變頻器常用電力電子器件

.無錫市技工院校 教 案 首 頁授課日期2.24班 組自動化71201課題： 變頻器常用電力電子器件 教學(xué)目的要求： 1. 了解變頻器中常用電力電子器件的外形和符號 2.了解相關(guān)電力電子器件的特性 教學(xué)重點、難點： 重點：1. 認識變頻器中常用電力電子器件 2. 常用電力電氣器件的符號及特性 難點：常用電力電氣器件的特性 授課方法： 講授、分析、圖示 教學(xué)參考及教具（含多媒體教學(xué)設(shè)備）： 變頻器原理及應(yīng)用 機械工業(yè)出版社 王延才主編 授課執(zhí)行情況及分析：在授課中，主要從外形結(jié)構(gòu)、符號、特性等幾方面對變頻器中常用的電力電子器件進行介紹。通過本次課的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生已對常用電力電子器件有了一定的認識，達到了預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。板書設(shè)計或授課提綱變頻器常用電力電子器件一、電力二極管（PD）：指可以承受高電壓、大電流，具有較大耗散功率的二極管。1.結(jié)構(gòu)2.伏安特性3.使用場合二、晶閘管（SCR）1.外形及符號2.結(jié)構(gòu)晶閘管是四層（1122）三端（、）器件。3.晶閘管的導(dǎo)通和阻斷控制導(dǎo)通控制：在晶閘管的陽極A和陰極K間加正向電壓，同時在它的門極G和陰極K間也加正向觸發(fā)電壓，且有足夠的門極電流。要使導(dǎo)通的晶閘管阻斷，必須將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下。三、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1.結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管相似2.門極控制四、電力晶體管（GTR）五、電力MOS場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）1.結(jié)構(gòu)2.特性（1）轉(zhuǎn)移特性：柵極電壓與漏極電流之間的關(guān)系（2）輸出特性：以柵源電壓為參變量，反映漏極電流與漏極電壓間關(guān)系的曲線簇六、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）1.結(jié)構(gòu)2.靜態(tài)特性教 學(xué) 內(nèi) 容備 注復(fù)習(xí)：1.什么是變頻器？2.變頻器有哪些應(yīng)用？新課引入： 變頻器是隨著微電子學(xué)、電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制理論等的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。變頻器的主電路不論是何種形式，都是采用電力電氣器件作為開關(guān)器件。因此，電氣電子器件是變頻器發(fā)展的基礎(chǔ)。本次課我們一起來認識變頻器中常用的電力電子器件。講授新課：一、電力二極管（PD）：指可以承受高電壓、大電流，具有較大耗散功率的二極管。電力二極管與普通二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性相似，但它的主要參數(shù)和選擇原則等不盡相同。1.結(jié)構(gòu) 電力二極管的內(nèi)部也是一個PN結(jié)，其面積較大，電力二極管引出了兩個極，分別稱為陽極A和陰極K。電力二極管的功耗較大，它的外形有螺旋式和平板式兩種。（1）正向特性：當(dāng)從零逐漸增大正向電壓時，開始陽極電流很小，這一段特性曲線很靠近橫坐標(biāo)。當(dāng)正向電壓大于0.5V時，正向陽極電流急劇上升，管子正向?qū)?。如果電路中不接限流元件，二極管將被燒毀。硅二極管的開啟電壓為0.5 V左右，鍺二極管的開啟電壓為0.1 V左右。（2）反向特性：當(dāng)二極管加上反向電壓時，起始段的反向漏電流也很小，而且隨著反向電壓的增加，反向漏電流只是略有增大，但當(dāng)反向電壓增大到反向不重復(fù)峰值電壓值時，反向漏電流開始急劇增加。 2.伏安特性：電力二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。如果對反向電壓不加限制的話，二極管將被擊穿而損壞。3.使用場合電力二極管常用于將交流電變換為直流電的整流電路中，也用于具有回饋或續(xù)流的逆變電路中。二、晶閘管（SCR）：是硅晶體閘流管的簡稱，包括普通晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管和快速晶閘管等。其中普通晶閘管又叫可控硅，常用SCR表示。1.外形及符號晶閘管的種類很多，從外形上看主要由螺栓形和平板形兩種，螺栓式晶閘管容量一般為10200A；平板式晶閘管用于200A3個引出端分別叫做陽極A、陰極K和門極G，門極又叫控制極。2.結(jié)構(gòu)晶閘管是四層（1122）三端（、）器件。3.晶閘管的導(dǎo)通和阻斷控制導(dǎo)通控制：在晶閘管的陽極A和陰極K間加正向電壓，同時在它的門極G和陰極K間也加正向觸發(fā)電壓，且有足夠的門極電流。