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2016 电力电子技术
作业：第二章总结
班级：XXXXXX学号：XXXXXXX姓名：XXXXXX 第二章电力电子器件 总结 1.概述
不可控器件——电力二极管(Power Diode)GPD FRD SBD 半控型器件——晶闸管(Thyristor)FST TRIAC LTT 典型全控型器件 GTO GTR MOSFET IGBT 其他新型电力电子器件 MCT SIT SITH IGCT 功率集成电路与集成电力电子模块 HVIC SPIC IPM 1.1相关概念
主电路(Main Power Circuit):在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路｡ 电力电子器件(Power Electronic Device)是指可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件｡
1.2特点
电功率大,一般都远大于处理信息的电子器件｡ 一般都工作在开关状态｡
由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路(主要对控制信号进行放大)｡ 功率损耗大,工作时一般都需要安装散热器｡
通态损耗,断态损耗,开关损耗(开通损耗 关断损耗)开关频率较高时,可能成为器件功率损耗的主要因素｡
电力电子器件在实际应用中的系统组成一般是由控制电路､驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统｡ 关键词 电力电子系统 电气隔离 检测电路 保护电路 三个端子
1.3电力电子器件的分类 按能够被控制电路信号控制的程度不同可分为 半控型器件(开通可控,关断不可控)全控型器件(开通,关断都可控)不可控器件(开通,关断都不可控)按照驱动信号的性质不同可分为 电流驱动型 电压驱动型
按照驱动信号的波形(电力二极管除外)不同可分为 脉冲触发型 电平控制型
按照载流子参与导电的情况不同可分为 单极型器件(由一种载流子参与导电)双极型器件(由电子和空穴两种载流子参与导电)复合型器件(由单极型器件和双极型器件集成混合而成,也称混合型器件)关键词 控制的程度 驱动信号的性质､波形 载流子参与导电的情况 工作原理 基本特性 主要参数
2不可控器件——电力二极管(Power Diode)2.1结构与工作原理
电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的｡
PN节(PN junction):采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结｡
N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体｡
P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体｡
正向电流IF :当PN结外加正向电压(正向偏置)时,在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流｡
反向截止状态:当PN结外加反向电压时(反向偏置)时,反向偏置的PN结表现为高阻态,几乎没有电流流过的状态｡
反向击穿:PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN结反向偏置为截止的工作状态｡雪崩击穿 齐纳击穿(可以恢复)热击穿(不可恢复)P-i-N结构 电导调制效应(Conductivity Modulation):当正向电流较小时,管压降随正向电流的上升而增加;当正向电流较大时,电阻率明显下降,电导率大大增加的现象｡ 关键词 少子 扩散运动 空间电荷区(耗尽层､阻挡区､势垒区)结电容CJ:PN结中的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应｡(微分电容)扩散电容CD:扩散电容仅在正向偏置时起作用｡正向电压较高时,扩散电容为结电容主要成分｡ 势垒电容CB:势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显｡在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为主｡
作用:结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作｡
2.2基本特性
静态特性(伏安特性)门槛电压UTO 正向电压降UF
反向漏电流是由少子引起的微小而数值定｡ 动态特性
结电容 零偏置,正向偏置,反向偏置 不能立即转换状态 过渡过程
正向偏置时
延迟时间:td=t1-t0
电流下降时间:tf = t2-t1 反向恢复时间:trr= td + tf
恢复特性的软度:Sr= tf / td,或称恢复系数,Sr越大恢复特性越软｡
由零偏置转换为正向偏置
过冲UFP : 原因:1)电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存,在达到稳态导通之前管压降较大｡2)正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降｡电流上升率越大,UFP越高｡
正向恢复时间:tfr
2.3主要参数
正向平均电流IF(AV)正向压降UF 反向重复峰值电压URRM 最高工作结温TJM 反向恢复时间trr 浪涌电流IFSM
2.4主要类型
普通二极管(General Purpose Diode)快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件——晶闸管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)3.1结构和工作原理
内部是PNPN四层半导体结构如图a)P1 区引出阳极A､N2 区引出阴极K､ P2 区引出门极G 工作原理可以用双晶体管模型解释如右图b)｡
工作过程关键词: IG V2 Ic2 Ic1 正反馈 触发 门触发电路
