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第1页
辽宁冶金职业技术学院讲稿
教学内容备注
组织上课(2
供电→变流→系统
分钟)
专业基础课:
电路原理、电子技术、电机拖动、变流、自控原理、PLC等
专业课:
电力传动控制系统、供电、DCS、检测技术2、电力电子技术的概念
理论教学(43
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。
就是利用电力电子器件对
电能进行变换和控制的技术。
包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。
1)整流器:
把交流电压变为固定的或可调的直流电压。
(ACDC)
2)逆变器:
把固定直流电压变为固定的或可调的交流电压。
(DCAC)
3)斩波器:
把固定直流电压变为可调直流电压。
(DCDC)
4)交流调压器:
把固定交流电压变为可调的交流电压。
(ACAC)
5)变频器:
把固定的交流频率变为可调的交流频率。
3、电力电子技术的发展
1)晶闸管:
2)全控型器件:
门极可关断晶闸管(GTO);
电力双极型晶体管(BJT、
GTR);
电力场效应晶体管(电力MOSFE)T
3)复合型器件:
绝缘栅极双极型晶体管(IGBT);
MOS控制晶闸管(MCT);
集成门极换流晶闸管(IGCT);
4)功率集成电路(PIC)
1)工业应用:
如调速、直流电源、中高频感应加热电源等;
2)交通运输
1、电力电子器件
电功率的大小是其最主要的参数
一般工作在开关状态
由信息电子电路来控制
自身的功率损耗较大,一般要考虑器件的散热
2、电力电子器件的分类
按照电力电子器件控制电路信号的程度分:
不可控型器件:
电力二极管
半控型器件:
晶闸管
全控型器件(自关断器件):
按照控制信号的性质分:
电流驱动型:
GTR、GTO
电压驱动型:
电力MOSFE、TIGBT
按照器件内部载流子参与导电的情况分为:
单极型器件:
电力MOSFE、T静电感应晶体管(SIT)
双极型器件:
电力二极管、晶闸管、GTO、GTR、静电感应晶闸管(SITH)
复合型(混合型)器件:
IGBT、MCT
第2页
1、工作原理:
与普通二极管相同
复习相关知识
2、基本特性:
静态特性和动态特性
(5分钟)
3、主要参数:
正向平均电流IF(AV)、正向压降UF、反向重复峰值电压URRM等
1、晶闸管的结构:
四层三端半导体器件
理论教学(40
晶闸管是一种大功率的四层三端半导体器件。
四层:
由P、N、P、N四层半导体组成,依次构成三个PN结。
三端:
有三个接线端子(电极),即阳极A、阴极K、门极G
其内部结构和符号如图所示
A
p
1
K
G
n
2
符号K
晶闸管的内部结构
2、晶闸管的外形
常用晶闸管的外形有螺栓式和平板式两种,其优缺点如下:
螺栓式:
安装、更换方便,但散热效果差。
平板式:
散热效果好,但安装、更换比较麻烦。
3、基本特性:
静态特性:
晶闸管导通条件:
应同时具备正向阳极电压和正向门极电压。
晶闸管关断条件:
阳极电流小于管子的维持电流。
具体实现方法:
①阳极电压减小到零或加反向电压。
②增大回路负载电阻。
晶闸管导通以后门极失去作用。
第3页
课题名称§
1.3晶闸管
课次第
(2)次课课时2
教学目标掌握晶闸管的工作特性和主要参数
晶闸管的工作原理、工作特性和主要参数
晶闸管的伏安特性
晶闸管的主要参数
额定电压UTn额定电流IT(AV)
教学基本内容
门极触发电流IGT和门极触发电压U
GT
与教学设计
通态平均电压UT(AV)
维持电流IH与掣住电流I
L
(平均值、有效值、波形系数的计算)
晶闸管的型号
教学手段实物
课外学习安排作业3道题
学习效果评测主要内容下次课以提问方式进行复习,要求通过作业掌握
第4页
组织上课,点
名(2分钟)
复习(5分钟)
i
a
正向特性
U
R0
RRM
I
H
IG1II
G2
G0
u
理论教学(33
O
UUU
U
B2B1DRM
B0
反向特性
图中:
UB0——正向转折电压
UDSM——正向阻断不重复峰值电压
UDRM——正向阻断重复峰值电压;
等于90%UDSM
UR0——反向击穿电压
