《電力電子技術(shù)》西安交通大學(xué)-王兆安-第五版.ppt
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(第5版)第1章緒論（第4版為“概述”，無(wú)章序號(hào)）,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院王兆安2009.11.28,第1章緒論,1.1什么是電力電子技術(shù)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.4本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介,3,1.1什么是電力電子技術(shù),■電力電子技術(shù)的概念◆可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。?電力電子技術(shù)中所變換的“電力”有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力”，后者特指電力網(wǎng)的“電力”，前者則更一般些。?電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。,,4,1.1什么是電力電子技術(shù),◆具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。?電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。,表1-1電力變換的種類,5,1.1什么是電力電子技術(shù),■電力電子學(xué)◆美國(guó)學(xué)者W.Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。,圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形,6,1.1什么是電力電子技術(shù),?電力電子技術(shù)和電子學(xué)電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。?電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。,7,1.1什么是電力電子技術(shù),各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無(wú)論是國(guó)內(nèi)國(guó)外，通常都把電力電圖1-2電氣工程的雙三角形描述子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國(guó)，電力電子與電力傳動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖1-2用兩個(gè)三角形對(duì)電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。,8,1.1什么是電力電子技術(shù),?電力電子技術(shù)和控制理論控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。,9,1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史,■電力電子技術(shù)的發(fā)展史,圖1-3電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。,,10,1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線電，從而開(kāi)啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。?20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來(lái)變流。?1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。,11,1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆晶閘管時(shí)代?晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。?晶閘管是通過(guò)對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。,12,1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史,◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）?70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)門極（基極、柵極）的控制既可使其開(kāi)通又可使其關(guān)斷。?采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱斬控方式。?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。,13,1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史,?把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。?隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。,14,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用?！粢话愎I(yè)?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。?一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。,,15,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,圖1-4AB變頻器,?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是電力電子裝置。?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。,16,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆交通運(yùn)輸?電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來(lái)的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。,17,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆電力系統(tǒng)?據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過(guò)一次以上電力電子變流裝置的處理。?直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。?晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。?在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。,18,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,圖1-5中國(guó)南方電網(wǎng)公司安順換流站,圖1-6靜止無(wú)功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）,19,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆電子裝置用電源?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開(kāi)關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開(kāi)關(guān)電源。?在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。,20,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,◆家用電器?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。?空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。◆其它?航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開(kāi)各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。?抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來(lái)起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。,21,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,?新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，更離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。,圖1-7風(fēng)場(chǎng),22,1.4本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介,■本教材的內(nèi)容,,第2章電力電子器件2.1電力電子器件概述2.2不可控器件——電力二極管2.3半控型器件——晶閘管2.4典型全控型器件2.5其他新型電力電子器件2.6功率集成電路與集成電力電子模塊本章小結(jié),,24,引言,■模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)——晶體管和集成電路等電子器件電力電子電路的基礎(chǔ)——電力電子器件■本章主要內(nèi)容：◆對(duì)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述?！舴謩e介紹各種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)注意的一些問(wèn)題。,25,2.1電力電子器件概述,2.1.1電力電子器件的概念和特征2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子器件的分類2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),,26,2.1.1電力電子器件的概念和特征,■電力電子器件的概念◆電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。?主電路：在電氣設(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。?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。,,27,2.1.1電力電子器件的概念和特征,■電力電子器件的特征◆所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件?！魹榱藴p小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)?！粲尚畔㈦娮与娐穪?lái)控制,而且需要驅(qū)動(dòng)電路?！糇陨淼墓β蕮p耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。,28,2.1.1電力電子器件的概念和特征,?通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。,,,,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開(kāi)關(guān)損耗,開(kāi)通損耗,關(guān)斷損耗,?電力電子器件的功率損耗,29,2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,■電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。,,電氣隔離,圖2-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,,30,2.1.3電力電子器件的分類,■按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度◆半控型器件?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。?器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。◆全控型器件?目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。?通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷?！舨豢煽仄骷?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。,,31,2.1.3電力電子器件的分類,■按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)◆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?！霭凑镇?qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外）◆脈沖觸發(fā)型?通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制?！綦娖娇刂菩?必須通過(guò)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。,32,2.1.3電力電子器件的分類,■按照載流子參與導(dǎo)電的情況◆單極型器件?由一種載流子參與導(dǎo)電?！綦p極型器件?由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電?！魪?fù)合型器件?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。