第2章变频器常用电力电子器件课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/89,第二章,变频器常用,电力电子器件,2.1 功率二极管（,D）,功率二极管的内部是,P-N,或,P-I-N,结构,，,图示为功率二极管的电路符号和外形。,a) b) c),图2-1 功率二极管的符号和外形,a),功率二极管的符号,b),螺旋式,二极管的外形,c),平板式,二极管的外形,第二章 变频器常用电力电子器件 2.1 功率二极管（,2.,伏安特性,功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图所示。,正向特性：当从零逐渐增大正向电压时，开始阳极电流很小，当正向电压大于,0.5,V,时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导通。,反向特性：当二极管加上反向电压,时，起始段的反向漏电流也很小，而且,随着反向电压增加，反向漏电流只略有,增大，但当反向电压增加到反向不重复,峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增,加。,2. 伏安特性 功率二极管的阳极和阴极,2.2.2,电力二极管的基本特性,a),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,u,b),U,FP,i,i,F,u,F,t,fr,t,0,2V,电力二极管的动态过程波形,正向偏置转换为反向偏置,零偏置转换为正向偏置,动态特性,因为,结电容,的存在，电压,电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的,开关特性,。,由正向偏置转换为反向偏置,电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。,在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,延迟时间,：,t,d,=t,1,-t,0,电流下降时间,：,t,f,=t,2,- t,1,反向恢复时间,：,t,rr,=t,d,+ t,f,恢复特性的软度,：,t,f,/,t,d,，或称恢复系 数，用,S,r,表示。,t,0,:,正向电流降为零的时刻,t,1,:,反向电流达最大值的时刻,t,2,:,电流变化率接近于零的时刻,重点,2.2.2 电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrt,2.1.2 主要参数,1. 额定正向平均电流,I,F,在规定的环境温度和标准散热条件下，元件,所允许长时间连续流过50,Hz,正弦半波的电流平均值。,2. 反向重复峰值电压,U,RRM,在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值,U,RSM,的,80%,称为反向重复峰值电压,U,RRM,。,3. 正向平均电压,U,F,在规定环境温度和标准散热条件下，元件通过,50,Hz,正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值,2.1.2 主要参数1. 额定正向平均电流IF,2.1.3 功率二极管的选用,1. 选择额定正向平均电流,I,F,的原则,I,Dn,= 1.57,I,F,=(1.5,2),I,DM,2. 选择额定电压,U,RRM,的原则,U,RRM,=（2,3）,U,DM,2.1.3 功率二极管的选用 1. 选择额定正向平均电流,2.1.,4,功率二极管的分类,功率二极管一般分为三类：,(1),标准或慢速恢复二极管；,(2),快速恢复二极管；,(3),自特基二极管。,2.1.4 功率二极管的分类 功率二极管一般分为三类,2.2 晶闸管（,SCR）,2.2.1 晶闸管的结构,晶闸管是四层（,P,1,N,1,P,2,N,2,）,三端（,A、K、G）,器件，其内部结构和等效电路如图所示。,a) b) c),图2-3 晶闸管的内部结构及等效电路,a),芯片内部结构,b),以三个,PN,结等效,c),以互补三极管等效,2.2 晶闸管（SCR） 2.2.1 晶闸管的结构,晶闸管的外形及符号,a) b) c),图2-4 晶闸管的外形及符号,a),晶闸管的符号,b）,螺栓式外形,b）,带有散热器平板式外形,晶闸管的外形及符号,2.2.2,晶闸管的导通和关断控制,晶闸管的导通控制：,在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，即可使晶闸管导通。,导通的晶闸管的关断控制：,令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。,2.2.2 晶闸管的导通和关断控制 晶闸管的导通控制：,2.2.3,晶闸管的阳极伏安特性,晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。