URSM——反向不重复峰值电压
URRM——反向重复峰值电压;
等于90%URSM
动态特性:
开通过程
关断过程4、主要参数
电压定额、电流定额、动态参数;
1)晶闸管的额定电压UTn
晶闸管的额定电压UTn是取UDRM和URRM中较小的一个。
选择晶闸管的额定电压时应考虑安全余量(2~3倍),即选实际工作时
最大电压的2~3倍。
2)晶闸管的额定电流IT(AV)
晶闸管的额定电流用一定条件下的最大通态平均电流来标定。
平均值
波形在一个周期内的平均值
Id
m
sin
td
(
t)
第5页
有效值,即为“方均根”
1Im
(Imsint)d(t)
22
波形系数:
有效值与平均值之比为波形系数。
k
f
d
1.57
理论教学(50
注意:
Id、IdT、IT(AV)及I、IT、ITn的区别
Id:
负载电流平均值I:
负载电流有效值
IdT:
晶闸管平均电流IT:
晶闸管有效电流
IT(AV):
晶闸管的额定电流ITn:
晶闸管的额定电流有效值
(举例)
3)门极触发电流IGT和门极触发电压UGT
在室温下,晶闸管施加6V正相阳极电压时,使元件完全开通所必须的最
小门极电流,称为门极触发电流,对应于门极触发电流时的门极(触发)电
压,称为门极触发电压。
4)通态平均电压UT(AV)
晶闸管通以额定电流时,阳极和阴极间电压降的平均值,称为通态平均
电压(管压降)。
5)维持电流IH与掣住电流IL
维持电流IH:
使晶闸管维持通态所必须的最小阳极电流。
掣住电流IL:
晶闸管从断态转入通态,并且移除触发信号后能维持通态所
必须的最小电流。
一般IL=(2~4)IH。
5、型号
K字母数字-数字字母
通态平均电压组别
额定电压等级(乘100即为额定电压)
额定电流
P:
普通型;
K:
快速型;
S:
双向型;
N:
逆导型;
G:
可关断型
表示闸流特性
第6页
1.4全控型电力电子器件
课次第(3)次课课时2
教学目标
认识典型全控型器件,如GTO、GTR、IGBT等,重点掌握器件的工作特性
和主要参数
器件的工作原理、工作特性和主要参数。
一、门极可关断晶闸管(GTO)
1、结构和工作原理
2、GTO的动态特性
3、GTO的主要参数
二、电力晶体管(GTR)
2、GTR的基本特性:
教学基本内容3、GTR的主要参数
三、IGBT
1、IGBT的结构和工作原理
2、IGBT的基本特性:
3、IGBT的主要参数
4、IGBT的锁定效应
课外学习安排自学典型全控型器件的相关内容
第7页
GTO是一种具有自关断能力的闸流特性功率半导体器件。
既具有普通晶闸管的耐压高、电流大的优点,又具有GTR的一些优
点,如具有自关断能力、频率较高、使用方便等。
主要应用在大功率直流斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。
1.GTO的结构及工作原理
GTO的结构与普通晶闸管相似,也是PNPN四层三端半导体器件,三端A、
G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。
与普通晶闸
GTO(30分钟)
管不同的是,可以从门极抽出电流而使其关断。
GTO的触发导通原理与普通晶闸管相似,当阳极加
正向阳极电压、门极加触发信号后可使GTO触发导通。
因此,通过门极加正触发信号使GTO触发导通,通过门
内容主要以自
学为主
极加负触发信号使GTO关断。
GTO的符号
2.GTO的主要特性
GTO的阳极伏安特性与普通晶闸管相似
GTO的动态特性如图所示,由图可以看出,GTO的开通时间
t包括延迟
on
时间
t和上升时间tr,其大小取决于器件特性、门极电流上升率以及门极信
号的幅值大小。
GTO的关断过程包含三个时间区间,即存储时间
t、下降时
s
间
t和尾部时间tt,其中存储时间ts和下降时间tf的和定义为关断时间toff。
iG
Ot
iA
tdtrtstftt
IA90%IA
10%IA
t0t1t2t3t4t5t6
GTO开通和关断的电流波形
3.GTO的主要参数
GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同,不同的主要参数叙述如下:
(1)最大可关断阳极电流
ATO
即管子的铭牌电流,在实际应用中,它受如下因素的影响:
