电力电子(模板)第1章讲解课件

绪绪 论论 电力电子技术是电力、电子和控制技术相结合的边缘学科，自1958年第一个工业用普通晶闸管诞生以来，电力电子技术有了很大的发展，由各种电力电子器件组成的功率变换装置应用于从航空航天到家用电器的各个领域。绪绪 论论 电力电子设备发展的特点是：（1）（2）绪绪 论论（3）（4）电路拓扑技术和结构标准化加快了电路拓扑技术和结构标准化加快了新产品的开发步伐。新产品的开发步伐。绪绪 论论 交流电路是以电力半导体器件为核心，通过不同电路的拓扑和控制方法来实现对电能的转换和控制。它的基本功能是使交流（AC）和直流（DC）电能互相转换。它有以下几种类型：绪绪 论论（1 1）可控整流器）可控整流器AC/DCAC/DC。把交流电压变换。把交流电压变换成固定或可调的直流电压。成固定或可调的直流电压。（2）有源逆变器）有源逆变器DC/AC。把直流电压变换成。把直流电压变换成为频率固定或可调的交流电压。为频率固定或可调的交流电压。（3）变频器）变频器AC/AC。把频率固定或变化的交。把频率固定或变化的交流电变换成频率可调或固定的交流电。流电变换成频率可调或固定的交流电。（4）直流斩波器）直流斩波器DC/DC。把固定或变化的直。把固定或变化的直流电压变为可调或固定的直流电压。流电压变为可调或固定的直流电压。绪绪 论论 第第1章晶闸管概述章晶闸管概述晶闸管是指具有三个以上的晶闸管是指具有三个以上的PNPN结，其结，其主电压主电压电流特性至少在一个象限电流特性至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。半导体器件。第第1章晶闸管概述章晶闸管概述晶闸管是由多种器件组成的家族，而晶闸管是由多种器件组成的家族，而被广泛使用的普通晶闸管则是这个家被广泛使用的普通晶闸管则是这个家族中的一员，俗称可控硅整流器族中的一员，俗称可控硅整流器（SCRSCR，Silicon Controlled Silicon Controlled RectifierRectifier），简称可控硅，其规范），简称可控硅，其规范术语是反向阻断三端晶闸管。术语是反向阻断三端晶闸管。第第1章晶闸管概述章晶闸管概述1.1.11.1.1晶闸管的结构晶闸管的结构AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 a)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气图形符号电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.1.11.1.1晶闸管的结构晶闸管的结构常用晶闸管的结构常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构1.1.21.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管导通晶闸管导通/关断实验电路图关断实验电路图1.1.21.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理归纳以上实验结果，可见：归纳以上实验结果，可见：1)晶闸管导通的条件晶闸管导通的条件 阳极加正向电压，同时门极加合适的正向触发电压。2)晶闸管关断的条件晶闸管关断的条件 使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流或突加反向电压。3)晶闸管的特点晶闸管的特点 单向导电性；属半控型半导体器件；属电流控制器件。1.1.21.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理示意图晶闸管的工作原理示意图晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释1.1.21.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理S闭合前：I IG=0G=0I Ib2=0b2=0I Ic2=0c2=0I Ib1=0b1=0I Ic1=0 c1=0，三极管三极管V1V1和和V2V2均处于截止状态，晶闸管处于正向均处于截止状态，晶闸管处于正向阻断状态。阻断状态。开关S闭合，则外电路向门极注入电流则外电路向门极注入电流I IG G，也就是，也就是注入驱动电流，该电流最初就是晶体管注入驱动电流，该电流最初就是晶体管V2V2的基极的基极电流电流I Ib2b2，即产生集电极电流，即产生集电极电流I Ic2c2，它又是晶体管，它又是晶体管V1V1的基极电流，经的基极电流，经V1V1放大后产生集电极电流放大后产生集电极电流I Ic1c1，而而I Ic1c1此时等于此时等于1212I Ib2b2，比最初的驱动电流，比最初的驱动电流I IG G大了许多。使大了许多。使V2V2的基极电流进一步增大，如此形的基极电流进一步增大，如此形成强烈的正反馈，最后成强烈的正反馈，最后V1V1和和V2V2完全进入饱和状态，完全进入饱和状态，即晶闸管导通。即晶闸管导通。1.2.11.2.1晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 第第I象限的是正象限的是正向特性向特性 第第III象限的是象限的是反向特性反向特性1.2.11.2.1晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性1)正向伏安特性正向伏安特性1.2.11.2.1晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性2)反向伏安特性反向伏安特性 晶闸管承受反向阳极电压时，由于J1、J3结处于反向偏置状态，晶闸管流过的电流仅由各区少数载流子形成，只有极小的反向漏电流通过，这就是器件的反向阻断状态。随着反向电压的增加，穿过J2结的少数载流子稍有增加，反向漏电流逐渐增大。