电力电子器件概述
电力电子器件
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3.电路如图所示 VT承受正向门级电压,画出负载R上的电压波
5.判断下列图形中何时灯亮,何时不亮? (1)u2为直流电源,上+下-,S未闭合前灯泡亮不亮? 答:不亮。晶闸管虽具有上+、下-导通的条件,但没有触发 电流,所以不能导通。 (2)u2为直流电源,上+、下-,S闭合后灯泡亮不亮?S闭合 后又断开了,灯泡亮不亮? 答:S闭合后灯泡亮。S闭合后又断开了灯泡照常亮。 (3)u2为直流电源,上-、下+,S未闭合前灯泡亮不亮?S 闭合后又断开了灯泡亮不亮? 答:不亮。u2上-、下+,不具备导通的条件。S闭合也不会亮。
IG2
IG1 IG=0 Ubo +UA
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
击穿
损坏。
-IA
• 1.1 使晶闸管导通的条件是什么? 答:使晶闸管导通的条件是:晶闸管承受 正向阳极电压,并在门极注入正向触发电 流。 • 1.2 维持晶闸管导通的条件是什么?怎样 才能使晶闸管由导通变为关断? 答:维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的 电流大于能保持晶闸管导通的最小电流 (即维持电流)。 要使晶闸管由导通变为关断,可通过外加 反向阳极电压或减小负载电流的办法,使 流过晶闸管的电流降到维持电流值以下。
UA IA 正向 导通IHOIG2IG1 IG=0 Ubo +UA
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。
击穿
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
(2)反向特性
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
IA 正向 导通
IH UA O
电力电子器件的概念和特征
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(4)为保证损耗产生的热量不致使器件温度过高而损坏,不仅要考虑器件封装上的散热设计,在其工作时一般也要安装散热器。这是因为导通时器件上有一定的通态压降,形成通态损耗,阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,形成断态损耗,而在器件开通或关断过程中会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。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。
在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,称为主电路( MainPower Circuit),其中的电子器件就是电力电子器件(Power Electronic Device)。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。自20世纪50年代以来,真空管仅还在频率很高(如微波)的大功率高频电源中在使用,而电力半导体器件已取代了汞弧整流器( MercuryArc-Rectifier)、闸流管(Thyratron)等电真空器件,成为绝对主力。因此,电力电子器件往往专指电力半导体器件,采用的主要材料仍然是硅。
同处理信息的电子器件相比,电力电子器件有如下一般特征:
(1)处理电功率的远大于处理信息的电子器件。
(2) -般都工作在开关状态,即导通时(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。这些升关特性和参数,也是电力电子器件的重要特性。
电力电子器件及其应用
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宽禁带半导体材料的应用
总结词
宽禁带半导体材料(如硅碳化物和氮化 镓)在电力电子器件中的应用越来越广 泛。
VS
详细描述
宽禁带半导体材料具有高临界场强和高电 子饱和速度等优点,使得电力电子器件能 够承受更高的工作电压和更大的工作电流 ,同时减小器件的体积和重量,提高系统 的能效和可靠性。
电力电子系统集成化与模块化
压保护、过电流保护和过热保护等。
驱动电路与控制电路设计
总结词
驱动电路和控制电路是电力电子系统中的重要组成部 分,其设计的好坏直接影响到整个系统的性能。
详细描述
驱动电路负责提供足够的驱动信号,使电力电子器件 能够正常工作。在设计驱动电路时,需要考虑信号的 幅度、相位、波形等参数,以确保器件能够得到合适 的驱动信号。控制电路则负责对整个电力电子系统进 行控制和调节,以确保系统能够按照预设的方式运行 。控制电路的设计需要充分考虑系统的动态特性和稳 态特性,并能够根据实际情况进行实时调节。
要点一
总结词
要点二
详细描述
在选择电力电子器件时,电压和电流容量是关键参数。
需要根据电路的工作电压和电流来选择合适的器件,以确 保器件能够安全、有效地运行。选择电压和电流容量过小 的器件可能导致器件过载,影响其性能和寿命;而选择电 压和电流容量过大的器件则可能造成浪费,增加成本。
工作频率与散热设计
总结词
总结词