,图2-5 晶闸管的阳极伏安特性,2.2.3 晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的,2.2.4,晶闸管的参数,1. 正向断态重复峰值电压,DRM,2. 反向重复峰值电压,RRM,3. 通态平均电压,T(AV),4. 晶闸管的额定电流,T(,v),5. 维持电流,H,6. 擎住电流,L,2.2.4 晶闸管的参数 1. 正向断态重复峰值,2.2.5,晶闸管的门极伏安特性及主要参数,1.,门极伏安特性,门极伏安特性是指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个,PN,结，所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线如图,2-6,所示。,图,2-6,2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数 1.,2.,门极主要参数,（,1,）门极不触发电压,GD,和门极不触发电流,GD,（,2,）门极触发电压,GT,和门极触发电流,GT,（,3,）门极正向峰值电压,GM,、门极正向峰值电流,GM,和门极峰值功率,GM,2. 门极主要参数 （1）门极不触发电压GD和门,2.2.6 晶闸管触发电路,1.晶闸管对触发电路的要求, 触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；, 触发脉冲与主电路电源电压必须同步；, 触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。,2.,触发电路的分类,依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；,依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；,依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。,2.2.6 晶闸管触发电路1.晶闸管对触发电路的要求,2. 触发电路的分类,触发电路可按不同的方式分类，依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。,2. 触发电路的分类,2.2.7 晶闸管的保护,1.晶闸管的过电流保护,1),快速熔断器保护,(见下图）,2）过电流继电器保护。过电流继电器可安装在交流侧或直流侧。,3）限流与脉冲移相保护。,2.2.7 晶闸管的保护 1.晶闸管的过电流保护,2. 晶闸管过电压保护,晶闸管过电压产生的原因主要有：关断过电压、操作过电压和浪涌过电压等。对过电压的保护方式主要是接入阻容吸收电路、硒堆或压敏电阻等。图2-8为交流侧接入阻容吸收电路的几种方法。硒堆或压敏电阻的联结方法与此相同。,2. 晶闸管过电压保护,交流侧接入阻容吸收电路的几种方法,图2-8,交流侧接入阻容吸收电路的几种方法 图2-8,2.3 门极可关断晶闸管（,GTO）,2.3.1,GTO,的结构,GTO,的结构也是四层三端器件,a),b),图2-9,GTO,的结构与符号,a) GTO,的结构剖面,b),图形符号,2.3 门极可关断晶闸管（GTO） 2.3.,2.3.2,GTO,的主要参数,1. 最大可关断阳极电流,TO,通常将最大可关断阳极电流,TO,作为,GTO,的额定电流。,2. 关断增益,off,关断增益,off,为最大可关断阳极电流,ATO,与门极负电流最大值,GM,之比，其表达式为,off,ATO,/,GM,off,比晶体管的电流放大系数,小得多，一般只有左右。,2.3.2 GTO的主要参数 1. 最大可关断阳极电流,2.3.3,GTO,的门极控制,GTO,桥式门极驱动电路的工作原理是：当,V1,与,V2,饱和导通时，形成门极正向触发电流，使,GTO,导通；当触发,VT1,、,VT2,这两只普通晶闸管导通时，形成较大的门极反向电流，使,GTO,关断。,GTO,桥式门极驱动电路,2.3.3 GTO的门极控制 GTO桥式门极,2.3.4,GTO,的缓冲电路,图2-13,GTO,斩波器及其保护电路,图中,R,、,L,为负载，,VD,为续流二极管，,L,A,是,GTO,导通瞬间限制,d,i,d,t,的电感。,R,s,C,s,和,VD,s,组成了缓冲电路。,GTO,的阳极电路串联一定数值的电感,L,来限制,d,i,d,t,。,2.3.4 GTO的缓冲电路,2.4 功率晶体管（,GTR）,2.4.1,GTR,的结构,a) b) c),图2-14,GTR,摸块,a) GTR,的结构示意图,b)GTR,摸块的外形,c) GTR,摸块的等效电路,2.4 功率晶体管（GTR） 2.4.1 GTR的结构,2.4.2,GTR,的参数,(1),U,CEO,：,既基极开路,CE,间能承受的电压。