电力电子技术基础之第11章概述课件.ppt

01.12.2022,电力电子技术,1,电力电子技术,01.12.2022,电力电子技术,2,引 言,什么是电力电子技术？它的发展经历了哪些阶段？目前主要应用在哪些领域？,01.12.2022,电力电子技术,3,概 述什么是电力电子技术： 应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术，对电能特别是大的电功率进行处理和变换。（P1）,电压、电流、频率及变换相数,电力电子技术包括三大部分：（1） 元器件。（主要是电力电子器件）（2） 电力电子变流技术。（3） 控制技术。 （P1）,电力电子器件、磁元件及电容器,01.12.2022,电力电子技术,4,1.什么是电力电子技术,电子技术: 信息电子技术 电力电子技术信息电子技术模拟电子技术和数字电子技术电力电子技术应用于电力领域的电子技术，使用电力 电子器件对电能进行变换和控制的技术 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件 电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至1W以下 信息电子技术主要用于信息处理，电力电子技术主要用于电力变换,01.12.2022,电力电子技术,5,变流技术,电力交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流,电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流进行电力变换的技术称为变流技术表0-1 电力变换的种类,01.12.2022,电力电子技术,6,电力电子技术两个分支,变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，及构成电力电子装置和电力电子系统的技术电力电子技术的核心，理论基础是电路理论 电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理,01.12.2022,电力电子技术,7,“电力电子技术”和“电力电子学”,电力电子学 (Power Electronics) 名称60年代出现1974年，美国的W. Newell用图0-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受-,“电力电子学”和“电力电子技术”分别从学术和工程技术的角度来称呼，实际内容没有很大不同,0-1 描述电力电子学的倒三角形,01.12.2022,电力电子技术,8,电力电子技术和电子学的关系,电子学电子器件 对应 电力电子器件 电子电路 电力电子电路 电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同 现代电力电子器件制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源,01.12.2022,电力电子技术,9,电力电子技术和电子学的关系,器件的工作状态信息电子，既可放大，也可开关电力电子，为避免功率损耗过大，总在开关状态 电力电子技术的一个重要特征,电力电子电路和电子电路许多分析方法一致，仅应用目的不同广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路,01.12.2022,电力电子技术,10,电力电子技术与电气工程的关系,主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程通常把电力电子技术归属于电气工程学科电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力,01.12.2022,电力电子技术,11,电力电子技术与控制理论的关系,控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术,01.12.2022,电力电子技术,12,21世纪电力电子技术的前景,20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，而电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱计算机的作用比做人脑。电力电子技术可比做人的消化系统和循环系统。消化系统对能量进行转换（把电网等的“粗电”变成“精电”），再由循环系统把转换后的能量传送到大脑和全身。电力电子技术连同运动控制一起，可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动21世纪中将会起十分重要的作用，有十分光明的未来,01.12.2022,电力电子技术,13,2. 电力电子技术的发展史,电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决 定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电 力电子器件的发展史为纲的。电力电子技术的诞生 1957年美国通用电气公司研制出第一个 晶闸管为标志,01.12.2022,电力电子技术,14,电力电子技术的史前期或黎明期,晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在1904年出现了电子管，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电,01.12.2022,电力电子技术,15,电力电子技术的史前期或黎明期,各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管,01.12.2022,电力电子技术,16,晶闸管（1957年开始）,晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现,01.12.2022,电力电子技术,17,复合型器件和功率集成电路,80年代后期开始 复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表IGBT是MOSFET和BJT的复合它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。,01.12.2022,电力电子技术,18,复合型器件和功率集成电路,模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件 做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代 表了电力电子技术发展的一个重要方向,01.12.2022,电力电子技术,19,3. 电力电子技术的应用,1）一般工业 直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置 近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等 电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合 需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源,01.12.2022,电力电子技术,20,3. 电力电子技术的应用,2）交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术 电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术,01.12.2022,电力电子技术,21,3. 电力电子技术的应用,电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流,01.12.2022,电力电子技术,22,3. 电力电子技术的应用,3）电力系统 电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的,01.12.2022,电力电子技术,23,3. 电力电子技术的应用,无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置,01.12.2022,电力电子技术,24,3. 电力电子技术的应用,4）电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。,01.12.2022,电力电子技术,25,3. 电力电子技术的应用,5）家用电器 照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯 变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。 电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。,01.12.2022,电力电子技术,26,3. 电力电子技术的应用,6）其他 不间断电源（UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术,01.12.2022,电力电子技术,27,3. 电力电子技术的应用,传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。,01.12.2022,电力电子技术,28,3. 电力电子技术的应用,为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。,01.12.2022,电力电子技术,29,3. 