電力電子(模板)第1章

電力電子(模板)第1章第一頁，共64頁。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)有了很大的發(fā)展，由各種電力電子器件組成的功率變換裝置應(yīng)用于從航空航天到家用電器的各個領(lǐng)域。第二頁，共64頁。緒論

電力電子設(shè)備發(fā)展的特點(diǎn)是：（1）微機(jī)和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使電力電子設(shè)備走出了過去僅進(jìn)行將交、直流變換用做一般工業(yè)直流電源的初級階段，開拓了高科技領(lǐng)域的應(yīng)用。（2）完善的電路理論及新的設(shè)計方法，使產(chǎn)品性能更先進(jìn)、更符合生產(chǎn)實際的需要。第三頁，共64頁。緒論（3）微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)開始相互滲透結(jié)合，使電力電子設(shè)備效率提高、速度更快、使用更方便。（4）電路拓?fù)浼夹g(shù)和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化加快了新產(chǎn)品的開發(fā)步伐。第四頁，共64頁。緒論

交流電路是以電力半導(dǎo)體器件為核心，通過不同電路的拓?fù)浜涂刂品椒▉韺崿F(xiàn)對電能的轉(zhuǎn)換和控制。它的基本功能是使交流（AC）和直流（DC）電能互相轉(zhuǎn)換。它有以下幾種類型：第五頁，共64頁。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。（2）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。（3）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。（4）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。第六頁，共64頁。緒論

總之，由于電力半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展，主電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的開發(fā)，以及設(shè)備應(yīng)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)等方面的應(yīng)用日益擴(kuò)大。第七頁，共64頁。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)定狀態(tài)，且可在這兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件。第八頁，共64頁。第1章晶閘管概述晶閘管是由多種器件組成的家族，而被廣泛使用的普通晶閘管則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。第九頁，共64頁。電力電子技術(shù)1.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理

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章晶閘管概述第十頁，共64頁。1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理1956年美國貝爾實驗室發(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)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。第十一頁，共64頁。1.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號第十二頁，共64頁。1.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)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，能與散熱器緊密聯(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。第十三頁，共64頁。常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)第十四頁，共64頁。1.1.2晶閘管的工作原理晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實驗電路圖第十五頁，共64頁。1.1.2晶閘管的工作原理歸納以上實驗結(jié)果，可見：1)晶閘管導(dǎo)通的條件

陽極加正向電壓，同時門極加合適的正向觸發(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單向?qū)щ娦裕虎趯侔肟匦桶雽?dǎo)體器件；③屬電流控制器件。第十六頁，共64頁。1.1.2晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理示意圖晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋第十七頁，共64頁。1.1.2晶閘管的工作原理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?fàn)顟B(tài)，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。開關(guān)S閉合，則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，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，最后V1和V2完全進(jìn)入飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。第十八頁，共64頁。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象限的是反向特性第十九頁，共64頁。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狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。外加的陽極正向電壓在其轉(zhuǎn)折電壓以下時，只要在門極注入適當(dāng)?shù)碾娏?一般為毫安級)，器件也會立即進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。第二十頁，共64頁。1.2.1晶閘管的陽極伏安特性2)反向伏安特性晶閘管承受反向陽極電壓時，由于J1、J3結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，晶閘管流過的電流僅由各區(qū)少數(shù)載流子形成，只有極小的反向漏電流通過，這就是器件的反向阻斷狀態(tài)。隨著反向電壓的增加，穿過J2結(jié)的少數(shù)載流子稍有增加，反向漏電流逐漸增大。第二十一頁，共64頁。1.2.2晶閘管的門極伏安特性PGMBCDAEGFLK0IFGMUGTUFGMIGTUGTUGDIGTIGDABCIHJ第二十二頁，共64頁。1.2.2晶閘管的門極伏安特性圖中ABCGFED所圍成的區(qū)域為可靠觸發(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)域為不可靠觸發(fā)區(qū)第二十三頁，共64頁。1.3.1晶閘管的電壓參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。第二十四頁，共64頁。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)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時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)?！褂脮r應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。第二十五頁，共64頁。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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。第二十六頁，共64頁。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。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。使用中實際電壓上升率必須低于此臨界值。第二十七頁，共64頁。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。第二十八頁，共64頁。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第二十九頁，共64頁。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。第三十頁，共64頁。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第三十一頁，共64頁。1.4雙向晶閘管

雙向晶閘管（TRIAC）內(nèi)部結(jié)構(gòu)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)重復(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。第三十二頁，共64頁。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），英文有時候也稱為PowerBJT在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效第三十三頁，共64頁。1.5.1功率晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理單管GTR的結(jié)構(gòu)第三十四頁，共64頁。1.5.1功率晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理與普通的雙極結(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)而成第三十五頁，共64頁。1.5.1功率晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(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能力。第三十六頁，共64頁。1.5.1功率晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，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。第三十七頁，共64頁。1.5.1功率晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理達(dá)林頓GTR第三十八頁，共64頁。1.5.2功率晶體管的特性

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。第三十九頁，共64頁。1.5.2功率晶體管的特性動態(tài)特性第四十頁，共64頁。1.5.2功率晶體管的特性開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。加快開通過程的辦法。關(guān)斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。加快關(guān)斷速度的辦法。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。第四十一頁，共64頁。1.5.2功率晶體管的特性最高工作電壓GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(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。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。第四十二頁，共64頁。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時所對應(yīng)的Ic。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。第四十三頁，共64頁。1.5.2功率晶體管的特性集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。第四十四頁，共64頁。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)晶體管的工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，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。第四十五頁，共64頁。1.6.1功率場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理功率MOSFET的結(jié)構(gòu)示意與符號圖第四十六頁，共64頁。1.6.1功率場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。第四十七頁，共64頁。1.6.1功率場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理截止：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)之間形成的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，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。電力MOSFET的工作原理第四十八頁，共64頁。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)特性第四十九頁，共64頁。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，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。第五十頁，共64頁。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)特性第五十一頁，共64頁。1.6.2功率場效應(yīng)晶體管的特性開通過程開通延遲時間td(on)

上升時間tr開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)下降時間tf關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間和下降時間之和第五十二頁，共64頁。1.6.2功率場效應(yīng)晶體管的特性MOSFET正向偏置安全工作區(qū)第五十三頁，共64頁。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。第五十四頁，共64頁。1.7.1絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號第五十五頁，共64頁。1.7.1絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖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)的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，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。第五十六頁，共64頁。1.7.1絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理IGBT的原理導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，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，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。第五十七頁，共64頁。1.7.2絕緣柵雙極晶體管的特性靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性伏安特性第五十八頁，共64頁。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