第1章 电力电子器件

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*什么是电力电子技术 *电力电子技术的发展史 *电力电子技术的应用 *教材内容简介和使用说明
1.1 电力电子器件概述
概念和特征(开关状态、散热等)、系统 组成和分类
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1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制电路信号所控制的 程度,分为以下三类:
1) 半控型器件
➢ 晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢电力电子器件(power electronic device) — —可直接用于处理电能的主电路中,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。
➢广义上分为两类:
➢ 门极可关断晶闸管(GTO)
3) 不可控器件
➢ 电力二极管(Power Diode)
➢不动电能只电路用有压。控两和个 电制端信流子决号,定来器的控件。的制通其和通断断是,由因其在此主也电就路不中需承受要的驱 33
按照驱动电路加在器件控制端和公共 端之间信号的性质,分为两类:
1) 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
➢ 开关特性 • 反映通态和断态之间的转换过程
➢ 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。
• 在关断之前有较大的反向电流出现,并伴随有明显的
➢ 作电路分析时,为简单往往用理想开关来代替。
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
(3) 实用中,电力电子器件往往需要由信息电 子电路来控制。
➢在主电路和控制电路之间,需要一定的中间电路对 控制电路的信号进行放大,这就是电力电子器件的 驱动电路。
(4)为保证不致于因损耗产生的热量导致器件温 度过高而损坏,不仅在器件封装上讲究散热 设计,在其工作时一般都要安装散热器。
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电力电子装置结构图(变压器部分)
16
电力电子装置结构图(驱动与保护部分) 17
开关磁阻电动机(SRM)定子、转子结构图 18
6/4极SRM剖面示意图 8/6极SRM剖面示意图 SRM磁场变化示意图
19
SRM控制系统原理图
SRM控制系统结构图
20
SRM控制系统主电路结构图 SRM控制系统主电路通断过程图 SRM运行中振动示意图 21
A K
K
A
K PN
I J
b)
A
c)
a)
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
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原 理
➢ N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。
内电场
。- 。- 。。- 。- 。。- 。- 。。- 。- 。。- 。- 。-
P型区
SRM运行示意图
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1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制电路信号所控制的 程度,分为以下三类:
1) 半控型器件
➢ 晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件
通➢ 过器控件制的信关断号由可其以在控主制电路其中导承通受而的不电压能和控电制流其决关定 断。
2) 全控型器件
➢ 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( Insulated-Gate Bipolar
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空 器件)
半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅) 5
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 同处理信息的电子器件相比,电力电子 器件的一般特征:
(1) 能处理电功率的大小,即承受电压和 电流 的能力是最重要的参数。
➢其处理电功率的能力小至毫瓦(mW)级, 大至兆瓦(GW)级, 大多都远大于处理信 息的电子器件。
• 正向导通时要流过很大的电流,其电流密度较大, 因而额外载流子的注入水平较高,电导调制效应不 能忽略。
• 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。
• 承受的电流变化率di/dt较大,因而其引线和器件
自身的电感效应也会有较大影响。
• 为了提高反向耐压,其掺杂浓度低也造成正向压降 较大。
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上节内容回顾 序论
通➢ 过器控件制的信关断号由可其以在控主制电路其中导承通受而的不电压能和控电制流其决关定 断。
2) 全控型器件
➢ 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( Insulated-Gate Bipolar
通过T控ran制si信sto号r—既—可IGB控T制) 其导通又可控制其关断, 又➢ 称电自力关场断效器应晶件体。管(电力MOSFET)
《电力电子技术》 电子教案
第1章 电力电子器件
第1章 电力电子器件(4学时)
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用
➢导通时器件上有一定的通态压降,形成通态损耗 。
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,形成断 态损耗;
➢ 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和 关断损耗,总称开关损耗;
➢ 对某些器件来讲,驱动电路向其注入的功率也是 造成器件发热的原因之一;
➢ 通常电力电子器件的断态漏电流极小,因而通态 损耗是器件功率损耗的主要成因;
➢ 扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时,当 正向电压较低时,势垒电容为主;正向电压较高时, 扩散电容为结电容主要成分。
➢ 结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状 态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作,应 用时应加以注意。
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原 理
➢ 造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极 管区别的一些因素:
- + ·+ ·+ ·+
- + ·+ ·+ ·+
- + ·+ ·+ ·+
- + ·+ ·+ ·+
- + ·+ ·+ ·+
空间电荷区
N型区
图1-3 PN结的形成
• 扩空交散间界运电处动荷电和建子漂立和移的空运电穴动场的最被浓终称度达为差到别内动,电态造场平 成或衡了自,各建正区电、的场负多,子 空其向间方另电向一荷是区量阻的达 止扩到扩散稳散运定运动值动,,的到形,对成另方了一区一方内个面成稳又为定吸少的引子由对,空方在间区界面 电内两荷的侧构少分成子别的(留范 对 下围本了,区带被而正称言、为则负为电空多荷间子但电)不荷向能区本任,区意按运移所动强,的调即杂的质 角漂离度子移不。运同这动也些。被 不称能为移动耗的尽正层、负阻电挡荷层称或为势空垒间区电。荷。 28
2) 双极型器件 3) 复合型器件
由电子和空穴两种载流子参与导电的器件
由单极型器件和双极型器件集成混合而成 的器件
