浙大电力电子技术第一章.ppt

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1、电力电子技术电力电子技术浙江大学电气工程学院浙江大学电气工程学院 江道灼江道灼 教授教授Email：Telephone：678999（13675887999）电力电子技术第一章第一章 功率半导体器件功率半导体器件第二章第二章 功率半导体器件的驱动和保护功率半导体器件的驱动和保护第三章第三章 交流交流-直流直流(AC-DC)(AC-DC)变换变换第四章第四章 直流直流-直流直流(DC-DC)(DC-DC)变换变换第五章第五章 直流直流-交流交流(DC-AC)(DC-AC)变换变换第六章第六章 交流交流-交流交流(AC-AC)(AC-AC)变换变换第七章第七章 谐振软开关技术谐振软开关技术第八章第

2、八章 电力电子在电气工程中的应用电力电子在电气工程中的应用功率半导体器件功率半导体器件1.1 概述1.2 大功率二极管1.3 晶闸管1.4 大功率晶体管1.5 功率场效应晶体管1.6 绝缘栅双极性晶体管1.7 其他新型功率开关器件概述概述功率半导体器件的定义：功率半导体器件的定义：基于半导体材料、构成电力电子装置一次电路（主电路）的基本元件基于半导体材料、构成电力电子装置一次电路（主电路）的基本元件功率半导体器件的工作特点：功率半导体器件的工作特点：a)a)工作在开关状态，且通态电阻很小，压降接近于工作在开关状态，且通态电阻很小，压降接近于0 0（等效于短接），（等效于短接），断态电阻很大，漏

3、电流接近于（等效于开断）；断态电阻很大，漏电流接近于（等效于开断）；b)b)工作开关频率较高，存在开关损耗（开通与关断损耗）；工作开关频率较高，存在开关损耗（开通与关断损耗）；c)c)工作过程中需承受高电压、大电流。工作过程中需承受高电压、大电流。电力电子装置示意图电力电子装置示意图概述概述理想功率半导体器件：动、静态特性好理想功率半导体器件：动、静态特性好通态电流大且管压降极低通态电流大且管压降极低断态漏电流极小且能承受高电压断态漏电流极小且能承受高电压极短的开关转换时间极短的开关转换时间极小的开关损耗（包括通、断态损耗）极小的开关损耗（包括通、断态损耗）承受承受du/dt与与di/dt能力

4、强等能力强等概述概述功率半导体器件的发展功率半导体器件的发展大功率二极管产生于大功率二极管产生于20世纪世纪40年代，目前已形成整流二极管、快恢复二极管、年代，目前已形成整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等肖特基二极管等3种主要类型。种主要类型。20世纪世纪60年代出现了第一代电力电子器件年代出现了第一代电力电子器件晶闸管及其派生器件，如逆导晶晶闸管及其派生器件，如逆导晶闸管、双向晶闸管等；闸管、双向晶闸管等；70年代出现了第二代自关断型电力电子器件，如年代出现了第二代自关断型电力电子器件，如GTO、GTR、P-MOSFET等；等；80年代出现了第三代场控功率半导体器件，如年代出现了第三代

5、场控功率半导体器件，如IGBT、IGCT等；等；80年代末年代末90年代初开始出现第四代电力电子器件：集成功率半导体器件，如年代初开始出现第四代电力电子器件：集成功率半导体器件，如IPM等。等。功率半导体器件的分类功率半导体器件的分类1）按可控性分类：）按可控性分类：不可控型、半控型、全控型不可控型、半控型、全控型2）按驱动信号分类：）按驱动信号分类：电流驱动型、电压驱动型、光驱动型电流驱动型、电压驱动型、光驱动型大功率二极管大功率二极管为不可控型功率半导体器件，主要用于不可控整流、为不可控型功率半导体器件，主要用于不可控整流、电感性负载回路的续流等。电感性负载回路的续流等。大功率二级管的结构

6、及符号：大功率二级管的结构及符号：(a)符号符号 (b)螺旋式结构螺旋式结构 (c)平板式结构平板式结构 （I200A）（I200A）大功率二极管大功率二极管伏安特性伏安特性(a)实际特性(b)理想特性大功率二极管大功率二极管开通、关断特性开通、关断特性(a)开通特性(b)关断特性大功率二极管大功率二极管主要参数主要参数1.额定正向平均电流（额定电流）额定正向平均电流（额定电流）IF2.反向重复峰值电压（额定电压）反向重复峰值电压（额定电压）VRRM3.反向漏电流反向漏电流IRR4.正向平均电压正向平均电压VF（通态压降）（通态压降）5.大功率二级管的型号定义大功率二级管的型号定义 ZP电流等