电力电子系统正朝着集成化和模块化的方向 发展。
详细描述
集成化和模块化可以提高电力电子系统的可 靠性和可维护性,减小系统的体积和重量, 降低制造成本。同时,集成化和模块化还有 利于实现电力电子系统的标准化和系列化, 方便不同系统之间的互连和互操作。
电力电子在分布式发电和微电网中的应用
电力电子器件
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新型电力电子器件电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件,用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。
又称功率电子器件。
20世纪50年代,电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。
60年代发展起来的晶闸管,因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快,而在电力电子电路中得到广泛应用。
70年代初期,已逐步取代了汞弧闸流管。
80年代,普通晶闸管的开关电流已达数千安,能承受的正、反向工作电压达数千伏。
在此基础上,为适应电力电子技术发展的需要,又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件,以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。
各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。
功率二极管是二端(阴极和阳极)器件,其器件电流由伏安特性决定,除了改变加在二端间的电压外,无法控制其阳极电流,故称不可控器件。
普通晶闸管是三端器件,其门极信号能控制元件的导通,但不能控制其关断,称半控型器件。
可关断晶闸管、功率晶体管等器件,其门极信号既能控制器件的导通,又能控制其关断,称全控型器件。
后两类器件控制灵活,电路简单,开关速度快,广泛应用于整流、逆变、斩波电路中,是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。
这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠,而且节能效果十分明显(一般可节电10%~40%)。
单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的,能通过的电流大小也是一定的。
因此,由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。
所以,在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件,其耐压和通流的能力可以成倍地提高,从而可极大地增加电力电子装置的容量。
器件串联时,希望各元件能承受同样的正、反向电压;并联时则希望各元件能分担同样的电流。
电力电子器件的概念
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电力电子器件的概念:直接承担电能的变换或控制的电路称为主电路。
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称为电力电子器件。
电力电子器件的特征:(1)、电力电子器件所能处理电功率的大小,所能承受的电压、电流的能力是其重要参数,一般都大于信息电子器件。
(2)、电力电子器件为减小自身损耗,提高效率,一般都工作在开关状态,通态阻搞接近于短路,电流由外电路决定;断态阻搞接近于断路,电流几乎为零,电压决定于外电路。
(3)、电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
(4)、自由功率损耗远大于信息电子电路,需要良好的散热导热设计。
电力电子器件的系统组成:一般由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。
电力电子器件的分类:1、按能够被控制信号所控制的程度来分类:全控型:既可控制其导通,又可控制其关断(绝缘栅双极晶体管,电力MOSFET)半控型:可以控制其导通,不能控制其关断(晶闸管、其大部分派生器件)不可控型:导通与关断取决于所承受的电流、电压(电力二极管)2、按照驱动电路加在器件控制端的信号性质分类:电压驱动型、电流驱动型3、根据驱动电路加在器件控制端有效信号的波形分类:脉冲触发型、电平控制型4、按照器件内部电子的空穴参与导电的情况:单极型、双极型、复合型电力二极管特征:能承受高电压和大电流(垂直导电结构、低掺杂N区)静态特征:伏安特征动态特征:零偏、正偏、反偏时的过滤过程(图)主要参数:1、正向平均电流I F(AV),正向压降VF,反向重复峰值电压V RRM,最高工作结温T JM,反向恢复时间,浪涌电流。
主要类型:普通二极管(整流二极管)、快恢复二极管、有特基二极管电导调制效应:PN结通过大电流,大量空穴被注入基区,它们来不及和基区中的电子中和就到达负极,使基区电子浓度大幅增加。
——使原始基片的电阻率下降。
晶闸管:正常导通条件:晶闸管承受正向阳极电压,向门极施加触发电流。
关断条件:。
电子行业电力电子器件综合概述