门极关断负
电流波形、阳极电压上升率、工作频率及电路参数的变化等。
(2)电流关断增益
off
为最大可关断阳极电流
I与门极最大负电流IGM之比。
off表示GTO的
关断能力,off值越大,说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。
第8页
GTR是一种双极型大功率晶体管,因此也称为功率晶体管或双极型
晶体管(BJT)。
具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点;
因此广泛应用在交直流调速、不间断电源、中频电源以及家用电器
等中小容量的变流装置中。
在中小功率应用方面,是取代晶闸管的
GTR(30分钟)
自关断器件之一。
常用的电力晶体管有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块三大系列。
1)单管GTR:
结构有PNP和NPN两
C集电极C
种。
要求有足够大的容量(大电流、高
电压)、适当的增益、较高的开关速度和
基极BB较低的功率损耗等,因此在GTR的制造
过程中采取了特殊的措施以保证功率应
E发射极E
用的需要,如扩大结片的面积、采用特
PNPNPN
殊形状的管芯图形、精细结构等制造工
GTR符号示意图
艺。
2)达林顿结构的GTR:
解决单管GTR
的电流增益较低的问题。
达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成,可以是
PNP型也可以是NPN型,其性质由驱动管决定。
与单管GTR相比,达林顿GTR
提高了电流增益,但饱和压降增加,且开关时间增加。
实用达林顿电路是将
达林顿结构的GTR、稳定电阻R1、R2、加速二极管VD1和续流二极管VD2等制
作在一起。
3)GTR模块:
作为大功率开关应用最多的还是GTR模块。
为了改善器件
的开关过程和并联使用方便,中间级晶体管的基极均有引线引出。
2.GTR的主要特性
GTR的主要特性可分为静态特性和动态特性。
静态特性中主要分析典型
的双极型晶体管集电极输出特性,即
集电极伏安特性,分为四个区域:
截
C
临
IB4
止区、放大区、临界饱和区、饱和区。
饱
和
界
IB3
GTR作为开关使用时,交替工作在饱
和区和截止区,在状态转换过程中必
区
放大区I
IB2
B增加
B1
须快速地通过放大区和临界饱和区。
GTR的动态特性主要指开关特
IB=0
性。
GTR的开通时间
t、关断时间toff
及集电极电压上升率du/dt是动态过
程中的重要参数。
一般开通时间比关
断时间短,容量越大,开关时间也越
截止区
OU
GTR共射极电路的输出特性曲线
CE
长,但仍比快速晶闸管短。
为了抑制过高的du/dt对GTR的危害,使用时可
在集-射极之间并联阻容缓冲电路。
第9页
3.GTR的额定参数
GTR的额定参数主要包括最高电压额定值、最大电流额定值和最大散耗
功率。
(1)最高电压额定值
最高电压额定值即最高集电极电压额定值,它的大小不仅与器件本身的
特性有关,而且还取决于基极回路的接线方式。
下图所示为GTR的不同接线
方式,对应的最高电压额定值用BUCEO、BU、BUCER、BUCEX和BUCBO表示,
CES
一般情况下:
BU
CEXBUBUBUBU
CBOCESCER
CEO
BUBUBU
CEOCES
CER
BUBUCBO
CEX
GTR的不同接线方式
在GTR产品目录中
BU作为电压额定值给出,实际应用时必须考虑一
定的裕量,GTR的电压额定应满足
CEO(2~3)U
M
式中
U为GTR实际承受的最高电压。
(2)最大电流额定值
CM
最大电流额定值即允许流过集电极的最大电流值。
为了提高GTR的输出
功率,集电极输出电流应尽可能地大,但是集电极电流大,则要求基极注入
的电流大,这将会使GTR的电气性能变差,甚至损坏器件。
因此在实际应用
电路中,为了确保使用的安全与稳定,GTR的最大电流额定值应满足
CM(2~3)I
CP
I为流过GTR的电流峰值。
同样,基极电流也有最大额定值的规定,常用
I表示,通常取
BM
IBM(1/2~1/6)I。
(3)最大散耗功率
P
最大散耗功率
P是指GTR在最高允许结温时所对应的散耗功率,它受