7、级电流等级-电压等级电压等级/100通态平均电压组别通态平均电压组别如：如：ZP50-16为：普通型大功率二极管，额定电流为：普通型大功率二极管，额定电流50A、电压、电压1600V晶闸管晶闸管晶闸管（晶闸管（SCR）的结构）的结构(a)螺旋式结构螺旋式结构(b)平板式结构平板式结构(c)符号符号（I200A）（I200A）SCR管芯结构原理管芯结构原理晶闸管晶闸管晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理1.正向阻断、反向阻断正向阻断、反向阻断（1）导通条件：）导通条件：晶闸管的阳极晶闸管的阳极阴极之间加正向电压；阴极之间加正向电压；门极加正向电压，使足够的门极电流门极加正向电压，使足够的门极电流Ig

8、流入。流入。（2）关断条件：）关断条件：阳极电流小于维持电流阳极电流小于维持电流IH以下并经过一段时间。以下并经过一段时间。晶闸管晶闸管晶闸管的工作原理（续）晶闸管的工作原理（续）2.内部物理过程内部物理过程 晶体管的内部物理过程可用复合三极管效应等效，如下图：集电极电流为另一只晶体管的基极电流，形成正反馈。晶闸管的等效复合三极管效应晶闸管的等效复合三极管效应晶闸管晶闸管正反馈过程仿真演示正反馈过程仿真演示晶闸管晶闸管晶闸管的阳极电流：晶闸管的阴极电流：由以上两式可求出晶闸管的阴极电流：两个晶闸管的共基极电流放大倍数两个晶闸管的共基极电流放大倍数与其发射极电与其发射极电Ia、Ic成非线性正比关

9、系，即当成非线性正比关系，即当Ia、Ic很小时很小时也很也很小；小；随着随着Ia、Ic的增大而增大。的增大而增大。晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 一、静态特性一、静态特性1.晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性 理想特性理想特性 实际特性实际特性 正向阻断高阻区正向阻断高阻区；负阻区负阻区；正向导通低阻区正向导通低阻区；反向阻断高阻区反向阻断高阻区。晶闸管晶闸管2.门极伏安特性门极伏安特性 IGFM：门极正向峰电流门极正向峰电流UGFM：门极正向峰电压：门极正向峰电压PGM：门极峰值功率门极峰值功率PG：门极平均功率门极平均功率具有分散性，具有分散性，采用区域表示

10、法采用区域表示法 IGFM IGTUGT UGFM PGM PG UgIg晶闸管晶闸管二、动态特性二、动态特性（1）开通特性；）开通特性；（2）关断特性）关断特性开通开通过程过程关断关断过程过程晶闸管晶闸管三、晶闸管的主要参数三、晶闸管的主要参数 1、电压电压参数参数（1）断）断态态重复峰重复峰值电压值电压UDRM（2）反向重复峰）反向重复峰值电压值电压URRM（3）晶）晶闸闸管的管的额额定定电压电压UR取UDRM和URRM中较小值，取整 1000V以下（100V一个等级）1000-3000V（200V一个等级）（4）通）通态态平均平均电压电压U T(AV)晶闸管晶闸管2、电流参数、电流参数（

11、1）通态平均电流（额定电流）通态平均电流（额定电流）IT(AV)单相、工频、正弦半波、角度170 IT(AV)=I=f/IT(AV)=/2 =1.57 选择元件：有效电流整流输出：平均电流从平均电流找出相应波形的有效电流以保证不过热（2）维持电流）维持电流H 几十mA，结温IH(难关断)（3）擎住电流）擎住电流L 开通过程中，能维持导通的最小电流，一般L(24)H晶闸管晶闸管3、其他参数、其他参数（1）断态电压临界上升率）断态电压临界上升率UB0 额定结温、门极开路，使元件断通的最小电压上升率 U ak(duak/dt)UB0(=min duak/dt）时，IC相当于Ig（2）通态电流临界上升

12、率）通态电流临界上升率（3）门极触发电流门极触发电流GT与门极触发电压与门极触发电压GT对触发电路要求，随温度变化。对触发电路要求，随温度变化。晶闸管晶闸管4、晶闸管的型号、晶闸管的型号普通,快速型，双向型，逆导型，可关断，LTT 光控 KP电流电压/100 通态压降组别 如KP500-12G，表示该晶闸管通态平均电流IT(AV)=500A（通态压降0.9V=UT(AV)=1.0V），（断态）正反向重复峰值电压UR=1200V。晶闸管晶闸管晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 (1).快速晶闸管（快速晶闸管（FST）(2).双向晶闸管（双向晶闸管（TRIAC）(3).逆导晶闸管（逆导晶闸管（RCT

