变频器技术及应用课程教学设计第二章电力电子器件.docx
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变频器技术及应用课程教学设计第二章电力电子器件
第二章电力电子器件
一、教学目标
1、了解主电路、电力电子器件的概念、特征及组成及电力电子器件的分类。
2、掌握PN结的特点、电力二极管的静态特性与动态特性、电力二极管的主要参数和类型、晶闸管的结构、工作原理、基本特性及主要参数和晶闸管的派生器件。
3、熟悉门极可关断晶闸管的基本特性、电力晶体管的基本特性与主要参数、电力场效应管的基本特性和绝缘栅双极晶体管的基本特性。
二、课时分配
本章共5节,安排11课时。
三、教学重点
通过本项目的学习,让学生学习电子电子器件的概念、特征、组成及分类;熟悉电力二极管的工作原理、基本特征、主要参数和类型等;初步认识晶闸管的结构、工作原理及基本特征。
4、教学难点
1、晶闸管的结构、工作原理、基本特性及主要参数
2、电力晶体管的基本特性与主要参数;
3、电力场效应管的基本特性
五、教学内容
任务一认识电力电子器件
阶段一概述
1.基本概念
电力电子器件(powerelectronicdevice)是指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。
广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。
2.电力电子器件的特征
同处理信息的电子器件相比,电力电子器件的一般特征如下。
(1)处理电功率的能力小至毫瓦级,大至兆瓦级,优于处理信息的电子器件。
处理电功率的能力,即承受电压和电流的能力,是电力电子器件最重要的参数。
(2)电力电子器件一般都工作在开关状态。
(3)实际应用中,电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
(4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏,不仅在器件封装上要进行散热设计,在其工作时一般还要安装散热器。
阶段二电力电子器件的系统组成
电力电子系统是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。
控制电路按系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路控制主电路中电力电子器件的通断,来完成整个系统的功能。
在主电路和控制电路连接的路径上,以及主电路与检测电路的连接处,一般都需要进行电气隔离,通过其他手段如光、磁等来传递信号。
器件一般有3个端子(或称极),其中两个连接在主电路中,而第三端被称为控制端(或控制极)。
器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的。
阶段三电力电子器件的分类
1.按照器件能够被控制电路信号所控制的程度分类
按照器件能够被控制电路信号所控制的程度,电力电子器件可分为以下3类。
(1)不可控器件。
不可控器件是指不能用控制信号来控制其通断的器件,如电力二极管(PowerDiode)等。
不可控器件只有两个端子,其通断是由在主电路中承受的电压和电流决定的。
(2)半控型器件。
半控型器件是指通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的器件,如晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件等。
半控型器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。
(3)全控型器件。
全控型器件是指通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件,又称为自关断器件,如绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)、电力场效应晶体管(PowerMOSFET,电力MOSFET)和门极可关断晶闸管(GateTurnOffThyristor,GTO)等。
2.按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号性质分类
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质,分为以下两类。
(1)电流驱动型。
电流驱动型即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。
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。
3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况,电力电子器件可分为以下3类。
(1)单极型器件。
单极型器件是指由一种载流子参与导电的器件。
(2)双极型器件。
双极型器件是指由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。
(3)复合型器件。
复合型器件是指由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。
任务二不可控器件——电力二极管
阶段一PN结与电力二极管的工作原理
电力二极管的基本结构是以半导体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。
其外形、结构和电气图形符号如图所示。
图为电力二极管的外形、结构和电气图形符号
(a)外形;(b)结构;(c)电气图形符号
1.PN结的单向导电性
电力二极管的核心是PN结,其特性即PN结的特性。
在PN结两端加电压,称为给PN结以偏置电压。
PN结的偏置方式不同,表现出的特性也不同。
(1)PN结的正向偏置。
给PN结加正向偏置电压,PN结处于正向导通状态。
(2)PN结的反向偏置。
给PN结加反向偏置电压,PN结处于反向导通状态。
2.造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的因素
电力二极管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didt较大,因而其引线和器件自身的电感效应也会受到较大影响,为了提高反向耐压能力,其掺杂浓度低也造成正向压降较大。
阶段二电力二极管的基本特性
电力二极管的基本特性主要是指其伏安特性,如图所示。
图为电力二极管的伏安特性
当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压UTO)时,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,只有少子引起微小而数值恒定的反向漏电流。
阶段三电力二极管的主要参数
1.正向平均电流IF