结温的限制,其大小由集电极工作电压和集电极电流的乘积决定。
由于这部
分能量将转化为热能并使GTR发热,因此,GTR在使用中的散热条件是十分
重要的。
第10页
IGBT是一种复合型器件。
它将MOSFE和TGTR的优点集于一身,既具有输入阻抗高、工作速度
快、热稳定性好和驱动电路简单、驱动电流小等优点,又具有通态
电压低、耐压高和承受电流大等优点。
在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域,IGBT
已逐步取代功率MOSFE和TGTR。
1.IGBT的结构及工作原理
+层发射极,形成PN结JIGBT是在功率MOSFE的T基础上增加了一个P
并由此引出集电极C,栅极G和发射极E。
E发射极G栅极
C
IGBT(30分钟)
J
3
J2
+
N
N-
-
体区
漂移区
缓冲区
UJ1+
Udr
ID-+
R
dr
N沟道
E
J1
注入区
P沟道
E
C集电极
a)b)c)
IGBT示意图
a)IGBT结构剖面图b)N-IGBT的等效电路c)图形符号
IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。
栅极施以正电压时,MOSFE内T形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,
+区注入到N-区的空穴对N-区进行电导调制,
从而使IGBT导通。
此时,从P
减小Ndr,使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。
-区的电阻R
在栅极上施以负电压时,MOSFE内T沟道消失,PNP晶体管的基极电流被
切断,IGBT关断。
2.IGBT的工作特性
IGBT的工作特性包括静态特性和动态特性。
1)静态特性主要有输出特性和转移特性。
输出特性表达了集电极电流IC与集射极电压
U之间的关系,分正向阻
断区、饱和区、放大区(有源区)。
饱和导通时管压降一般为2~5V。
IGBT输
出特性的特点是集电极电流
I由栅射极电压UGE控制,UGE越大IC越大。
在
反向集射极电压作用下器件呈反向阻断特性。
IGBT的转移特性表示了栅射极电压
U对集电极电流IC的控制关系。
在
GE
大部分范围内,
I与UGE呈线性关系,只有当UGE接近开启电压UGE(th)时才呈
非线性关系。
所以最大栅射极电压应受最大集电极电流
为U15V。
I得限制,最佳值
2)IGBT的动态特性也称开关特性,包括开通和关断两个部分。
IGBT的的开通时间
t由开通延迟时间td(on)和电流上升时间tr两部分组
成,通常开通时间为(0.5~1.2)s。
第11页
开通延迟时间
t:
是指从驱动电压UGE上升到其幅值电压的10%的时刻
d(on)
起,到集电极电流升到其幅值的10%的时刻止的这段区间;
上升时间
集电极电流从其幅值的10%升高到其幅值的90%所需的时间
r
为。
IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程,关断时
t也是由关断延迟时间td(off)和电流下降时间tf两部分组成。
关断延迟时间
是指从驱动电压UGE下降到其幅值电压的90%的时刻
d(off)
起,到集电极电流降到其幅值的90%的时刻为止的这段区间;
下降时间
是指集电极电流从其幅值的90%降低到其幅值的10%所需的
时间。
在下降时间
t内,集电极电流的波形分为tfi1和tfi2两段,tfi1对应于IGBT
内部MOSFE的T关断过程,在这段时间内集电极电流下降较快;
t对应于IGBT
fi2
内PNP晶体管的关断过程。
通常关断时间为(0.55~1.5)s。
3.IGBT的主要参数
(1)集射极击穿电压
BU是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击
穿电压确定的,它决定了IGBT的
最高工作电压。
(2)开启电压
U是IGBT
GE(th)
UGE
90%UGE
UGEM
导通所需的最低栅射极电压,它随
10%UGE
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