,33,2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),■本章內(nèi)容◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種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)注意的一些問(wèn)題?！鰧W(xué)習(xí)要點(diǎn)◆最重要的是掌握其基本特性?！粽莆针娏﹄娮悠骷男吞?hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法?！袅私怆娏﹄娮悠骷陌雽?dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理?！袅私饽承┲麟娐分袑?duì)其它電路元件的特殊要求。,,34,2.2不可控器件——電力二極管,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理2.2.2電力二極管的基本特性2.2.3電力二極管的主要參數(shù)2.2.4電力二極管的主要類型,,35,2.2不可控器件——電力二極管引言,■電力二極管（PowerDiode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。■在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。,整流二極管及模塊,36,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(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，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。,圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào),,37,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴舢?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)?！舢?dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)?！鬚N結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。?按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。?反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。,38,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理,■PN結(jié)的電容效應(yīng)◆稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容◆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?勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。?擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。◆結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?39,2.2.2電力二極管的基本特性,■靜態(tài)特性◆主要是指其伏安特性◆正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。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?！舫惺芊聪螂妷簳r(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,圖2-5電力二極管的伏安特性,,40,,,,2.2.2電力二極管的基本特性,u,圖2-6電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,■動(dòng)態(tài)特性◆因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性?！粲烧蚱棉D(zhuǎn)換為反向偏置?電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。?在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。?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：tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。,t0:正向電流降為零的時(shí)刻,t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻,t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻,41,2.2.2電力二極管的基本特性,◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置?先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。?正向恢復(fù)時(shí)間tfr?出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。,圖2-6電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,42,2.2.3電力二極管的主要參數(shù),■正向平均電流IF(AV)◆指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）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?！鬒F(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。■正向壓降UF◆指電力二極管在指定溫度下，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?！龇聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM◆指對(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。,,43,2.2.3電力二極管的主要參數(shù),■最高工作結(jié)溫TJM◆結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示?！糇罡吖ぷ鹘Y(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度?！鬞JM通常在125～175?C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴?fù)時(shí)間trr■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。,44,2.2.4電力二極管的主要類型,■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，介紹幾種常用的電力二極管?！羝胀ǘO管（GeneralPurposeDiode）?又稱整流二極管（RectifierDiode），多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。?其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5?s以上。?其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。,,45,2.2.4電力二極管的主要類型,◆快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）?恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（一般在5?s以下）。?快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。?從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。,46,2.2.4電力二極管的主要類型,◆肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）?屬于多子器件?優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。?弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。,47,2.3半控型器件——晶閘管,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.3.2晶閘管的基本特性2.3.3晶閘管的主要參數(shù)2.3.4晶閘管的派生器件,,48,2.3半控器件—晶閘管引言,■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅?！?956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！鲇捎谄淠艹惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡叩模夜ぷ骺煽?，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。,,晶閘管及模塊,49,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,■晶閘管的結(jié)構(gòu)◆從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)?！粢鲫?yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端?！魞?nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。,圖2-7晶閘管的外形、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),,50,,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理,■晶閘管的工作原理◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：,式中?1和?2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。,51,,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下?是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，?迅速增大?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而?1+?2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。◆如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致?1+?2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。◆由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。,,由以上式（2-1）~（2-4）可得,(2-5),52,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,■除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況◆陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)◆陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高◆結(jié)溫較高◆光觸發(fā)■這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,53,2.3.2晶閘管的基本特性,■靜態(tài)特性◆正常工作時(shí)的特性?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。,,54,2.3.2晶閘管的基本特性,◆晶閘管的伏安特性?正向特性√當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。√如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。√隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右?！倘绻T極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。,圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG,55,2.3.2晶閘管的基本特性,?反向特性√其伏安特性類似二極管的反向特性。√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。√當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。,圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG,56,2.3.2晶閘管的基本特性,■動(dòng)態(tài)特性◆開(kāi)通過(guò)程?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td(0.5~1.5?s)上升時(shí)間tr(0.5~3?s)開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr?延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。,圖2-10晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形,57,2.3.2晶閘管的基本特性,◆關(guān)斷過(guò)程?