第一章 电力电子器件.docx

《第一章 电力电子器件.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 电力电子器件.docx（61页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、第一章电力电子器件电力电子器件是构成电力电子设备的基本元器件，是电力电子技术的基础，其原理、特性和应用方法及典型电路决定着电力电子电路及应用系统的性能、价格和可靠性。本章介绍电力电子踞件的概念、分类、特点，以及各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数及其选择和使用中应注意的一些问题。本章要求掌握电力电子器件的分类、基本电力电子器件的结构、原理、特性，以及使用方法。1.1 电力电子器件分类一、按受控方式分按照电力电子器件的受控方式，可将其分为不可控、半可控和全控器件三类，见表1.1。1 .不可控器件器件本身没有导通、关断控制能力，需要根据电路条件决定其导通、关断状态。这类器件包括普通整

2、流二极管，肖特基(SChottky)整流二极管等。2 .半可控器件通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断。这类器件包括普通品闸管，快速、光控、逆导、双向晶闸管等。3 .全控器件通过控制信号既可控制其导通乂可控制其关断。GT0、GTR,功率MoSFET、IGBT等均属于全控型器件。表II电力电子戏F分类表器件类别器件名称普通整流硅二极管快速恢复二极管不可控器件二极管肖特基整流二极管肖克莱二极管硅对称开关普通品闸管SCR快速品网管半控型器件双向晶网管逆导晶间管光控晶司管双极型功率晶体管GTR门极可关断船闸管GIO全控器件功率场效应管PowerM0SI-E绝绿棚双极型功率晶体管1（；BT全控型器

3、件静电感应晶体管SITYOS相控晶闸管MCT静电感应品闸管S1.TH智能功率模块IPM功率集成电路PIC二、按载流子类型分按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可将电力电子器件化分为单极型、双极型和混合型三类。1 .单极型器件由一种我流子参与导电的器件，称为单极型相件，如功率MOSFET、静电感应晶体管Sn等。2 .双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，称为双极型器件，如PN结整流管、普通品闸管、电力晶体管等。3 .混合型器件由单极型和双极型两种器件组成的复合型器件，称为混合型器件,如IGBT.MCT等。三、按控制信号性质分根据控制信号的不同，电力电子器件可分为电压控制型和

4、电流控制型两种。1 .电流控制型器件此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制，代表器件如晶闸管、电力晶体管等。电流控制型器件的特点是：在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，由导通转向阻断时，两种载流子在熨合过程中产生热量，使器件结温升高。过高的结温限制了工作频率的提高，因此，电流控制型器件比电压控制型器件的工作频率低。电流控制型器件具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损耗较小。电流控制型器件的控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。2 .电压控制型器件此类器件采用场控原理对其通/断状态进行控制，代表器件如功率MOSFETxIGBT等。电压控制型器件的特点是：输入阻抗高，控

5、制功率小，控制线路简单。工作频率高。工作温度高，抗辐射能力强。1.2功率二极管功率二极管(PowerDiode)乂称电力二极管，常作为整流元件，属于不可控型器件。它不能用控制信号来控制其导通和关断，只能由加在元件上电压的极性控制其导通和关断。可用于不需要调压的整流、感性负载的续流以及用作限幅、钳位、稳压等。功率二极管还有许多派生器件，如快恢复二极管、肖特基整流二极管等。一、功率二极管的结构如图1-1所示普通功率二极管的内部是由一个面积较大的PN结和两端的电极及引线封装而成的。在PN结的P型端引出的电极称为阳极,在N端引出的电极称为阴极K。功率二极管主要有螺旋型和平板型两种外形结构。一般而言20

6、OA以下的器件多采用螺旋型，200以上的多采用平板型。极极VD出螺栓形(b)平板形(C)结构(山电气图形符号图1-1功率：极管的外形、结构和电气图形符号二、工作原理功率二极管工作原理和普通二极管一样，是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。当受到正向电压作用时，P结导通，正向管压降很小，在电路中相当于接通电路；当二极管处于反向电压作业时，PN结截止，仅有极小的漏电流流过二极管，在电路中相当于断开电路。三、功率二极管的特性1 .功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth（又称死区电压）。当外加反向电压时，二极管的反向电流Is是很小的，但是当外

7、加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加，二极管被电击穿后将造成PN结的2 .功率二极管的开关特性因结电容的存在，功率二极管在通态和断态之间转换时，有一个过渡过程，这个过程中的特性为功率二极管的动态特性。功率二极管由断态转为通态时，功率二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP,然后逐渐趋于模态压降值。这一动态过程的时间，称为正向恢复时间tro当原处于正向导通的功率二极管的外加电压突然变为反向时，功率二极管不能立即关断，其电流逐渐下降到零，然后有较大的反向电流和反向过冲电压出现，经过一个反向恢复时间才能进入截止。其中，td为延迟时间，If为电流下降时间，trr为反向