在指定的管壳温度(简称壳温,用TC表示)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称为正向平均电流,用IF表示。
2.正向压降UF
正向压降是指电力二极管在指定温度下,流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向电压降,用UF表示。
3.反向击穿电压UB
电力二极管反向电流急剧增加时对应的反应电压称为反向击穿电压。
为安全考虑,在实际工作中,最大反向工作电压一般只按反向击穿电压UB的一半计算。
4.反向重复峰值电压URRM
反向重复峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压,通常是其反向击穿电压UB的23,使用时,往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。
5.最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度,用TJ表示。
最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度,用TJM表示。
TJM通常在125~175℃范围之内。
6.浪涌电流IFSM
浪涌电流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,用IFSM表示。
阶段四电力二极管的主要类型
电力二极管主要是以正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能,特别是反向恢复特性的不同来进行分类的,一般分为普通二极管(GeneralPurposeDiode)、快恢复二极管(FastRecoveryDiode,FRD)和肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode,SBD)。
任务三半控型器件——晶闸管
阶段一概述
晶闸管(Thyristor)全称晶体闸流管,由美国贝尔实验室(BellLaboratories)于1956年发明。
晶闸管的特性是能承受的电压和电流容量高,工作可靠,在大容量的场合具有重要地位。
晶闸管的结构与工作原理
晶闸管有螺栓型和平板型两种封装形式,引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G3个连接端。
晶闸管的外形、结构和电气图形符号如图所示。
对于螺栓型封装,通常螺栓是其阳极,能与散热器紧密连接且安装方便。
图为晶闸管的外形、内部结构和电气图形符号
(a)晶闸管外形;(b)内部结构;(c)电气图形符号
平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
晶闸管工作条件的实验电路及模型如图所示,其各物理量间的关系如下。
图为晶闸管工作条件的实验电路
图为晶闸管的双晶体管模型
式中β1、β2——三极管VT1和VT2的共基极电流增益;
ICBO1、ICBO2——VT1和VT2的共基极漏电流。
晶闸管的特性是指在低发射极电流下β1、β2是很小的,而当发射极电流建立起来之后,β1、β2迅速增大。
阻断状态下IG=0,α1+α2很小。
流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。
除了上述的门极触发外,晶闸管还有以下几种可能导通的情况。
(1)阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。
(2)阳极电压上升率dudt过高。
(3)结温较高。
(4)光直接照射硅片,即光触发。
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,此类晶闸管称为光控晶闸管(LightTriggeredThyristor,LTT)。
其中,只有门极触发(包括光触发)是最精确、迅速而可靠的控制手段。
1.晶闸管的基本特性
(1)静态特性。
晶闸管在承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通;在承受正向电压时,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。
图为晶闸管的伏安特性(IG2>IG1>IG)
(2)动态特性。
晶闸管的动态过程及相应的损耗如图所示。
图为晶闸管的动态过程及相应的损耗
①开通过程。
a.延迟时间td。
延迟时间是从指门极电流阶跃时刻开始,到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。
b.上升时间tr。
上升时间是指阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。
c.开通时间tgt。
开通时间是指延迟时间与上升时间之和,即
tgt=td+tr(2-5)
普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5μs,上升时间为0.5~3μs。
②关断过程。
a.反向阻断恢复时间trr。
反向阻断恢复时间是指正向电流降为0到反向恢复电流衰减至接近于0的时间。
b.正向阻断恢复时间tgr。
正向阻断恢复时间是指晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力所需要的一段时间。
c.关断时间tq。
关断时间是指反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间之和,即
tq=trr+tgr(2-6)
普通晶闸管的关断时间约几百微秒。
2.晶闸管的主要参数
(1)电压定额。
①断态重复峰值电压UDRM。
断态重复峰值电压是指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,用UDRM表示。
②反向重复峰值电压URRM。
反向重复峰值电压是指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,用URRM表示。
③通态(峰值)电压UTM。
通态(峰值)电压是指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,用UTM表示。
(2)电流定额。
①通态平均电流(额定电流)IT(AV)。
通态平均电流是指晶闸管在环境温度为40℃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。
正弦半波电流平均值IT(AV)、电流有效值IT和电流最大值Im3者的关系为
IT(AV)=12π∫π0Imsinωtd(ωt)=Imπ(2-7)
IT=12π∫π0(Imsinωt)2d(ωt)=Im2(2-8)
各种有直流分量的电流波形,其电流波形的有效值I与平均值Id之比,称为这个电流的波形系数,用Kf表示。
因此,在正弦半波情况下电流波形系数为
Kf=ITIT(AV)=π2=1.57(2-9)
