电力电子器件优秀PPT.ppt
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1、电力电子器件你现在浏览的是第一页,共156页电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型电力半导体器件是电力电子技术及其应用系电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。器件的研制与应用。定义:定义:电力电子电路中能实现电能的变换和控电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件制的半导体电子器件称为电力电子器件(PowerElectronicDevice)。)。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半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,本书涉及的器件都是指半导体
2、电导体器件两类,本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。力电子器件。你现在浏览的是第二页,共156页电力电子器件的电力电子器件的基本模型与特性基本模型与特性 l 在对电能的变换和控制过程中,电力电子器件可以抽象成下图在对电能的变换和控制过程中,电力电子器件可以抽象成下图2.1.12.1.1所示的理想开关模型,它有三个电极,其中所示的理想开关模型,它有三个电极,其中A和和B代表开关的代表开关的两个主电极,两个主电极,K是控制开关通断的控制极。它只工作在是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态通态”和和“断态断态”两种情况,在通态时其电阻为零,断态时其电阻无穷两种情况,在通态时其电阻为零,断态时其
3、电阻无穷大。大。图图2.1.1电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的理想开关模型l一、基本模型:一、基本模型:你现在浏览的是第三页,共156页电力电子器件的电力电子器件的基本模型与特性基本模型与特性l二、基本特性:二、基本特性:l(1)电力电子器件一般都工作在开关状态。)电力电子器件一般都工作在开关状态。l(2)电电力力电电子子器器件件的的开开关关状状态态由由(驱驱动动电电路)外电路来控制。路)外电路来控制。l(3)在在工工作作中中器器件件的的功功率率损损耗耗(通通态态、断断态态、开开关关损损耗耗)很很大大。为为保保证证不不至至因因损损耗耗散散发发的的热热量量导导致致器器件件温温度度过过高高
4、而而损损坏坏,在在其工作时一般都要安装散热器。其工作时一般都要安装散热器。你现在浏览的是第四页,共156页电力电子器件的种类电力电子器件的种类 l一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类:一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类:不可控器件:不可控器件:器件本身没有导通、关断控制功能,而需要根据电路器件本身没有导通、关断控制功能,而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如:电力二极管(如:电力二极管(PowerDiode););半控型器件:半控型器件:通过控制信号只能控制其导通,不能控制其关断通过控制信号只能控制其导通,不能控制
5、其关断的电力电子器件称为半控型器件。的电力电子器件称为半控型器件。如:晶闸管(如:晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件等;)及其大部分派生器件等;全控型器件: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的器通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件,称为全控型器件。件,称为全控型器件。如:门极可关断晶闸管(如:门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor)、)、功率场效应管(功率场效应管(PowerMOSFET)和绝缘栅双极型)和绝缘栅双极型晶体管(晶体管(Insulated-GateBipolarTransistor)等。)等。你现在浏览的是第五页,共
6、156页二、电力电子器件按控制信号二、电力电子器件按控制信号 的性质不同又可分为两种:的性质不同又可分为两种:l电流控制型器电流控制型器件:件:此类器件采用此类器件采用电流信号来实现导电流信号来实现导通或关断控制。通或关断控制。如:晶闸管、门极如:晶闸管、门极可关断晶闸管、功可关断晶闸管、功率晶体管、率晶体管、IGCT等;等;l电压控制半导体器件:电压控制半导体器件:这类器件采用电压控制这类器件采用电压控制(场控原理控制)它的通、(场控原理控制)它的通、断,输入控制端基本上不流断,输入控制端基本上不流过控制电流信号,用小功率过控制电流信号,用小功率信号就可驱动它工作。信号就可驱动它工作。如:代
7、表性器件为如:代表性器件为MOSFET管和管和IGBT管。管。你现在浏览的是第六页,共156页q附表附表:主要电力半导体器件主要电力半导体器件 的特性及其应用领域的特性及其应用领域器件种类器件种类开关开关功能功能器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域电力电力二极管二极管不可不可控控5 5k kV V/3 3k kA A4 40 00 0H Hz z各种整流装置各种整流装置晶闸管晶闸管可控可控导通导通6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR炼炼钢钢厂厂、轧轧钢钢机机、直直流流输输电电、电解用整流器电解用整流器可关断可关断晶闸管晶闸
8、管自关自关断型断型6kV/6kA500Hz工工业业逆逆变变器器、电电力力机机车车用用逆逆变变器、无功补偿器器、无功补偿器MOSFETMOSFET600V/70A100kHz开开关关电电源源、小小功功率率UPSUPS、小小功功率逆变器率逆变器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各各种种整整流流/逆逆变变器器(UPSUPS、变变频频器器、家家电电)、电电力力机机车车用用逆逆变变器、中压变频器器、中压变频器你现在浏览的是第七页,共156页l*、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 l1.2、电力二极管电力二极管 l1.3、晶闸管晶闸管l可