电力电子技术的应用,总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。,以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW以下，甚至几十W以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。,01.12.2022,电力电子技术,30,3. 电力电子技术的应用,电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。,01.12.2022,电力电子技术,31,4. 本教材的内容简介和使用说明,教材内容可分为三大部分 第一部分：电力电子器件 第1章(全书的基础) 主要介绍各种电力电子器件的基本结构、工作原理、主要参数、应用特性，以及驱动、缓冲、保护、串并 联等器件应用的共性问题和基础性问题 以器件的应用为目的而展开，基本上不涉及器件的制造工艺 在各种器件中，IGBT、电力MOSFET三种、晶闸管三种应用最为广泛的器件为本书的重点,01.12.2022,电力电子技术,32,教材内容简介,第二部分：各种电力电子电路第25章和第8章(全书的主体) 第25章是各种基本电路，是按表0-1的分类展开的第8章是各种基本电路的组合在内容的介绍中，突出共同的分析方法对理解电路的工作原理十分有益例如，电力电子电路是非线性的，但当电路中各开关器件通断状态一定时，又可按线性电路来分析。这一基本分析方法对各种电力电子电路都是适用的,01.12.2022,电力电子技术,33,教材内容简介,第三部分：脉宽调制（PWM）技术和软开关技术 第6、7两章PWM控制技术中没有新的电路拓扑出现，但由于采用了这一新的控制方法，使电力电子电路的性能有了很大的改善，一些以前难以实现的控制策略借助这一技术而得以实现PWM控制方法对电力电子技术的发展产生了深刻的影响，它适用于表0-1中所列的各种电力变换电路软开关技术是近年出现的一种新技术，它对提高工作频率，提高功率密度，提高效率都有重要意义软开关电路一般并不改变原来的基本电路，而是在其基础上附加了一些电路，从而实现软开关软开关技术也适用于各种电力电子电路,01.12.2022,电力电子技术,34,教材使用说明,每章的最后有小结，对全章的要点和重点进行总结电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程。因此，电力电子装置的应用是十分重要的。由于篇幅所限，没有把应用专门列章，而是渗透在各章之中。学习时应在掌握基本原理的基础上，对其应用予以足够的重视电力电子技术有很强的实践性，因此实验在教学中占据着十分重要的位置。教材正文后附有“教学实验”部分，精选了5个最基本的，也有较高实用价值的实验,01.12.2022,电力电子技术,35,教材使用说明,书末附有“术语索引”。课内教学学时为4856学时（包含实验，每个实验2学时）在本课程前，应学过“电路”和“电子技术基础”两门课程，并已能熟练掌握示波器等电子仪器的使用方法后续课程之一是“电力拖动自动控制系统”,01.12.2022,电力电子技术,36,电力电子技术电子教案,第1章 电力电子器件,01.12.2022,电力电子技术,37,1.1电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件,01.12.2022,电力电子技术,38,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。,01.12.2022,电力电子技术,39,同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：,(1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力，是最重要的参数,其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。,(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态,导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定； 阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定； 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。,01.12.2022,电力电子技术,40,(3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。,在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。,(4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。,01.12.2022,电力电子技术,41,导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素,01.12.2022,电力电子技术,42,电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。,控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。 有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。,1.1.2 应用电力电子器件的系统组成,01.12.2022,电力电子技术,43,主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。 由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。 器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。,01.12.2022,电力电子技术,44,电力电子器件的概念和特征:主电路 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。电力电子器件 可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。,01.12.2022,电力电子技术,45,电力电子器件,非可控器件,可控器件,晶体管 门极可关断晶闸管,整流二极管,普通晶闸管,非自关断器件 （半控型）,自关断器件 （全控型）,（P2）,1.1.3 电力电子器件的分类,01.12.2022,电力电子技术,46,(2)半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断晶闸管及其大部分派生器件,(1)非可控器件不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路电力二极管,(3)全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件电力晶体管（GTR）绝缘栅双极晶体管（IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（ GTO）,电力电子器件的分类:按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,01.12.2022,电力电子技术,47,电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：单极型器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,01.12.2022,电力电子技术,48,电力电子变流技术按功能可分：1. 整流器 交流直流2. 逆变器 直流交流3. 斩波器 直流直流 4. 交流调压器 交流交流5. 周波变流器 交交变频电路,（P3）,01.12.2022,电力电子技术,49,课程特点： 器件不多： 中心器件：晶闸管。 其它器件：变压器、电感、电阻（负载）、二极管。 较少出现器件：电容、三极管。 电路简单，工作波形复杂。 重点：电路结构、工作原理、波形、计算。 输入波形：单相、三相正弦波。 输出波形：电力电子器件（晶闸管、二极管等）的通断、 电感感应电势的作用构成输出波形。 要掌握分析方法、工作原理。教科书： 波形图不清楚。 内容多，要删，以课堂内容为准。专心听讲，记好笔记。准备几支不同的颜色笔。按时完成习题，独立完成习题。不懂的及时答疑，多问多思考。,01.12.2022,电力电子技术,50,1.2不可控器件电力二极管,Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位,01.12.2022,电力电子技术,51,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装 图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,01.12.2022,电力电子技术,52,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,01.12.2022,电力电子技术,53,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态,图1-3 PN结的形成,01.12.2022,电力电子技术,54,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一 主 要特征PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿,PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称 为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD,01.12.2022,电力电子技术,55,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。