電力電子技術(shù)第五版(王兆安)

1、第1章 緒論,1.1 什么是電力電子技術(shù) 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 1.4 本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介,1.1 什么是電力電子技術(shù),■電力電子技術(shù)的概念 ◆電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 ?電力電子技術(shù)中所變換的“電力” 有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力” ，后者特指電力網(wǎng)的“電力” 。

2、 ?電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)(模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù))和電力電子技術(shù)兩大分支。,2/21,,1.1 什么是電力電子技術(shù),◆具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件 對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。 ?電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。 ?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。,3/21,表1-1 電力變換的種類(lèi),1.1 什么是電力電子技術(shù),■電力電子學(xué) ◆美國(guó)學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電

3、力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。,4/21,圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角形,1.1 什么是電力電子技術(shù),?電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)的理論和工藝與用于信息變換的電子器件制造技術(shù)相同。?電力電子技術(shù)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電 子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。,5/21,1.1 什么是電力電子技術(shù),? 電力電子技術(shù)與電氣工程學(xué)科的關(guān)系

4、 隸屬于電氣工程一級(jí)學(xué)科 電力電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展必須依賴(lài)其它學(xué)科 電力電子技術(shù)促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展 圖1-2 電氣工程的雙三角形描述,6/21,1.1 什么是電力電子技術(shù),?電力電子技術(shù)和控制理論 控制理論使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿(mǎn)足

5、人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。 電力電子技術(shù)是弱電和強(qiáng)電之間的接口而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。 控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。,7/21,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,8/21,■電力電子技術(shù)的發(fā)展史,圖1-3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志。,,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆

6、晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱(chēng)為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。 ?電子管(1904) ，在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線(xiàn)電，從而開(kāi)啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。 ?水銀整流器(1930s-1950s)，廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來(lái)變流。 ?1

7、947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。,9/21,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆晶閘管時(shí)代 ?晶閘管憑借其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。 ?晶閘管是通過(guò)對(duì)門(mén)極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)

8、相控方式。 ?晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。,10/21,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC） ?70年代后期，以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。 全控型器件的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)門(mén)極（基極、柵極）的控制既可使其開(kāi)通

9、又可使其關(guān)斷。 ?采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱(chēng)之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)斬控方式。 ?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。 與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。,11/21,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史

10、,?把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。?隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。,12/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,■電

11、力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍 ◆一般工業(yè) ?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。避免調(diào)速電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流沖擊的軟起動(dòng)裝置。 ?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源 ?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源淬火電源及直

12、流電弧爐電源等場(chǎng)合。,13/21,,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆交通運(yùn)輸 ?電氣化鐵道：電氣機(jī)車(chē)中的直流機(jī)車(chē)中采用整流裝置，交流機(jī)車(chē)采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車(chē)輛。在未來(lái)的磁懸浮列車(chē)中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車(chē)輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。 ?電動(dòng)汽車(chē)：電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車(chē)中需要許多控制電機(jī)，它

13、們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。 ?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。,14/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆電力系統(tǒng) ?用戶(hù)終端：發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶(hù)使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過(guò)一次以上電力電子變流裝置的處理。 ?直流輸電：其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)

14、現(xiàn)的。 ?電能質(zhì)量提高：晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償或諧波抑制。 ? 在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等。 ?在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。,15/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,16/21,圖1-

15、5 中國(guó)南方電網(wǎng)公司安順換流站,圖1-6 靜止無(wú)功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆電子裝置用電源 ?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開(kāi)關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開(kāi)關(guān)電源。 ?在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電

16、源（Uninterruptible Power Supply__ UPS）供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。,17/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆家用電器 ?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 ?空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)， 不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。◆其它 ?航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人

17、航天器也離不開(kāi)各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。 ?抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來(lái)起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。,18/21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,19/21,?新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時(shí)，更離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電

18、源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常需要一些特種電源。,圖1-7 風(fēng)場(chǎng),1.4 本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介,■本教材的內(nèi)容,20/21,,■參考書(shū)目?趙良炳.現(xiàn)代電力電子器件基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,1995.?丁道宏.電力電子技術(shù).北京:航空工業(yè)出版社,1992.?張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社,1998.?李先允,陳剛.電力電子技術(shù)習(xí)題集.北京:中國(guó)電力出版社,2008.,■網(wǎng)絡(luò)資源

19、? http://www.dianyuan.com/? http://www.21dianyuan.com/,21/21,學(xué)習(xí)目標(biāo)初級(jí)目標(biāo)：掌握常用電力電子器件工作原理、基本電路及控制方法。中級(jí)目標(biāo)：能利用上述知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單電力電子裝置設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。高級(jí)目標(biāo)：綜合利用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際需要的電力電子裝置。,學(xué)習(xí)方法在掌握電力電子器件和基本電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用分段線(xiàn)性分析方法，熟悉電路中主要器件工作波形。充分利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)

