現(xiàn)代電力電子器件及其應(yīng)用

第8章現(xiàn)代電力電子器件及其應(yīng)用本章要求了解常用電力電子器件晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極型晶體管等全控型器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)及其應(yīng)用。本章內(nèi)容電力電子技術(shù)是電力、電子、控制三大領(lǐng)域的交叉學(xué)科。晶閘管已成為目前半導(dǎo)體器件從弱電領(lǐng)域進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域中制造技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最廣泛的器件之一。它主要用于整流器（把交流電壓變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的直流電壓）、逆變器（把直流電壓變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的交流電壓）、斬波器（把固定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的直流電壓）、交流調(diào)壓器（把固定的交流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的交流電壓）等方面。隨著高速晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等全控型器件的問世，晶閘管的應(yīng)用日益廣泛。電子技術(shù)也由傳統(tǒng)的電力電子階段進(jìn)入現(xiàn)代電力電子階段，現(xiàn)代電力電子技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家電子工業(yè)和電力工業(yè)是否現(xiàn)代化的主要標(biāo)志之一。是現(xiàn)代電子技術(shù)中不可或缺的內(nèi)容。本章介紹一些常用的電力半導(dǎo)體器件和應(yīng)用。本章學(xué)時(shí)4學(xué)時(shí)8.1晶閘管本節(jié)學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn)1、晶閘管的工作原理；2、伏安特性及主要參數(shù)：教學(xué)方法首先簡(jiǎn)單介紹晶閘管的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析其工作原理，使學(xué)生了解晶閘管的半控性。教學(xué)手段以電子課件與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握更多的相關(guān)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容8-1晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào)8.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)8-1晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào)晶閘管與二極管相比，它的單向?qū)щ娔芰€受到控制極上的信號(hào)控制。晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-1（a）,它由PNPN四層半導(dǎo)體交替疊合而成，中間形成三個(gè)PN結(jié)。陽(yáng)極A從上端P區(qū)引出，陰極K從下端N區(qū)引出，又在中間P區(qū)上引出控制極（或稱門極）G。圖8-1（b）是晶閘管的符號(hào)。晶閘管中通過陽(yáng)極的電流比控制極中的電流大得多，所以一般晶閘管控制極的導(dǎo)線比陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)線要細(xì)。8.1.2晶閘管的工作原理晶閘管導(dǎo)通的條件是在陽(yáng)極和陰極之間加正向電壓，同時(shí)控制極和陰極之間加適當(dāng)?shù)恼螂妷海▽?shí)際工作中，控制極加正觸發(fā)脈沖信號(hào)）。導(dǎo)通以后的晶閘管，關(guān)斷的方法是在陽(yáng)極上加反向電壓或?qū)㈥?yáng)極電流減小到足夠小的程度（維持電流IH以下）。