所以,晶闸管在流过任意波形电流并考虑了安全裕量的情况下,额定电流IT(AV)的计算公式为
IT(AV)=(1.5~2)IT1.57(2-10)
常见的4种波形Kf值与100A晶闸管允许电流平均值见表。
表为种波形的Kf值与100A晶闸管允许电流平均值
由于晶闸管的电流过载能力极小,在选用时要至少考虑1.5~2倍的电流裕量,即
1.57IT(AV)=ITn≥(1.5~2)ITm(流过管子的最大有效电流)
所以IT(AV)≥(1.5~2)ITm1.57(211)
②维持电流IH。
维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流,用IH表示,一般为几十到几百毫安,与结温有关,结温越高,IH越小。
③擎住电流IL。
擎住电流是指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,用IL表示。
对于同一晶闸管来说,通常IL约为IH的2~4倍。
④浪涌电流ITSM。
浪涌电流是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,用ITSM表示。
(3)动态参数。
除开通时间tgt和关断时间tq外,动态参数还包括通态电压临界上升率和通态电流临界上升率等。
①通态电压临界上升率dudt。
通态电压临界上升率是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,用dudt表示。
在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时,相当于一个电容的J2结会有充电电流流过,称为位移电流。
此电流流经J3结时,起到类似门极触发电流的作用。
②通态电流临界上升率didt。
通态电流临界上升率是指在规定条件下,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,则晶闸管刚一开通,便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内,从而造成局部过热而使晶闸管损坏。
3.晶闸管的派生器件
(1)快速晶闸管(FastSwitchingThyristor,FST)。
快速晶闸管是指专为快速应用而设计的晶闸管,有快速晶闸管和高频晶闸管两类,其管芯结构和制造工艺进行了改进,开关时间、dudt和didt等参数都有明显改善。
(2)双向晶闸管(TriodeACSwitch,TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)。
双向晶闸管可看做是一对反并联连接的普通晶闸管的集成,有两个主电极T1和T2,一个门极G。
正、反两方向均可触发导通,所以双向晶闸管在第I和第III象限有对称的伏安特性,如图所示。
图为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
(3)逆导晶闸管(ReverseConductingThyristor,RCT)。
逆导晶闸管是指将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件,具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点,其电气图形符号和伏安特性如图所示。
逆导晶闸管的额定电流有两个,一个是晶闸管电流,一个是反并联二极管的电流。
图为逆导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
(4)光控晶闸管(LightTriggeredThyristor,LTT)。
光控晶闸管又称为光触发晶闸管,是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管,其电气图形符号和伏安特性如图所示。
图为光控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
小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子,大功率光控晶闸管还带有光缆,光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。
任务四全控型器件
阶段一门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管(GateTurnOffThyristor,GTO)是在晶闸管问世后不久出现的,是晶闸管的一种派生器件,它可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断,其外形如图所示。
GTO的电压、电流容量较大,与普通晶闸管接近,因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
图为门极可关断晶闸管外形
阶段二电力晶体管
电力晶体管(GiantTransistor,GTR,巨型晶体管)的外形如图所示。
图为电力晶体管外形
1.GTR的结构和工作原理
GTR与普通的双极结型晶体管基本的原理是一样的,通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构,采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成,主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
GTR一般采用共发射极接法,集电极电流ic与基极电流ib之比为
β=iciv(2-12)
式中β——GTR的电流放大系数,它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。
2.GTR的基本特性
(1)静态特性。
GTR的基本特性是指其在共发射极接法时的典型输出特性,如图所示。
在电力电子电路中,GTR工作在开关状态,即工作在截止区或饱和区。
在开关过程中,即在截止区和饱和区之间过渡时,要经过放大区。
图为共发射极接法时GTR的静态特性
(2)动态特性(见图)。
图为GTR的开通和关断过程电流波形
①开通过程。
延迟时间td和上升时间tr之和称为开通时间ton。
②关断过程。
储存时间ts和下降时间tf之和称为关断时间toff。
3.GTR的主要参数
GTR的主要参数主要有电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff等,此外还有最高工作电压、集电极最大允许电流、采电极最大耗散功率等。
(1)最高工作电压。
(2)集电极最大允许电流IcM。
(3)集电极最大耗散功率PcM。
4.GTR的二次击穿现象与安全工作区
(1)一次击穿。
集电极电压升高至击穿电压时,Ic迅速增大,出现雪崩击穿;只要Ic不超过限度,GTR一般不会损坏,工作特性也不变。
(2)二次击穿。