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电子行业电力电子器件综合概述1. 引言电力电子器件是电子行业中的重要组成部分,用于控制和转换电能。
随着电力需求的不断增长,电力电子器件的应用范围也在不断扩大。
本文将对电力电子器件进行综合概述,包括其定义、分类、应用以及未来发展趋势等内容。
2. 电力电子器件的定义电力电子器件是指用于控制和转换电能的电子元件。
它可以将交流电转换为直流电,也可以将电能转换成其他形式,如机械能、光能等。
电力电子器件具有变流、变压、变频等功能,广泛应用于电力系统、工业控制、交通运输等领域。
3. 电力电子器件的分类电力电子器件根据其功能和工作原理的不同,可以分为以下几类:3.1 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的电力电子器件。
它使用半导体器件(如二极管、晶闸管等)将交流电的负半周或正半周去除,使输出电流呈现单向流动的特点。
整流器广泛应用于电力系统、工业设备以及电子产品中。
3.2 逆变器逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子器件。
它通过控制半导体开关器件(如晶闸管、IGBT等)的开关状态,使直流电通过电路产生交流电输出。
逆变器广泛应用于可再生能源发电系统、电动车充电桩、家用电器等领域。
3.3 变频器变频器是一种可控制交流电频率的电力电子器件。
它通过调节半导体开关器件的开关频率,可以实现对交流电输出频率的调节。
变频器广泛应用于交通运输、工业生产等领域,如交流电机调速控制、电动车驱动系统等。
3.4 开关电源开关电源是一种通过开关器件在输入端和输出端之间进行快速切换来实现电能转换的电力电子器件。
开关电源具有高效率、小体积、稳定性好的特点,广泛应用于电子产品、通信设备等领域。
4. 电力电子器件的应用电力电子器件在电力系统、工业生产、交通运输、家用电器等领域都有广泛的应用。
在电力系统中,电力电子器件被用作电网稳定器、无功补偿装置、电力质量调节器等,提高电力系统的稳定性和效率。
在工业生产中,电力电子器件被用于电机调速、电力负荷控制、短路电流限制等,提高生产效率和质量。
电力电子器件的概念和特征同处理信...
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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
2008-5-14
作电路分析时,为简单起见往
上海电往力学用院理电子想技术开教关研室来代替
2
《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.1 电力电子器件概述
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
二.晶闸管工作原理:
?
Ic1=α1 IA + ICBO1 Ic2=α2 IK + ICBO2
IK=IA+IG
IA=Ic1+Ic2
(1-1) (1-2)
G
(1-3) (1-4)
A
P1
N1
N1
P2
P2
N2
K
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN V2
S
EG
IK
EA
上海电力学院 电子技术教研室
15
《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.2 不可控器件——电力二极管
1.2.4 电力二极管的主要类型
1. 普通二极管(General Purpose Diode) 频率不高容量大
又称整流二极管(Rectifier Diode)
多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中 其反向恢复时间较长,一般在5µs以上,
3. 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压
2008-5-14
上海电力学院 电子技术教研室
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《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.2 不可控器件——电力二极管
电力电子器件概述PPT
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2.3 半控型器件—晶闸管·引言
晶闸管(Thyristor):晶体闸流管,可控硅整 流器(Silicon Controlled Rectifier——SCR)
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 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。
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。
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况:
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(Light Triggered Thyristor——LTT)。