13、）(4).门级可关断晶闸管（门级可关断晶闸管（GTO）(5).光控晶闸管（光控晶闸管（LTT）大功率晶体管大功率晶体管结构结构 (a)普通晶体管结构普通晶体管结构 (b)GTR结构结构 (c)符号符号 双极导电性：电子、空穴均参与导电双极导电性：电子、空穴均参与导电电流全控型：通过调节电流全控型：通过调节B极电流控制极电流控制集集、射极（射极（C、E）间间通断通断大功率晶体管大功率晶体管1.工作特性（a）输入特性；（b）输出特性2.动态特性（a）等值电路；（b）开关特性 (a)(b)大功率晶体管大功率晶体管主要参数主要参数1、电压参数、电压参数 集电极额定电压UCEM 饱和压降UCES2、电流

14、参数、电流参数 连续（直流）额定（集电极）电流Ic 集电极额定电流（最大允许电流）ICM 基极电流最大允许值IBM 集电极最大耗散功率PCM大功率晶体管大功率晶体管1、二次击穿现象、二次击穿现象出现击穿现象出现击穿现象AB段，称为一次击穿。段，称为一次击穿。二次击穿过程仿真演示二次击穿过程仿真演示大功率晶体管（大功率晶体管（GTR）2、安全工作区、安全工作区 (a)FBSOA (b)RBSOA 功率场效应晶体管功率场效应晶体管一、结构与工作原理一、结构与工作原理 (a)结构图结构图 (b)N沟道符号沟道符号 (c)P沟道符号沟道符号单极导电性：只有电子（单极导电性：只有电子（N沟道）或空穴（沟

15、道）或空穴（P沟道）参与导电沟道）参与导电电压全控型：通过调节栅极电压控制漏、源极（电压全控型：通过调节栅极电压控制漏、源极（D、S）间间通断通断功率场效应晶体管二、工作特性二、工作特性1、静态特性、静态特性1）漏极伏安特性）漏极伏安特性a）可可调调电电阻阻区区I：UGS固固定定，UDS由由0上上升升到到预预夹夹断断电电压压，ID线线性性增增加加；接近预夹断电压时接近预夹断电压时ID变化慢。变化慢。b）饱饱和和区区II：虽虽UDS继继续续增增大大，但但ID基基本本保保持持不不变变；若若保保持持UDS不不变变，则则UGS越高，越高，ID越大。越大。c）击击穿穿区区III：UDS增增大大过过头头，

16、ID急急剧剧增加。增加。功率场效应晶体管功率场效应晶体管2）转移特性）转移特性跨导（与跨导（与GTR中中相似）相似）表示栅源极电压表示栅源极电压UGS对漏极电流对漏极电流ID的控制能力的控制能力功率场效应晶体管功率场效应晶体管2、开关特性、开关特性为多数载流子器件，没有存储为多数载流子器件，没有存储效应，开关时间短为效应，开关时间短为20ns左右。左右。输入电容输入电容:开通：开通：a a）b b）c c）d d）功率场效应晶体管功率场效应晶体管关断：关断：a）UP高电平，高电平，Cin放电，放电，UGS下降，下降，iD未变未变b）td（off）时，预夹断，时，预夹断，iD下降下降c）Cin仍

17、放电，仍放电，UGS仍下降，夹断区上升，仍下降，夹断区上升，iD下降下降UGSICM时，Rbr压降导致NPN通正反馈寄生等效晶闸管通IGBT栅极失去控制作用。静态擎住：静态擎住：IC ICM动态擎住：动态擎住：关断时产生，J2结反压很快建立，建立速度与 有关，越大建立得越快，但在J上引起的位移电流 也越大，此电流可在Rbr、Rdr上产生NPN管导通的正向偏压，从而产生擎住现象。预预防防措措施施：ICICM，或者增大RG，使关断速度下降，减缓IGBT的关断速度，减小重加 值。擎住效应仿真演示：擎住效应仿真演示：绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）4、安全工作区、安全工作区(a)FBSOA(b)RBSOA其他新型功率开关器件其他新型功率开关器件1、静电感应晶体管（、静电感应晶体管（SIT）2、静电感应晶闸管（、静电感应晶闸管（SITH或或FCT）3、MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）4、集成门极换流晶闸管（、集成门极换流晶闸管（IGCT）5、功率模块（、功率模块（PM）与功率集成电路）与功率集成电路（PIC）智能功率模块（智能功率模块（IPM）