,(2) 最大电流额定值,I,CM,：,(3) 最大功耗额定值,P,CM,（4）开通时间,t,on,：,包括延迟时间,t,d,和上升时间,t,r,。,（5）,关断时间,off,：,包括存储时间,s,和下降时间,f,。,2.4.2 GTR的参数 (1) UCEO：既基极开路,2.4.3,二次击穿现象,当集电极电压,U,CE,逐渐增加，到达某一数值时，如上述,U,CEO,，,I,C,剧增加，出现击穿现象。首先出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要适当限制晶体管的电流,(,或功耗,),，流过结的反向电流不会太大，进入击穿区的时间不长，一次击穿具有可逆性，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压,U,CE,，而外接限流电阻又不变，反向电流,I,C,将继续增大，此时若,GTR,仍在工作，,GTR,的工作状态将迅速出现大电流，并在极短的时间内，使器件内出现明显的电流集中和过热点。电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。一旦发生二次击穿，轻者使,GTR,电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏。,2.4.3 二次击穿现象 当集电极电,2.4.,4 GTR,的驱动电路,抗饱和恒流驱动电路,图2-16 抗饱和恒流驱动电路,2.4.4 GTR的驱动电路 抗饱和恒流驱动电路,2.4.5 GTR,的缓冲电路,缓冲电路也称为吸收电路，它是指在,GTR,电极上附加的电路，通常由电阻、电容、电感及二极管组成，如图,2-17,所示为缓冲电路之一。,图,2-17 GTR,的缓冲电路,2.4.5 GTR的缓冲电路 缓冲电路也,2.5,电力场效应晶体管,分为,结型,和,绝缘栅型,，但通常主要指绝缘栅型中,的,MOS,型（,Metal Oxide Semiconductor FET,）,简,称电力,MOSFET,（,Power MOSFET,）。,电力,MOSFET,是用,栅极,电压来控制,漏极,电流的，它的特点,有：,驱动电路简单，需要的驱动功率小。,开关速度快，工作频率高。,热稳定性优于,GTR,。,电流容量小，耐压低，多用于功率不超过,10kW,的电力电子装置。,2.5 电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝,2.5,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的结构和工作原理,电力,MOSFET,的种类,按导电沟道可分为,P,沟道和,N,沟道。,当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为,耗尽型,。,对于,N,（,P,）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为,增强型,。,在电力,MOSFET,中，主要是,N,沟道增强型,。,2.5电力场效应晶体管电力MOSFET的结构和工作原理,2.5,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的结构,是,单极,型晶体管。,结构上与小功率,MOS,管有较大区,别，小功率,MOS,管是,横向,导电器件，而,目前电力,MOSFET,大都采用了,垂直,导电,结构，所以又称为,VMOSFET,（,Vertical,MOSFET,），这大大提高了,MOSFET,器,件的,耐压,和,耐电流,能力。,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,（,Vertical V-groove MOSFET,）,和具有,垂直导电双扩散,MOS,结构的,DMOSFET,（,Vertical Double-diffused MOSFET,）,。,电力,MOSFET,也是,多元集成,结构。,图,2-20,电力,MOSFET,的结构 和电气图形符号,内部结构断面示意图,b),电气图形符号,2.5 电力场效应晶体管电力MOSFET的结构图2-20,2.5,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的工作原理,截止：当,漏源,极间接正电压，,栅极,和,源极,间电压为,零,时，,P,基区与,N,漂移区之间形成的,PN,结,J,1,反偏,，漏源极之间,无电流流过。,导通,在,栅极,和,源极,之间加一,正电压,U,GS,，正电压会将其下面,P,区中的空穴推开，而将,P,区中的少子,电子吸引到栅极下面的,P,区表面。,当,U,GS,大于某一电压值,U,T,时，使,P,型半导体反型成,N,型半导体，该,反型层,形成,N,沟道而使,PN,结,J,1,消失，漏极和源极导电。,U,T,称为,开启电压（或阈值电压）,，,U,GS,超过,U,T,越多，导电能力越强，漏极电流,I,D,越大。