电力电子器件概述优秀PPT.ppt
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1、电力电子器件概述你现在浏览的是第一页，共81页2.1 简简 介介第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 功率半导体器件功率半导体器件的分类的分类功率二极管功率二极管:导通和关断均由导通和关断均由电路潮流决定。电路潮流决定。晶闸管晶闸管:在器件在承受正向电压时，在器件在承受正向电压时，由控制信号控制器件的导通，由控制信号控制器件的导通，而关断状态由电路潮流决定。而关断状态由电路潮流决定。可控开关可控开关:由控制信号控由控制信号控制器件的导通制器件的导通和关断。和关断。不可不可控型控型半可控型半可控型全控型全控型下 页返回你现在浏览的是第二页，共
2、81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 全控型全控型电力电电力电子器件子器件 电力场效应晶体电力场效应晶体管（管（MOSFET）双极结型双极结型晶体管晶体管（BJT）门极可关断门极可关断晶闸管晶闸管（GTO）绝缘栅门极绝缘栅门极换流晶闸管换流晶闸管（IGCT）绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（IGBT）你现在浏览的是第三页，共81页下 页上 页返 回2.2 功率二极管功率二极管第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2.1 2.2.1 功率二极管的基本特性功率二极
3、管的基本特性功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性 AK+UD -iDY当功率二极管承受正向电压时，它的正向导通压降当功率二极管承受正向电压时，它的正向导通压降很小，大约在很小，大约在1V左右。左右。Y当功率二极管承受反向电压时，只有极小的漏电流当功率二极管承受反向电压时，只有极小的漏电流可通过该器件。可通过该器件。反向反向截止区截止区iDUD(I)URMUF你现在浏览的是第四页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 iDUD0Y反反向向偏偏置置电电压压超超过过这这一一额额定定值值时时，反反向向漏漏电电流流迅迅速
4、速增增加加。正正常常工工作作状状态态下下，反反向向电电压压不不允允许许达达到到截截止止电电压。压。Y关关断断状状态态下下的的漏漏电电流流和和通通态态压压降降都都很很小小，功功率率二二极极管管的的伏安特性可被理想化。伏安特性可被理想化。AK+UD -iD反向反向截止区截止区iDUD(I)URMUF你现在浏览的是第五页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 trrIRMtiDQrr0功功率率二二极极管管处处于于导导通通状状态态时时，因因其其导导通通速速度度很很快快，故可当作理想开关。故可当作理想开关。功率二极管处于关断
5、状功率二极管处于关断状态时，它将在下降到零之前，有一个电流反向恢复态时，它将在下降到零之前，有一个电流反向恢复时间时间trr，在此时间内的电流是反方向流动的。，在此时间内的电流是反方向流动的。你现在浏览的是第六页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2.2 2.2.2 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数功率二极管长期运行时，在指定的管壳功率二极管长期运行时，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。工
6、频正弦半波电流的平均值。l正向平正向平均电流均电流设正弦半波电流的峰值为设正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流为，则额定电流为:正向平均电流正向平均电流IF（AV）1你现在浏览的是第七页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 额定电流有效值为：额定电流有效值为：某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数数:根据上式求出正弦半波的波形系数为根据上式求出正弦半波的波形系数为:额定电流额定电流IF(AV)=100A的电流功率二极管，其额定电流有的电流功率二极管，其额
7、定电流有效值效值IF=Kf IF(AV)=157A。你现在浏览的是第八页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 正向压降越低，通态损耗越小。正向压降越低，通态损耗越小。功率二极管在指定温度下，流过某一指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。定的稳态正向电流时对应的正向压降。l正向压正向压降降 正向压降正向压降UF 2你现在浏览的是第九页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 反向重复峰值电压反向重复峰值电压
8、URRM3对功率二极管所能重复施加的反对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压击穿电压UB的的2/3。l反向重复反向重复峰值电压峰值电压使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此项参数。向最高峰值电压的两倍来选定此项参数。你现在浏览的是第十页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 反向电流反向电流IRR 4功率二极管对应于反向重复峰值电压时功率二极管对应于反向重复峰值电压时的反向电流。的反向