20、，驗(yàn)證電路工作原理和相關(guān)器件工作波形。發(fā)揮現(xiàn)代電力電子仿真軟件的作用，加強(qiáng)對(duì)本課程的感性認(rèn)識(shí)。,22/21,第2章 電力電子器件 2.1 電力電子器件概述 2.2 不可控器件——電力二極管 2.3 半控型器件——晶閘管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié),,24

21、/89,引言,■模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) ——晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) ——電力電子器件■本章主要內(nèi)容： ◆概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類(lèi)。 ◆分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。,25/89,2.1 電力電子器件概述,2.1.1 電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的

22、系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分類(lèi) 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),,26/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,■電力電子器件的概念 ◆電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 ?主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 ?廣義上電力電子器件可分

23、為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類(lèi)，目前往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。,,27/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,■電力電子器件的特征 ◆處理電功率的大小（承受電壓和電流的能力）一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)， ◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 ◆由信息電子電路來(lái)控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。 ◆自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。

24、,28/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,? 通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。? 當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。,,,,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開(kāi)關(guān)損耗,開(kāi)通損耗,關(guān)斷損耗,?電力電子器件的功率損耗,29/89,2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,■電力電子器件實(shí)際應(yīng)用：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。,,電氣隔離,圖2-1 電力電子

25、器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,,30/89,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),■按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 ◆半控型器件 ?器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 ?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件?！羧匦推骷??通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通、關(guān)斷。 ?目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ◆不可控器件

26、 ?電力二極管（Power Diode） ?不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。,,31/89,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),■按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) ◆電流驅(qū)動(dòng)型 ?從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 ◆電壓驅(qū)動(dòng)型 ?在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)器 件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制?！霭凑镇?qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ）

27、 ◆脈沖觸發(fā)型 ?在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。 ◆電平控制型 ?通過(guò)持續(xù)在控制端施加一定電平的電壓或電流信號(hào)使器件開(kāi)通并維持導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持阻斷狀態(tài)。,32/89,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),■按照載流子參與導(dǎo)電的情況 ◆單極型器件 ?由一種載流子參與導(dǎo)電。 ◆雙極型器件 ?由電子和空穴兩種載流子

28、參與導(dǎo)電。 ◆復(fù)合型器件 ?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱(chēng)混合型器件。,33/89,2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),■本章內(nèi)容 ◆介紹不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。■學(xué)習(xí)要點(diǎn) ◆掌握其基本特性（重點(diǎn)）。 ◆掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線(xiàn)的使用方法。 ◆了解電

29、力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。 ◆了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。,,34/89,2.2 不可控器件——電力二極管,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型,,35/89,2.2 不可控器件——電力二極管·引言,■電力二極管（Power Diode）

30、 ?自1950s初期就獲得應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。 ?在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。,整流二極管及模塊,36/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線(xiàn)以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多

31、種封裝。,圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),,37/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦?◆正向?qū)ǎ篜N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱(chēng)為正向電流IF。 ◆反向截止：當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)。

32、◆反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)。 ?按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 。 ?反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。 ?否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。,38/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■PN結(jié)的電容效應(yīng) ◆

33、稱(chēng)為結(jié)電容CJ，又稱(chēng)為微分電容 ◆按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD ?勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。 ?擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 ◆結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?39/

34、89,2.2.2 電力二極管的基本特性,■靜態(tài)特性 ◆主要是指其伏安特性 ◆正向電壓大到一定值（門(mén)檻電壓UTO ），正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。 ◆承受反向電壓時(shí)，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,圖2-5 電力二極管的伏安特性,,40/89,,,,2.2.2 電力二極管的基本特性,u,圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形

35、 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,■動(dòng)態(tài)特性 ◆因?yàn)榻Y(jié)電容的導(dǎo)致電壓-電流隨時(shí)間變化，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專(zhuān)指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性。 ◆由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 ?電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 ?在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。

36、?延遲時(shí)間：td=t1-t0 電流下降時(shí)間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱(chēng)恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。,t0:正向電流降為零的時(shí)刻,t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻,t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻,41/89,2.2.2 電力二極管的基本特性,◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 ?先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)

37、過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。 ?正向恢復(fù)時(shí)間tfr ?出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。,圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,42/89,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),■正向平均電流IF(AV) ◆

38、指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 ◆ IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量?！稣驂航礥F ◆指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。■反向重復(fù)峰值電壓URRM ◆指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 ◆使

39、用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。,,43/89,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),■最高工作結(jié)溫TJM ◆結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 ◆最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 ◆TJM通常在125～175?C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴?fù)時(shí)間trr■浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。,44/89,2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型,■

40、按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。 ◆普通二極管（General Purpose Diode） ?又稱(chēng)整流二極管（Rectifier Diode），多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。 ?其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5?s以上 。 ?其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。,,45/89,2.