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125~175C续一个或几个工频 周期的过电流。
2.2.4 电力二极管的主要类型
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。
2 I G I CBO1 I CBO2
IA
1 ( 1 2 )
(2-10)
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。(形成强烈正反馈,维持器件自锁导通
,不再需要触发电流)
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。
电力电子器件原理
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轨道交通
在城市轨道交通中,电力电子器 件用于实现牵引供电和信号控制 。
在磁悬浮列车中,电力电子器件 可以实现高效的电机控制和能量 回收。
在高速铁路中,电力电子器件用 于实现列车牵引和供电系统的控 制。
在轨道交通的自动化和智能化方 面,电力电子器件也发挥着重要 的作用。
05 电力电子器件的未来发展
智能化与网络化的趋势
智能化
随着人工智能技术的发展,电力电子器件的智能化成为一种趋势。智能化能够提高电力电子系统的自适应性、可 靠性和容错性,实现更加高效和智能的能源管理。
网络化
通过互联网和物联网技术,将电力电子器件与智能终端、云计算等相互连接,实现远程监控、数据采集和智能控 制等功能。网络化的电力电子器件能够提高能源利用效率和可再生能源的接入能力,促进能源的可持续发展。
热特性
最大结温
指电力电子器件在工作过程中所允许的最高结温, 超过此温度将导致器件性能下降或损坏。
热阻
指电力电子器件在工作过程中因温度升高而产生 的热量传导阻力。
散热设计
为确保电力电子器件的正常工作,需要采取有效 的散热措施,如散热片、风冷或液冷等。
安全工作区
安全工作区
指在规定的电源电压和负载电流范围内,电力电子器件能够安全、可靠地工作 而不会发生损坏或性能下降的区域。
新材料与新工艺的应用
新材料
随着科技的发展,新型材料如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN) 等在电力电子器件中的应用越来越广泛。这些新材料具有更高 的热导率、禁带宽度和击穿场强等特点,能够提高电力电子器 件的效率和可靠性。
新工艺
新型工艺技术如薄膜工艺、微纳加工技术等在电力电子器件 制造中逐渐得到应用。这些新工艺能够减小器件尺寸、降低 制造成本和提高集成度,为电力电子器件的发展提供了新的 可能性。
电力电子技术-电力电子器件的原理与特性
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IR
Vo
VS +
-
IZ
DZ
RL
(a)整流
(b)续流
(c)限幅
(d)钳位
图2.6 二极管的整流、续流、限幅、钳位和稳压应用
(e)稳压
本章内容
2.3 晶闸管(SCR)
2. 3 晶闸管
一、名称 ➢晶闸管 (Thyristor) ➢可控硅
(SCR)
二、外形与符号 ➢螺栓式结构 (<200A) ➢平板式结构 (>200A)
• N型半导体: 掺入微量5价元素(磷、锑、鉮等)
自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子。 • P型半导体:
掺入微量3价元素(硼、镓、铟等) 空穴为多数载流子,自由电子为少数载流子。
半导体基础知识
器件原理
• PN结(异型半导体接触现象) • (1)扩散运动(多数载流子)
自由电子由 N区 向 P区 空 穴由 P区 向 N区 (2)漂移运动(少数载流子) 与扩散运动相反
三、SCR的工作原理(续)
(2)按晶体管原理可得:
IA
2 I G I CBO1 I CBO2 1 ( 1 2 )
其中: α1、α2分别是晶 体管T1、T2的共基极电 流增益; ICBO1、ICBO2分 别是晶体管T1、T2的共 基极漏电流。
❖双极型器件:有两种载流子参与导电,如二 极管、 晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。
❖复合型器件:由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成,如IGBT、IPM、MCT等。
➢ 按门极驱动信号的种类(电流、电压)分类: ❖电流控制型器件 如晶闸管、GTO、GTR、 IGCT、SITH等
❖电压控制型器件 如MOSFET、IGBT、IPM、 SIT、MCT等
电力系统中常用电力电子器件
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全控型器件(IGBT,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, 因此也就不需要驱动 电路。
6
电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质,分为两类:
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。