9、电流。l反向电反向电流流管芯管芯PN结的平均温度，而且是在结的平均温度，而且是在PN结不至损坏的前提下所能承受结不至损坏的前提下所能承受的最高平均温度。的最高平均温度。l最高工最高工作结温作结温最高工作结温最高工作结温TJM5TJM通常在通常在125175范围之内。范围之内。你现在浏览的是第十一页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 在功率二极管从导通到阻断的过程中，在功率二极管从导通到阻断的过程中，二极管会流过一定的负电流。从功率二极管会流过一定的负电流。从功率二极管电流下降到零开始，直至在此二极管电流下降到零
10、开始，直至在此回到零所需时间。回到零所需时间。l反向恢反向恢复时间复时间反向恢复时间反向恢复时间trr6你现在浏览的是第十二页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 功率二极管所能承受的最大的连续一个功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。或几个工频周期的过电流。l浪涌电浪涌电流流浪涌电流浪涌电流IFSM 7该项参数反应了二极管抵抗短路冲击电流的能力。该项参数反应了二极管抵抗短路冲击电流的能力。显然，设计器件的保护电路时，保护电路的动作电显然，设计器件的保护电路时，保护电路的动作电流应小于该参数。
11、流应小于该参数。你现在浏览的是第十三页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2.3 2.2.3 几种常用的功率二极管几种常用的功率二极管几种常用的功率二极管几种常用的功率二极管 l肖特基二极管肖特基二极管 用于正向压降较低用于正向压降较低(一般是一般是0.3V)的低压输出电路。的低压输出电路。l快恢复二极管快恢复二极管 用于带有可控开关且反向恢复用于带有可控开关且反向恢复时间较短的高频电路中。时间较短的高频电路中。l工频二极管工频二极管 用于工频交流电路之中，其通态用于工频交流电路之中，其通态电压被限定得尽可
12、能低，将产生一个较大的可适用于工电压被限定得尽可能低，将产生一个较大的可适用于工频交流电路的反向恢复时间频交流电路的反向恢复时间trr。你现在浏览的是第十四页，共81页下 页上 页返 回2.3 晶闸管晶闸管第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 2.3.1 2.3.1 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 AK+UAK -iGiAG反向击穿区反向击穿区反向反向截止区截止区反向截反向截止电压止电压正向截止电压正向截止电压截止状态截止状态导通状态导通状态UAKiA0主电流由阳极流向阴极。晶闸管处于断态时可阻主电流由阳极
13、流向阴极。晶闸管处于断态时可阻断正向偏置电压而不导通。断正向偏置电压而不导通。你现在浏览的是第十五页，共81页晶闸管的结构和等效电路如图所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。你现在浏览的是第十六页，共81页2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理IGIb2IC2(Ib1)IC1你现在浏览的是第十七页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 反向击穿区反向击穿区反向反向截止区截止区反向截反向截止电压止电压正向截止电压正向截止电压截止状态截止状态导通状态导通状态UAKiA0晶闸管承受
14、正向电压时，晶闸管承受正向电压时，在门极注入正向脉冲电流在门极注入正向脉冲电流可将它触发导通。可将它触发导通。晶闸管一旦开始导通，门晶闸管一旦开始导通，门极就失去控制作用。不极就失去控制作用。不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。通过外电路使阳极电流反向，并且降到接近于零的某一数通过外电路使阳极电流反向，并且降到接近于零的某一数值，可使已导通的晶闸管关断。值，可使已导通的晶闸管关断。你现在浏览的是第十八页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 当晶闸管承受正向电压当晶
15、闸管承受正向电压时，门极触发电流才能在时，门极触发电流才能在某个时间再一次控制晶闸某个时间再一次控制晶闸管触发导通。管触发导通。反向击穿区反向击穿区反向反向截止区截止区反向截反向截止电压止电压正向截止电压正向截止电压截止状态截止状态导通状态导通状态UAKiA0通常状态下，晶闸管的正、反向阻断电压的额定值相等。通常状态下，晶闸管的正、反向阻断电压的额定值相等。当反向偏压低于反向当反向偏压低于反向击穿电压时，只有极小的漏电流流过晶闸管。击穿电压时，只有极小的漏电流流过晶闸管。你现在浏览的是第十九页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述
16、电力电子器件概述 iA导通状态导通状态反向截止反向截止正向截止正向截止0 0UAK从截止从截止到导通到导通分析变流器拓扑结构时，同二极管相似，晶闸管可分析变流器拓扑结构时，同二极管相似，晶闸管可由右图所示的理想化特性曲线表示。由右图所示的理想化特性曲线表示。你现在浏览的是第二十页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述+UAK -iA+US -F晶闸管通过电源电压的正晶闸管通过电源电压的正半波控制其导通。当晶闸管半波控制其导通。当晶闸管电流开始反向时，电源电压电流开始反向时，电源电压变负，晶闸管所承受的电压变负，晶闸
17、管所承受的电压也同时反向。理想晶闸管将也同时反向。理想晶闸管将会使其电流在会使其电流在t=T/2后立即后立即变为变为0。F波形如图所示。波形如图所示。tT0T/2USUAKiA你现在浏览的是第二十一页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 trrtqt00t关断时关断时间间z在在tq内，必须给晶闸管加内，必须给晶闸管加一个反向电压。在一个反向电压。在tq之后，之后，器件恢复对正向电压的阻器件恢复对正向电压的阻断能力。断能力。l换向恢复换向恢复时间时间l关断时关断时间间你现在浏览的是第二十二页，共81页下 页上 页返
