变频器主电路常用电力半导体器件

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➢ 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
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•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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– 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,其它都因不易控制而难以应用于 实践,称为光控晶闸管(Light Triggered Thyristor—— LTT)。
➢ 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
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2) 电压驱动
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
➢ 按型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)
件 2)
Leabharlann Baidu
件 3)
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单极型器 双极型器 复合型器
由一种载流子参与导电的器件
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
•晶闸管的基本特性
1. 静态特性
总结前面介绍的工作原理,可以简单归纳晶闸
管正常工作时的特性如下:
1) 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。
2) 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。
3) 晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。
4) 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 。
2) 全控型器件
➢ 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( Insulated-Gate Bipolar
•通过Tr控an制sis信tor号——既IG可B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)
接且安装方便 ➢ 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
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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
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•晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
•螺栓型晶闸管
•晶闸管模 块
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•平板型晶闸管外形及结构
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变频器主电路常用电力半导体器件
•晶闸管的基本特性
2. 动态特性
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晶闸管的开通和关断过程波形
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•晶闸管的基本特性
1) 开通过程
➢ 延 迟 时 间 td :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。
有重要地位
➢ 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管, 广义上讲,晶闸管还包括其许多类型的派生器件
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•晶闸管的结构与工作原理
➢ 外形有螺栓型和平板型两种封装 ➢ 引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个联接端 ➢ 对于螺栓型封装,通常螺栓是其阳极,能与散热器紧密联
1-4变频器主电路常用电 力半导体器件
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2020/11/14
变频器主电路常用电力半导体器件
电力、电子器件
➢ 电子技术的基础
电子器件:晶体管和集成电路 电力电子电路的基础
电力电子器件
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变频器主电路常用电力半导体器件
电力电子器件的概念和特征
电力电子电路的基础 —— 电力电子器件
➢驱不动只电能电有压用路两和控。个 电端制流子决信,定号器的来件。控的通制和其断通是断由其, 因在主此电也路就中不承受需的要
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•电力电子器件的分类
➢ 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
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•不可控器件—电力二极管
➢ 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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•PN结与电力二极管的工作原理
➢ 随着门极电流幅值的增大,正向转折 电压降低。
➢ 导通后的晶闸管特性和二极管的正向 特性相仿。
➢ 晶闸管本身的压降很小,在1V左右。
➢ 导通期间,如果门极电流为零,并且 阳极电流降至接近于零的某一数值IH 以下,则晶闸管又回到正向阻断状态。 IH称为维持电流。
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•晶闸管的伏安特性
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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,不仅在器件封装上讲究散热设计, 在其工作时一般都要安装散热器。
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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
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•控
•检测
•电路
电力二极管的伏安特性
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•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。
➢ 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。

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•电力二极管的基本特性
2. 动态特性
➢ 开通过程:
• 电力二极管的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)。 这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。
• 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子, 达到稳态导通前管压降较大。
半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅)
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•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:
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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。
② 电力电子器件一般都工作在开关状态。
③ 实用中,电力电子器件往往需要由信息电子电 路来控制。
1. 概念:
➢ 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
2. 广义上分为两类:
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件)
•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。
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•PN结的形成
•其内漂向两离•空电角空交方的另侧子移扩间荷度间界向少一分。运散电构不电处是子区别这动运荷成同荷电阻(的留些。动量的也建子止对下不扩和达 范 被立和扩 本 了 能散漂到围称的空散区带移运移稳,为电穴运而正动动运定被耗场的动言、的,动值称尽被浓的则负正到最,为层称度,为电、对终形空、为差另多荷负方达成间阻别内一子但电区到了电挡,电方)不荷内动一荷层造场面向能称成态个区或成或又本任为为平稳,势了自吸区意空少衡定按垒各建引运移间子,的所区区电对动电,正由。强的场方,的在荷、空调多,区即杂界。负间的子质面
• 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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有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式,可能导致热击穿。
➢ 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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•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:
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•晶闸管的基本特性
➢ 晶闸管的伏安特性
第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性
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•晶闸管的伏安特性
•IG2>IG1>IG
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•晶闸管的基本特性
1) 正向特性
➢ IG=0时,器件两端施加正向电压,正 向阻断状态,只有很小的正向漏电流 流过,正向电压超过临界极限即正向 转折电压Ubo,则漏电流急剧增大, 器件开通。
• 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压 降。电流上升率越大,UFP越高 。
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•半控器件—晶闸管
➢ 晶 闸 管 ( Thyristor ) : 晶 体 闸 流 管 , 可 控 硅 整 流 器 (Silicon Controlled Rectifier——SCR)
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•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
•制
•电
•驱动
•路
•电路
•V •1 •L •R
•V •2 •主电路
•电力电子器件在实际应用中的系统组成
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•电力电子器件的分类

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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
•➢通过器控件的制关信断号由可其以在主控电制路其中导承通受的而电不压能和控电制流决其定关断。
•晶闸管的基本特性
2) 反向特性
➢ 晶闸管上施加反向电压时,伏安 特性类似二极管的反向特性。
➢ 晶闸管处于反向阻断状态时, 只有极小的反相漏电流流过。
➢ 当反向电压超过一定限度,到反 向击穿电压后,外电路如无限制 措施,则反向漏电流急剧增加, 导致晶闸管发热损坏。
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•晶闸管的伏安特性
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•电力二极管的基本特性
1. 静态特性
➢ 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。
• 1956年美国贝尔实验室(Bell Lab)发明了晶闸管 • 1957年美国通用电气公司(GE)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,开始被性能更好的全控型器件取代 • 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
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
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•晶闸管的结构与工作原理
➢ 晶体管的特性是: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。
➢ 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(门极触发):注入触发电流使晶体管的发射极
•晶闸管的结构与工作原理
Ic1=1 IA + ICBO1
Ic2=2 IK + ICBO2
IK=IA+IG
IA=Ic1+Ic2 ➢ 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
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
电流增大以致1+2趋近于1的话,流过晶闸管的电流
IA(阳极电流)将趋近于无穷大,实现饱和导通。IA实 际由外电路决定。
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•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 • 光直接照射硅片,即光触发
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