浙大电力电子技术第一章

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,*,电力电子技术,浙江大学电气工程学院,江道灼 教授,Email,：,dzjiang,Telephone,：,678999,（,13675887999,）,电力电子技术,第一章 功率半导体器件,第二章 功率半导体器件的驱动和保护,第三章 交流,-,直流,(AC-DC),变换,第四章 直流,-,直流,(DC-DC),变换,第五章 直流,-,交流,(DC-AC),变换,第六章 交流,-,交流,(AC-AC),变换,第七章 谐振软开关技术,第八章 电力电子在电气工程中的应用,功率半导体器件,1.1,概述,1.2,大功率二极管,1.3,晶闸管,1.4,大功率晶体管,1.5,功率场效应晶体管,1.6,绝缘栅双极性晶体管,1.7,其他新型功率开关器件,概述,功率半导体器件的定义：,基于半导体材料、构成电力电子装置一次电路（主电路）的基本元件,功率半导体器件的工作特点：,工作在开关状态，且通态电阻很小，压降接近于,0,（等效于短接），断态电阻很大，漏电流接近于（等效于开断）；,工作开关频率较高，存在开关损耗（开通与关断损耗）；,工作过程中需承受高电压、大电流。,电力电子装置示意图,概述,理想功率半导体器件：动、静态特性好,通态电流大且管压降极低,断态漏电流极小且能承受高电压,极短的开关转换时间,极小的开关损耗（包括通、断态损耗）,承受,du/dt,与,di/dt,能力强等,概述,功率半导体器件的发展,大功率二极管产生于,20,世纪,40,年代，目前已形成整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等,3,种主要类型。,20,世纪,60,年代出现了第一代电力电子器件,晶闸管及其派生器件，如逆导晶闸管、双向晶闸管等；,70,年代出现了第二代自关断型电力电子器件，如,GTO,、,GTR,、,P-MOSFET,等；,80,年代出现了第三代场控功率半导体器件，如,IGBT,、,IGCT,等；,80,年代末,90,年代初开始出现第四代电力电子器件：集成功率半导体器件，如,IPM,等。,功率半导体器件的分类,1,）按可控性分类： 不可控型、半控型、全控型,2,）按驱动信号分类： 电流驱动型、电压驱动型、光驱动型,大功率二极管,为不可控型功率半导体器件，主要用于不可控整流、电感性负载回路的续流等。,大功率二级管的结构及符号：,(a),符号,(b),螺旋式结构,(c),平板式结构,（,I,200A,） （,I,200A,）,大功率二极管,伏安特性,(a),实际特性,(b),理想特性,大功率二极管,开通、关断特性,(a),开通特性,(b),关断特性,大功率二极管,主要参数,1.,额定正向平均电流（额定电流）,I,F,2.,反向重复峰值电压（额定电压）,V,RRM,3.,反向漏电流,I,RR,4.,正向平均电压,V,F,（通态压降）,5.,大功率二级管的型号定义,ZP,电流等级,-,电压等级,/100,通态平均电压组别,如：,ZP50-16,为：普通型大功率二极管，额定电流,50A,、电压,1600V,晶闸管,晶闸管（,SCR,）的结构,(a),螺旋式结构,(b),平板式结构,(c),符号,（,I,200A,） （,I,200A,）,SCR,管芯结构原理,晶闸管,晶闸管的工作原理,1.,正向阻断、反向阻断,（,1,）导通条件：,晶闸管的阳极,阴极之间加正向电压；,门极加正向电压，使足够的门极电流,I,g,流入。,（,2,）关断条件：,阳极电流小于维持电流,I,H,以下并经过一段时间。,晶闸管,晶闸管的工作原理（续）,2,.,内部物理过程,晶体管的内部物理过程可用复合三极管效应等效，如下图：集电极电流为另一只晶体管的基极电流，形成正反馈。,晶闸管的等效复合三极管效应,晶闸管,正反馈过程仿真演示,晶闸管,晶闸管的阳极电流：,晶闸管的阴极电流：,由以上两式可求出晶闸管的阴极电流：,两个晶闸管的共基极电流放大倍数 与其发射极电,Ia,、,Ic,成非线性正比关系，即当,Ia,、,Ic,很小时 也很,小； 随着,Ia,、,Ic,的增大而增大。,晶闸管,晶闸管,晶闸管的基本特性,一、静态特性,1.,晶闸管的阳极伏安特性,理想特性,实际特性,正向阻断高阻区,；,负阻区,；,正向导通低阻区,；,反向阻断高阻区,。