8.1.3晶閘管的伏安特性圖8-4晶閘管的伏安特性曲線晶閘管的陽(yáng)極電壓U與陽(yáng)極電流IA之間的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性曲線，如圖8-4圖8-4晶閘管的伏安特性曲線晶閘管導(dǎo)通后，減小陽(yáng)極電流IA，并使IA<IH，晶閘管會(huì)突然從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)向阻斷狀態(tài)。在正常導(dǎo)通時(shí)，陽(yáng)極電流必須大于維持電流IH。在無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，如果在陽(yáng)極和陰極之間加上額定的正向電壓，則在晶閘管內(nèi)只有很小的正向漏電流通過，它對(duì)應(yīng)特性曲線的oa段，以后逐漸增大陽(yáng)極電壓到b點(diǎn)，此時(shí)晶閘管會(huì)從阻斷狀態(tài)突然轉(zhuǎn)向?qū)顟B(tài)。b晶閘管導(dǎo)通后，減小陽(yáng)極電流IA，并使IA<IH，晶閘管會(huì)突然從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)向阻斷狀態(tài)。在正常導(dǎo)通時(shí)，陽(yáng)極電流必須大于維持電流IH。當(dāng)晶閘管的控制極上加上適當(dāng)大小的觸發(fā)電壓UG（觸發(fā)電流IG）時(shí)，晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓會(huì)大大降低，如圖8-5中IG1、IG2所示。觸發(fā)信號(hào)電流越大，晶閘管導(dǎo)通的正向轉(zhuǎn)折電壓就降的越低。晶閘管的反向特性與二極管十分相似,加反向電壓時(shí)，管中只有很小的反向漏電流通過，如圖中Oc段所示，這說明管子處在反向阻斷狀態(tài)。8.1.4晶閘管的主要參數(shù)為了正確地選擇和使用晶閘管，還必須了解它的電壓、電流等主要參數(shù)的意義。晶閘管的主要參數(shù)有以下幾項(xiàng)：額定正向平均電流/F在規(guī)定的散熱條件和環(huán)境溫度及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，稱為正向平均電流IF,I=5sinwtd㈣）=^-mF2兀0m 兀維持電流I口H在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷開情況下，維持晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)的最小電流稱維持電流IH。正向重復(fù)峰值電壓Ur、，F(xiàn)K_M在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電

壓，稱為正向重復(fù)峰值電壓，用UFRM表示。按規(guī)定此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的％80。反向重復(fù)峰值電壓URRM在額定結(jié)溫和控制極斷開時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓，用urrm表示。按規(guī)定此電壓為反向轉(zhuǎn)折電壓UBR的％80。控制極觸發(fā)電壓UG和電流IG在晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間加6V直流正向電壓后，能使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極電壓和控制極電流。浪涌電流Ifsm在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，晶閘管中允許通過的最大正向過載電流，此電流應(yīng)不致使晶閘管的結(jié)溫過高而損壞。在元件的壽命期內(nèi)，浪涌的次數(shù)有一定的限制。8.2可控整流電路本節(jié)學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn)1、單相半波可控整流電路；2、單相橋式半控整流電路：教學(xué)方法通過分析半波可控整流電路的工作原理及輸出波形,使學(xué)生對(duì)晶閘管的單向?qū)щ娍煽靥匦杂辛烁畹牧私?教學(xué)手段以電子課件與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握更多的相關(guān)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容8.2.1單相半波可控整流電路電路組成單相半波可控整流電路如圖8-5(a)所示。工作原理接上電源，經(jīng)過a角度后，在晶閘管的控制極上，,(b)波形圖圖8-5單相半波可控整流電路與波形加上觸發(fā)電壓uG,如圖8-5(b)所示。晶閘管T被觸發(fā)導(dǎo)通負(fù)載電阻中開始有電流通過，在負(fù)載兩端出現(xiàn)電壓"。,見圖8-5(b),(b)波形圖圖8-5單相半波可控整流電路與波形在第二個(gè)周期出現(xiàn)時(shí)，重復(fù)以上過程。晶閘管導(dǎo)通的角度稱為導(dǎo)通角，用3表示。由8-5(b)可知6=n-a。輸出平均電壓U=*jL2U2sin?td(伽)=22U2(1+cosa)=0.45U2-1+C0S"根據(jù)歐姆定律，負(fù)載電阻rl中的直流平均電流為I=U=0.45U1+cosaoRL rl此電流即為通過晶閘管的平均電流。例8-1在單相半波可控整流電路中，負(fù)載電阻為8Q,交流電壓有效值U2=220V,控制角a的調(diào)節(jié)范圍為60。~180。，求：直流輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。晶閘管中最大的平均電流。晶閘管兩端出現(xiàn)的最大反向電壓。解：(1)控制角為600時(shí)，由式(8-1)得出直流輸出電壓最大值

