第1章 電力電子器件.ppt

1、電力電子技術電子教案，第1章電力電子器件，第1章第2頁，第1章電力電子器件，引言1.1電力電子器件概述1.2不可控器件功率二極管1.3半控器件晶閘管1.4典型全控器件1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件驅動1.7電力電子器件保護1.8電力電子器件串并聯(lián)概述，第1章第3頁，引言， 電子技術基礎電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路基礎電力電子器件本章主要內容：簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等。 介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及在選擇和使用中應注意的一些問題、第1章第4頁、1.1電力電子器件概述、1.1電力電子器件概述1.1.1電力電子器件的概念和特性1.

2、1.2電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.3電力電子器件的分類1.1.4本章內容和學習要點，第1章第5頁。 1.1電力電子設備概述，1.1.1電力電子設備的概念和特點在電力電子設備或電力系統(tǒng)的主電路中，直接承擔電力轉換或控制任務的電路可以直接用于處理電力的主電路，以及實現(xiàn)電力轉換或控制的電子設備。第1章，第6頁，1.1.1電力電子器件的概念和特點，廣義上，電力電子器件可分為電兩大類，自20世紀50年代以來，真空管只用于大功率和高頻電源的高頻(如微波)，而功率半導體器件已經(jīng)取代了汞弧整流器、閘流管等電真空器件，成為絕對的主力軍。因此，功率電子器件目前通常指功率半導體器件。功率半導體器件中使用的主要材料

3、仍然是硅。與處理信息的電子設備相比，電力電子設備的一般特征如下：(1)處理電力的能力，即耐受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)，其處理電力的能力小到毫瓦，大到兆瓦，遠遠大于處理信息的電子設備。第1章，第8頁，1.1.1電力電子器件的概念和特性(2)電力電子器件通常工作在開關狀態(tài)。當它們接通時，阻抗非常小，接近短路，并且管電壓降接近零。當電流被外部電路阻斷時，阻抗非常大，接近開路，電流幾乎為零，而管兩端的電壓由外部電路決定。為簡單起見，通常使用理想開關來代替1.1.1電力電子器件的概念和特性。(3)在實踐中，電力電子設備經(jīng)常需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路來放大

4、控制電路的信號，控制電路是電力電子器件的驅動電路。(4)為了保證器件不會因散熱引起的溫度過高而損壞，不僅要注意器件封裝的散熱設計，還要注意散熱器在工作時的安裝。當器件導通時，會有一定的導通狀態(tài)電壓降，形成導通狀態(tài)損耗。第1章，第10頁，1.1.1電力電子設備的概念和特性。當器件被阻斷時，有一個小的關態(tài)漏電流流過器件，形成關態(tài)損耗，在開關器件的過程中產(chǎn)生開態(tài)損耗和關態(tài)損耗。驅動電路注入的功率也是器件發(fā)熱的原因之一。通常，電力電子器件的關態(tài)漏電流極小，因此導通損耗是器件功率損耗的主要原因。當器件的開關頻率較高時，開關損耗會增加，并可能成為器件功率損耗的主要因素。第1章，第11頁，1.1.2電力電子

5、裝置的系統(tǒng)組成，1.1.2電力電子系統(tǒng)由控制電路、驅動電路和以電力電子裝置為核心的主電路組成。圖1-1電力電子設備在實際應用中的系統(tǒng)組成。控制電路根據(jù)系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，主電路中的電力電子器件由驅動電路控制，完成整個系統(tǒng)的功能。從廣義上講，除主電路以外的電路，如驅動電路，都屬于控制電路，所以粗略地說，電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。通常，主電路中的電壓和電流相對較大，而控制電路的元件只能承受相對較小的電壓和電流。因此，在主電路和控制電路之間的連接路徑中，例如驅動電路和主電路之間的連接、驅動電路和控制信號之間的連接以及主電路和檢測電路之間的連接，通常需要電隔離，并且信號通過諸如光

6、和磁的其他方式傳輸。第1章，第13頁，1.1.2系統(tǒng)組成采用電力電子器件，由于主電路中經(jīng)常存在電壓和電流過沖，電力電子器件一般比主電路中的普通元件更昂貴，但承受過電壓和過電流的能力較差，因此，往往需要在主電路和控制電路中增加一些保護電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)的正?？煽窟\行。設備通常有三個端子(或極或角)，其中兩個連接在主電路中，第三個端子稱為控制端子(或控制極)。通過在其控制端子和主電路端子之間添加特定信號來控制器件的開關，主電路端子是驅動電路和主電路的公共端子，并且通常是主電路電流流出器件的端子。第1章，第14頁，1.1.3電力電子器件的分類，1.1.3電力電子器件的分類根據(jù)

