电力电子器件概述11.pptx
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1、1-11.1 电力电子器件概述第1页/共89页1-21 1)概念电力电子器件(Power Electronic Device) 可直接用于主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件。主电路(Main Power Circuit) 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)分类 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅)仍然 电力电子器件的概念和特征电力电子器件第2页/共89页1-3能处理电功率的能力,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。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器
2、件,一般都要安装散热器。 电力电子器件的概念和特征3)同处理信息的电子器件相比的一般特征)同处理信息的电子器件相比的一般特征第3页/共89页1-4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。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗第4页/共89页1-5电力电子系统:由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路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 应
3、用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路第5页/共89页1-6半控型器件(Thyristor) 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件(IGBT,MOSFET) ) 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。不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断, , 因此也就不需要驱动电路。 电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度,分为以下三类:按照器件能够被控制的程度,分为以下三类:第6页/共89页1-7电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导
4、通或者关断的控制。 电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质,分为两类:第7页/共89页1-8本章内容: :介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。学习要点: :最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法,以及其参数和特性曲线的使用方法。可能会对主电路的其它电路元件有特殊的要求。本章学习内容与学习要点第8页/共89页1-91.2 不可控器件电力二极管第9页/共89页1-101.2 不可控器件电力二极管引言整流二极管及模块第10页/共89页1-11电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)
5、 外形 b) 结构 c) 电气图形符号结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK第11页/共89页1-12 状态状态参数参数正向导通正向导通反向截止反向截止反向击穿反向击穿电流电流正向大正向大几乎为零几乎为零反向大反向大电压电压维持维持1V反向大反向大反向大反向大阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态 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。结与电力二极管的工作原理PN结的状态第12页/共89页1-13 电力二极管的基本特性1) 静态特性电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU第13页/共89页1-142) 动态特性 b)UFPuiiFuFtfrt02V电力二极管的动
6、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ta)FUFtFt0trrtdtft1t2URURPIRPdiFdtiRdti 关断过程关断过程 开通过程电力二极管的基本特性第14页/共89页1-15UFPuiiFuFtfrt02V开通过程 电力二极管的基本特性IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt关断过程延迟时间: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。第15页/共89页1-16额定电流在指定的管壳温
7、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。 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流IF(AV)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。第16页/共89页1-17对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 电力二极管的主要参数3) 反向重复峰值电压URRM4)反向恢复时间trrtrr= td+ tf5)最高工作结温TJMTJM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125175 C范围之内。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。第17页/共89页1-181) 普通二极管(高于5
8、s )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。 电力二极管的主要类型2) 快恢复二极管 (可低于50ns )3) 肖特基二极管 (1040ns) 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)。第18页/共89页1-191.3 半控器件晶闸管第19页/共89页1-201.3 半控器件晶闸管引言晶闸管晶闸管(Thyristor):晶体闸流管,可控硅整流器(Silicon Controlled RectifierSCR) 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理AAGGKKb)c)a)AGK
9、KGAP1N1P2N2J1J2J3晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号第20页/共89页1-21 晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第21页/共89页1-22 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理第22页/共89页1-23 晶闸管的基本特性(1)正向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1) 静态特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG(2)反向特性第23页/共89页1-24 晶闸管的基本特性(
10、1) 开通过程100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA(2) 关断过2) 动态特性晶闸管的开通和关断过程波形第24页/共89页1-25 晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的正向峰值电压。通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。使用注意:1)电压定额反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态(峰值)电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态
11、峰值电压。第25页/共89页1-26 晶闸管的主要参数通态平均电流 IT(AV)在环境温度为40C和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。2)电流定额维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说,通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。第26页/共89页1-27 晶闸管的主要参数 通态电流临界上升率di/dt
12、指在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快,可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3)动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外,还有:断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大,使充电电流足够大,就会使晶闸管误导通。第27页/共89页1-28晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。1 1)快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching Thyristor FST)开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒,快速晶闸管数十微秒,高频晶闸管
13、10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高,不能忽略其开关损耗的发热效应。第28页/共89页1-29晶闸管的派生器件2 2)双向晶闸管(Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor)双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性OIGb)IU=0a)GT1T2第29页/共89页1-30晶闸管的派生器件3) 逆导晶闸管(Reverse Conducting ThyristorRCT)a)KGAb)UOIIG= 0逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性第
14、30页/共89页1-31晶闸管的派生器件4) 光 控 晶 闸 管 ( L i g h t T r i g g e r e d ThyristorLTT)AGKa)b)光强度弱强AKOUIA光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性第31页/共89页1-321.4 典型全控型器件第32页/共89页1-331.4 典型全控型器件引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块第33页/共89页1-34 门极可关断晶闸管(GTO)结构:c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形
15、 b) 并联单元结构断面示意图1)GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通晶闸管的相同点: PNPN四层半导体结构,外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点:GTO是一种多元的功率集成器件。第34页/共89页1-35 工作原理:RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1+ 2=1是器件临界导通的条件。1)GTO的结构和工作原理的结构和工作原理第35页/共89页1-36 门极可关断晶闸管OtiG0tiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开通和关
16、断过程电流波形2) GTO的动态特性的动态特性第36页/共89页1-37 门极可关断晶闸管3) GTO的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s,上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间之和,不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。(2) 关断时间toff(1)开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型,类似于逆导晶闸管,需承受反压时,应和电力二极管串联 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同,以下只介绍意义不同的参数。第37页/共89页1-38 门极可关断晶闸管(3)最大可关断阳极电流IATO(4) 电流关断增益 offGTO额定电流。 最大可关断阳极电
17、流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。GMATOoffII3) GTO的主要参数第38页/共89页1-39电力晶体管( (GTR) )1)GTR的结构和工作原理GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动第39页/共89页1-40电力晶体管( (GTR) )空穴流空穴流电电子子流流c)EbEcibic= ibie=(1+ ) )ib1)GTR的结构和工作原理第40页/共89页1-41电力晶体管 (1) 静态特性截止区放大区饱和区ib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo第43
18、页/共89页1-44电力晶体管 通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。实际使用时要留有裕量,只能用到IcM的一半或稍多一点。 (2) 集电极最大允许电流IcM(3) 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC,间接表示了最高工作温度 。第44页/共89页1-45电力晶体管一次击穿:集电极电压升高至击穿电压时,Ic迅速增大。只要Ic不超过限度,GTR一般不会损坏,工作特性也不变。安 全 工 作 区 ( S a f e Operating AreaSOA)最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界
19、线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作区(4) GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区二次击穿:一次击穿发生时,Ic突然急剧上升,电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏,或者工作特性明显衰变 。第45页/共89页1-46电力场效应晶体管电力场效应晶体管(1)电力MOSFET的结构N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号1)电力MOSFET的结构和工作原理第46页/共89页1-47电力场效应晶体管电力场效应晶体管 截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。 P基区与N漂
20、移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号(2)电力MOSFET的工作原理导电:在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时,P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而使PN结J1消失,漏极和源极导电 。第47页/共89页1-48电力场效应晶体管电力场效应晶体管 (1) 静态特性010203050402468a)ID/AUTUGS/V10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=
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