18、 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 z如果在如果在tq时间段内再次对时间段内再次对晶闸管施加正向电压，因晶闸管施加正向电压，因器件还没有恢复到原来的器件还没有恢复到原来的阻断状态，可能使它再次阻断状态，可能使它再次导通。这样不仅会损坏器导通。这样不仅会损坏器件本身，而且还会导致件本身，而且还会导致所在电路不能正常工作，甚至破坏整个电路。所在电路不能正常工作，甚至破坏整个电路。trrtqt00t你现在浏览的是第二十三页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述
19、2.3.2 2.3.2 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3.2.1 晶闸管的电压参数晶闸管的电压参数 UDSM是一个不能重复，且每次持续时间不大于是一个不能重复，且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。的断态最大脉冲电压。UDSM值应小于正向转折电压值应小于正向转折电压Ub0，所留裕量的大小由生产厂家自行规定。，所留裕量的大小由生产厂家自行规定。晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧转折处对应的电压值。曲线急剧转折处对应的电压值。断态不重断态不重复峰值电
20、复峰值电压压UDSM1你现在浏览的是第二十四页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 断态重复断态重复峰值电压峰值电压UDRM2晶闸管在门极开路且结温为额定值晶闸管在门极开路且结温为额定值时，允许每秒时，允许每秒50次、每次持续时间次、每次持续时间不大于不大于10ms，重复加于晶闸管上，重复加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。的正向断态最大脉冲电压。规定规定UDRM为为UDSM的的90%。你现在浏览的是第二十五页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电
21、力电子器件概述 反向不重反向不重复峰值电复峰值电压压URSM3晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电压晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折处的反向峰值电压。处的反向峰值电压。URSM是一个不能重复施加，且持续时间不大于是一个不能重复施加，且持续时间不大于10ms的的反向脉冲电压。反向不重复峰值电压反向脉冲电压。反向不重复峰值电压URSM应小于反向击应小于反向击穿电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定。穿电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定。你现在浏览的是第二十六页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力
22、电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 反向重复反向重复峰值电压峰值电压URRM4晶闸管在门极开路且结温为额定值时，晶闸管在门极开路且结温为额定值时，允许每秒允许每秒50次，每次持续时间不大于次，每次持续时间不大于10ms，重复加于晶闸管上的反向最大，重复加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。脉冲电压。规定规定URRM为为URSM的的90%。你现在浏览的是第二十七页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 额定额定电压电压UR5断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰和反向重复峰值电压值电压URRM两者中
23、，较小的一个电两者中，较小的一个电压值。压值。选用晶闸管时，应使其额定电压为正常工作电压峰值选用晶闸管时，应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的的23倍，以作为安全裕量。倍，以作为安全裕量。UR=(23)UM额定电压在额定电压在1000V以下时，每以下时，每100V以下是一个电压等级；以下是一个电压等级；在在10003000V时，则每时，则每200V为一个电压等级。为一个电压等级。你现在浏览的是第二十八页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 通态峰通态峰值电压值电压UTM6额定电流时管子导通的管压降峰值，额定电流
24、时管子导通的管压降峰值，一般为一般为1.52.5V，且随阳极电流的增，且随阳极电流的增加而略微增加。加而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。左右。你现在浏览的是第二十九页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 2.3.2.2 晶闸管的电流参数晶闸管的电流参数 在环境温度为在环境温度为+40 C和规定的散热冷和规定的散热冷却条件下，晶闸管在导通角不小于却条件下，晶闸管在导通角不小于170 电阻性负载的单相、工频半波导电阻性负载的单相、工频半波导电，结温稳定在额定值电，结
25、温稳定在额定值125 C时，所时，所允许通过的电流平均值，将该电流按晶闸管标准电允许通过的电流平均值，将该电流按晶闸管标准电流系列取整数值。流系列取整数值。1通态通态平均平均电流电流IT(AV)晶闸管的额定电晶闸管的额定电流流你现在浏览的是第三十页，共81页下 页上 页返 回第二章第二章第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述 根据所使用具体电流波形来计算出允许使用的电流平均根据所使用具体电流波形来计算出允许使用的电流平均值选用晶闸管时，设三相工频半波电流峰值为值选用晶闸管时，设三相工频半波电流峰值为Im时的时的波形，通态平均电流为：波形，通态平均电流为：
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