7、器件受控制電路信號控制的程度，可分為以下三類：(1)半控器件可通過控制信號控制其導通，但不能控制其關斷。晶閘管及其衍生器件的關斷取決于它們在主電路中承受的電壓和電流。第1章，第15頁，1.1.3電力電子設備的分類，(2)完全受控設備可以通過控制信號控制其開啟和關閉，也稱為自關斷設備、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、功率場效應晶體管(功率金屬氧化物半導體場效應晶體管，縮寫為功率金屬氧化物半導體場效應晶體管)柵極關斷晶閘管GTO、第1章，第16頁，1.1.3電力電子設備的分類，(3)不受控制的設備不能由控制信號控制，因此不需要驅動電路。功率二極管只有兩個端子。根據(jù)驅動電路在設備的控制端和公共端之間施

8、加的信號的性質，設備的開/關由它在主電路中承載的電壓和電流來確定，驅動電路可以分為兩類：通過從控制端注入或汲取電流來實現(xiàn)開/關的電流驅動型，以及僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號來實現(xiàn)開/關控制的電壓驅動型。1.1.3電力電子設備的分類。電壓驅動器件實際上通過施加到控制端的電壓在器件的兩個主電路端之間產(chǎn)生可控電場，以改變流經(jīng)器件的電流和開關狀態(tài)，因此它們也被稱為場控器件?；蛘吒鶕?jù)電子和空穴兩種載流子參與傳導的情況，場效應器件可以分為三類：單載流子參與傳導的單極器件、雙載流子參與傳導的雙極器件、單極器件和雙極器件集成混合的復合器件、第1章，第18頁，1.1.4內容和學習要點本章介紹了工

9、作原理、基本特性、 介紹了各種設備的主要參數(shù)和選擇使用時應注意的一些問題，并重點介紹了電力電子設備的驅動、保護和串并聯(lián)使用。 最重要的是掌握它的基本特性、電力電子器件的型號命名、參數(shù)和特性曲線的使用方法，這是電力電子器件在實踐中正確應用的兩個基本要求。由于電力電子電路的不同工作特性和特定條件，在同一主電路中使用的其他電路元件作為電力電子器件，如變壓器、電感、電容、電阻等?？赡芘c普通電路有不同的要求。第1章，第19頁，1.2不可控器件功率二極管，1 . 2 . 1pn結和功率二極管的工作原理1.2.2功率二極管的基本特性1.2.3功率二極管的主要參數(shù)1.2.4功率二極管的主要類型，第1章，第20

10、頁，1.2不可控器件功率二極管結構和原理簡單。自20世紀50年代初開始應用的可靠工作、快速恢復二極管和肖特基二極管，分別在中高頻整流和逆變、低壓和高頻整流中發(fā)揮著不可替代的作用。第1章，第21頁，1 . 2 . 1PN結和功率二極管的工作原理。其基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管相同，后者基于半導體PN結，由一個大的pn結、兩個端子引線和封裝組成。從外觀上看，主要有兩種包裝：螺栓型和扁平型。圖1-2功率二極管的外形、結構和電氣圖形符號A)外形B)結構C)電氣圖形符號、第1章，第22頁，1 . 2 . 1pn結和功率二極管的工作原理，n結處電子和空穴濃度的差異導致多重態(tài)從一個區(qū)域擴散到另

11、一個區(qū)域，并在另一個區(qū)域變成少數(shù)載流子，在界面兩側留下帶正負電荷的雜質離子，不能任意移動。這些不動的正電荷和負電荷被稱為空間電荷?？臻g電荷建立的電場稱為內部電場或自建電場，其方向是防止擴散運動，另一方面，它吸引其他區(qū)域的少數(shù)載流子(對于這個區(qū)域，它是多載流子)向這個區(qū)域移動，即漂移運動。擴散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又相互矛盾，最終達到動態(tài)平衡，正負空間電荷達到穩(wěn)定值，形成由空間電荷組成的穩(wěn)定范圍，稱為空間電荷區(qū)，根據(jù)不同的受力角度又稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。第1章，第23頁，1 . 2 . 1PN結和功率二極管的工作原理，以及PN結正向導通狀態(tài)的電導調制效應，使得PN結在正向電流較大時壓降仍