一次击穿发生时,Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升,并伴随电压的突然下降,常常立即导致器件的永久损坏,或者工作特性明显衰变。
(3)安全工作区(SafeOperatingArea,SOA)。
安全工作区是指在特性曲线中最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线所限定的区域,如图所示。
图为GTR的安全工作区
阶段三电力场效应晶体管
电力场效应管(FieldEffectTransistor,FET)分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET),简称电力MOSFET(PowerMOSFET)。
结型电力场效应晶体管一般称为静电感应晶体管(StaticInductionTransistor,SIT)。
电力MOSFET电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
1.电力MOSFET的结构
(1)按导电沟道分,电力MOSFET可分为P沟道和N沟道两种类型,其结构和电气图形符号,如图所示。
耗尽型MOSFET当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道,而增强型MOSFET在栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道。
(a)内部结构断面示意(b)电气图形符号
电力MOSFET主要是N沟道增强型,导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电,是单极型晶体管。
(2)按垂直导电结构的差异,电力MOSFET又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET(VerticalDoublediffusedMOSFET)。
2.电力MOSFET的工作原理
截止状态下,漏源极间加正电压,栅源极间电压为零。
此时,P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过。
导电状态下,在栅源极间加正电压UGS。
栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。
3.电力MOSFET的基本特性
(1)静态特性。
①漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性,如图217(a)所示,ID较大时,ID与UGS的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导Gfs。
②MOSFET的漏极伏安特性(输出特性)如图217(b)所示,主要分为截止区(对应于GTR的截止区)、饱和区(对应于GTR的放大区)和非饱和区(对应于GTR的饱和区)。
图为电力MOSFET的转移特性和输出特性
(a)转移特性;(b)输出特性
(2)动态特性(见图)。
①开通过程。
开通延迟时间td(on)是指脉冲信号源前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时间段;上升时间tr是指uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。
iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定,UGSP的大小和iD的稳态值有关。
开通时间ton是指开通延迟时间与上升时间之和。
②关断过程。
关断延迟时间td(off)是指从脉冲信号源下降到零起,电容通过Rs和RG放电,uGS按指数曲线下降到UGSP时,iD从开始减小到停止的时间段;下降时间tf是指uGS从UGSP继续下降起,iD减小,到uGS 图为电力MOSFET的动态特性波形 ③MOSFET的开关速度。 MOSFET的开关速度和电容充放电有很大关系。 开关频率越高,所需要的驱动功率越大。 4.电力MOSFET的主要参数 电力MOSFET的主要参数包括跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf,除此之外,还有以下参数。 (1)电力MOSFET的额定电压。 电力MOSFET的额定电压是指漏极电压UDS。 (2)电力MOSFET的额定电流。 电力MOSFET的额定电流包括两部分,即漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM。 (3)栅源电压UGS。 电力MOSFET栅源之间的绝缘层很薄,一般来讲,当UGS>20V时,将导致绝缘层击穿。 (4)极间电容。 极间电容包括CGS、CGD和CDS,这些电容都是非线性的。 阶段四绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管(InsulatedgateBipolarTransistor,IGBT或IGT)是对两类器件取长补短结合而成的复合器件——Bi-MOS器件,其外形如图所示。 图为绝缘栅双极晶体管外形 绝缘栅双极晶体管(IGBT)复合了GTR和MOSFET二者的优点,具有良好的特性。 1986年IGBT投入市场后,取代了GTR和一部分MOSFET的市场,成为中小功率电力电子设备的主导器件。 1.IGBT的结构和工作原理。 IGBT为三端器件,具有三端器件,具有栅极G、集电极C和发射极E,其结构、简化等效电路和电气图形符号如图所示。 (a)内部结构断面示意图(b)简化等效电路(c)电气图形符号 简化等效电路表明,IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构,一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。 IGBT驱动原理与电力MOSFET基本相同,通断由栅射极电压UGE决定。 栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。 2.IGBT的基本特性 (1)IGBT的静态特性。 ①转移特性。 IC与UGE间的关系称为IGBT的转移特性,如图(a)所示,与MOSFET的转移特性类似。 ②输出特性(伏安特性)。 以UGE为参考变量时,IC与UCE间的关系称为IGBT的输出特性,如图(b)所示。 输出特性分为3个区域,即正向阻断区、有源区和饱和区。 分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。 当uCE<0时,IGBT为反向阻断工作状态。 (a)转移特性(b)输出特性 (2)IGBT的动态特性(见图)。 图为IGBT的动态特性 ①IGBT的开通过程。 从uGE上升至其幅值10%的时刻,到iC上升至10%ICM,这段时间称为开通延迟时间td(on);iC从10%ICM上升至90%I
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