第2章 電力電子器件.ppt

1、變頻器原理與應(yīng)用第2章,第二章 電力電子器件,2.1 功率二極管（D） 功率二極管的內(nèi)部是P-N或P-I-N結(jié)構(gòu) ，圖示為功率二極管的電路符號(hào)和外形。 a) b) c) 圖2-1 功率二極管的符號(hào)和外形 a) 功率二極管的符號(hào) b) 螺旋式二極管的外形 c) 平板式二極管的外形,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2. 伏安特性,功率二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性，其伏安特性曲線如圖所示。 正向特性：當(dāng)從零逐漸增大正向電壓時(shí)，開始陽極電流很小，當(dāng)正向電壓大于0.5V時(shí)，正向陽極電流急劇上升，管子正向?qū)ā?反向特性：當(dāng)二極管加上反向電壓 時(shí)，起始段的反向漏電流也很小，而且

2、 隨著反向電壓增加，反向漏電流只略有 增大，但當(dāng)反向電壓增加到反向不重復(fù) 峰值電壓值時(shí)，反向漏電流開始急劇增 加。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.1.2 主要參數(shù),1. 額定正向平均電流IF 在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件所允許長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)流過50Hz正弦半波的電流平均值。 2. 反向重復(fù)峰值電壓URRM 在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。 3. 正向平均電壓UF 在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均電流時(shí)，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.1.3 功率二極管的選用,

3、1. 選擇額定正向平均電流IF 的原則 IDn = 1.57 IF =(1.52) IDM 2. 選擇額定電壓URRM 的原則 URRM =（23）UDM,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.2 晶閘管（SCR）,2.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖所示。 a) b) c) 圖2-3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路 a) 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) b) 以三個(gè)PN結(jié)等效 c) 以互補(bǔ)三極管等效,變頻器原理與應(yīng)用第2章,晶閘管的外形及符號(hào),a) b) c) 圖2-4 晶閘管的外形及符號(hào) a) 晶閘管的符號(hào) b）螺栓式外形 b）帶有散熱器平板式外形,變

4、頻器原理與應(yīng)用第2章,2.2.2 晶閘管的導(dǎo)通和阻斷控制,晶閘管的導(dǎo)通控制： 在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時(shí)在它的門極和陰極間也加正向電壓形成觸發(fā)電流，即可使晶閘管導(dǎo)通。 導(dǎo)通的晶閘管的阻斷控制： 令門極電流為零，且將陽極電流降低到一個(gè)稱為維持電流的臨界極限值以下。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.2.3 晶閘管的陽極伏安特性,晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。 圖2-5 晶閘管的陽極伏安特性,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.2.4 晶閘管的主要參數(shù),1. 正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓DRM 2. 反向重復(fù)峰值電壓RRM 3. 通態(tài)平均電壓T(AV) 4. 晶閘管的額定

5、電流T(v) 5. 維持電流H 6. 擎住電流L,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.2.6 晶閘管觸發(fā)電路,1.晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求 觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率和一定的寬度； 觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步； 觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿足變流裝置提出的要求。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2. 觸發(fā)電路的分類,觸發(fā)電路可按不同的方式分類，依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號(hào)性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.2.7 晶閘管的保護(hù),1.晶閘管的過電流保護(hù) 1) 快速熔斷器保護(hù) (見下圖） 2）過電流繼電器保護(hù)。過電

6、流繼電器可安裝在交流側(cè)或直流側(cè)。 3）限流與脈沖移相保護(hù)。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2. 晶閘管過電壓保護(hù),晶閘管過電壓產(chǎn)生的原因主要有：關(guān)斷過電壓、操作過電壓和浪涌過電壓等。對(duì)過電壓的保護(hù)方式主要是接入阻容吸收電路、硒堆或壓敏電阻等。圖2-8為交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法。硒堆或壓敏電阻的聯(lián)結(jié)方法與此相同。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法,圖2-8,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.3 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）,2.3.1 GTO的結(jié)構(gòu) GTO的結(jié)構(gòu)也是四層三端器件 圖2-9 GTO的結(jié)構(gòu)與符號(hào) a) GTO的結(jié)構(gòu)剖面 b) 圖形符號(hào),變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.3