12、然很低，因此正向偏置PN結呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，圖1-3pn結的形成，第1章，第24頁，1 . 2 . 1pn結單向導通二極管的基本原理是pn結的單向導通是其主要特征。PN結的反向擊穿有兩種形式：雪崩擊穿和齊納擊穿，可能導致PN結的熱擊穿和電容效應：PN結的電荷隨外加電壓的變化而變化，表現(xiàn)出電容效應，稱為結電容CJ和差分電容。根據(jù)其產(chǎn)生機理和作用的不同，結電容可分為勢壘電容CB和擴散電容CD、第1章，第25頁，1 . 2 . 1pn結和功率二極管的工作原理。勢壘電容僅在外加電壓變化時起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容越明顯。勢壘電容的大小與PN結的橫截面積成正比，與勢壘層的厚度成反比，而擴散電容只在正

13、向偏置中起作用。在正向偏置中，當直流電壓較低時，勢壘電容占主導地位；當直流電壓較高時，擴散電容是PN結電容的主要組成部分，影響pn結的工作頻率，尤其是在高速開關狀態(tài)下，可能會使其單向導電性變差甚至失效，因此在應用中應予以重視。第1章，第26頁，1 . 2 . 1pn結和功率二極管的工作原理決定了功率二極管與普通二極管在信息電子電路中的區(qū)別。一些因素：正向導通時，會有大電流流過，其電流密度大，所以額外載流子的注入水平高，電導調制效應不可忽略。引線壓降和焊接電阻有明顯的影響，電流變化率di/dt較大。因此，導線的電感效應和器件本身也會有很大的影響。為了提高反向耐受電壓，低摻雜濃度也會導致大的正向電

14、壓降。第1章，第27頁，1.2.2功率二極管的基本特性，1.2.2功率二極管的基本特性圖1-4功率二極管的伏安特性，第1章，第28頁，1.2.2功率二極管的基本特性1。靜態(tài)特性(功率二極管伏安特性圖)主要指其伏安特性。當功率二極管的直流電壓達到一定值(閾值電壓反對派)時，正向電流開始明顯增加，并處于穩(wěn)定的導通狀態(tài)。對應于正向電流的功率二極管兩端的電壓是其直流電壓降。當功率二極管承受反向電壓時，只有一個由少數(shù)載流子引起的小而恒定的反向漏電流。2.動態(tài)特性動態(tài)特性由于結電容的存在，三種狀態(tài)之間必然有一個過渡過程，其中電壓和電流特性隨時間變化。第1章，第29頁，1.2.2功率二極管的基本特性，開關特

15、性反映了導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)之間的轉換過程，以及關斷過程：需要很短的時間才能恢復反向阻斷能力。在關閉之前，有一個大的反向電流，伴隨著明顯的反向電壓過沖。圖1-5功率二極管的動態(tài)過程波形A)正向偏置轉換為反向偏置B)零偏置轉換為正向偏置、第1章，第30頁，1.2.2功率二極管的基本特性、延遲時間：td=t1- t0，電流下降時間：tf=t2- t1反向恢復時間：trr=td tf恢復特性的柔度：下降時間與延遲時間之比tf /td，或恢復系數(shù)，用Sr表示，正向偏置轉換為反向偏置， 零偏壓轉換為正向偏壓，第1章，第31頁，1.2.2功率二極管的基本特性，開路過程：功率二極管的正向。這個動態(tài)過程時間稱為

16、正向恢復時間tfr。 當電導調制效應起作用時，需要一定的時間來存儲大量的少數(shù)載流子。在達到穩(wěn)態(tài)導通之前，由于器件本身的電感，正向電流的上升將導致較大的電壓降。當前的上升速度越大，UFP就越高。第1章，第32頁，1.2.3功率二極管的主要參數(shù)，1。正向平均電流根據(jù)電流的熱效應定義允許流動的最大工頻正弦半波電流的平均正向平均電流，因此使用時應等于有效值。在高頻場合使用時，開關損耗引起的發(fā)熱不容忽視。當使用反向漏電流大的功率二極管時，其關態(tài)損耗引起的熱效應不小。第1章，第33頁，1.2.3功率二極管的主要參數(shù)，2。正向電壓降UF是指在特定溫度下的功率二極管。當特定的瞬態(tài)正向電流在特定溫度下流動時，對應于特定穩(wěn)態(tài)正向電流的正向電壓降有時會給出器件的最大瞬時正向電壓降。3