电力电子器件54120学习教案

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1、会计学1电力电力(dinl)电子器件电子器件54120第一页，共201页。第1章第2页引引 言言 电子技术的基础 电子器件：晶体管和 集成电路 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容：简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等 问题介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特 性,主要参数以及选择和使用(shyng)中应注意的一些问题 第1页/共201页第二页，共201页。第1章第3页本章本章(bn zhn(bn zhn) )内容和内容和学习要点学习要点第2页/共201页第三页，共201页。第1章第4页electronic device）可直可直接用于处理电能的主电路中，接用于处理电能的主

2、电路中，实现电能的变换或控制的电实现电能的变换或控制的电子器件子器件 第3页/共201页第四页，共201页。第1章第5页 第4页/共201页第五页，共201页。第1章第6页其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件(din z q jin)。 第5页/共201页第六页，共201页。第1章第7页 第6页/共201页第七页，共201页。第1章第8页 第7页/共201页第八页，共201页。第1章第9页 第8页/共201页第九页，共201页。第1章第10页控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2 第9页/共201页第十页，共201页。第1章第11页 第10页/共201

3、页第十一页，共201页。第1章第12页 第11页/共201页第十二页，共201页。第1章第13页 第12页/共201页第十三页，共201页。第1章第14页 第13页/共201页第十四页，共201页。第1章第15页 第14页/共201页第十五页，共201页。第1章第16页 第15页/共201页第十六页，共201页。第1章第17页 第16页/共201页第十七页，共201页。第1章第18页的主要类型的主要类型第17页/共201页第十八页，共201页。第1章第19页 第18页/共201页第十九页，共201页。第1章第20页AKAKa)IKAPNJb)c) 第19页/共201页第二十页，共201页。第1

4、章第21页 第20页/共201页第二十一页，共201页。第1章第22页图1-3 PN结的形成(xngchng)-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场 第21页/共201页第二十二页，共201页。第1章第23页 PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现结的电荷量随外加电压而变化，呈现(chngxin)电容效应，称电容效应，称 为结电容为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容和扩散电容CD 第2

5、2页/共201页第二十三页，共201页。第1章第24页 第23页/共201页第二十四页，共201页。第1章第25页 第24页/共201页第二十五页，共201页。第1章第26页 IOIFUTOUFU第25页/共201页第二十六页，共201页。第1章第27页 第26页/共201页第二十七页，共201页。第1章第28页 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt第27页/共201页第二十八页，共201页。第1章第29页 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtd

6、iRdt 延迟时间(shjin)：td= t1- t0, 电流下降时间(shjin)：tf= t2- t1 反向恢复时间(shjin)：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间(shjin)与延迟时间(shjin) 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示正向(zhn xin)偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置第28页/共201页第二十九页，共201页。第1章第30页 第29页/共201页第三十页，共201页。第1章第31页 第30页/共201页第三十一页，共201页。第1章第32页 第31页/共201页第三十二页，共201页。第1章第33页 第32页/共201页第三十三页，

7、共201页。第1章第34页 第33页/共201页第三十四页，共201页。第1章第35页 第34页/共201页第三十五页，共201页。第1章第36页 第35页/共201页第三十六页，共201页。第1章第37页 第36页/共201页第三十七页，共201页。第1章第38页 第37页/共201页第三十八页，共201页。第1章第39页 第38页/共201页第三十九页，共201页。第1章第40页晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第39页/共201页第四十页，共201页。第1章第41页 第40页/共201页第四十一页，共201页。第1章第42页 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3

8、第41页/共201页第四十二页，共201页。第1章第43页 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型(mxng)及其工作原理a) 双晶体管模型(mxng) b) 工作原理Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）第42页/共201页第四十三页，共201页。第1章第44页 )(121CBO2CBO1G2AIIII第43页/共201页第四十四页，共201页。第1章第45页 第44页/共201页第四十五页，共201页。第1章第46页 第45页/共201页第四十六页，

9、共201页。第1章第47页要使晶闸管关断，只能使晶要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的闸管的电流降到接近于零的某一数值以下某一数值以下 第46页/共201页第四十七页，共201页。第1章第48页 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-8 晶闸管的伏安(f n)特性IG2IG1IG第47页/共201页第四十八页，共201页。第1章第49页 第48页/共201页第四十九页，共201页。第1章第50页 第49页/共201页第五十页，共201页。第1章第51页 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURR

10、MIRMiA第50页/共201页第五十一页，共201页。第1章第52页 第51页/共201页第五十二页，共201页。第1章第53页 第52页/共201页第五十三页，共201页。第1章第54页 第53页/共201页第五十四页，共201页。第1章第55页 第54页/共201页第五十五页，共201页。第1章第56页 第55页/共201页第五十六页，共201页。第1章第57页使充电电流使充电电流(dinli)足够大，就会使晶闸管误足够大，就会使晶闸管误导通导通 第56页/共201页第五十七页，共201页。第1章第58页 第57页/共201页第五十八页，共201页。第1章第59页 第58页/共201页第