7、.2 GTO的主要參數(shù),1. 最大可關(guān)斷陽極電流TO 通常將最大可關(guān)斷陽極電流TO作為GTO的額定電流。 2. 關(guān)斷增益off 關(guān)斷增益off為最大可關(guān)斷陽極電流ATO與門極負(fù)電流最大值GM之比，其表達(dá)式為 off ATO/GM off比晶體管的電流放大系數(shù)小得多，一般只有左右。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.3.3 GTO的門極控制,GTO的門極控制電路包括開通電路、關(guān)斷電路和反偏電路。 圖2-11 門極控制電路結(jié)構(gòu)示意圖,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.3.4 GTO的緩沖電路,圖2-13 GTO斬波器及其保護(hù)電路 圖中R、L為負(fù)載，VD為續(xù)流二極管， LA是GTO導(dǎo)通瞬間限制didt的電感。R

8、sCs和VDs組成了緩沖電路。 GTO的陽極電路串聯(lián)一定數(shù)值的電感L來限制didt 。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.4 功率晶體管（GTR）,2.4.1 GTR的結(jié)構(gòu) a) b) c) 圖2-14 GTR 摸塊 a) GTR的結(jié)構(gòu)示意圖 b)GTR摸塊的外形c) GTR摸塊的等效電路,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.4.2 GTR的參數(shù),(1) UCEO：既基極開路CE間能承受的電壓。 (2) 最大電流額定值ICM ： (3) 最大功耗額定值PCM （4）開通時(shí)間ton：包括延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。 （5）關(guān)斷時(shí)間off：包括存儲(chǔ)時(shí)間s和下降時(shí)間f 。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.4.3 二次

9、擊穿現(xiàn)象,當(dāng)UCE逐漸增加到某一數(shù)值時(shí)，如UCEO，IC劇增加，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象,稱為一次擊穿。這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的辦法加以控制，只要進(jìn)入擊穿區(qū)的時(shí)間不長(zhǎng)，一般不會(huì)引起晶體管的特性變壞。但是，一次擊穿出現(xiàn)后若繼續(xù)增大偏壓UCE，而外接限流電阻又不變，反向電流IC將繼續(xù)增大，此時(shí)若GTR仍在工作，GTR的工作狀態(tài)將迅速出現(xiàn)大電流，并在極短的時(shí)間內(nèi)，使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(diǎn)。電流急劇增長(zhǎng)，此現(xiàn)象便稱為二次擊穿。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.4.4 GTR的驅(qū)動(dòng)電路,抗飽和恒流驅(qū)動(dòng)電路 圖2-16 抗飽和恒流驅(qū)動(dòng)電路,變頻器原理與應(yīng)用第2章,.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）,2

10、.5.1 功率場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) a) b) 圖2-18 P-MOSFET的結(jié)構(gòu)與符號(hào) a) P-MOSFET的結(jié)構(gòu) b) P-MOSFET符號(hào),變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.5.2 P-MOSFET的工作原理,當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負(fù)極，柵源之間電壓為零或?yàn)樨?fù)時(shí)，型區(qū)和-型漂移區(qū)之間的結(jié)反向，漏源之間無電流流過。 如果在柵極和源極加正向電壓UGS，不會(huì)有柵流。但柵極的正電壓所形成電場(chǎng)的感應(yīng)作用卻會(huì)將其下面型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的型區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，柵極下面型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID。電壓UT