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，因此門極所加的觸發(fā)電壓一般為脈沖電壓。晶閘管從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過程稱為觸發(fā)導(dǎo)通。門極觸發(fā)電流一般只有幾十毫安到幾百毫安，而晶閘管導(dǎo)通后，從陽極到陰極可以通過幾百、幾千安的電流。要使導(dǎo)通的晶閘管阻斷，必須將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下。三、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）門極可關(guān)斷晶閘管，具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，如耐壓高、電流大、控制功率大、使用方便和價格低；但它具有自關(guān)斷能力，屬于全控器件。在質(zhì)量、效率及可靠性方面有著明顯的優(yōu)勢，成為被廣泛應(yīng)用的自關(guān)斷器件之一。1.結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管相似，也為PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、三端（陽極A、陽極K、門極G）器件。2.門極控制GTO的觸發(fā)導(dǎo)通過程與普通晶閘管相似，關(guān)斷則完全不同，GTO的關(guān)斷控制是靠門極驅(qū)動電路從門極抽出2基區(qū)的存儲電荷，門極負電壓越大，關(guān)斷的越快。四、電力晶體管（GTR）電力晶體管通常又稱雙極型晶體管（BJT），是一種大功率高反壓晶體管，具有自關(guān)斷能力，并有開關(guān)時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點。它被廣泛用于交直流電機調(diào)速、中頻電源等電力變流裝置中，屬于全控型器件。工作原理與普通中、小功率晶體管相似，但主要工作在開關(guān)狀態(tài)，不用于信號放大，它所承受的電壓和電流數(shù)值較大。五、電力MOS場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）電力MOS場效應(yīng)晶體管是對功率小的電力MOSFET的工藝結(jié)構(gòu)進行改進，在功率上有所突破的單極性半導(dǎo)體器件，屬于電壓控制型，具有驅(qū)動功率小、控制線路簡單、工作頻率高的特點。1.結(jié)構(gòu)2.特性（1）轉(zhuǎn)移特性：柵極電壓與漏極電流之間的關(guān)系當(dāng)時，近似為零；當(dāng)，隨著的增大也增大；當(dāng)較大時，與的關(guān)系近似為線性。輸出特性可劃分為4個區(qū)域：非飽和區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)、雪崩區(qū)。在非飽和區(qū)較小，當(dāng)為常數(shù)時，與幾乎呈線性關(guān)系。在飽和區(qū)，漏電流幾乎不再隨漏源電壓變化。當(dāng)大于一定的電壓值后，漏極PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，進入雪崩區(qū)，漏電流突然增大，直至器件損壞。（2）輸出特性：以柵源電壓為參變量，反映漏極電流與漏極電壓間關(guān)系的曲線簇六、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是20世紀80年代中期發(fā)展起來的一種新型器件，它綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，既有GTR耐高電壓、電流大的特點，又兼有單極性電壓驅(qū)動器件MOSFET輸入阻抗高、驅(qū)動功率小等優(yōu)點。目前在20KHz及以下中等容量變流裝置中得到了廣泛應(yīng)用，已取代了GTR和功率MOSFET的一部分市場，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。1.結(jié)構(gòu)2.靜態(tài)特性（1）轉(zhuǎn)移特性：集電極電流與柵射極電壓之間的相互關(guān)系，與電力MOS場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性相似。開啟電壓是IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射極電壓。（2）輸出特性：以柵射電壓為控制變量時，集電極電流與集射極電壓之間的關(guān)系。輸出特性分為3個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。七、智能功率模塊（IPM）：集成電路PIC的一種。它將高速度、低功耗的IGBT、與柵極驅(qū)動器和保護電路一體化，具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小的特點。課堂小結(jié)： 類型器件名稱簡稱不可控器件電力二極管PD半控器件晶閘管SCR全控器件門極可關(guān)斷晶閘管GTO電力晶體管GTR電力MOS場效應(yīng)晶體管P-MOSFET絕緣柵雙極型晶體管IGB