8、恢熨时间，trr=td+tf由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间“八最大反向电流值Iry,与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流did等都有关。普通二极管的trr=210s,快速恢熨二极管的Irr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns,见图1-3。四、功率二极管的主要参数1 .额定电压GRR反向不重夏峰值电压URSM是指即将出现反向击穿的临界电压；二极管的额定电压URR（反向重复峰值电压URRM）取反向不重复峰值电压URSY的80%;URRM（或Urr）小于二极管的反向击穿电压Uro。2 .额定电流IFR

9、功率二极管的额定电流IFR被定义为在规定的环境温度为+40C和散热条件下工作，其管芯PN结温升不超过允许值时，所允许流过的正弦半波电流平均值o若正弦电流的最大值为Im,则额定电流fr=1o/msin(Otd(Ot)=Im211113 .最大允许的全周期均方根正向电流IFrms二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFnnS=柜Sin(Ot)2J(M)=hn由式(IT)和(1-2)可得hb,=-,r=1-57,s(1-2)r0*)w4 .最大允许非重复浪涌电流I1.1SM这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极

10、管抗短路冲击电流的能力。功率二极管属于功率最大半导体器件，二极管参数是正确选用二极管依据。1.3电力晶闸管品闸管(ThyriStOr)是晶体闸流管的简称，早期称作可控硅整流(Si1.iconContro1.1.edRectifierSCR),简称为可控硅。晶闸管的出现开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，在电力电子学的发展中起到了非常重要的作用。直到目前为止，由于晶闸管能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中母高的，又因其工作可靠性高，因此在高电压、大电流的应用场合仍然是无可替代的最佳选择。从广义上讲，品闸管还包括有许多类型的派生器件，但一般情况下所说的晶闸管是指其中的一种基本

11、类型一一普通晶闸管。本节将主要介绍普通品闸管的工作原理、基本特性和主要参数，然后对其各种派生器件也作一简要介绍。一、晶闸管基本结构图1.4所示为晶闸管的外形、结构和电气图形符号。从外形上分，品闸管主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个连接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，做成螺栓状是为了能与散热器紧密连接且安装方便。另一侧较粗的引线为阴极，细的引线为门极。功率更大的晶闸管多采用平板型封装，平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间，更利于散热，其两个平面分别是阳极和阴极，由中间金属环引出的细长端子为门极，靠门极引线金属环较近的平面是阴极。晶闸管是一种四层三

12、端结构的大功率半导体器件。晶闸管内部的PNPN四层半导体结构，分别命名为P1.、NkP2、N2四个区(IP1.区引出阳极A,N2区引出阴极K,P2区引出门极G。四个半导体区之间形成J1、J2、J3三个PN结。见图1-4所示。螺栓形(to平板形(C)熨封形(d)集成封装形(。)模块形(f)结构(/电气图形符号图17晶间管的外形、结构和电气图形符号二、品闸管工作原理1 .导通/关断实验在介绍其工作原理之前，首先通过一个实验了解它的工作情况。实验电路如图14所示。实验过程见表1-2.图1-4品闸管导通和关断实验实脸过程:项目灯原状态电压极性灯新状态规律与结论tinb图灭正向正向亮导通条件：，如为正，

13、为正时，才能仔通C图正向写壳晶闸管导通后,门极失去控制作用d图反向写灭“K为负,无论心:为正或负.品网管均处于关断状态归纳实验结论：1）欲使品闸管导通需具备两个条件:应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。2）为使总闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。3）品闸管的特点单向导电性。屈半控型半导体器件。属电流控制器件。2 .晶闸管的基本工作原理1）阻断状态分析当门极开路、给晶闸管加正向阳极电压（阳极电位高于阴极电位）时，则J1.和J3结承

14、受正向电压：而J2结承受反向电压、处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流，称为晶闸管的正向阻断状态。而当给品闸管加反向电压（阴极电位高于阳极电位）时，JI和J3结反偏，虽然J2结承受正向电压，但晶闸管也不能导通，称为反向阻断状态，也仅有极小的反向漏电流通过。可以看出，当门极G开路时，无论在A、K间加正向电压还是反向电压，均至少有一个PN结处于反偏，故其不会导通（正、反向均处于阻断状态），此时晶闸管具有正向和反向阻断能力。2）导通状态分析品闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图1-5所示。假想用一倾斜的截面将晶闸管的NIP2层切开，但同一层间仍保持电的联

15、系，则晶闸管可以看作由PINIP2和N1P2N2构成的两个晶体管VI、V2组合而成。S闭合前，TG=O-b2=0-c2=0-/b1=0-/c1=0,三极管V1.和V2均处于截止状态，晶闸管处于正向阻断状态。图1-5晶同管的双晶体管模型及其工作原理如果门极回路的开关S闭合，则外电路向门极注入电流/G,也就是注入驱动电流，该电流最初就是晶体管V2的基极电流/1)2,即产生集电极电流c2,它又是晶体管V1.的基极电流，经V1.放大后产生集电极电流c1.,而c1.此时等于B1.B2b2,比最初的驱动电流/G大了许多。使V2的基极电流进一步增大，如此形成强烈的正反馈，最后VI和V2完全进入饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流7G,晶闸管由于内部已