【正文】 1 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： 概述電力電子器件的 概念 、 特點(diǎn) 和 分類 等問(wèn)題。 介紹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)注意問(wèn)題。 第 1章 電力電子器件 2 1）概念 : 電力電子器件 （ Power Electronic Device） —— 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 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。 2）分類 : 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管 ) 半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅） 仍然 電力電子器件 電力電子器件概述 3 能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。 電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。 3）同處理信息的電子器件相比的一般特征： 4 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(shí)， 開關(guān)損耗 可能成為器件功率損耗的主要因素。 主要損耗 通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 開關(guān)損耗 關(guān)斷損耗 開通損耗 電力電子器件的損耗 5 電力電子系統(tǒng) ：由 控制電路 、 驅(qū)動(dòng)電路 、 保護(hù)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(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成 控 制 電 路 檢測(cè) 電路 驅(qū)動(dòng) 電路 R L 主電路 V 1 V 2 保護(hù)電路 在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行 電氣隔離 控制電路 6 半控型器件（ Thyristor） —— 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。 全控型器件（ IGBT,MOSFET) —— 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。 不可控器件 (Power Diode) —— 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷 , 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類： 電力電子器件分類 7 電流驅(qū)動(dòng)型 —— 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型 —— 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類： 8 ? Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)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(chǎng)合 ， 具有不可替代的地位 。 整流二極管及模塊 不可控器件 — 電力二極管 9 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 。 由一個(gè)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 。 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) PN結(jié)與電力二極管的工作原理 A K A K a) I K A P N J b) c) A K 10 狀態(tài)參數(shù) 正向?qū)? 反向截止 反向擊穿 電流 正向大 幾乎為零 反向大 電壓 維持 1V 反向大 反向大 阻態(tài) 低阻態(tài) 高阻態(tài) —— 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 。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) —— N區(qū)域 PN結(jié)的狀態(tài) 11 主要指其 伏安特性 門檻電壓 UTO， 正向電流 IF開始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓 。 與 IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其 正向電壓降 UF 。 承受反向電壓時(shí) ， 只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流 。 幾十微安 幾十毫安 電力二極管的伏安特性 1) 靜態(tài)特性 I O I F U TO U F U 二極管工作特性 12 正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖 UFP（ 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) ） ， 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值 （ 如 2V） 。 正向恢復(fù)時(shí)間 tfr。 電流上升率越大 ， UFP越高 。 U FP u i i F u F t fr t 0 2V 開通過(guò)程 ： 關(guān)斷過(guò)程 須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力 ， 進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) 。 關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn) （ 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) ） ， 并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖（ 線路電感的作用 ） 。 I F U F t F t 0 t rr t d t f t 1 t 2 t U R U RP I RP d i F d t d i R d t 2) 動(dòng)態(tài)特性 —— 二極管的電壓 電流特性隨時(shí)間變化的曲線 延遲時(shí)間： td= t1 t0, （清除少子） 電流下降時(shí)間： tf= t2 t1 反向恢復(fù)時(shí)間： trr= td+ tf 13 二極管主要參數(shù) IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的 ， 通態(tài)電流在一個(gè)整周期內(nèi)的平均值 ， 并應(yīng)留有一定的裕量 。 若正弦電流的最大值為 Im， 則額定電流為 1) 正向平均電流 IF(AV) 2） 正向壓降 UF 在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。 3） 反向重復(fù)峰值電壓 URRM 對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓 。 擊穿電壓的 2/3倍 mIttdI I ??? ? ????? 1)(s i n210 mF ( A V )14 結(jié)溫 是指管芯 PN結(jié)的平均溫度 ， 用 TJ表示 。 TJM是指在 PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度 。 TJM通常在 125~175?C范圍之內(nèi) 。 6) 浪涌電流 IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流 。 5） 最高工作結(jié)溫 TJM 4） 反向恢復(fù)時(shí)間 trr trr= td+ tf 15 1) 普通二極管 （ General Purpose Diode） 又稱整流二極管 （ Rectifier Diode） 多用于開關(guān)頻率不高 （ 1kHz以下 ） 的整流電路 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng) ， 一般在 5?s以上 ， 這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要 。 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高 ， 分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上 二極管類型 16 簡(jiǎn)稱快速二極管 工藝上多采用了摻金措施 快恢復(fù)外延二極管（ PIN） （ Fast Recovery Epitaxial Diodes—— FRED），其 trr更短（可低于 50ns）， UF也很低（ ），但其反向耐壓多在 1200V以下。 從性能上可分為 快速恢復(fù) 和 超快速恢復(fù) 兩個(gè)等級(jí)。前者 trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在 100ns以下，甚至達(dá)到 20~30ns。 2) 快恢復(fù)二極管 （ Fast Recovery Diode——FRD） 17 肖特基二極管的 弱點(diǎn) 反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高 ， 多用于 200V以下 。 反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略 ， 必須嚴(yán)格地限制其工作溫度 。 肖特基二極管的 優(yōu)點(diǎn) 反向恢復(fù)時(shí)間很短 （ 10~40ns） 。 正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖 。 反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管 。 效率高 ， 其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小 。 3） 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管 （ Schottky Barrier Diode ——SBD） 。 20世紀(jì) 80年代以來(lái) ，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用 18 二極管的應(yīng)用 用途：續(xù)流、限幅、整流 19 晶閘管 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管 。 1957年美國(guó)通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 。 1958年商業(yè)化 。 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