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 :
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
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
有效值相等:工作中实际波形的电流与正向平均电 流所造成的发热效应相等。
15
电力二极管的主要参数
2)正向压降UF
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(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)。
12
电力二极管的基本特性
2) 动态特性
——二极管的电压-电流特性随时间变 化的 ——结电容的存在
F
diF dt td tF t0
trr t1
UF
tf t2 UR t
diR dt IRP U a) RP iF
延迟时间:td= t1- t0,
电流下降时间:tf= t2- t1 反向恢复时间:trr= td+ tf
电压驱动型
电力电子技术2.1-2.2
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5)保护电路:用于保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠工作。 因为主电路中有电压和电流的冲击,而电力电子器 件一般比主电路中的普通器件昂贵,但承受过电压和过 电流的能力却要差一些,所以保护电路的存在是非常必 要的。 6)电气隔离:将主电路和控制电路等进行安全隔离,而 通过光、磁等来传递信号。 因为主电路中电流和电压较大,而控制电路中的元 器件只能承受较小的电压和电流,因此在主电路和控制 电路连接的路径上需要进行电气隔离。例如:驱动电路 与主电路的连接处、与控制信号的连接处,主电路与检 测电路的连接处。
④PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压的变化而变化,呈现电容效应,称 为结电容CJ,又称为微分电容。 结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类: A—势垒电容CB: 它只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,其作 用越明显。 它的大小与PN结的截面积成正比,与阻挡层厚度成反比。 B—扩散电容CD: 它仅在正向偏置时起作用。 在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为结电容的主 要成份,正向电压较高时,扩散电容为结电容的主要成份。 注意:结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态 下,可使其单向导电性变差,甚至不能工作,应用时要注意。
4 电力电子器件的分类
(1)按照器件的开关控制特性分类:分为三类 ①不可控器件:器件本身没有导通、关断控制功能,而是需要根据 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。 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断的器 件,称为全控型器件。 如:门极可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管GTR、功率场效应晶 体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。
电力电子器件
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晶闸管为数十微秒,而高频晶闸管则为10s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,选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
2.3.4 晶闸管的派生器件
I
■双向晶闸管(Triode AC
2.3.3 晶闸管的主要参数
■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是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。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值 电压(即断态最大瞬时电压)UDSM的90%。 ☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 ◆反向重复峰值电压URRM ☞是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。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压 (即反向最大瞬态电压)URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
电子器件
2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
