第一章电力电子元器件《轨道车辆电力电子技术》课件.pptx

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1、轨道电力电子,主要内容,基本概念半导体物理基础电力二极管晶闸管门极可关断晶闸管,电力电子,什么是电力电子？电力电子有什么特点？和我们常常提到的电工电子有什么区别电力电子元器件又有什么特点？什么又是轨道电力电子？,电力电子技术,电力电子技术是与电力学、电子学和控制理论三个学科关系十分密切的边缘学科。它横跨电子、电力和控制三个领域。,电力电子技术,电力电子技术的两大分支是电力电子器件的制造技术和电力电子器件的应用，即变流技术。电力电子技术的主要内容包括电力电子器件、电力电子的变流技术和控制技术。,轨道电力电子技术的主要内容是研究电力电子技术及其在轨道车辆上的应用。,第一章 电力电子元器件,电力电子

2、元器件是指可直接用于处理电能的主电路，实现电能变换或控制的电子器件，通常专指电力半导体器件。,电力电子器件的特征,电力电子器件，也称为开关管，与信息电子中的半导体器件相比，电力电子有如下特点：,功率远大于信息电子器件；电压、电流等级很高；电路工作在开关状态，开关频率是评价电力电子元器件的重要因素；需要驱动器进行驱动；需要散热器进行散热。,电力电子元器件主要损耗,常见的电力电子器件的开关频率和容量,开关的频率和容量不同，应用场合就不同。,电力电子器件的发展趋势,电力电子器件的发展趋势主要体现在以下几个方面：,制作材料新型化；大容量、高频率发展；模块化、复合化。,电力电子在轨道车辆上的应用,交-直

3、-交的有点：电机功率大，转矩高，功率因数高，启动过载能力强，簧下质量轻等。同时，能实现能量的双向流动。,1.2 半导体物理基础,1.2.1 导体、半导体、绝缘体,1.2.2 本征半导体,本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体；特性：本征半导体在绝对零度下是不导电的，在常温下可以激发出少量的自由电子，并出现相应数量的空穴。空穴和自由电子统称为载流子成对出现。,P型半导体、N型半导体,用适当的方法在本征半导体内加入微量杂质，就会使得半导体的导电性能发生显著变化。,本征半导体自身带电不？呈什么电性？,PN结,N型半导体和P型半导体结合后，即物理上的原子距离接触在一起后，形成PN结。,PN结,载流

4、子会在我工作的热运动中自由扩散，由自由扩散会产生电势差。电势差和自由扩散的相互联系又互相矛盾。温度一定的情况下，这种矛盾会达到一种平衡，即会形成PN结。,PN结的单向导通原理正向导通,当PN结两端加上正向电压时，外加电场和内电压相反，外加电场作用下，扩散作用大于漂移作用，形成扩散电流，即PN结变窄，形成正向电流。当外电压增加时，PN便更窄。正向时，PN结表现为一个很小的电阻。称之为正向导通。,PN结的单向导通原理反向截止,当PN结两端加上反向电压时，外加电场和内电场方向一致，进一步阻止扩散运动的进行。载流子都将进一步离开空间电荷区，使得空间电荷区变宽。此时漂移电流称为主导因素，漂移电流在一定温

5、度下趋于恒定，表现在外电路就是一个反向电流，该电流称之为反向饱和电流，一般为微安级。PN结的反向特性表现为一个很大的电阻，几乎没有电流通过，称之为反向截止。,PN结的温度特性,如左图所示：在PN结导电横截面相同的情况下，当电流比较小时，PN结温度升高时（T2T1）：PN结正偏时：本征激发的少子数量急剧增加；PN结反偏时：PN呈反偏特性。温度升高使得点阵原子的振动加剧，载流子在空间电荷区的碰撞机会相应的增加。（UB2UB1）。,PN结的温度特性的应用温度补偿,如左图所示：三极管VT有温度不良特性温度升高时，三极管VT的基极电流会增加。加上二极管D后，当温度升高时，二极管的正向压降降低，分流后三极

6、管VT的基极电流会减小。反之亦然，这样，二极管即起到稳定三极管基极电流的作用。,PN结的穿通及反向击穿,穿通和击穿都是反偏电压超过一定限度时发生的反向电流急剧上升的现象，二者有一定的区别。,穿通是指空间电荷区随着反偏电压升高而扩展到电极接通时发生的断路现象。,击穿是指空间电荷区的电场随着反偏电压的升高而增强到某一临界值时，空间电荷区的点阵原子会被电离，直接成为少数载流子使得反向电流急剧升高。,击穿的分类,PN结的电容效应,PN结中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。结电容会影响PN结的工作频率，使得其单相导电性变差，甚至不能工作。,结电容也分为垒式电容和扩散