11、稱為開啟電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。漏極電流ID越大。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.5.3 P-MOSFET的特性,. 轉(zhuǎn)移特性 輸出特性,變頻器原理與應(yīng)用第2章,. 開關(guān)特性,. 開關(guān)特性,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.5.4 P-MOSFET的主要參數(shù),1. 漏源擊穿電壓BUDS 2. 漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM 3. 柵源擊穿電壓BUGS 4. 開啟電壓UT 5. 極間電容 6. 通態(tài)電阻Ron,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.5.5 -的柵極驅(qū)動(dòng),1）觸發(fā)脈沖的前后沿要陡峭，觸發(fā)脈沖的電壓幅值要高于器件的開啟電壓，以保證-的可靠觸發(fā)導(dǎo)通。 2）開通時(shí)以低電阻對(duì)柵極電容充

12、電，關(guān)斷時(shí)為柵極電容提供低電阻放電回路，減小柵極電容的充放電時(shí)間常數(shù)，提高-的開關(guān)速度。 3）-開關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電流。-的極間電容越大，所需的驅(qū)動(dòng)電流也越大。為了使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅(qū)動(dòng)電流要具有較大的數(shù)值。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.5.6 P-的保護(hù),1. 工作保護(hù) 柵源過電壓的保護(hù) 漏源過電壓的保護(hù) 過電流保護(hù) 2. 靜電保護(hù) 器件應(yīng)存放在抗靜電包裝袋、金屬容器或?qū)щ姴牧习b袋中，工作人員取用器件時(shí)，必須使用腕帶良好接地，且應(yīng)拿器件管殼，不要拿引線； 安裝時(shí)，工作臺(tái)和電烙鐵應(yīng)良好接地； 測(cè)試時(shí)，測(cè)量?jī)x器和工作臺(tái)要良好接地，器件的三個(gè)電極必須都接入測(cè)試

13、儀器或電路，才能施加電壓。改換測(cè)試時(shí)，電壓和電流要先恢復(fù)到零。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.6 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）,2.6.1 IGBT的結(jié)構(gòu) a) b) c) d) 圖2-24IGBT結(jié)構(gòu)示意圖、電路符號(hào)和等效電路 a) IGBT模塊 b)IGBT結(jié)構(gòu)示意圖c)電路符號(hào)d)等效電路,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.6.2 IGBT的基本特性,1) 傳輸特性 2) 輸出特性,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.6.3 IGBT的主要參數(shù),1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES 2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES 3)額定集電極電流IC， 4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat) 5)開關(guān)頻率,變頻器

14、原理與應(yīng)用第2章,2.6.4 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路,1) 驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。 2) 用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電。 3) 驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號(hào)。 4) 驅(qū)動(dòng)電平+UGE的選擇必須綜合考慮。 5) 在關(guān)斷過程中，應(yīng)施加一負(fù)偏壓UGE。 6) 在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時(shí)間不能太短， 以確保IGBT的安全。 7) 驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.7 型晶閘管（）,2.7.1 的結(jié)構(gòu) a) b) c) 圖2-26 P-MCT的單胞結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號(hào) a) P-MCT的單胞結(jié)構(gòu) b)等效電路 c) 圖形符號(hào),變頻器原理與應(yīng)

15、用第2章,2.7.2 的主要參數(shù),斷態(tài)峰值電壓UDRM ： 最大允許的陽極和陰極間電壓； 反向峰值電壓URRM ： MCT最大允許的陰極和陽極間的電壓； 陰極連續(xù)電流IK ： 在某一結(jié)溫下，器件允許連續(xù)通過的電流； 峰值可控制電流ITC ： 當(dāng)通過門極信號(hào)換向時(shí)，額定關(guān)斷的最大陰極電流。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.8 靜電感應(yīng)晶體管（）,2.8.1 的基本結(jié)構(gòu) a) b) 圖2-27 SIT的基本結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào) a) SIT的基本結(jié)構(gòu) b) 圖形符號(hào),變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.8.1 的工作原理,當(dāng)柵源和漏源之間都不加電壓時(shí)，相鄰兩個(gè)+ 區(qū)間存在電中性區(qū)溝道，這時(shí)若在漏源兩端加正向電壓，則

