第2章電力電子器件0810PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第第2章電力電子器件章電力電子器件0810 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)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題 簡要概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等本章主要內(nèi)容： 電力電子器件電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子器件：晶體管和集成電路 電力電子器件電子技術(shù)的基礎(chǔ)第1頁/共73頁2.1 電力電子器件的概述第2頁/共73頁 電力電子器件的特征 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料仍然是硅)第3頁/共73頁能處理的電功率大，即器件承受電壓和電流的能力大。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。為保證

2、不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。 電力電子器件的特征第4頁/共73頁主要損耗通態(tài)損耗：導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降斷態(tài)損耗：阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過開關(guān)損耗：開通損耗：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗 通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗 是器件功率損耗的主要成因 器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 第5頁/共73頁圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2第6頁/共73頁1)半

3、控 型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）3）不可控器件功率二極管（Power Diode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定2)全 控 型 器件不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。第7頁/共73頁 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類： 1) 電流驅(qū)動(dòng)型 1) 單

4、極型器件2) 電壓驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 2) 雙極型器件3) 復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 第8頁/共73頁第9頁/共73頁AKAKa)IKAPNJb)c)圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號第10頁/共73頁第11頁/共73頁圖2-3 功率二極管的伏安特性 當(dāng)功率二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO)，正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通

5、狀態(tài)。與正向電流IF對應(yīng)的功率二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)功率二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。第12頁/共73頁第13頁/共73頁恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。 工藝上多采用了摻金措施、改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)等 第14頁/共73頁2.3.4 晶閘管的派生器件第15頁/共73頁第16頁/共73頁AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)

6、 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號第17頁/共73頁2.晶閘管的工作原理 門級控制開通原理IG Ib2IC2=Ib1IC1 - 形成正反饋工作過程，很快使兩個(gè)晶體管都轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管開通。晶閘管開通后門級失去控制作用。當(dāng)S閉和，形成門級電流第18頁/共73頁晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理晶閘管的工作原理第19頁/共73頁 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理2 GC0A121 ()III晶閘管的工作原理第20頁/共73頁晶閘管的工作原理2 GC0A121 ()IIIGAIKIC0 正向阻斷UAK IC0 1、2IA2

7、 UAK達(dá)到某一電壓，使晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo) 通狀態(tài)，稱為正向轉(zhuǎn)折現(xiàn)象 第21頁/共73頁2GC0A121 ()III第22頁/共73頁第23頁/共73頁正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG第24頁/共73頁晶閘管的伏安特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第25頁/共73頁正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性第26頁/共73頁100%90%10

8、%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第27頁/共73頁100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第28頁/共73頁100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第29頁/共73頁在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的最大正向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的

9、最大反向峰值電壓。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 ) 斷 態(tài) 重 復(fù) 峰 值 電 壓UDRM2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM3) 通態(tài)（峰值）電壓UTM第30頁/共73頁第31頁/共73頁第32頁/共73頁3. 動(dòng)態(tài)參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，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。指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會(huì)有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞 。 (2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向

10、的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有： 第33頁/共73頁如何選擇晶閘管？(2 3)()(2 3)mUUUm式中，為晶閘管實(shí)際承受的 斷態(tài)或反向 重復(fù)最大電壓； 為安全裕量 晶閘管電流定額可按下式計(jì)算選擇： 在實(shí)際應(yīng)用中，選擇晶閘管時(shí)，應(yīng)從額定電壓和額定電流兩方面共同計(jì)算選擇。 由于晶閘管承受瞬間過電壓能力較差，因此選擇晶閘管額定電壓時(shí)，應(yīng)留有充分的安全裕量，可按下式計(jì)算選擇：(

11、1.5 2)1.57(1.5 2)VTTaTaVTIIII式中，為晶閘管通態(tài)平均電流；為安全裕量； 為晶閘管實(shí)際通過電流的有效值第34頁/共73頁第35頁/共73頁雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2 有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。 正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限 有對稱的伏安特性。 與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡單，在交流 調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。 通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。第36頁/共73頁b)a)UOIKGAI

12、G=0 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號 b) 伏安特性 將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。 逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián) 二極管的電流。第37頁/共73頁光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)AGKa)OUAKIA光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二 極管或半導(dǎo)體激光器。 光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響

13、，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。第38頁/共73頁極晶體管第39頁/共73頁管、電力晶體管、功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管。第40頁/共73頁上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用第41頁/共73頁c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號第42頁/共73頁RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有

14、共基極電流增益1和2。 1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+21時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+21時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。第43頁/共73頁RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)（1）設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈 敏，易于GTO關(guān)斷。（2）導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 （3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流 。第44頁/共73頁第45頁/共73頁2.4.2 電力晶體管第46頁/

15、共73頁圖1-15a)基極bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極b 發(fā)射極c集電極cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)電力晶體管與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。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(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。第47頁/共73頁圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstft

16、ontrtd圖 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管第48頁/共73頁圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管第49頁/共73頁電力晶體管第50頁/共73頁2.4.3 功率場效應(yīng)管 特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 開關(guān)速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。第51頁/共73頁溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型功率場效應(yīng)管第52頁/共73頁功率場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)

17、只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。功率MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。 國際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元 西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元 摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號第53頁/共73頁N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GS

18、DN溝道圖1-19功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號功率場效應(yīng)管第54頁/共73頁功率場效應(yīng)管第55頁/共73頁第56頁/共73頁EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖2-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號E第57頁/共73頁EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號第58頁/共73頁第59頁/共73頁(1) 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)， 開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與功率MOSFET相當(dāng)。(2) 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。(3) 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。(4) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。(5) 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以 進(jìn)一步提高，同時(shí)