NBA篮球竞猜1-1第一节第一节 电力电子器件概述电力电子器件概述第二节第二节 不可控器件不可控器件————二极管二极管第三节第三节 半控型器件半控型器件————晶闸管晶闸管第四节第四节 典型全控型器件典型全控型器件第五节第五节 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件第六节第六节 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动第七节第七节 电力电子器件的保护电力电子器件的保护第八节第八节 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用本章小结及作业本章小结及作业1-2电力电子电路的基础电力电子器件本章主要内容概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。·1-3一一. . 电力电子器件的概念和特征二二. . 应用电力电子器件的系统组成三三. . 电力电子器件的分类四四. . 本章内容和学习要点电力电子器件的概念和特征应用电力电子器件的系统组成电力电子器件的分类本章内容和学习要点1-41. 概念:电力电子器件Power Electronic Device——可直接用于主电路中实现电能的变换或控制的电子器件。主电路Main Power Circuit——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。

2. 分类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管)半导体器件(采用的主要材料硅电力电子器件1-5能处理电功率的能力一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件一般都要安装散热器。3. 同处理信息的电子器件相比的一般特征1-6通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗电力电子器件的损耗1-7电力电子系统由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行.电气隔离控制电路1-8半控型器件Thyristor——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件IGBT电力电子元件符号电力电子元件符号,MOSFET)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断又称自关断器件。不可控器件(Power Diode)——不能用控制信号来控制其通断电力电子元件符号电力电子元件符号电力电子元件符号, 因此也就不需要驱动电路。

.按照器件能够被控制的程度分为以下三类1-9.电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。按照驱动电路信号的性质分为两类1-10本章内容:介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。学习要点:最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法以及其参数和特性曲线的使用方法。可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。.1-11一一. . PN二二. . 电力二极管的基本特性三三. . 电力二极管的主要参数四四. . 电力二极管的主要类型PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理电力二极管的基本特性电力二极管的主要参数电力二极管的主要类型—1-12 Power Diode结构和原理简单工作可靠自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管分别在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合具有不可替代的地位。—·整流二极管及模块1-13基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。

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由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号. PN1-14状态参数正向导通反向截止反向击穿电流电压阻态正向大维持1V低阻态几乎为零反向大高阻态反向大反向大——二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿. PNPN结的状态1-15主要指其伏安特性门槛电压UTO正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4 电力二极管的伏安特性.1. 静态特性IOIFUTOUFU1-16正向压降先出现一个过冲UFP经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值如 2V。正向恢复时间tfr。电流上升率越大UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程.开通过程关断过程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。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。

NBA篮球竞猜IFUFtFt0trrtdtft1diRdtt2tURURPIRPdiFdt图1-5(b)关断过程1-17额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额并应留有一定的裕量。.1. 正向平均电流IF(AV)1-18在指定温度下流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3. 反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时应当留有两倍的裕量。4. 反向恢复时间trrtrr= td+ tf.2. 正向压降UF1-19结温是指管芯PN结的平均温度用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C范围之内。6. 浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。.5. 最高工作结温TJM1-201. 普通二极管General Purpose Diode又称整流二极管Rectifier Diode多用于开关频率不高1kHz以下的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能特别是反向恢复特性的不同介绍。

.1-21简称快速二极管快恢复外延二极管Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED其trr更短可低于50ns UF也很低0.9V左右但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长后者则在100ns以下甚至达到20~30ns。.2. 快恢复二极管Fast Recovery Diode——FRD1-22肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短10~40ns。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。.3. 肖特基二极管(DATASHEET)以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管Schottky Barrier Diode ——SBD。1-23一一. . 晶闸管的结构与工作原理二二. . 晶闸管的基本特性三三. . 晶闸管的主要参数四四. . 晶闸管的派生器件晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件1-24·1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。

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1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高工作可靠在大容量的场合具有重要地位。晶闸管Thyristor晶体闸流管可控硅整流器Silicon Controlled Rectifier——SCR1-25图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装通常螺栓是其阳极能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。.AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31-26.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1-27.式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理按晶体管的工作原理 得IIGI111CBOAcIIAIIK22Ic2IICBOKcIc21AI1-21-31-41-1)(121CBO2CBO1G2AIIII1-51-28.在低发射极电流下 是很小的而当发射极电流建立起来之后 迅速增大。

NBA篮球竞猜阻断状态IG=01+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话流过晶闸管的电流IA将趋近于无穷大实现饱和导通。IA实际由外电路决定。1-29.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过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中称为光控晶闸管LightTriggered Thyristor——LTT。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况1-30.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。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。要使晶闸管关断只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。晶闸管正常工作时的特性总结如下1-31.1正向特性IG=0时器件两端施加正向电压只有很小的正向漏电流为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo则漏电流急剧增大器件开通。随着门极电流幅值的增大正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小在1V左右。

正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1. 静态特性图1-8 晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG1-32.反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后可能导致晶闸管发热损坏。图1-8 晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2反向特性1-33.1) 开通过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和tgt=td+ tr2) 关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒1-6100%90%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1-7)2. 动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形1-34.断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时允许重复加在器件上的正向峰值电压。

反向重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态峰值电压UT——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。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。使用注意1. 电压定额1-35.通态平均电流 IT(AV——在环境温度为40C和规定的冷却状态下稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流 IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。2. 电流定额1-36.除开通时间tgt和关断时间tq外还有断态电压临界上升率du/dt——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压最大上升率。

NBA篮球竞猜——电压上升率过大使充电电流足够大就会使晶闸管误导通 。通态电流临界上升率di/dt——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。——如果电流上升太快可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3动态参数1-37.有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒快速晶闸管数十微秒高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高不能忽略其开关损耗的发热效应。1. 快速晶闸管Fast Switching Thyristor——FST)1-38.2.双向晶闸管Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode thyristor可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2不用平均值而用有效值来表示其...