16、有電流流過溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。工作時(shí)，是在柵源間加負(fù)偏壓，使得結(jié)的空間電荷區(qū)變厚，溝道變窄，形成電子勢(shì)壘變大。電子勢(shì)壘的大小，不僅與負(fù)柵偏壓UGS有關(guān)，而且與正的漏源電壓UDS有關(guān)。當(dāng)負(fù)柵偏壓UGS的絕對(duì)值越大，電子勢(shì)壘越高；正漏源電壓UDS越大，電子勢(shì)壘越低。因此，可以通過改變UGS和UDS的大小，控制溝道的電位分布與勢(shì)壘高度，從而控制漏源電流的大小。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.8.2 的特性,特性曲線,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.8.3 的參數(shù),柵源擊穿電壓UGSO : 在漏極開路時(shí)柵源之間可承受的最高反向電壓。 柵漏擊穿電壓UGDO : 在源極開路時(shí)柵漏之間可承受的最高反向電壓。

17、最大漏極電流IDmax : 是指器件工作時(shí)漏極允許通過的最大峰值電流。 允許功耗PT : 是允許的最大耗散功率。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.9 集成門極換流晶閘管（IGCT）,2.9.1 IGCT的結(jié)構(gòu) IGCT是將門極驅(qū)動(dòng)電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個(gè)整體形成的。 a) b） 圖2-29 IGCT原理框圖和圖形符號(hào) a) IGCT原理框圖 b) 圖形符號(hào),變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.9.2 IGCT的特點(diǎn),由于IGCT象IGBT那樣具有快速開關(guān)功能，象GTO那樣導(dǎo)電損耗低，在高壓、大電流各種應(yīng)用領(lǐng)域中可靠性更高。IGCT裝置中所有元件裝在緊湊的單元中,降低了成本。IGCT采用電壓源型

18、逆變器，與其他類型變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，效率更高。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.10 智能功率模塊(1PM),2.10.1 1PM的結(jié)構(gòu) 圖2-30 大功率IPM的封裝剖面示意圖 電源端子 特殊防護(hù)層 集成電路 內(nèi)連線 環(huán)氧樹脂 信號(hào)端子 密封盒 基板 IGBT芯片 陶瓷基板 （11）硅膠,變頻器原理與應(yīng)用第2章,IPM有4種功率電路結(jié)構(gòu)類型,IPM有4種功率電路結(jié)構(gòu)類型,變頻器原理與應(yīng)用第2章,2.10.2 IPM的保護(hù)功能,2.10.2 IPM的保護(hù)功能 圖2-32 IPM的保護(hù)功能圖 SC短路保護(hù)，其中RTC為實(shí)時(shí)控制電路；UV電源欠壓連鎖；DriveIGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路； OC過流保護(hù)電路； OT過熱保護(hù)電路；TS溫度傳感器。,變頻器原理與應(yīng)用第2章,本 章 小 結(jié),功率二極管的結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，加正向電壓導(dǎo)通，加反向電壓截止，是不可控的單向?qū)ㄆ骷?普通晶閘管（SCR）是雙極型電流控制器件。當(dāng)對(duì)晶閘管的陽極和陰極兩端加正向電壓，同時(shí)在它的門極和陰極兩端也加適當(dāng)正向電壓時(shí)，晶閘管導(dǎo)通。但導(dǎo)通后門極失去控制作用，不能用門極控制晶閘管關(guān)斷，所以它是半控器件。 GTO即可關(guān)斷晶閘管，它的導(dǎo)通控制與SCR一樣，但門極加負(fù)電壓可使GTO關(guān)斷，是全控器件。 GTR是雙極型全控器件，工作原理與普通中小功率晶體管相似，但主要工作在開關(guān)狀態(tài)，不用于信號(hào)