■基本概念 ◆ 20世纪80年代中后期开始,模块化趋势,将多
个器件封装在一个模块中,称为功率模块。 ◆可缩小装置体积,降低成本,提高可靠性。 ◆对工作频率高的电路,可大大减小线路电感,
从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自
时间短、高温特性好、额 定结温高等优点,可用于 不需要阻断反向电压的电 路中。
K G
A
I O
IG=0 U
a)
b)
图2-12 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
2.3.4 晶闸管的派生器件
■光控晶闸管(Light
电力电子器件
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电力电子器件电力电子器件是电力系统中的重要组成部分,它们在电能转换、调节和控制等方面发挥着关键作用。
本文将介绍电力电子器件的分类、工作原理以及在电力系统中的应用。
一、分类根据其功能和特性,电力电子器件可以分为不同类型。
常见的电力电子器件主要包括晶闸管、可控硅、晶闸二极管、IGBT、MOSFET等。
这些器件具有不同的工作原理和特性,适用于不同的电力应用。
二、工作原理1. 晶闸管:晶闸管是一种具有双向导通能力的半导体器件。
它由四个不同极性的层连接而成,通过控制极的激励信号,可以控制晶闸管的导通和截止状态,实现电流的控制和转换。
2. 可控硅:可控硅是一种双向可控的半导体开关。
它可以通过加在控制极上的电流脉冲或电压来控制其导通和截止状态,用于实现交流电的调节和控制。
3. 晶闸二极管:晶闸二极管是一种具有可控导通特性的二极管。
它与普通二极管相比,在导通状态下具有较低的压降和较高的导通电流能力,可以用于实现电流的控制和反向电压的保护。
4. IGBT:IGBT是绝缘栅双极型晶体管的简称。
它结合了晶闸管和MOSFET的优点,既能承受高电压,又具有低导通压降和高开关速度的特性,广泛应用于电力电子和工业控制领域。
5. MOSFET:MOSFET是一种常用的场效应管。
它具有高输入阻抗、低开关损耗和快速响应速度等优点,适用于低功率应用和高频切换。
三、应用电力电子器件在电力系统中的应用广泛。
以下是几个常见的应用领域:1. 逆变器:电力电子器件可以将直流电转换为交流电,实现电能的逆变。
这在再生能源发电系统中尤为重要,可以将太阳能电池板或风力发电机输出的直流电转换为交流电,供电给家庭或工业用电。
2. 变频器:电力电子器件的调节特性使其非常适合用于变频器。
变频器可以根据需要调整电机的转速和运行模式,实现对电机的精确控制,广泛应用于工业和交通领域。
3. 电能质量改善器:电力电子器件可以修复和改善电力系统中的电能质量问题,如电压波动、谐波污染等。
电力电子器件及电力二极管
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在开关电路中,电力二极管作为开关元件,可以通过控制其导通和截止状态来控 制电流的通断,广泛应用于大功率开关设备中,如电机控制器、逆变器等。
保护电路中的应用
总结词
电力二极管在保护电路中起到过压保护、过流保护等作用,保障电子设备和系统的安全运行。
详细描述
在保护电路中,电力二极管具有快速响应和单向导电性等特点,可以用于过压保护、过流保护等,防 止电子设备和系统因过压、过流而损坏。同时,电力二极管还可以用于吸收电路中的浪涌电压和电流 ,提高系统的稳定性和可靠性。
解决方案包括优化器件结构和散热设计,采用先进的散热材料和技术等。
02 03
可靠性
电力电子器件在高电压、大电流环境下工作,对其可靠性的要求极高。 解决方案包括加强器件的材料、工艺和制造过程的质量控制,以及采用 寿命预测和健康管理技术等。
能效
提高电力电子器件的能效是当前的一个重要挑战。解决方案包括优化电 路拓扑和控制策略,采用新型的半导体材料和器件结构等。
电动汽车
电动汽车市场的快速发展为电力电子器件提供了新的应用场景。同时,电动汽车对电力电 子器件的能效、可靠性和集成化程度提出了更高的要求,需要加强相关技术的研发和应用 。
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电力电子器件及电力 二极管
目 录
• 电力电子器件概述 • 电力二极管基础 • 电力二极管的应用 • 电力二极管的选择与使用 • 新型电力电子器件介绍 • 电力电子器件的发展前景与挑战
01
电力电子器件概述
定义Байду номын сангаас分类
定义
电力电子器件是用于转换、控制 和利用电能的电子器件,主要用 于电力系统的控制和调节。
第二章电力电子器件

第4页/共82页
2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的使用特点 从使用角度出发,主要可从以下五个方面考察电力电子器件的性能特点。 (1)导通压降。电力电子器件工作在饱和导通状态时仍产生一定的管耗,管耗 与器件导通压降成正比。 (2)运行频率。受到开关损耗和系统控制分辨率的限制,器件的开关时间越短, 器件可运行的频率越高。 (3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。 (4)耐冲击能力。这主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半控型器件的 耐冲击能力远高于全控型器件。 (5)可靠性。这主要是指器件防止误导通的能力。