Uo=0.45U2?土產(chǎn)1+cos600 V=0.45x220x =74.252控制角為1800時(shí)得直流輸出電壓為零。所以控制角a在600?1800范圍變化時(shí)，相對(duì)應(yīng)的直流輸出電壓在74.25V?0V之間調(diào)下。I=I=I=I=U=嘗7.42AFoR10oR晶閘管兩端出現(xiàn)的最大反向電壓為變壓器次級(jí)電壓的最大值UFM=U =^2U2=豆X220=311V再考慮到安全系數(shù)2?3倍，所以選擇額定電壓為600V以上的晶閘管。形圖8.2.2單相橋式半控整流電路圖單相橋式半控整流電路與波形(b)形圖8.2.2單相橋式半控整流電路圖單相橋式半控整流電路與波形(b)波2.工作原理其工作原理同上，輸出電壓平均值比單相半波可控整流大一倍。即U=0.9U2?1+?以根據(jù)歐姆定律，負(fù)載電阻rl中的直流平均電流為I=U=0.9U?1+*口

oRl Rl2晶閘管和二極管承受的最高反向電壓均為2u。綜上所述，可控整流電路是通過改變控制角的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓大小的目的，因此，也稱為相控制整流電路。8.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)本節(jié)學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn)1、功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2、功率MOSFET的主要特性

教學(xué)方法首先了解功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而了解其主要特性。教學(xué)手段以電子課件與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握更多的相關(guān)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容8.3.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理功率MOSFET根據(jù)導(dǎo)電時(shí)載流子的種類可分為P溝道和N溝道兩種類型，其電路符號(hào)如圖8-9所示，它有三個(gè)電極：柵極G、源極S和漏極D。功率MOSFET的工作原理與傳統(tǒng)的MOS器件基本相同，當(dāng)柵極和漏極之間加正向電壓時(shí)(UGS>0)，MOSFET內(nèi)溝道出現(xiàn)，在漏極和源極之間加有電壓時(shí)，就有漏極電圖8-9功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的符號(hào)和結(jié)構(gòu)(a)N-MOSFET電路符號(hào) (b)P-MOSFET電路符號(hào) (c)內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.3.2功率MOSFET的主要特性輸出特性指在柵源電壓ugs一定的情況下，漏極電流ID與漏源電壓uds關(guān)系的曲線族，如圖8-10(a)所示。它分為三個(gè)區(qū)：可調(diào)電阻區(qū)I當(dāng)ugs一定時(shí)，漏極電流id與漏極電壓ugs幾乎呈線性關(guān)系。當(dāng)作為開關(guān)器件應(yīng)用時(shí)，工作在此區(qū)內(nèi)。線性放大區(qū)11在該區(qū)中，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID幾乎不隨UDS的增加而加大，ID近似為一常數(shù)。當(dāng)用于線性放大時(shí)工作在此區(qū)內(nèi)。擊穿區(qū)III當(dāng)漏極電壓UDS過高時(shí)，漏極電流ID會(huì)急劇增加。在使用器件時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)此種情況，否則會(huì)使器件損壞。轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性是以漏、源極電壓uds為參變量，反映柵、源電壓ugs與漏極電流id之間的關(guān)系，如圖8-10（b）所示。開關(guān)特性功率MOSFET是單極性電壓控制器件，依靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，與關(guān)斷時(shí)間相聯(lián)系的存儲(chǔ)時(shí)間大大減小，因而具有開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)。8.3.3功率MOSFET的主要參數(shù)1.通態(tài)電阻ronD等于1mA時(shí)的柵極電壓定義為開啟電壓。UT具有負(fù)溫度系數(shù)。