11、五十九页，共201页。第1章第60页 a)b)IOUIG=0GT1T2第59页/共201页第六十页，共201页。第1章第61页 第60页/共201页第六十一页，共201页。第1章第62页 b)a)UOIKGAIG=0第61页/共201页第六十二页，共201页。第1章第63页 光强度强弱b)AGKa)OUAKIA第62页/共201页第六十三页，共201页。第1章第64页 第63页/共201页第六十四页，共201页。第1章第65页第64页/共201页第六十五页，共201页。第1章第66页 第65页/共201页第六十六页，共201页。第1章第67页 第66页/共201页第六十七页，共201页。第1章

12、第68页c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK 第67页/共201页第六十八页，共201页。第1章第69页RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型(mxng)及其工作原理 第68页/共201页第六十九页，共201页。第1章第70页 第69页/共201页第七十页，共201页。第1章第71页 第70页/共201页第七十一页，共201页。第1章第72页Ot0t图1-14iGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GTO的开通和关断过程(

13、guchng)电流波形 第71页/共201页第七十二页，共201页。第1章第73页 第72页/共201页第七十三页，共201页。第1章第74页 第73页/共201页第七十四页，共201页。第1章第75页GMATOoffII 第74页/共201页第七十五页，共201页。第1章第76页 第75页/共201页第七十六页，共201页。第1章第77页元结构元结构采用集成电路工艺将许多采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成这种单元并联而成 第76页/共201页第七十七页，共201页。第1章第78页图1-15a)基极bP基区N漂移区N+衬底基极b 发射极c集电极cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbE

14、cibic=ibie=(1+ibbcii 第77页/共201页第七十八页，共201页。第1章第79页 第78页/共201页第七十九页，共201页。第1章第80页截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1 ib2 ib3Uce 第79页/共201页第八十页，共201页。第1章第81页可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程而加快开通过程图1-17ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd 第80页/共201页第八十一页，共201页

15、。第1章第82页 第81页/共201页第八十二页，共201页。第1章第83页 第82页/共201页第八十三页，共201页。第1章第84页 第83页/共201页第八十四页，共201页。第1章第85页 第84页/共201页第八十五页，共201页。第1章第86页SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM 第85页/共201页第八十六页，共201页。第1章第87页 第86页/共201页第八十七页，共201页。第1章第88页增强型增强型对于对于N（P）沟道）沟道器件，栅极电压大于（小于）器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道零时才存在导电沟道电力电力(dinl)MOSFET主要是主要是N沟道增强

16、型沟道增强型 第87页/共201页第八十八页，共201页。第1章第89页 第88页/共201页第八十九页，共201页。第1章第90页 第89页/共201页第九十页，共201页。第1章第91页反偏，漏源极之间无电流流过N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19 第90页/共201页第九十一页，共201页。第1章第92页(diny)或阈值电压或阈值电压(diny)）时，栅极下时，栅极下P区表面的电子区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成型半导体反型成N型而成为型而成为反型层，该反型层形成反型层，该反型层形成N沟沟道而使道而使P

17、N结结J1消失，漏极和消失，漏极和源极导电源极导电 第91页/共201页第九十二页，共201页。第1章第93页01020305040图1-202468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 第92页/共201页第九十三页，共201页。第1章第94页 第93页/共201页第九十四页，共201页。第1章第95页1-21 MOSFET过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流a）b

18、)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf 第94页/共201页第九十五页，共201页。第1章第96页 第95页/共201页第九十六页，共201页。第1章第97页a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21 电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极(shn j)电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流 第96页/共201页第九十七页，共201页。第1章第9

19、8页 第97页/共201页第九十八页，共201页。第1章第99页源极输出电容源极输出电容Coss和反向转移电容和反向转移电容Crss 第98页/共201页第九十九页，共201页。第1章第100页 第99页/共201页第一百页，共201页。第1章第101页，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动(q dn)功率小而且驱动(q dn)电路简单两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 第100页/共201页第一百零一页，共201页。第1章第102页 第101页/共201页第一百零二页，共201页。第1章第103页EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区

20、漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) 第102页/共201页第一百零三页，共201页。第1章第104页 第103页/共201页第一百零四页，共201页。第1章第105页 第104页/共201页第一百零五页，共201页。第1章第106页O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 第105页/共201页第一百零六页，共201页。第1章第107页 第106页/共201页第一百零七页，共201页。第1章第108页ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv

21、1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 第107页/共201页第一百零八页，共201页。第1章第109页 第108页/共201页第一百零九页，共201页。第1章第110页 第109页/共201页第一百一十页，共201页。第1章第111页 第110页/共201页第一百一十一页，共201页。第1章第112页 第111页/共201页第一百一十二页，共201页。第1章第113页EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1

22、-22 IGBT的结构、简化(jinhu)等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化(jinhu)等效电路 c) 电气图形符号 第112页/共201页第一百一十三页，共201页。第1章第114页 第113页/共201页第一百一十四页，共201页。第1章第115页集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路第114页/共201页第一百一十五页，共201页。第1章第116页 第115页/共201页第一百一十六页，共201页。第1章第117页 第116页/共201页第一百一十七页，共201页。第1章第118页 第117页/共201页第一百一

