第二章常用电力电子器件

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,变频器原理与应用（第2版）第2章,*,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,交流侧接入阻容吸收电路的几种方法,图2-8,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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。,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5,功率场效应晶体管（,P-MOSFET）,2.5.1,功率场效应管的结构,a)b),图2-18,P-MOSFET,的结构与符号,a)P-MOSFET,的结构,b)P-MOSFET,符号,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.2,P-MOSFET,的工作原理,当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，型区和,-,型漂移区之间的结反向，漏源之间无电流流过。如果在栅极和源极加正向电压,U,GS,，,不会有栅流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的型区表面。当,U,GS,大于某一电压值,U,T,时，栅极下面型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使型半导体反型成型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流,I,D,。,电压,U,T,称为开启电压，,U,GS,超过,U,T,越多，导电能力越强。漏极电流,I,D,越大。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.3,P-MOSFET,的特性,.转移特性 输出特性,变频器原理与应用（第2版）第2章,.开关特性,.开关特性,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.4,P-MOSFET,的主要参数,1.,漏源击穿电压,BU,DS,2.,漏极连续电流,I,D,和漏极峰值电流,I,DM,3.,栅源击穿电压,BU,GS,4.,开启电压,U,T,5.,极间电容,6.,通态电阻,R,on,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.5,-,的栅极驱动,1）触发脉冲的前后沿要陡峭，触发脉冲的电压幅值要高于器件的开启电压，以保证-的可靠触发导通。,2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电容提供低电阻放电回路，减小栅极电容的充放电时间常数，提高-的开关速度。,3）-开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电流。-的极间电容越大，所需的驱动电流也越大。为了使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流要具有较大的数值。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.6,P-,的保护,1.,工作保护,栅源过电压的保护,漏源过电压的保护,过电流保护,2.,静电保护,器件应存放在抗静电包装袋、金属容器或导电材料包装袋中，工作人员取用器件时，必须使用腕带良好接地，且应拿器件管壳，不要拿引线；,安装时，工作台和电烙铁应良好接地；,测试时，测量仪器和工作台要良好接地，器件的三个电极必须都接入测试仪器或电路，才能施加电压。改换测试时，电压和电流要先恢复到零。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.6 绝缘栅双极晶体管（,IGBT）,2.6.1,IGBT,的结构,a)b)c)d),图2-24,IGBT,结构示意图、电路符号和等效电路,a)IGBT,模块,b)IGBT,结构示意图,c),电路符号,d),等效电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.6.2,IGBT,的基本特性,1)传输特性,2),输出特性,变频器原理与应用（第2版）第2章,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,变频器原理与应用（第2版）第2章,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