,晶闸管,2.,门极伏安特性,I,GFM,： 门极正向峰电流,U,GFM,：门极正向峰电压,P,GM,： 门极峰值功率,P,G,： 门极平均功率,具有分散性， 采用区域表示法,I,GFM,I,GT,U,GT,U,GFM,P,GM,P,G,U,g,I,g,晶闸管,二、动态特性,（,1,）开通特性； （,2,）关断特性,开通,过程,关断,过程,晶闸管,三、晶闸管的主要参数,1,、电压参数,（,1,）断态重复峰值电压,U,DRM,（,2,）反向重复峰值电压,U,RRM,（,3,）晶闸管的额定电压,U,R,取,U,DRM,和,U,RRM,中较小值，取整,1000V,以下（,100V,一个等级）,1000-3000V,（,200V,一个等级）,（,4,）通态平均电压,U,T(AV),晶闸管,2,、电流参数,（,1,）通态平均电流（额定电流）,I,T(AV),单相、工频、正弦半波、角度,170,I,T(AV),=,I,=,f,/ I,T(AV),=,/2,= 1.57,选择元件：有效电流,整流输出：平均电流,从平均电流找出相应波形的有效电流以保证不过热,（,2,）维持电流,H,几十,mA,，结温,I,H,(,难关断,),（,3,）擎住电流,L,开通过程中，能维持导通的最小电流，一般,L,(2,4),H,晶闸管,3,、其他参数,（,1,）断态电压临界上升率,U,B0,额定结温、,门极开路，使元件断,通的最小电压上升,率,U,ak,(,du,ak,/dt,),U,B0,(=min,du,ak,/dt,）时,，,I,C,相当于,I,g,（,2,）通态电流临界上升率,（,3,）,门极触发电流,GT,与门极触发电压,GT,对触发电路要求，随温度变化。,晶闸管,4,、晶闸管的型号,普通,快速型，,双向型，,逆导型，,可关断，,LTT ,光控,KP,电流,电压,/100,通态压降组别,如,KP500-12G,，表示该晶闸管通态平均电流,I,T,(AV),=500A,（通态压降,0.9V=U,T,(AV),=1.0V,），（断态）正反向重复峰值电压,U,R,=1200V,。,晶闸管,晶闸管的派生器件,(1).,快速晶闸管（,FST,）,(2).,双向晶闸管（,TRIAC,）,(3).,逆导晶闸管（,RCT,）,(4).,门级可关断晶闸管（,GTO,）,(5).,光控晶闸管（,LTT,）,大功率晶体管,结构,(a),普通晶体管结构,(b) GTR,结构,(c),符号,双极导电性：电子、空穴均参与导电,电流全控型：通过调节B极电流控制,集,、,射极（C、E）,间,通断,大功率晶体管,1.,工作特性,（,a,）输入特性；（,b,）输出特性,2.,动态特性,（,a,）等值电路；（,b,）开关特性,(a)(b),大功率晶体管,主要参数,1,、电压参数,集电极额定电压,U,CEM,饱和压降,U,CES,2,、电流参数,连续（直流）额定（集电极）电流,Ic,集电极额定电流（最大允许电流）,I,CM,基极电流最大允许值,I,BM,集电极最大耗散功率,P,CM,大功率晶体管,1,、二次击穿现象,出现击穿现象,AB,段，称为一次击穿。,二次击穿过程仿真演示,大功率晶体管（,GTR,）,2,、安全工作区,(a) FBSOA (b) RBSOA,功率场效应晶体管,一、结构与工作原理,(a),结构图,(b) N,沟道符号,(c) P,沟道符号,单极导电性：只有电子（N沟道）或空穴（P沟道）参与导电,电压全控型：通过调节栅极电压控制漏、源极（D、S）,间,通断,功率场效应晶体管,二、工作特性,1,、静态特性,1,）漏极伏安特性,a,）可调电阻区,I,：,U,GS,固定，,U,DS,由,0,上升到预夹断电压，,I,D,线性增加；接近预夹断电压时,I,D,变化慢。,b,）饱和区,II,：虽,U,DS,继续增大，但,I,D,基本保持不变；若保持,U,DS,不变，则,U,GS,越高，,I,D,越大。,c,）击穿区,III,：,U,DS,增大过头，,I,D,急剧增加。,功率场效应晶体管,2,）转移特性,跨导（与,GTR,中,相似）,表示栅源极电压U,GS,对漏极电流,I,D,的控制能力,功率场效应晶体管,2,、开关特性,为多数载流子器件，没有存储,效应，开关时间短为,20ns,左右。,输入电容,:,开通：,a,）,b,）,c,）,d,）,功率场效应晶体管,关断：,a,）,U,P,高电平，,C,in,放电，,U,GS,下降，,i,D,未变,b,）,t,d,（,off,）,时，预夹断，,i,D,下降,c,）,C,in,仍放电，,U,GS,仍下降，夹断区上升，,i,D,下降,U,GS,I,CM,时，,R,br,压降导致,NPN,通,正反馈,寄生等效晶闸管通,IGBT,栅极失去控制作用。,静态擎住：,I,C,I,CM,动态擎住：,关断时产生，,J,2,结反压很快建立，建立速度与 有关，,越大建立得越快，但在,J,上引起的位移电流 也越大，,此电流可在,R,br,、,R,dr,上产生,NPN,管导通的正向偏压，从而产生擎住现象 。,预防措施：,I,C,I,CM,，或者增大,R,G,，使关断速度下降，减缓,IGBT,的关断速度，减小重加 值。,擎住效应仿真演示：,绝缘栅双极型晶体管（,IGBT,）,4,、安全工作区,(a) FBSOA(b) RBSOA,其他新型功率开关器件,1,、静电感应晶体管（,SIT,）,2,、静电感应晶闸管（,SITH,或,FCT,）,3,、,MOS,控制晶闸管（,MCT,）,4,、集成门极换流晶闸管（,IGCT,）,5,、功率模块（,PM,）与功率集成电路 （,PIC,）,智能功率模块（,IPM,）,