【正文】 《 ESP training》 電子教案 第 1章 電力電子器件 第 1章 電力電子器件 引言 電力電子器件概述 不可控器件 —— 電力二極管 半控型器件 —— 晶閘管 典型全控型器件 其他新型電力電子器件 電力電子器件的驅(qū)動 電力電子器件的保護(hù) 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用 小結(jié) 引 言 ? 電子技術(shù)的基礎(chǔ) —— 電子器件：晶體管和 集成電路 ? 電力電子電路的基礎(chǔ) —— 電力電子器件 ? 本章主要內(nèi)容： ?簡要概述電力電子器件的概念 、 特點和分類等 問題 ?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)注意的一些問題 ■ 電力電子器件概述 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點 電力電子器件概述 ? 電力電子器件的概念和特征 ?主電路 （ main power circuit） —— 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 ?電力電子器件 （ power electronic device） —— 可直接用于處理電能的主電路中 ， 實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件 ■ 電力電子器件的概念和特征 ?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類 。 ?兩類中 ， 自 20世紀(jì) 50年代以來 ， 真空管僅在頻率很高 （ 如微波 ） 的大功率高頻電源中還在使用 ， 而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器（ Mercury Arc Rectifier ） 、 閘流管（ Thyratron） 等電真空器件 ， 成為絕對主力 。因此 ， 電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件 。 ?電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅 。 ■ 電力電子器件的概念和特征 ?同處理信息的電子器件相比 ， 電力電子器件的一般特征： (1) 能處理電功率的大小 ， 即承受電壓和電流 的能力 ， 是最重要的參數(shù) ?其處理電功率的能力小至毫瓦級 ， 大至兆瓦級 , 大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件 。 ■ 電力電子器件的概念和特征 (2) 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài) ?導(dǎo)通時 （ 通態(tài) ） 阻抗很小 ， 接近于短路 ， 管壓降接近于零 ， 而電流由外電路決定 ?阻斷時 （ 斷態(tài) ） 阻抗很大 ， 接近于斷路 ， 電流幾乎為零 ， 而管子兩端電壓由外電路決定 ?電力電子器件的動態(tài)特性 （ 也就是開關(guān)特性 ） 和參數(shù) ， 也是電力電子器件特性很重要的方面 ， 有些時候甚至上升為第一位的重要問題 。 ?作電路分析時 ， 為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替 ■ 電力電子器件的概念和特征 (3) 實用中 ， 電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制 。 ?在主電路和控制電路之間 ， 需要一定的中間電路對控制電路的信號進(jìn)行放大 ， 這就是電力電子器件的 驅(qū)動電路 。 (4)為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫 度過高而損壞 ， 不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計 ，在其工作時一般都要安裝散熱器 。 ?導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗 ■ 電力電子器件的概念和特征 ? 阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過 ， 形成斷態(tài)損耗 ? 在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗 ， 總稱開關(guān)損耗 ? 對某些器件來講 ， 驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一 ? 通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小 ， 因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因 ? 器件開關(guān)頻率較高時 ， 開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 ■ 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 ?電力電子系統(tǒng) ：由控制電路 、 驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成 ? 圖 11 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成 ?控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能 ■ 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 ? 有的電力電子系統(tǒng)中 ， 還需要有檢測電路 。 廣義上往往其和驅(qū)動電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路 ， 從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的 。 ? 主電路中的電壓和電流一般都較大 ， 而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流 ， 因此在主電路和控制電路連接的路徑上 ， 如驅(qū)動電路與主電路的連接處 ， 或者驅(qū)動電路與控制信號的連接處 ， 以及主電路與檢測電路的連接處 ， 一般需要進(jìn)行 電氣隔離 ， 而通過其它手段如光 、 磁等來傳遞信號 。 ■ 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 ? 由于主電路中往往有電壓和電流的過沖 ， 而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴 ， 但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些 ， 因此 ， 在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路 ， 以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正常可靠運行 ， 也往往是非常必要的 。 ? 器件一般有三個端子（或稱極或管角），其中兩個聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅(qū)動電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。 ■ 電力電子器件的分類 電力電子器件的分類 ?按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度 ， 分為以下三類： (1) 半控型器件 —— 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷 ?晶閘管 （ Thyristor） 及其大部分派生器件 ?器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 ■ 電力電子器件的分類 (2) 全控型器件 —— 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷 ， 又稱自關(guān)斷器件 ?絕緣柵雙極晶體管 （ InsulatedGate Bipolar Transistor—— IGBT） ?電力場效應(yīng)晶體管 （ Power MOSFET， 簡稱為電力 MOSFET） ?門極可關(guān)斷晶閘管 （ GateTurnOff Thyristor — GTO） ■ 電力電子器件的分類 (3) 不可控器件 —— 不能用控制信號來控制其通斷 ， 因此也就不需要驅(qū)動電路 ?電力二極管 （ Power Diode） ? 