41、2.4 電力二極管的主要類(lèi)型,◆快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode——FRD） ?恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（一般在5?s以下） 。 ?快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED） ，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu) ，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。 ?從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等

42、級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。,46/89,2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型,◆肖特基二極管（Schottky Barrier Diode—SBD） ?優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），正向恢復(fù)過(guò)程中不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。 ?弱點(diǎn)：當(dāng)所

43、能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿(mǎn)足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。,47/89,2.3 半控型器件——晶閘管,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件,,48/89,2.3 半控器件—晶閘管&#

44、183;引言,■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR），以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅。 ■1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！銎涑惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡?，而且工

45、作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。,,晶閘管及模塊,49/89,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,■晶閘管的結(jié)構(gòu) ◆從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 ◆引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。 ◆內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。,圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),,50/89,,2.3.1 晶閘管的結(jié)

46、構(gòu)與工作原理,圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,■晶閘管的工作原理 ◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：,式中?1和?2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。,51/89,,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下? 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，? 迅速增大。◆在晶體管阻斷

47、狀態(tài)下，IG=0，而?1+?2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 ◆如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致?1+?2趨近于1的話(huà)，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。◆由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。,,由以上式（2-1）~（2-4）可得,(2-5),52/89,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,■除門(mén)極觸發(fā)外其他幾種可能

48、導(dǎo)通的情況 ◆陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) ◆陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高 ◆結(jié)溫較高 ◆光觸發(fā)■這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,53/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,■靜態(tài)特性 ◆正常工作時(shí)的特性 ?當(dāng)晶閘管承受反向電

49、壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 ?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通 。 ?晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 ?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。,,54/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,◆晶閘管的伏安特性 ?正向特

50、性 √當(dāng)IG=0時(shí)，在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。 √如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通 。 √隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 √如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱(chēng)為維持電流。,圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2

51、>IG1 >IG,55/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,?反向特性 √其伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性。 √晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。 √當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。,圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG,56/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,■動(dòng)態(tài)特

52、性 ◆開(kāi)通過(guò)程 ?陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)：晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間；外電路電感的限制 ?延遲時(shí)間td (0.5~1.5?s) 上升時(shí)間tr (0.5~3?s) 開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr ?延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮

53、短。,圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形,57/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,◆關(guān)斷過(guò)程 ?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。 ?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr ?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 ?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘

54、管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門(mén)極電流控制而導(dǎo)通。,圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形,100%,58/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),■電壓定額 ◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM ?是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向 峰值電壓（見(jiàn)圖2-9）。 ?國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90

55、%。 ?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 ◆反向重復(fù)峰值電壓URRM ?是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向 峰值電壓（見(jiàn)圖2-8）。 ?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 ?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。,,59/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),◆

56、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(shí)的瞬態(tài)峰值電 壓。 ◆額定電壓：通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值。 選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~ ◆通態(tài)平均電流 IT(AV） ?國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40?C和規(guī)定的冷 卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 ?

57、 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。 ?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。,60/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),◆維持電流IH ?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 ?結(jié)溫越高，則IH越小。 ◆擎住電流 IL ?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的

58、最小電流。 ?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(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。,61/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),■動(dòng)態(tài)參數(shù) ◆開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq ◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt ?在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)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。 ?電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠

59、大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 ◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt ?在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 ?如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。,62/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,■快速晶閘管（Fast Switching Thyristor——FST） ◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。 ◆快速晶閘管的開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了

60、明顯改善。 ◆從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10?s左右。 ◆高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 ◆由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。,,63/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,■雙向晶閘管（Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode th

61、yristor） ◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。 ◆門(mén)極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性。 ◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。,圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,64/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,a),K,G,A,,,,,,,,■逆導(dǎo)晶閘管（Rev

62、erse Conducting Thyristor——RCT） ◆是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。 ◆具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。,圖2-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,65/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,A,G,K,a),

63、,,,,,,,,,,,,,,AK,■光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT） ◆是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 ◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。,圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,66/89,2.4 典型全控型器件,2.4.1 門(mén)

64、極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,,67/89,2.4 典型全控型器件·引言,■門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。,電力MOSFET,I

65、GBT單管及模塊,68/89,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,■晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。 ■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆GTO的結(jié)構(gòu) ?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 ?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO單元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。,圖2-14 GTO的內(nèi)

66、部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 電氣圖形符號(hào),,69/89,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,◆GTO的工作原理 ?V1、V2的共基極電流增益分別是?1、?2。?1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。 ?GTO與普通晶閘管的不同 √設(shè)計(jì)

67、?2較大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關(guān)斷。 √導(dǎo)通時(shí)?1+?2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 √多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。,70/89,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,?GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 ?而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+?2

68、<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。 ?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。,71/89,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,■GTO的動(dòng)態(tài)特性 ◆開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)似。 ◆關(guān)斷過(guò)程 ?儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間tt ?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。 ?門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前