普通二极管(Conventional Diode)又称整流二极管(Rectifier Diode), 多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中 2. 快速恢复二极管
恢复过程很短,特别是反向恢复过程很短(一般在5ms以下)的二极管被称 为快速恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD),简称快速二极管。 3. 肖特基势垒二极管
2.3 半控型器件—晶闸管及其派生器件
2. 晶闸管的工作原理 按图2.12所示电路 (1) 当晶闸管承受反向阳极电压时,不论门极承受何种电压,晶闸管都处
于关断状态。 (2) 当晶闸管承受正向阳极电压时,若门极不施加电压,晶闸管也处于关
断状态。即晶闸管具有正向阻断能力。 (3) 要使晶闸管由阻断变为导通,必须在晶闸管承受正向阳极电压时,同
第11页/共82页
2.2 电力二极管
电力二极管的工作原理和基本特性
电力二极管的基本结构都是以半导体PN结为基础。电力二极管实际上是 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。图2.7所示为电力二极 管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看,电力二极管主要有螺栓型和 平板型两种封装。
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5. 反向恢复时间trr 6. 浪涌电流IFSM
1.2.4 主要类型
1. 普通二极管——又称整流二极管 1KHZ以下 数千安和数千伏以上
2. 快恢复二极管 5μs以下 3. 肖特二极管
1.3 半控型器件——晶闸管(SCR)
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
Id
1
2
3
Im
sin td
t
3
4
Im
0.24Im
I
1
2
Im
sin t
2
d
t
0.46Im
3
Kf
I Id
0.46 0.24
1.92
IT ( AV )
100 2
50
Id
1.57 50 1.92
41 A
Im
Id 0.24
41 0.24
171
A
⑵ 维持电流IH 使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。 ⑶ 擎住电流IL ⑷ 浪涌电流ITSM
4. 光控晶闸管LTT
⑴又称光触发晶闸 管,是利用一定 波长的光照信号 触发导通的晶闸 管。
⑵光触发保证了主 电路与控制电路 之间的绝缘,且 可避免电磁干扰 的影响。
⑶在高压大功率的 场合占有重要地位。
1.4 典型全控型器件
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来,电力电子技术进入了一个崭新时代。
不可控器件:电力二极管
半控型器件:晶闸管及其派生器件 全控型器件:功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、
门极可关断晶闸管
⑵ 按照控制信号性质可分为: 电流控制型 电压控制型:控制功率小
⑶ 按照器件内部载流子的类型可分为: 单极型:功率场效应管、静电感应晶体管 特点: 开通、关断时间短,工作频率可达500kHz
典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、 电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
1.4.1 门极可关断晶闸管(GTO) 1. GTO的结构和工作原理
(a1+a2)=1 (a1+a2) > 1 (a1+a2) < 1
临界导通 器件饱和导通 关断
⑴ a2较大,V2控制灵敏,GTO易关断。
I A IC1 IC2 a1I A a2IK
1.7.3 缓冲电路
图1-38 di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形
i C A
B 无缓冲电路
有缓冲电路 D O
图1-39 关断时的负载线
C u
CE
1. 开通缓冲电路 开通缓冲电路
2. 关断缓冲电路
充放电式RCD缓冲电路
箝位式RCD缓冲电路
③栅源电压UGS —— UGS>20V将导致绝缘层击穿 。
④极间电容 ——极间电容CGS、CGD和CDS
⑷ MOSFET的开关速度
①MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 ②可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数,加快开关速度。 ③不存在少子储存效应,关断过程非常迅速。 ④开关时间在10~100ns之间,工作频率可达100kHZ
输入阻抗高,通常大于40MΩ 二次击穿的可能性极小 适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备。
双极型:SCR、GTO、GTR
特点:通态压降较低,阻断电压高,电压和电流 额定值较高。适用于大中容量的变流设备。