2?跨導(dǎo)gm跨導(dǎo)gm和晶體管的。相似，反映了功率MOSFET的柵、源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。定義為：g=AI/AU單位為西門子簡(jiǎn)稱（S）。 " " GS3.漏、源擊穿電壓UrzBDS4.柵、源擊穿電壓Ur亦B^jS5.漏極峰值電流IDM8.4絕緣柵雙極型晶體管本節(jié)學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn)1、絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理2、絕緣柵雙極型晶體管的主要特性及參數(shù)。教學(xué)方法首先了解絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而了解其主要特性及其組成的功率模塊（IPM）的應(yīng)用。教學(xué)手段以電子課件與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握更多的相關(guān)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理N溝道IGBT的結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)如圖8-11所示。它有三個(gè)電極，即控制極G、集電極C和發(fā)射極E。它是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上增加一個(gè)高濃度？+層，形成了四層結(jié)構(gòu)，由PNP-NPN晶體管構(gòu)成IGBT。但是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使NPN不起作用。所以說，IGBT的工作基本與NPN晶體管無(wú)關(guān)，可以認(rèn)為IGBT是以晶體管為主導(dǎo)元件（輸出）、MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件（輸入）的單向達(dá)頓圖頓圖8-11IGBT的符號(hào)和結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu)（b）內(nèi)部電路（c）符號(hào)IGBT的主要特性IGBT的特性可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性主要指IGBT的伏安特性、轉(zhuǎn)移特性，動(dòng)態(tài)特性主要指IGBT的開關(guān)特性。.IGBT的伏安特性當(dāng)以柵極、發(fā)射極之間的電壓UGE為參變量時(shí)，IGBT的集電極電流IC和集電極與IGBT的轉(zhuǎn)移特性是描述集電極電流與控制極、發(fā)射極電壓UCE的關(guān)系曲線，如圖8-13所示。動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性也稱開關(guān)特性，它包括開通過程和關(guān)斷過程。IGBT的開通時(shí)間約為0.5?1.2時(shí)，IGBT的關(guān)斷時(shí)間約為0.55?1.5嚇。IGBT的主要參數(shù)控制極發(fā)射一極擊穿電壓山睡（jE^M這個(gè)參數(shù)表示了IGBT控制極和發(fā)射極之間的耐壓能力，其值一般為±20V左右。集電極一發(fā)射極最高電壓U^mC-EIV1該參數(shù)決定了IGBT的最高工作電壓，目前IGBT的最高工作電壓分為600V、1000V、1200V、1400V、1700V和3300V幾個(gè)檔次。開啟電壓UrpGE（th）開啟電壓是IGBT導(dǎo)通所需要的最低控制極電壓。這個(gè)參數(shù)隨溫度升高而下降，溫度每升高1OC,UGE（th）值下降5mV左右。在常溫時(shí)的開啟電壓一般為2?6V。通態(tài)壓降隊(duì)；）CE（on）IGBT的通態(tài)壓降Uce（on）約為2?5。集電極最大電流Ic；n）該參數(shù)表征IGBT的電流容量。由于IGBT大多工作在開關(guān)狀態(tài)，因而ICM更具有實(shí)際意義，只要不超過額定結(jié)溫（1500C）,IGBT就可以工作在ICM范圍內(nèi)。8.4.4智能型器件IPM在IGBT的基礎(chǔ)上，到20世紀(jì)90年代，具有智能型的功率模塊，即IPM發(fā)展起來，使弱電和強(qiáng)電達(dá)到了完美的結(jié)合，推動(dòng)電子電力進(jìn)入智能化時(shí)代。IPM內(nèi)部由PWM控制電路、故障檢測(cè)和各種保護(hù)電路，以及采用帶有電流傳感器的IGBT芯片組成。IPM的結(jié)構(gòu)框圖如圖8-14所示，它是由兩個(gè)IGBT組成的橋路，集電極和發(fā)射極間并有續(xù)流二極管。IGBT為雙發(fā)射極結(jié)構(gòu)，其中的一個(gè)發(fā)射極是專為檢測(cè)電流而設(shè)的，流過它的電流為集電極電流的1/1000?1/2000,取樣電阻R上的電壓作為檢測(cè)信號(hào)，分別引入過電流保護(hù)和短