,2.5 电力场效应晶体管电力MOSFET的工作原理,电力,MOSFET,的基本特性,静态特性,转移特性,指漏极电流,I,D,和栅源间电压,U,GS,的关系，反映了输入电压和输,出电流的关系 。,I,D,较大时，,I,D,与,U,GS,的关系近似,线性，曲线的斜率被定义为,MOSFET,的,跨导,G,fs,，即,2.5,电力场效应晶体管,图,2-21,电力,MOSFET,的,转移特性和输出特性,a),转移特性,(2-11),是电压控制型器件，其输入阻,抗极高，输入电流非常小。,电力MOSFET的基本特性 2.5 电力场效应晶体管图2-,2.5,电力场效应晶体管,输出特性,是,MOSFET,的,漏极,伏安特性。,截止区,（对应于,GTR,的截止区）、,饱和区,（对应于,GTR,的放大区）、,非饱和区,（对应于,GTR,的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。,工作在,开关,状态，即在,截止区,和,非饱和区,之间来回转换。,本身结构所致，,漏极,和,源极,之间形成了一个与,MOSFET,反向并联的,寄生二极管,。,通态电阻具有,正温度系数,，对器件并联时的,均流,有利。,图,2-21,电力,MOSFET,的转移特性和输出特性,b),输出特性,2.5 电力场效应晶体管输出特性图2-21 电力MOSF,感性负载开关模型,开通过程,关断过程,动态特性,感性负载开关模型开通过程关断过程动态特性,开通过程,开通过程,开通延迟阶段，电源通过,R,GATE,给,C,GS,充电；,门极电压充到,V,TH,，进入线性区，漏极电流随,V,GS,线性增大到最大值，而这时,V,DS,不变；,I,D,不变，,V,GS,进入,Miller,平台，保持基本不变，,V,DS,开始下降，直到,0,。,Miller,平台结束后，,VGS,继续充电到电源电压。,开通过程开通过程开通延迟阶段，电源通过RGATE给CGS充电,关断过程,关断过程,关断过程关断过程,2.5,电力场效应晶体管,不存在,少子储存效应,，因而其关断过程是,非常迅速的。,开关时间在,10100ns,之间，其工作频率可,达,100kHz,以上，是主要电力电子器件中最高,的。,在开关过程中需要对输入电容充放电，仍,需要一定的,驱动功率,，开关频率越高，所需,要的驱动功率越大。,2.5 电力场效应晶体管不存在少子储存效应，因而其关断过程,2.5,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的主要参数,跨导,G,fs,、开启电压,U,T,以及开关过程中的各,时间参数,。,漏极电压,U,DS,标称电力,MOSFET,电压定额的参数。,漏极直流电流,I,D,和漏极脉冲电流幅值,I,DM,标称电力,MOSFET,电流定额的参数。,栅源电压,U,GS,栅源之间的绝缘层很薄，,U,GS,20V,将导致绝缘层击穿。,极间电容,C,GS,、,C,GD,和,C,DS,。,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。,2.5 电力场效应晶体管电力MOSFET的主要参数,2.6,绝缘栅双极晶体管,IGBT,的结构和工作原理,IGBT,的结构,是三端器件，具有,栅极,G,、,集电极,C,和,发射极,E,。,由,N,沟道,VDMOSFET,与,双,极型晶体管,组合而成的,IGBT,，,比,VDMOSFET,多一层,P,+,注入,区，实现对漂移区电导率进行调,制，使得,IGBT,具有很强的,通流,能力。,简化等效电路表明，,IGBT,是用,GTR,与,MOSFET,组成的,达,林顿,结构，相当于一个由,MOSFET,驱动的厚基区,PNP,晶,体管。,图,2-23 IGBT,的结构、简化等效电路和电气图形符号,a),内部结构断面示意图,b),简化等效电路,c),电气图形符号,R,N,为晶体管基区内的调制电阻。,2.6绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作原理 图2-23,2.6.2,IGBT,的基本特性,1) 传输特性,2),输出特性,2.6.2 IGBT的基本特性 1) 传输特性,2.6.3,IGBT,的主要参数,1)集电极-发射极额定电压,U,CES,2)栅极-发射极额定电压,U,GES,3)额定集电极电流,I,C,，,4)集电极-发射极饱和电压,U,EC(sat),5)开关频率,2.6.3 IGBT的主要参数 1)集电极-发射极额定电压,2.6.4,IGBT,的驱动电路,1) 驱动电路与,IGBT,的连线要尽量短。,2) 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电。,3) 驱动电路要能传递几十,kHz,的脉冲信号。,4) 驱动电平,+,U,GE,的选择必须综合考虑。,5) 在关断过程中，应施加一负偏压,U,GE,。,6) 在大电感负载下，,IGBT,的开关时间不能太短， 以确保,IGBT,的安全。