电力电子资料第四章

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第四章 全控型电力电子器件
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电力电子器件概述
一、基本模型
在对电能的变换和控制过程中,电力电子器件 可以抽象成下图所示的理想开关模型,它有三个电 极,其中A和B代表开关的两个主电极,K是控制开 关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”
两种情 况,理想状态下, 在通态时其电阻为零, 断态时其电阻无穷大。
➢ 它具有普通晶闸管的全部优点,如耐压高,电流大等。同时 它又是全控型器件,即在门极正脉冲电流触发下导通,在负 脉冲电流触发下关断。
一、可关断晶闸管的结构
与普通晶闸管的相同点:PNPN四层半导体结构,外部引出阳、 阴和门极。不同点:GTO是一种多元的功率集成器件,内部包含 数十个甚至数百个共阳极的小GTO元,
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二、基本特性
(1)电力电子器件一般都工作在开关状态。 (2)电力电子器件的开关状态由外电路(驱
动电路)来控制。 (3)在工作中器件的功率损耗(通态、断态、
开关损耗)很大。为保证不至因损耗散发 的热量导致器件温度过高而损坏,在其工 作时一般都要安装散热器。
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三、电力电子器件的分类
(一)按器件的开关控制特性分
(2)安全工作区
一、二次击穿原理 二次击穿临界线
安全工作区SOA(Safe Operation Area)是指在输出特性曲线
图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。
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①正偏安全工作区FBSOA
正偏安全工作区又叫开通 安全工作区,它是基极正向 偏置条件下由 GTR 的最大允 许集电极电流ICM、最大允许 集 电 极 电 压 BUCEO 、 最 大 允 许 集 电 极 功 耗 PCM 以 及 二 次 击穿功率PSB四条限制线所围 成的区域。
(二) GTR的开关特性
1、开通过程:
1时)间延to迟n。时间td和上升时间tr,二者之和为开通 2电)容td充主电要产是生由的发。射增结大势ib的垒幅电值容并和增集大电d结ib/势dt垒, 可缩短延迟时间,同时可缩短上升时间,从 而加快开通过程 。
2、关断过程:
1)关断时间toff为:存储时间ts和与下降时间tf之和。 2)ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子所消耗时间. 3)减的小幅导值通和时负的偏饱压和,深可度缩以短减储小存储时存间的,载从流而子加,快或关者断增速大度基。极抽取负电流Ib2 4)负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加,从而增大通
这些GTO元的阴极和门极则在器件
内部并联在一起。
(a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形
(b)并联单元结构断面示意图
(c)电气图形符号
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二、可关断晶闸管的工作原理 1)GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一 旦导通之后,门极信号是可以撤除的, 但在 制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于 临界饱和,而不象普通晶闸管那样处于深 饱和状态,这样可以用门极负脉冲电流破 坏临界饱和状态使其关断。 2)在关断机理上与SCR是不同的。门极加 负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通 时储存的大量载流子),强烈正反馈使器件 退出饱和而关断。
IGBT
▪ 附表: 主要电力半导体器件 的特性及其应用领域
开关 功能 不可
控 可控 导通
自关 断型
器件特性概略
5kV/3kA—400Hz
6kV/6kA—400Hz 8kV/3.5kA—光
控SCR 6kV/6kA—
500Hz
600V/70A— 100kHz
1200V/1200A— 20kHz
4.5kV/1.2kA— 2kHz
SIT(静电感应晶体管) 2.双极型:器件内电子与空穴都参与导电。 如:GTR(电力晶体管)
GTO(可关断晶闸管) SITH(静电感应晶闸管) 3.复合型:由双极型器件与单极型器件复合而成 如:IGBT(绝缘栅双极晶体管) MCT(MOS控制晶闸管)
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器件种类 电力
二极管
晶闸管
可关断 晶闸管 MOSFET
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第三节 功率场效应晶体管(Power MOSFET)
1)分为结型场效应管简称JFET)和绝缘栅金属-氧化物半导体场效应管(简称MOSFET)。
2)通常指绝缘栅型中的MOS型,简称电力MOSFET。
3) 电力MOSFET
P沟道 N沟道
耗尽型: 增强型 耗尽型 增强型:
当栅极电压为零时漏 源极之间就存在导电 沟道;
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第四节 绝缘栅双极晶体管(IGBT)
▪ IGBT:绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。
▪ 兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压 降特性两者优点的一种复合器件。
▪ IGBT于1982年开始研制,1986年投产,是发展最 快而且很有前途的一种混合型器件。
对于N(P)沟道器 件,栅极电压大于
(小于)零时才存在
导电沟道
4)特点:输入阻抗高(可达40MΩ以上)、开关速度快,工作频率高(开关频
率可达1000kHz)、驱动电路简单,需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次
击穿问题、安全工作区(SOA)宽;电流容量小,耐压低,一般只适用功率不超
过10kW的电力电子装置。
断的器件,称为全控型器件。 如:门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off
Thyristor )、 功率场效应管(Power MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(Insulated-Gate
Bipolar Transistor)等。
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(二)按控制信号的性质不同分
① 电流控制型器件: ② 电压控制半导体器件:
1.不可控器件:器件本身没有导通、关断控制功能,而需要 根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控 器件。
如:电力二极管(Power Diode); 2.半控型器件:通过控制信号只能控制其导通,不能控制其
关断的电力电子器件称为半控型器件。 如:晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件; 3.全控型器件:通过控制信号既可控制其导通又可控制其关
(一) GTR共射电路输出特性
➢ 输出特性:截止区(又叫阻断区)、
线性放大区、准饱和区和深饱和