其他几种可能导通的情况
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 光触发 结温较高 只有门极触发是最精确､迅速而可靠的控制手段｡
3.2基本特性
静态特性
正常工作特性
当晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通 ｡ 当晶闸管承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 ｡
晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用,不论门极触发电流是否还存在,晶闸管都保持导通 ｡ 若要使已导通的晶闸管关断,只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下｡ 伏安特性
如右图所示 包括正向特性和反向特性
正向转折电压Ubo 维持电流IH
反向最大瞬态电压URSM 反向重复峰值电压URRM 断态重复峰值电压UDRM 断态最大瞬时电压UDSM
动态特性
如右图所示
延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt=td+tr 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr
3.3主要参数(包括电压定额和电流定额)电压定额
断态重复峰值电压UDRM 反向重复峰值电压URRM 通态(峰值)电压UT
通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压｡选用时,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍｡ 电流定额
通态平均电流 IT(AV)维持电流IH 擎住电流 IL 浪涌电流ITSM 动态参数
开通时间tgt和关断时间tq 断态电压临界上升率du/dt 通态电流临界上升率di/dt
3.4晶闸管的派生器件
快速晶闸管(Fast Switching Thyristor, FST)双向晶闸管(Triode AC Switch——TRIAC or Bidirectional Triode Thyristor)逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶闸管(Light Triggered Thyristor, LTT)
典型全控型器件
4门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)晶闸管的一种派生器件,但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断,因而属于全控型器件｡
4.1结构与工作原理
其结构原理可以参考晶闸管 数十个甚至数百个小GTO单元
4.2基本特性
静态特性和普通晶闸管类似 动态特性
储存时间ts 下降时间tf 尾部时间tt
4.3主要参数
最大可关断阳极电流IATO 电流关断增益off 开通时间ton 关断时间toff
5电力晶体管(Giant Transistor, GTR)5.1结构和工作原理
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的｡ 最主要的特性是耐压高､电流大､开关特性好｡ 达林顿接法 单元结构 并联 三层半导体 两个PN结
5.2基本特性
右图所示
静态特性
右图所示 动态特性
右图所示
5.3主要参数
电流放大倍数 直流电流增益hFE
集电极与发射极间漏电流Iceo 集电极和发射极间饱和压降Uces 开通时间ton和关断时间toff 最高工作电压
BUceo:基极开路时集电极和发射极间的击穿电压
实际使用GTR时,为了确保安全,最高工作电压要比BUceo低得多｡集电极最大允许电流IcM
集电极最大耗散功率PcM
6电力场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET)6.1结构和工作原理
SDDGN+PN+N+沟道PN+N-GGN+SSDN沟道P沟道a)b)
6.3基本特性
图1-19静态特性
动态特性
MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系,可以降低栅极驱动电路的内阻Rs,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度｡
6.4主要参数
跨导Gfs､开启电压UT以及开关过程中的各时间参数｡
漏极电压UDS
漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM
栅源电压UGS
极间电容 CGS､CGD和CDS｡
漏源间的耐压､漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区｡
7绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT or IGT)综合了GTR和MOSFET的优点 场控器件
7.1结构和工作原理
内部结构图
其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的｡
7.2基本特性
静态特性 转移特性 输出特性 动态特性
开通过程
开通延迟时间td(on)电流上升时间tr 电压下降时间tfv 开通时间ton= td(on)+tr+tfv
tfv分为tfv1和tfv2两段｡
关断过程
关断延迟时间td(off)电压上升时间trv 电流下降时间tfi
关断时间toff = td(off)+trv+tfi
tfi分为tfi1和tfi2两段
7.3主要参数
最大集射极间电压UCES 最大集电极电流 最大集电极功耗PCM
8其他新型电力电子器件
MOS控制晶闸管MCT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH 集成门极换流晶闸管IGCT
基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
