電力電子技術(shù)-概述

電力電子技術(shù)概述2023/5/26電力電子技術(shù)概述電子技術(shù)的基礎(chǔ)

———電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路的基礎(chǔ)

———電力電子器件本章主要內(nèi)容：概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)題。介紹常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問(wèn)題。第1章電力電子器件·引言2電力電子技術(shù)概述1.1.1電力電子器件的概念和特征1.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.3電力電子器件的分類1.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.1電力電子器件概述3電力電子技術(shù)概述1）概念:電力電子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。2）分類:

電真空器件

(汞弧整流器、閘流管)

半導(dǎo)體器件

(采用的主要材料硅）仍然1.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件4電力電子技術(shù)概述能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。1.1.1電力電子器件的概念和特征3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：5電力電子技術(shù)概述通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗1.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件的損耗6電力電子技術(shù)概述電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行1.1.2應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路7電力電子技術(shù)概述半控型器件（Thyristor）——通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。1.1.3電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：8電力電子技術(shù)概述電流驅(qū)動(dòng)型

——通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型

——僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1.3電力電子器件的分類

按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：9電力電子技術(shù)概述1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理1.2.2電力二極管的基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類型1.2不可控器件—電力二極管10電力電子技術(shù)概述基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK11電力電子技術(shù)概述二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電容效應(yīng)：12電力電子技術(shù)概述PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理13電力電子技術(shù)概述主要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF

。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4電力二極管的伏安特性1.2.2電力二極管的基本特性1)靜態(tài)特性IOIFUTOUFU14電力電子技術(shù)概述2)動(dòng)態(tài)特性——二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化的——結(jié)電容的存在1.2.2電力二極管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形

a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。15電力電子技術(shù)概述額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1)

正向平均電流IF(AV)16電力電子技術(shù)概述在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3）反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

4）反向恢復(fù)時(shí)間trr

trr=td+tf1.2.3電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降UF17電力電子技術(shù)概述結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內(nèi)。6)浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。1.2.3電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫TJM18電力電子技術(shù)概述1)普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。1.2.4電力二極管的主要類型19電力電子技術(shù)概述簡(jiǎn)稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