,7) 驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。,2.6.4 IGBT的驱动电路 1) 驱动电路与IGBT的,2.,7,集成门极换流晶闸管（,IGCT,）,2.,7.1,IGCT,的结构,与工作原理,1.,结构,a,）,b,）,图,2-25,GTO,、,GCT,的结构图 图,2-26 IGCT,的符号,a,）,GTO,的结构图,b,）,GCT,的结构图,2.7 集成门极换流晶闸管（IGCT） 2.7.1,2. IGCT,的工作原理,IGCT,的导通原理与,GTO,完全一样，但关断原理与,GTO,完全不同，在,GCT,的关断过程中，,GCT,能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个,PNP,晶体管以后再关断，所以它不受外加电压变化率,d,u,/d,t,限制；而,GTO,必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，所以,GTO,需要很大的吸收电路来抑制外加电压变化率,d,u,/d,t,。阻断状态下,GCT,的等效电路可认为是一个基极开路、低增益,PNP,晶体管与门极电源的串联电路。,2. IGCT的工作原理 IGCT的导,2.,7.2,IGCT,的特点,（,1,）缓冲层,（,2,）透明阳极,（,3,）逆导技术,（,4,）门极驱动技术,2.7.2 IGCT的特点 （1）缓冲层,2.,8,智能功率模块,(1,PM),2.,8.1 IPM,的结构,IPM,智能功率模块,内部基本结构图,2.8 智能功率模块(1PM) 2.8.1 IPM的结,2.8.2 IPM,的主要特点,IPM,内含驱动电路，可以按最佳的,IGBT,驱动条件进行设定；,IPM,内含过流（,OC,）保护、短路（,SC,）保护，使检测功耗小、灵敏、准确；,IPM,内含欠电压（,UV,）保护，当控制电源电压小于规定值时进行保护；,IPM,内含过热（,OH,）保护，可以防止,IGBT,和续流二极管过热，在,IGBT,内部的绝缘基板上设有温度检测元件，结温过高时即输出报警（,ALM,）信号，该信号送给变频器的单片机，使系统显示故障信息并停止工作。,IPM,还内含制动电路，用户如有制动要求可另购选件，在外电路规定端子上接制动电阻，即可实现制动。,2.8.2 IPM的主要特点 IPM,2.8.3 IPM,选择注意事项,（,1,）采用光电耦合器,由于,IPM,驱动电路要求信号传输延迟时间不应超过,0.5s,，因而器件只能采用快速光电耦合器，可选用逻辑门光电耦合器,6N137,。该器件工作于,TTL,电平，而,IPM,模块的开关逻辑信号为,15V,，因此，还需设计一个电平转换电路。,（,2,）采用双脉冲变压器,对于,20kHz,的,PWM,开关控制信号，可采用脉冲变压器直接传送，但注意存在磁芯体积较大和开关占空比范围受限制的问题。对于,20kHz,的开关信号，也可采用,4MHz,高频调制的方法来实现,PWM,信号的传送。,2.8.3 IPM选择注意事项 （1）采用,本 章 小 结,功率二极管的结构是一个,PN,结，加正向电压导通，加反向电压截止，是不可控的单向导通器件。,普通晶闸管（,SCR）,是双极型电流控制器件。当对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适当正向电压时，晶闸管导通。但导通后门极失去控制作用，不能用门极控制晶闸管关断，所以它是半控器件。,GTO,即可关断晶闸管，它的导通控制与,SCR,一样，但门极加负电压可使,GTO,关断，是全控器件。,GTR,是双极型全控器件，工作原理与普通中小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态，不用于信号放大，它承受的电压和电流数值大。,本 章 小 结 功率二极管的结构是一个PN结，,本 章 小 结,功率场效应晶体管（,P-MOSFET,）,是单极型全控器件，属于电压控制，驱动功率小。,绝缘栅双极晶体管（,IGBT,）,是复合型全控器件，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，是功率开关电源和逆变器的理想功率器件。,IGCT,是将门极驱动电路与门极换流晶闸管,GCT,集成于一个整体形成的，是较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于,6,kV,和,10,kV,的中压开关电路。,智能功率模块（,IPM,）,是将高速度、低功耗的,IGBT,，,与栅极驱动器和保护电路一体化，,IPM,具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特点。,本 章 小 结 功率场效应晶体管（P-MOS,作业：,二极管的动态特性是怎样的？,Mosfet,的开通和关断动态特性如何？,电力电子器件的分类？,作业：,谢谢！,