1.2.21.2.2晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极伏安特性PGMBCDAEGFLK0IFGMUGTUFGMIGTUGTUGDIGTIGDABCIHJ1.2.21.2.2晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极伏安特性 图中图中ABCGFED所围成的区域为可靠触发区所围成的区域为可靠触发区 图中阴影部分为不触发区图中阴影部分为不触发区 图中图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区所围成的区域为不可靠触发区1.3.11.3.1晶闸管的电压参数晶闸管的电压参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT1.3.21.3.2晶闸管的电流参数晶闸管的电流参数通态平均电流通态平均电流 IT(AV）维持电流维持电流 IH 1.3.21.3.2晶闸管的电流参数晶闸管的电流参数擎住电流擎住电流 IL 浪涌电流浪涌电流ITSM1.3.31.3.3晶闸管的动态参数晶闸管的动态参数1)断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt这是指在额定结温和门极开路的情况下，这是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。如果电压上升率过大，使压最大上升率。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。使用中实际电压上升率必须低于此临界值。使用中实际电压上升率必须低于此临界值。1.3.31.3.3晶闸管的动态参数晶闸管的动态参数2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt这是指在规定条件下，晶闸管能承受而无这是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。从而造成局部过热而使晶闸管损坏。1.3.41.3.4器件的型号器件的型号1.4 1.4 双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管（双向晶闸管（TRIACTRIAC，Bidirectional TriodeBidirectional TriodeThyristerThyrister，Triode AC SwitchTriode AC Switch）是把两个反）是把两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上，用一个门并联的晶闸管集成在同一硅片上，用一个门极控制触发的组合型器件。极控制触发的组合型器件。1.4 1.4 双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性图双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性图1.4 1.4 双向晶闸管双向晶闸管 双向晶闸管（TRIAC）内部结构可看做两只普通晶闸管反向并联，引出的三个端子为主极T1，T2和门极G。它具有正、反向对称的伏安特性，主要参数有断态重复峰值电压和额定通态电流，因双向晶闸管正 、反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效值。1.5 1.5 功率晶体管功率晶体管 术语用法：术语用法：u电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）u耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJTu在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效1.5.11.5.1功率晶体管的结构与工作原理功率晶体管的结构与工作原理图1-15a)基极 bP基区N漂移区N+衬底基极 b 发射极 c集电极 cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib单管单管GTRGTR的结构的结构1.5.11.5.1功率晶体管的结构与工作原理功率晶体管的结构与工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成1.5.11.5.1功率晶体管的结构与工作原理功率晶体管的结构与工作原理在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为 GTR的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。bcii1.5.11.5.1功率晶体管的结构与工作原理功率晶体管的结构与工作原理当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。1.5.11.5.1功率晶体管的结构与工作原理功率晶体管的结构与工作原理达林顿达林顿GTR1.5.21.5.2功率晶体管的特性功率晶体管的特性截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。1.5.21.5.2功率晶体管的特性功率晶体管的特性集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。1.5.21.5.2功率晶体管的特性功率晶体管的特性集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。1.6 1.6 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 功率场效应晶体管简称功率MOS FET，它是对小功率场效应晶体管的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于电压驱动控制器件。1.6.1 1.6.1 功率场效应晶体管的结构与工作原理功率场效应晶体管的结构与工作原理N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19功率功率MOS FET的结构示意与符号图的结构示意与符号图1.6.1 1.6.1 功率场效应晶体管的结构与工作原理功率场效应晶体管的结构与工作原理小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。