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1.2 不可控器件—电力二极管
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力 二极管的主要类型
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1.2 不可控器件—电力二极管
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上节内容回顾 1.2 电力二极管
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性
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1.2.2 电力二极管的基本特性
1. 静态特性
I
➢ 主要指其伏安特性
当电力二极管承受的正 向电压大到一定值(门槛电
压UTO),正向电流才开始
明显增加,处于稳定导通状
态。与正向电流IF对应的电 力二极管两端的电压UF即为
➢ 由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同, 可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它 电路元件,如变压器、电感、电容、电阻等,有 不同于普通电路的要求。
3
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类
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1.1 电力电子器件概述
小结
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本章内容和学习要点
➢ 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,然后集中 讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用 这三个问题。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,这是在实际中正确应用电 力电子器件的两个基本要求。
通过T控ran制si信sto号r—既—可IGB控T制) 其导通又可控制其关断, 又➢ 称电自力关场断效器应晶件体。管(电力MOSFET)
➢ 门极可关断晶闸管(GTO)
3) 不可控器件
➢ 电力二极管(Power Diode)
➢不动电能只电路用有压。控两和个 电制端信流子决号,定来器的控件。的制通其和通断断是,由因其在此主也电就路不中需承受要的驱 23
其正向电压降。当电力二极 管承受反向电压时,只有少 子引起的微小而数值恒定的 反向漏电流。
IF
O UTO UF
U
图1-4 电力二极管的伏安特性
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1.2.2 电力二极管的基本特性
2. 动态特性
➢ 动态特性 • 因结电容的存在,三种状态之间的转换必然有一个过 渡过程,此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
(2) 电力电子器件一般ห้องสมุดไป่ตู้工作在开关状态
➢ 导通时(通态)阻抗很小,接近于短路,管压降接 近于零,而电流由外电路决定。
➢ 阻断时(断态)阻抗很大,接近于断路,电流几乎 为零,而管子两端电压由外电路决定。
➢ 电力电子器件的动态特性(也就是开关特性)和参 数,也是电力电子器件特性很重要的方面,有些时 候甚至上升为第一位的重要问题。
2) 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
按照器件内部电子和空穴两种载流子参
与导电的情况分为三类:
1) 单极型器件
由一种载流子参与导电的器件
2) 双极型器件 3) 复合型器件
由电子和空穴两种载流子参与导电的器件
由单极型器件和双极型器件集成混合而成 的器件
➢ PN结的电容效应:
PN结的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应,称为结电容CJ,
又称为微分电容。
结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 。
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原 理
➢ 势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频 率越高,势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN 结截面积成正比,与阻挡层厚度成反比。
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原 理
➢ PN结的正向导通状态
电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低,维持在 1V左右,所以正向偏置的PN结表现为低阻态。
➢ PN结的反向截止状态
PN结的单向导电性。 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
有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式,可能导致热击穿。
按照驱动电路加在器件控制端和公共 端之间信号的性质,分为两类:
1) 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
2) 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
按照器件内部电子和空穴两种载流子参
与导电的情况分为三类:
1) 单极型器件
由一种载流子参与导电的器件
➢ 器件开关频率较高时,开关损耗会随之增大而可 能成为器件功率损耗的主要因素。
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1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
➢电力电子系统:由控制电路、驱动电路和 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
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1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
➢ 控制电路:按系统的工作要求形成控制信 号,通过驱动电路去控制主电路中电力电 子器件的通或断,来完成整个系统的功能;
➢ 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。
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原 理
➢ 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 ➢ 以半导体PN结为基础 ➢ 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
➢ 检测电路:电压传感器PT、电流传感器CT; ➢ 电气隔离:通过光、磁等来传递信号; ➢ 保护电路:过压保护、过流保护;
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电 力 电 子 装 置 结 构 图 ( 正 面 内 部 )
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电 力 电 子 装 置 结 构 图 ( 背 面 内 部 )
13
电力电子装置结构图(控制部分)
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电力电子装置结构图(主回路部分)
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