电力电子技术-第一章第二节.ppt

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1、第1章 电力电子器件,1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件1.5 其他新型电力电子器件1.6 电力电子器件的驱动电路1.7 电力电子器件的保护电路,本章内容要求：理解电力电子器件的概念、特点和分类等相关知识。掌握常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的问题。,1,1）概念: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。主电路（Main Power Circuit）在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。2

2、）广义上的分类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管)半导体器件(采用的主要材料是硅）,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,2,目前电力电子器件专指电力半导体器件。,处理电功率的能力非常大，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制和驱动。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。,3）同处理信息的电子器件相比的特征：,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,3,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，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。,主要损

3、耗,通态损耗,断态损耗,关断损耗,开通损耗,电力电子器件的损耗,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,4,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。,图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行。,1.1.2 应用电力电子器件的系统组成,电气隔离,1.1 电力电子器件概述,5,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。如晶闸管及其派生器件。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。如IGBT、Power MOSFET、GT

4、O、BJT。不可控器件 不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。如电力二极管。,1.1.3 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，可分为三类：,1.1 电力电子器件概述,6,电流驱动型 通过从器件的控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制，比如晶闸管、GTO、BJT等。电压驱动型 仅通过在器件的控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制，比如Power MOSFET、IGBT等。,按照驱动电路信号的性质，可分为两类：,1.1.3 电力电子器件的分类,1.1 电力电子器件概述,7,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可分为三

5、类：,1.1.3 电力电子器件的分类,1.1 电力电子器件概述,单极型器件 由一种载流子参与导电的器件，如Power MOSFET等。双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如电力二极管、晶闸管、GTO、BJT等。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，如IGBT等。,8,1.2 不可控器件电力二极管(Power Diode),Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期至今仍大量应用于许多电气设备中。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。,9,硅整流二极管,基本结构和工作原理与信息

6、电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线封装组成的。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,1.2 不可控器件电力二极管,10,PN结的状态,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,1.2 不可控器件电力二极管,PN结的单向导电性就是二极管的基本原理。,11,主要是指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流开始明显增加所对应的电压。电力二极管正向导通后，两端的电压即为其正向电压降UF，对应电流为IF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,1)静态特性,1.2.2 电力二极管的基本特性,1.2 不可控器件电力二极管,12,PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，

7、称为结电容CJ。CJ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。,1.2.2 电力二极管的基本特性,1.2 不可控器件电力二极管,2)动态特性,由于结电容的存在，电力二极管在通态与断态之间转换时，需经历一个过渡过程。在此过渡过程中，其电压-电流特性随时间而变化，这就是电力二极管的动态特性，且专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。,13,图1-5 电力二极管的动态过程波形 a)通态转换为断态,1.2.2 电力二极管的基本特性,1.2 不可控器件电力二极管,设tF时刻外加电压突然由正向变为反向：正向电流开始下降，管压降基本不变，直到正向电流变为零的时刻t0。,由于PN结两侧储存有大

8、量少子，在外加反向电压的作用下，形成较大的反向电流IRP，PN结没有反向阻断能力，管压降不变。当大量少子被抽尽时，管压降变为负极性，只能抽取离空间电荷区较远的少子。在t1时刻反向电流开始下降，空间电荷区变宽，恢复其阻断能力。,由于t1时刻后反向电流迅速下降，在外电感作用下出现反向电压过冲URP。当电流变化率接近零时的t2时刻，二极管才承受外加的反向电压UR。,14,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。,1.2.2 电力二极管的基本特性,1.2 不可控器件电力二极管

9、,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,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。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。,15,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），这是电导调制效应的作用。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。,图1-5(b)开通过程,开通过程：,1.2.2 电力二极管的基本特性,1.2 不可控器件电力二极管,16,即额定电流，指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,1)正向平均电流IF(AV)

10、,1.2.3 电力二极管的主要参数,1.2 不可控器件电力二极管,2）正向压降UF,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。,3）反向重复峰值电压URRM,是指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。,4）反向恢复时间trr,trr=td+tf,5）最高工作结温TJM,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在125175C范围之内。,17,1)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。其反向恢复时间较长，一般在5s以

11、上。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别为数千安和数千伏以上。,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，介绍几种常用管子。,1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2 不可控器件电力二极管,2)快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）,反向恢复过程很短（一般在5s以下），简称快速二极管。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,18,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。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和通态损耗都比快恢复二极管还小。缺点：反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，且必须严格地限制其工作温度。,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 Diode SBD）。,1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2 不可控器件电力二极管,19,预习第一章第三节思考题：1、使晶闸管导通的条件是什么？2、晶闸管的静态特性是什么？3、晶闸管的主要参数有哪些？,