,01.12.2022,电力电子技术,56,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大,01.12.2022,电力电子技术,57,1.2.2 电力二极管的基本特性,1.2.2 电力二极管的基本特性图1-4 电力二极管的伏安特性,01.12.2022,电力电子技术,58,1.2.2 电力二极管的基本特性,1. 静态特性（电力二极管伏安特性图）主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。2. 动态特性动态特性因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的,01.12.2022,电力电子技术,59,1.2.2 电力二极管的基本特性,开关特性反映通态和断态之间的转换过程关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲 图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,01.12.2022,电力电子技术,60,1.2.2 电力二极管的基本特性,延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示,正向偏置转换为反向偏置,零偏置转换为正向偏置,01.12.2022,电力电子技术,61,1.2.2 电力二极管的基本特性,开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高,01.12.2022,电力电子技术,62,1.2.3 电力二极管的主要参数,1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小,01.12.2022,电力电子技术,63,1.2.3 电力二极管的主要参数,2. 正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3. 反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,01.12.2022,电力电子技术,64,1.2.3 电力二极管的主要参数,4. 最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度TJM通常在125175C范围之内5. 反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间6. 浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,01.12.2022,电力电子技术,65,1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2.4 电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的,01.12.2022,电力电子技术,66,1.2.4 电力二极管的主要类型,1. 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上,01.12.2022,电力电子技术,67,1.2.4 电力二极管的主要类型,2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构,01.12.2022,电力电子技术,68,1.2.4 电力二极管的主要类型,采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,01.12.2022,电力电子技术,69,1.2.4 电力二极管的主要类型,3. 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度,01.12.2022,电力电子技术,70,1.2.4 电力二极管的主要类型,肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,01.12.2022,电力电子技术,71,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,1.3 晶闸管,阳极,阴极,门极,01.12.2022,电力电子技术,72,晶闸管的外形,螺旋式,平板式,01.12.2022,电力电子技术,73,晶闸管的散热片,水冷式,风冷式,自冷式,01.12.2022,电力电子技术,74,晶闸管的双晶体管模型,01.12.2022,电力电子技术,75, 共基极电流增益忽略 ICBO：,01.12.2022,电力电子技术,76,Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2,晶闸管工作原理：外加反向电压（UA UK）时J1 、 J3 反偏，晶闸管反向 阻断，只有很小的反向漏电流。,外加正向电压（UA UK）,（1-4）,01.12.2022,电力电子技术,77,晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。,外加正向电压（UA UK）门极未加电压，IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和，晶闸管正向阻断状态。,开通（门极触发）：在晶闸管门极加正向触发脉冲。,01.12.2022,电力电子技术,78,IG（IB2）IC2 （IB1） IC1 （IB2）,门极触发注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 1+2 趋近于1，流过晶闸管的电流 IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。UAK 很小（1V左右）IA实际由外电路决定。,一管基极电流能维持另一管的饱和，此时除去门极正向电压晶闸管仍导通。（不可控）,导通的过程是一个正反馈过程。V1、V2饱和。,01.12.2022,电力电子技术,79,晶闸管通断规律：,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（反向阻断）,承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断状态。,晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（不可控）。,要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。,承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（反向阻断）,承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断状态。,晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（不可控）。,要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。,承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）,01.12.2022,电力电子技术,80,其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高 以上三种情况，因不易控制，难以应用于实践。光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管。,只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,01.12.2022,电力电子技术,81,1.3.2 晶闸管的基本特性,第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性,一 . 晶闸管的伏安特性,01.12.2022,电力电子技术,82,随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低,IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通,导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿,晶闸管本身的压降很小，在1V左右,导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,01.12.2022,电力电子技术,83,晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性,01.12.2022,电力电子技术,84,二 . 门极伏安特性：门极电流 IG 与门极和阴 极之间电压UGK的关系。晶闸管的门极和阴极之 间是PN结J3，其伏安特 性称为门极伏安特性。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的,01.12.2022,电力电子技术,85,极限高阻伏安特性,极限低阻伏安特性,可靠触发区,不可靠