9、关断晶闸管可关断晶闸管 l1.4、电力晶体管电力晶体管 l1.5、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 l1.6、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 l1.7、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件第一章、第一章、电力电子器件电力电子器件你现在浏览的是第八页,共156页1.2 电力二极管电力二极管 P4l1.2.1电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l1.2.2电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 你现在浏览的是第九页,共156页1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l一、电力二极管一、电力二极管:1 1、电力二极管(、电力二极管(PowerDiode)也
10、称为半导体整)也称为半导体整流器(流器(SemiconductorRectifier,简称,简称SR),属不),属不可控电力电子器件,是可控电力电子器件,是20世纪最早获得应用的电世纪最早获得应用的电力电子器件。力电子器件。2 2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用流的场合发挥着积极的作用,具有不可替代的地具有不可替代的地位。位。你现在浏览的是第十页,共156页二、二、PN结与结与电力二极管工作原理:电力二极管工作原理:l基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。l以半导体以半
11、导体PNPN结结为基础。为基础。l由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。结和两端引线以及封装组成。l从外形上看,主要有螺栓型和平板型两种。从外形上看,主要有螺栓型和平板型两种。图图2.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符电力二极管的外形、结构和电气图形符a)结构)结构b)外形)外形c)电气图形)电气图形你现在浏览的是第十一页,共156页二、二、PN结与结与电力二极管工作原理:电力二极管工作原理:lN型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结结:l内电场内电场:空间电荷建立的电场空间电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场,其方向是阻止扩散运动的
12、,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,即漂移运动漂移运动。l空间电荷空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别,造成了各区的多子向另一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区的扩散运动扩散运动,到对方区内成为少子,在界面两侧分别留下了带正、负电荷,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。l空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达
13、到动态平衡,正、负空间电荷扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡,正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡,正、负空间电荷量达到稳量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡,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,被称为空间电荷区空间电荷区,按所强调的角度不同也被称为按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区耗尽层、阻挡层或势垒区。你现在浏览的是第十二页,共156页 二、二、PN结与结与电力二极管工作原理:电力二极管工作原理:lPN结的正向导通状态:结的正向导通状态:电导调制效应使得电导调制效应使得PN结在正向电
14、流较大结在正向电流较大时压降仍然很低,维持在时压降仍然很低,维持在1V左右,所以正左右,所以正向偏置的向偏置的PN结表现为低阻态。结表现为低阻态。lPN结的反向截止状态:结的反向截止状态:PN结的单向导电性。结的单向导电性。二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单结的单向导电性这一主要特征。向导电性这一主要特征。lPN结的反向击穿: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。有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式,可能导致热击穿。lPN结的电容效应: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
15、,又称为微分电容。,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和扩散电容和扩散电容CD。l图图2.2.2电力二极管的伏安特性曲线电力二极管的伏安特性曲线你现在浏览的是第十三页,共156页l势垒电容势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越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。势垒电容的大小与高,势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面结截面积成正比,与阻挡层厚度成反比。积成正比,与阻挡层厚度成反比。l扩散电容扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时,当正向仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时
16、,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。为结电容主要成分。l结电容结电容影响影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,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。注意。二、二、PN结与结与电力二极管工作原理:电力二极管工作原理:你现在浏览的是第十四页,共156页1.2 电力二极管电力二极管l1.2.1电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l1.2.2电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 你