7、电容。,PN结的电导调制效应,当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使其电阻率明显下降，即电导率大大增加。正是电导调制效应，使空穴和自由电子都参与导电的双极型器件的电流等级要远高于单机型器件。,1.3 电力二极管,二极管通常有P区、N区和中间的空间电荷区（也称为垒势区、阻挡层或耗尽层）组成。,电力二极管的电压、电流等级都比较高，通常分为螺栓型和平板型，其电流等级大小和PN结的面积成正比，因此平板型的电流等级要高于螺栓型的。,电力二极管的特性,电力二极管和普通二极管不同，因电力二极管的电压、电流等级比较高

8、，为了提高其反向耐压性，掺杂浓度要低于普通二极管，为了减小因掺杂浓度低造成的工作电压压降高的问题，电力二极管的内部采取了如下措施：采用垂直导电结构；采用P-i-N结构。,电力二极管有没有电容效应和电导调制效应？,1.3.1电力二极管的基本特性静态特性,1.3.1电力二极管的基本特性动态特性开通特性,电力二极管的开通过程：从断态到稳定导通状态的过渡过程。特征：上升首先出现一个过冲，然后逐渐趋于稳定。,电压过冲的机制主要有两个：阻性机制和感性机制。,1.3.1电力二极管的基本特性动态特性关断特性,电力二极管的开通过程：在电力二极管的两端施加负电压。特性：在关断过程中，当电流IF在反向电流逐渐下降到

9、0，由于正向导通时在对方区域因扩散而积累的少子在反向电压下回形成一个较大的反向恢复电流，该电流持续一段时间后才能衰减到0。,从二极管正向电流过零到反向电流下降到其峰值的10%时的时间间隔称为反向恢复时间trr。,根据反向恢复时间trr的大小，二极管可分为整流二极管（ trr 5us），快速恢复二极管（ trr 5us ），肖特基二极管（ trr =1040ns ）。,二极管电流和开通时间的关系？,1.3.2 二极管在轨道车辆上的主要应用（一）,整流：利用二极管的正向导通、反向截止性实现整流变换，是二极管的最基本应用。,续流：如图（a）在负载电流较大时，当开关S关断时，电感L会产生很高的感应电动

10、势。,1.3.2 二极管在轨道车辆上的主要应用（二）,隔离：利用二极管的单向导通性。,1.4 晶闸管,晶闸管（Thyristor）也称可控硅（SCR）。电力晶闸管的电压、电流等级都比较高，通常分为螺栓型和平板型。,A(Anode)阳极；K(Cathode)阴极；G(Gate)门极或控制极。,电流等级大小与PN结面积成正比，平板型电流等级（200A）大于螺栓型(200A)。,1.4.1 晶闸管的结构,晶闸管是三端四层半导体开关器件，共3个PN结，J1，J2，J3。,晶闸管可以看成由两个三极管T1（P1N1P2）和T2（N1P2N2）构成。,J2(N1P2)为公共的集电结,1.4.1 晶闸管的工作

11、原理,1.4.1 晶闸管的工作原理,晶闸管的阳极电流IA和放大倍数 密切相关。放大倍数 随各管的的发射极电流的变化而变化。,1.4.1 晶闸管的工作状态关断,当晶闸管关断：门极电流IG=0时，无法形成正反馈，晶闸管不能导通。IA=IK仅为很小的漏电流。,1.4.1 晶闸管的工作状态导通,晶闸管导通：门极电流IG0时，晶闸管会从断态转为通态。,晶闸管内部两个三极管的状态？,1.4.1 晶闸管的工作状态导通之后撤销IG,当晶闸管导通后IA和IK已经很大了。即便是此时撤销IG，由于 仍然会很大，晶闸管仍然能够继续饱和导通。,IG只是起到一个触发的作用。,IH为维持电流，需保证IAIH。当IA=IH时

