晶體管的特性MOSFET正向偏置平安任務(wù)區(qū)1.7絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管簡稱IGBT，它將MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身。1.7.1絕緣柵雙極晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理IGBT的構(gòu)造、簡化等效電路和電氣圖形符號1.7.1絕緣柵雙極晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理圖a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流才干。簡化等效電路闡明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓構(gòu)造，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。1.7.1絕緣柵雙極晶體管的構(gòu)造與任務(wù)原理IGBT的原理導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)構(gòu)成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。1.7.2絕緣柵雙極晶體管的特性靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性伏安特性1.7.2絕緣柵雙極晶體管的特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，UGE(th)的值普通為2~6V1.7.2絕緣柵雙極晶