17、现在浏览的是第十五页,共156页1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 你现在浏览的是第十六页,共156页1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性当当电电力力二二极极管管承承受受的的正正向向电电压压大大到到一一定定值值(门门槛槛电电压压UTO),正正向向电电流流才才开开始始明明显显增增加加,处处于于稳稳定定导导通通状状态态。与与正正向向电电流流IF对对应应的的电电力力二二极极管管两两端端的的电电压压UF即即为其正向电压
18、降。为其正向电压降。当当电电力力二二极极管管承承受受反反向向电电压压时时,只只有有少少子子引引起起的的微微小小而数值恒定的反向漏电流。而数值恒定的反向漏电流。l图图2.2.2电力二极管的电力二极管的l伏安特性曲线伏安特性曲线 特性曲线特性曲线:你现在浏览的是第十七页,共156页1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 你现在浏览的是第十八页,共156页2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l(1 1)关断特性)关断特性:电力二极管
19、由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。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。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。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。定义:定义:反映通态和断态之间的转换过程(反映通态和断态之间的转换过程(关断过程、开通过程关断过程、开通过程)。)。图图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形你现在浏览的是第十九页,共156页 电力二极管的正向压降先出现一个过
20、冲电力二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP,经过一段时间才趋于接,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值(如近稳态压降的某个值(如 2V 2V)。这一动态过程时间被称为正向恢复时)。这一动态过程时间被称为正向恢复时间间t tfrfr。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。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,率越大,U UFPFP越高越高 。(2 2)开通特性)开通特性:电力二极管由零偏置转换为正向偏
21、置的通态过程。电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。图图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形你现在浏览的是第二十页,共156页2、电力二极管的开关特性:、电力二极管的开关特性:(续)(续)l延迟时间:延迟时间:td=t1-t0电流下降时间:电流下降时间:tf=t2-t1l反向恢复时间:反向恢复时间:trr=td+tfl恢复特性的软度:恢复特性的软度:下降时间与延迟时间的比值下降时间与延迟时间的比值tf/td,或称恢复系数,用或称恢复系数,用sr表示。表示。图图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形你现在浏览
22、的是第二十一页,共156页1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数(1 1)普通二极管)普通二极管:普通二极管又称整流管(普通二极管又称整流管(RectifierDiode),),多用于开关频率在多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中,以下的整流电路中,其反向其反向恢复时间在恢复时间在usus以上,额定电流达数千安,额定电压达以上,额定电流达数千安,额定电压达数千伏以上。数千伏以上。(2 2)快恢复二极管:)快恢复二极管:反向恢复时间在反向恢复时间在usus以下的称为快恢复二以下的称为快恢复二极管(极管(Fast Recovery DiodeFast Recovery Diod
23、e简称简称FDRFDR)。快恢复二极管从性)。快恢复二极管从性能上可分为能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复。前者反向恢复时间为数百纳秒以上,后者则在时间为数百纳秒以上,后者则在100ns100ns以下,其容量可达以下,其容量可达1200V/200A1200V/200A的水平的水平,多用于高频整流和逆变电路中多用于高频整流和逆变电路中。(3 3)肖特基二极管:)肖特基二极管:肖特基二极管是一种金属同半导体相接肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件,其导通压降的典型值为触形成整流特性的单极型器件,其导通压降的典型值为0.40.40.6
24、V0.6V,而且它的反向恢复时间短,为几十纳秒。但,而且它的反向恢复时间短,为几十纳秒。但反向耐压在反向耐压在200200以下。以下。它常被用于高频低压开关电路或高它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中频低压整流电路中。电力二极管的主要类型:电力二极管的主要类型:你现在浏览的是第二十二页,共156页1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数你现在浏览的是第二十三页,共156页3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 l额定正向平
25、均电流额定正向平均电流在指定的管壳温(简称壳温,用在指定的管壳温(简称壳温,用TC表示)和散热条件表示)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。下,其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流的设该正弦半波电流的峰值为峰值为Im,则额定电流则额定电流(平均电流平均电流)为为:(2.2.52.2.5)(2.2.42.2.4)(2.2.62.2.6)(2.2.72.2.7)可求出正弦半波电流的波形系数可求出正弦半波电流的波形系数:定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数,用波形系数,用K Kf f表示
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