只有兩個端子 ， 器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的 按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的 性質(zhì) ， 分為兩類： ?電流驅(qū)動型 —— 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 ?電壓驅(qū)動型 —— 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 ■ 電力電子器件的分類 ? 電壓驅(qū)動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài) ， 所以又稱為場控器件 ， 或場效應(yīng)器件 ? 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類： ?單極型器件 —— 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件 ?雙極型器件 —— 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件 ?復(fù)合型器件 —— 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 ■ 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點 ? 介紹各種器件的工作原理 、 基本特性 、 主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題 ， 然后集中講述電力電子器件的驅(qū)動 、 保護(hù)和串 、 并聯(lián)使用這三個問題 。 ? 最重要的是掌握其基本特性 ? 掌握電力電子器件的型號命名法 ， 以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法 ， 這是在實際中正確應(yīng)用電力電子器件的兩個基本要求 ? 由于電力電子電路的工作特點和具體情況的不同 ，可能會對與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件 ， 如變壓器 、 電感 、 電容 、 電阻等 ， 有不同于普通電路的要求 ■ 不可控器件 — 電力二極管 不可控器件 —— 電力二極管 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 電力二極管的基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型 不可控器件 —— 電力二極管 ? Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單 ， 工作可靠 ，自 20世紀(jì) 50年代初期就獲得應(yīng)用 ? 快恢復(fù)二極管和肖特基二極管 ， 分別 在中 、高頻整流和逆變 ， 以及低壓高頻整流的場合 ， 具有不可替代的地位 ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ? 基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣 ? 以半導(dǎo)體 PN結(jié)為基礎(chǔ) ? 由一個面積較大的 PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的 ? 從外形上看 ， 主要有螺栓型和平板型兩種封裝 圖 12 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 AKA Ka)IKAP NJb)c) ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ? N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成 PN結(jié) 。 交界處電子和空穴的濃度差別 ， 造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運動 ， 到對方區(qū)內(nèi)成為少子 ， 在界面兩側(cè)分別留下了帶正 、 負(fù)電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子 。 這些不能移動的正 、 負(fù)電荷稱為 空間電荷 。 空間電荷建立的電場被稱為 內(nèi)電場 或 自建電場 ， 其方向是阻止擴(kuò)散運動的 ， 另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子 （ 對本區(qū)而言則為多子 ） 向本區(qū)運動 ， 即 漂移運動 。 擴(kuò)散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又是一對矛盾 ， 最終達(dá)到動態(tài)平衡 ， 正 、 負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值 ， 形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍 ， 被稱為 空間電荷區(qū) ， 按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為 耗盡層 、 阻擋層 或 勢壘區(qū) 。 ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ? PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得 PN結(jié)在正向電流較大時壓降仍然很低 ， 維持在 1V左右 ， 所以正向偏置的 PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài) 圖 13 PN結(jié)的形成 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)P 型區(qū) N 型區(qū)內(nèi)電場 ■ ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ? PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 二極管的基本原理就在于 PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一 主 要特征 ? PN結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 ， 可能導(dǎo)致熱擊穿 ?PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化 ， 呈現(xiàn) 電容效應(yīng) ， 稱 為 結(jié)電容 CJ， 又稱為 微分電容 。 結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為 勢壘電容 CB和 擴(kuò)散電容 CD ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ? 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用 ， 外加電壓頻率越高 ， 勢壘電容作用越明顯 。 勢壘電容的大小與 PN結(jié)截面積成正比 ， 與阻擋層厚度成反比 ? 而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用 。 在正向偏置時 ，當(dāng)正向電壓較低時 ， 勢壘電容為主；正向電壓較高時 ， 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 ， 特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下 ， 可能使其單向?qū)щ娦宰儾?， 甚至不能工作 ， 應(yīng)用時應(yīng)加以注意 。 ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ?造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： ?正向?qū)〞r要流過很大的電流 ， 其電流密度較大 ， 因而額外載流子的注入水平較高 ， 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略 ?引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響 ?承受的電流變化率 di/dt較大 ， 因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大影響 ?為了提高反向耐壓 ， 其摻雜濃度低也造成正