区四个区域。 ➢ 截止区:IB<0(或IB=0),UBE<0, UBC<0,GTR承受高电压,且有很小的 穿透电流流过,类似于开关的断态; ➢ 线性放大区:UBE>0,UBC<0, IC=βIB,GTR 应避免工作在线性区以防止大功耗损坏GTR; ➢ 准饱和(临界饱和)区:随着IB的增大,此时UBE>0,UBC<0,但 IC与IB之间不再呈线性关系,β开始下降,曲线开始弯曲; ➢UCE深S很饱小和,区类:似U于BE>开0关, U的BC通>态0,。IB变化时IC不再改变,管压降 10
对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号,又要提 供关断控制信号。 在高压变换电路中,需要时控系统和主电路之间 进行电气隔离,这可以通过脉冲变压器或光耦来 实现。
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一、MOSFET驱动电路
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VDMOS管的输出特性
1)截止区:当UGS<UT(开启电压UT 的典型值为2-4V)时;
2)线性(导通)区:当UGS>UT且漏 极电压UDS很小时,ID和UGS几乎成 线性关系。又叫欧姆工作区;
3)饱和区(又叫有源区):在UGS>UT 时,且随着UDS的增大,ID几乎不变; 4)雪崩区:当UGS>UT,且UDS 增 大到一定值时;
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一、GTR的结构及工作原理
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
✓ 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
✓ 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 。
β——GTR的电流放大系数 I C
IB
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二、GTR的特性与主要参数
应用领域
各种整流装置
炼钢厂、轧钢机、直流输电、 电解用整流器
工业逆变器、电力机车用逆变 器、无功补偿器 开关电源、小功率UPS、小功 率逆变器 各种整流/逆变器(UPS、变频 器、家电)、电力机车用逆变 器、中压变频器
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第一节 电力晶体管(GTR)
基本术语:
➢ 电力晶体管(Giant Transistor——GTR,直译为巨 型晶体管)
② 反偏安全工作区RBSOA
反偏安全工作区又称GTR 的关断安全工作区。它表示 在反向偏置状态下GTR关断 过程中电压UCE、电流 IC 限制 界线所围成的区域 。
GTR正偏安全工作区
GTR的反偏安全工作区 13
第二节 可关断晶闸管(GTO)
➢ 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。
正偏安全工作区FBSOA:IGBT在开通时 为正向偏置时的安全工作区,如图(a)所示。
反偏安全工作区RBSOA:IGBT在关断时 为反向偏置时的安全工作区,如图(b)所示
IGBT的导通时间越长,发热越严重, 安全工作区越小。
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第五节 驱动电路
驱动电路的基本任务:
将电子电路传来的信号按控制目标的要求,转换 为加在电力电子器件控制端和公共端之间,可以使其 开通或关断的信号。
降小。 ▪ 关断: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。
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二、IGBT的特性
IGBT开通:
UGE>UGE(TH)(开启电压,一般为3~6V) ; 其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系;
IGBT关断: UGE<UGE(TH); 安全工作区
态损耗。 5)GTR的开关时间在几微秒以内,比晶闸管和GTO都短很多 。
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(三) GTR的二次击穿和安全工作区
(1) 二次击穿
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。
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,并伴随电压的陡然 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 。
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2.IGBT的工作原理
▪ IGBT也属场控器件,其驱动原 理与电力MOSFET基本相同,是一 种由栅极电压UGE控制集电极电流 的栅控自关断器件。 ▪ 导通:UGE大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟
道,为晶体管提供基极电流IGBT导通。 ▪ 导通压降:电导调制效应使电阻RN减小,使通态压
▪ 1. IGBT的结构
(a):IGBT的结构 (b):简化等效电路 (c):电气符号
➢ 它是在VDMOS管结构的基础上 再增加一个P+层,形成了一个 大JV3D一面M起积OS的构驱P成动+N了结的一J厚1,个基和相区其当P它N于结P 由型J2、 GTR;
➢ IGBT有三个电极: 集电极C、 发射极E和栅极G;
➢ 耐高电压、大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor——BJT),英文有时候也称为 Power BJT。
➢ 在电力电子技术的范围内,GTR与BJT这两个名称 等效
应用:
➢ 20世纪80年代以来,在中、小功率范围内取代晶 闸管,但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
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三、可关断晶闸管的应用
1)GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的 地方,电压、电流容量较大,与普通晶闸管接近,达到兆 瓦级的数量级。
2)使用时必须注意 : ❖ 用门极正脉冲可使GTO开通,用门极负脉冲可以使其关 断,这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电 流比较大,约为阳极电流的1/5左右。 ❖ GTO的通态管压降比较大,一般为2~3V。 ❖ GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型,在使用时 要特别注意。
▪ 目前IGBT产品已系列化,最大电流容量达1800A, 最高电压等级达4500V,工作频率达50kHZ。
▪ 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它 高速低损耗的中小功率领域,IGBT取代了GTR和 一部分MOSFET的市场。
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么么么么方面
▪ Sds绝对是假的
一、绝缘栅双极型晶体管及其工作原理
此类器件采用电流 这类器件采用电压(场控
信号来实现导通或 关断控制。
如:晶闸管、门极可
原理)控制它的通、断,输 入控制端基本上不流过控制 电流信号,用小功率信号就 可驱动它工作。
关断晶闸管、功率 晶体管、IGCT等; 如:代表性器件为
MOSFET和IGBT。
5源自文库
(三)根据内部载流子参与导电的种类分
1.单极型:器件内只有一种载流子参与导电。 如:功率MOSFET(功率场效应晶体管)
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