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。,圖2-10晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形,100%,58,2.3.3晶閘管的主要參數(shù),■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見(jiàn)圖2-9）。?國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo?！舴聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見(jiàn)圖2-8）。?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。,,59,2.3.3晶閘管的主要參數(shù),◆通態(tài)（峰值）電壓UT?晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓?！敉ǔＨ【чl管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~◆通態(tài)平均電流IT(AV）?國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40?C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。,60,2.3.3晶閘管的主要參數(shù),◆維持電流IH?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。?約為IH的2~4倍◆浪涌電流ITSM?指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。,61,2.3.3晶閘管的主要參數(shù),■動(dòng)態(tài)參數(shù)◆開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt?在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。?電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通?！敉☉B(tài)電流臨界上升率di/dt?在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。?如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。,62,2.3.4晶閘管的派生器件,■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）◆有快速晶閘管和高頻晶閘管?！艨焖倬чl管的開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善?！魪年P(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10?s左右?！舾哳l晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高?！粲捎诠ぷ黝l率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。,,63,2.3.4晶閘管的派生器件,■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性?！綦p向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。,圖2-11雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性,64,2.3.4晶閘管的派生器件,a),K,G,A,,,,,,,,■逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）◆是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通?！艟哂姓驂航敌 ㈥P(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。,圖2-12逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性,65,2.3.4晶閘管的派生器件,A,G,K,a),,,,,,,,,,,,,,,AK,■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）◆是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管?！粲捎诓捎霉庥|發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。,圖2-13光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性,66,2.4典型全控型器件,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管2.4.2電力晶體管2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.4.4絕緣柵雙極晶體管,,67,2.4典型全控型器件引言,■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。,電力MOSFET,IGBT單管及模塊,68,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管,■晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件?！鯣TO的結(jié)構(gòu)和工作原理◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。,圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào),,69,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管,圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理,◆GTO的工作原理?仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來(lái)分析，V1、V2的共基極電流增益分別是?1、?2。?1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。?GTO與普通晶閘管的不同√設(shè)計(jì)?2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。√導(dǎo)通時(shí)?1+?2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大?！潭嘣山Y(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。,70,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管,?GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。?而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使?1+?220V將導(dǎo)致絕緣層擊穿?！魳O間電容?CGS、CGD和CDS。◆漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。,90,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。,,91,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理◆IGBT的結(jié)構(gòu)?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。?由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。?簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。,圖2-23IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào),,RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。,92,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,◆IGBT的工作原理?IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。?其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的?！坍?dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。√當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。?電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。,93,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,■IGBT的基本特性◆靜態(tài)特性?轉(zhuǎn)移特性√描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系?！涕_(kāi)啟電壓UGE(th)是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。,（a）,圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性,94,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,?輸出特性（伏安特性）√描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系?！谭譃槿齻€(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)?！坍?dāng)UCE1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。,124,3.1.2升壓斬波電路,電壓升高得原因：電感L儲(chǔ)能使電壓泵升的作用電容C可將輸出電壓保持住,如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即：。（3-24）與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。,輸出電流的平均值Io為：,(3-25),電源電流的平均值Io為：,(3-26),125,3.1.2升壓斬波電路,2)升壓斬波電路典型應(yīng)用,一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)二是用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路三是用于其他交直流電源中,t,t,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,T,E,i,O,O,,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,圖3-3用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形a）電路圖b）電流連續(xù)時(shí)c）電流斷續(xù)時(shí),用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源。電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。動(dòng)畫(huà)演示。,,126,3.1.2升壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看作是被降低到了。,127,3.1.2升壓斬波電路,如圖3-3c，當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)：,當(dāng)t=0時(shí)刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，進(jìn)而可寫出i2的表達(dá)式。另外，當(dāng)t=t2時(shí)，i2=0，可求得i2持續(xù)的時(shí)間tx，即,圖3-3用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形,--------電流斷續(xù)的條件,128,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,升降壓斬波電路(buck-boostChopper),電路結(jié)構(gòu),129,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,基本工作原理,a),圖3-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形,V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。動(dòng)態(tài)演示。,130,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,數(shù)量關(guān)系,穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即,（3-39）,V處于通態(tài)uL=E,V處于斷態(tài)uL=-uo,131,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,圖3-4b中給出了電源電流i1和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有：,（3-42）,由上式得：,（3-43）,結(jié)論,當(dāng)0下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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