12、， 称之为临界饱和状态。,如何关断呢？,1.4.2 晶闸管的基本特性阳极伏安特性,晶闸管的阳极伏安特性是指阳极与阴极电压UAK和阳极电流IA之间的关系。第一象限为正向伏安特性，第三象限为反向伏安特性。,伏安特性曲线示意图解释,晶闸管的关断：强迫关断+自然关断,1.4.2 晶闸管的基本特性门极伏安特性,晶闸管的门极伏安特性是指门极电压与电流之间的关系。,晶闸管的门极G和阴极K之间只有一个PN结J3。,晶闸管的门极电流电压呈二极管的伏安特性。,门极G的电压、电流要求：过小触发不了，过大功率太高，损坏门极。,1.4.2 晶闸管的基本特性动态特性（开通）,门极触发电流来到时，由于载流子渡越到基区P2需

13、要一定的时间，阳极电流IA要延迟td才开始上升，而后经过tr，IA才打到由外电路决定的阳极电流稳定值。晶闸管的开通时间ton=td+tr。td为延迟时间，tr为上升时间。,1.4.2 晶闸管的基本特性动态特性（关断）,已导通的晶闸管在A、K两端施加反向电压时，使阳极电流IA从稳态值下降为0后，晶闸管的各层区的载流子需要经过一定时间才能消失，才能恢复其正向阻断能力。反向阻断恢复时间trr，正向阻断恢复时间tgr，关断时间ton=trr+tgr。,1.4.3 晶闸管的驱动,晶闸管的门极驱动电路又称为触发电路。触发信号可以是交流、直流或脉冲。常用脉冲形式。触发脉冲的相位必须与主电路电源电压保持固定相

14、位关系，即同步，而且触发时UAK0。,触发脉冲的基本要求：正向脉冲：门极对阴极为正电压；脉冲形式：宽脉冲、窄脉冲、脉冲列均可；与主电路同步：保持固定相位关系；与主电路隔离：高、低压电源隔离；抗干扰能力：防止误触发。,1.4.3 晶闸管的驱动,触发脉冲的要求：触发脉冲需要足够的功率；触发脉冲的宽度和陡度；常见的晶闸管触发电路和触发脉冲波形。,1.5 门极可关断晶闸管（GTO）,回顾：SCR的关断方法。,不科学,如何科学+方便？,GTO,GTO与普通晶闸管的比较：相同点：同样为四层半导体结构。区别：通态时，门极加足够大的反向脉冲电流，GTO转化为断态；,1.5.2 GTO的基本特性,阳极伏安特性：

15、当外加电压超过正向转折电压UDRM时，GTO即正向开通，这种现象称为电压触发。如果反向击穿电压URRM，则会发生雪崩击穿。,阳极耐压值：门极电流中的任何毛刺电流都会使阳极耐压降低，开通后又会使GTO擎住电流和管压降增大。,1.5.4 GTO的驱动控制,开通控制要求：电压越高，GTO越容易开通；阳极电流较大时，易于维持大面积饱和导通；温度低触发困难，温度高容易触发。,门极触发电流波形的要求：脉冲的前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓。,1.5.5 GTO的驱动电路,1.6 电力场效应管的优缺点,电力mosfet的优点：电压型驱动器件：栅极驱动电流在100nA，几乎不消耗功率；正的电阻温度特性，易并联均

16、流；开关速度很快，工作频率很高。工作频率可达100Khz以上；多元集成结构。,电力mosfet的缺点：通态电阻大，通态损耗大；电流容量小，耐压值低。,1.6 电力场效应管（mosfet）,电力mosfet有三个极：栅极G、漏极D和源极S。它以一块杂质浓度低的P型材料作为底衬，其上有两处高掺杂N型区分别引出作为源极S和漏极D。相互隔离的两个N区的表面覆盖着金属氧化物SiO2绝缘层。,1.6 电力场效应管的工作原理,当UGS=0时，漏极的N型半导体与P型半导体之间阻挡层构成反向PN结，漏-源极之间也不能导电；当UGS0时，UGS通过SiO2绝缘层在G-P之间形成电场，在电场力的作用下，栅极G的正电位吸引P区的电子至邻近栅极的一侧，形成N沟道；当UGSUGSth（开启电压，一般为24V），由于栅极正电位所形成的这个N型半导体表层感生了大量的电子载流子。,1.6 电力场效应管的静态特性,转移特性：在一定的漏源电压UDS下，漏极电流和栅源电压UGS之间的关系。输出特性：截止区，线性导电区、饱和恒流区、雪崩击穿区。饱和特性：MOSFET是单极型器件，没有载流子的存储效应和电导调制效应。导通时，沟道电阻较大，饱和压降较大，一般增大UGS电压，可以使沟道电阻减小，电流增大。,1.6 电力场效应管的动态特性,开关特性：动态特性主要影响电力mosfet的开关过程。,