1.6.1 1.6.1 功率场效应晶体管的结构与工作原理功率场效应晶体管的结构与工作原理截止：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型反型层层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电力电力MOSFET的工作原理的工作原理1.6.21.6.2功率场效应晶体管的特性功率场效应晶体管的特性功率功率MOSFETMOSFET的转移特性的转移特性 功率功率MOSFETMOSFET的输出特性的输出特性 静态特性静态特性1.6.21.6.2功率场效应晶体管的特性功率场效应晶体管的特性静态特性静态特性漏极电流I ID D和栅源间电压U UGSGS的关系称为MOSFET的转移特性。转移特性。I ID D较大时，I ID D与与U UGSGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导G Gfsfs。1.6.21.6.2功率场效应晶体管的特性功率场效应晶体管的特性测试电路测试电路开关过程波形开关过程波形 动态特性动态特性1.6.21.6.2功率场效应晶体管的特性功率场效应晶体管的特性开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on)上升时间上升时间t tr r开通时间开通时间t tonon开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间t td(off)d(off)下降时间下降时间t tf f关断时间关断时间t toffoff关断延迟时间和下降时间之和1.6.21.6.2功率场效应晶体管的特性功率场效应晶体管的特性 10ms 1ms DC 10us ID 0 VDS MOS FET正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区1.7 1.7 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管简称绝缘栅双极晶体管简称IGBTIGBT，它将，它将MOS FETMOS FET与与GTRGTR的优点集于一身。的优点集于一身。1.7.11.7.1绝缘栅双极晶体管的结构与工作原理绝缘栅双极晶体管的结构与工作原理EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号1.7.1绝缘栅双极晶体管的结构与工作原理绝缘栅双极晶体管的结构与工作原理图图a aNN沟道沟道VDMOSFETVDMOSFET与与GTRGTR组合组合NN沟道沟道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一层多一层P+P+注入区，具有很注入区，具有很强的通流能力。强的通流能力。简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组组成的达林顿结构，一个由成的达林顿结构，一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基驱动的厚基区区PNPPNP晶体管。晶体管。RNRN为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。1.7.1绝缘栅双极晶体管的结构与工作原理绝缘栅双极晶体管的结构与工作原理 IGBT的原理的原理导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性绝缘栅双极晶体管的特性静态特性静态特性转移特性转移特性伏安特性伏安特性1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性绝缘栅双极晶体管的特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移 特性类似 开启电压开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性绝缘栅双极晶体管的特性伏安特性伏安特性（输出特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应 uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性绝缘栅双极晶体管的特性动态特性动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性绝缘栅双极晶体管的特性IGBT的开通过程的开通过程 与MOSFET的相似开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on)电流上升时间电流上升时间t tr r 开通时间开通时间t tononu uCECE的下降过程分为t tfv1fv1和t tfv2fv2两段。t tfv1fv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；t tfv2fv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过 程。1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性绝缘栅双极晶体管的特性 IGBT的关断过程的关断过程关断延迟时间关断延迟时间t td(offd(off）电流下降时间电流下降时间 关断时间关断时间t toffoff电流下降时间又可分为t tfi1fi1和t tfi2fi2两段。t tfi1fi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，i iC C下降较 快。t tfi2fi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，i iC C下降较 慢。1.7.2绝缘栅双极晶体管的特性绝缘栅双极晶体管的特性 擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应 人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。