复合型:IGBT
特点:电流密度高、导通压降低、输入阻抗高、 响应速度快综合性能较好。
1.1.3 应用电力电子器件系统组成
控
制
控制电路
电
路
检测 电路
保护 电路
驱动 电路
V1
LR
V2 主电路
电气隔离
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
1.2不可控器件—电力二极管 (SR) 1.2.1 电力二极管的结构与工作原理
200A以上的大电流整流管大多采用平板型。
1.2.2 基本特性
快,承受di/dt能力强 。
2. GTO的动态特性
3. GTO的主要参数
⑴ 开通时间ton
1~2s
⑵ 关断时间toff
2s
⑶ 最大可关断阳极电流IATO——GTO额定电流。
⑷ 电流关断增益off
off
I ATO IGM
1.4.2 电力晶体管(GTR)
1. GTR的结构和工作原理
2. GTR的基本特性 静态特性
5V的负偏压
iG
正的门极电流
O
t
图1-28 推荐的GTO门极电压电流波形
图1-29 典型的直接耦合式GTO驱动电路
+15V A
V1 R1
R2
R3
V3 VD1
V2
C1
R4
V4 V5 C2
R5 V6
+10V
VD2
VD3
V
VD4 VS 0V
2.电压驱动型器件的驱动电路
1.7 电力电子器件的保护 1.7.1 过电压的产生及过电压保护
电流容量小、耐压低(10kW)
1.电力MOSFET的结构和工作原理 N沟道增强型
2. 电力MOSFET的基本特性 ⑴静态特性
⑵动态特性 开通过程 关断过程
开关时间 10~100ns 工作频率100KHZ以上
(3)电力MOSFET的主要参数
①漏极电压UDS ——电力MOSFET电压定额
② 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM ——电力MOSFET电流定额
转移特性
U GE
U
GE(th)
UU
FM
CE
⑵动态特性
90%
U
GE
U
GEM
U
GEM
10% U
GEM
0
90%
I
C
I
CM
t
d(on)
I
CM
t
r
t
d(off)
t t
f
10%
I
CM
0
U
CE
t
on
U
CEM
t
fi1
t
fi2
t
t
off
t
fv1
t
fv2
U
CE(on)
O
t
3. 特性和参数特点:
⑴ 开关速度高,开关损耗小。
第2章 电力电子器件
1.1 电力电子器件的概述 1.2 不可控器件—电力二极管 (SR) 1.3 半控型器件——晶闸管(SCR) 1.4 典型全控型器件 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
1.1 电力电子器件的概述 1.1.1电力电子器件的概念和特征
1.静态特性
2.动态特性
i
1.2.3主要参数
1. 额定正向平均电流IF(Av) 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 有效值相等的原则
I F
1
2
0
Im
sin td
t
Im
I
1
2
0
Im
sin t 2
d
t
Im 2
I 1.57IF
2. 正向平均电压UF 3. 反向重复峰值电压URRM
减小到接近于零时,晶闸管关断。
a1= IC1/IA a2= IC2/IK
IA=IC1+IC2+ICBO
IA=a1IA+a2IK+ICBO
IK IA IG
IA
ICB0 a2 IG
1 a1 a2
IG= 0 (a1+a2)很小, IA= ICBO
(a1+a2)≈1
1-(a1+a2)≈0, IG=0,门极失去控制作用
1-(a1+a2)≈1时,晶闸管恢复阻断状态。
1.3.2 晶闸管的基本特性
1. 晶闸管的伏安特性 2. 晶闸管门极伏安特性
3. 动态特性 ⑴ 开通过程 ⑵ 关断过程
1.3.3 晶闸管的主要参数
1. 电压定额 ⑴ 断态重复峰值电压UDRM
UDRM=90% UDSM UDSM<Ubo
⑵ 反向重复峰值电压URRM ⑶ 通态(峰值)电压UTM
1.6.2 晶闸管的触发电路
⑴ 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通
⑵ 触发脉冲应有足够的幅度
⑶ 提供的触发脉冲应不超过晶闸管的电压、 电流和功率定额
⑷ 应有良好的抗干扰性能、 温度稳定性及与主电路的电气隔离
图1-26 理想的晶闸管触发脉冲电流波形
1.6.3 典型全控型器件的驱动电路
uG
O
t
2. 双向晶闸管TRIAC
⑴可认为是一对反并 联联接的普通晶闸 管的集成。
⑵有两个主电极T1和 T2,一个门极G。
⑶在第I和第III象限 有对称的伏安特性。
⑷不用平均值而用有 效值来表示其额定 电流值。
3. 逆导晶闸管 RCT
正向压降小、关断时间短、 高温特性好、额定结温高。
元件数目减少、装置体积 缩小、重量减轻、价格降 低、配线简单、经济性好。
⑵ IGBT的安全工作区比GTR大, 而且具有耐脉冲电流冲击的能力。
⑶ IGBT的通态压降比VDMOSFET低, 特别是在电流较大的区域。
⑷ 输入阻抗高,其输入特性与电力 MOSFET类似。
1.6 电力电子器件的驱动
1.6.1 概述
ID
IC E
R
R1
R
Uin
Uout
E
R1
R
E R1
a)
b)
c)
图1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型