23、十八页，共201页。第1章第119页 第118页/共201页第一百一十九页，共201页。第1章第120页 第119页/共201页第一百二十页，共201页。第1章第121页 第120页/共201页第一百二十一页，共201页。第1章第122页 第121页/共201页第一百二十二页，共201页。第1章第123页典型全控型器件典型全控型器件(qjin)的驱的驱动电路动电路第122页/共201页第一百二十三页，共201页。第1章第124页对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号 第123页/共201页第一百二十四页，共201页。第1章第125页ERERERa)b)c)UinUoutR1I

24、CIDR1R1 第124页/共201页第一百二十五页，共201页。第1章第126页 第125页/共201页第一百二十六页，共201页。第1章第127页 第126页/共201页第一百二十七页，共201页。第1章第128页图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形(b xn)t1t2脉冲前沿上升时间（IG1IG 返回返回(fnhu) 第166页/共201页第一百六十七页，共201页。第1章第168页100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 返回返回(fnhu) 第167页/共201页第一百六十八页，共201页。第1章第169页a)b)IOUIG=0GT1T2电气(din

25、q)图形符号 伏安(f n)特性 返回返回 第168页/共201页第一百六十九页，共201页。第1章第170页b)a)UOIKGAIG=0电气(dinq)图形符号 伏安(f n)特性 返回返回 第169页/共201页第一百七十页，共201页。第1章第171页光强度强弱b)AGKa)OUAKIA电气电气(dinq)图形符号图形符号 伏安(f n)特性 返回返回 第170页/共201页第一百七十一页，共201页。第1章第172页c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKc) 电气(dinq)图形符号a) 各单元(dnyun)的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图

26、 返回返回 第171页/共201页第一百七十二页，共201页。第1章第173页Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 返回返回(fnhu) 第172页/共201页第一百七十三页，共201页。第1章第174页图1-15a)基极 bP基区N漂移区N+衬底基极 b 发射极 c集电极 cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib内部结构断面示意图 电气图形(txng)符号 内部(nib)载流子的流动 返回返回 第173页/共201页第一百七十四页，共201页。第1章第175页截止区放大区饱和区图1-16OIc

27、ib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce 返回返回(fnhu) 第174页/共201页第一百七十五页，共201页。第1章第176页图1-17ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd 返回返回(fnhu) 第175页/共201页第一百七十六页，共201页。第1章第177页SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM 返回返回(fnhu) 第176页/共201页第一百七十七页，共201页。第1章第178页N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道图1-19内部结构

28、断面(dun min)示意图 电气(dinq)图形符号 返回返回 第177页/共201页第一百七十八页，共201页。第1章第179页01020305040图1-202468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A转移(zhuny)特性 输出特性 返回返回(fnhu) 第178页/共201页第一百七十九页，共201页。第1章第180页a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trt

29、d(off)tf测试(csh)电路 开关过程(guchng)波形up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻， 返回返回 RG栅极电阻，栅极电阻，RL负载电阻，负载电阻，RF检测漏极电流检测漏极电流 第179页/共201页第一百八十页，共201页。第1章第181页EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)E 返回返回(fnhu) 内部结构断面(dun min)示意图简化等效电路电气图形符号第180页/共201页第一百八十一页，共201页。第1章第182页O有源区正向阻断区饱和区反

30、向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 转移(zhuny)特性 输出特性 返回返回(fnhu) 第181页/共201页第一百八十二页，共201页。第1章第183页ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 返回返回(fnhu) 第182页/共201页第一百八十三页，共201页。第1章第184页ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1普通型 高速(o s)型 高传输比型 返回返

31、回(fnhu) 第183页/共201页第一百八十四页，共201页。第1章第185页ItIMt1t2t3t4t1t2脉冲(michng)前沿上升时间（1s）t1t3强脉冲(michng)宽度IM强脉冲(michng)幅值（3IGT5IGT） t1t4脉冲(michng)宽度I脉冲(michng)平顶幅值（1.5IGT2IGT） 返回返回(fnhu) 第184页/共201页第一百八十五页，共201页。第1章第186页TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2 返回返回(fnhu) 第185页/共201页第一百八十六页，共201页。第1章第187页 返回返回(fnhu) OttOuG

32、iG第186页/共201页第一百八十七页，共201页。第1章第188页50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4 返回返回(fnhu) 第187页/共201页第一百八十八页，共201页。第1章第189页tOib 返回返回(fnhu) 第188页/共201页第一百八十九页，共201页。第1章第190页VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2 返回返回(fnhu) 第189页/共201页第一百九十页，共201页。第1章第191页A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5

33、R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC 返回返回(fnhu) 第190页/共201页第一百九十一页，共201页。第1章第192页13故障指示检测端VCC接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路415861413uoVEE81546-10 V+ 15 V30 V+5 VM 57962L14ui1快恢复trr0.2 s4.7k 3.1 100 F100 F 返回返回(fnhu) 第191页/共201页第一百九十二页，共201页。第1章第193页S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDCF避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC

34、电路(dinl)RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路(dinl)RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路(dinl)RC4直流侧RC抑制电路(dinl)RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路(dinl) 返回返回(fnhu) 第192页/共201页第一百九十三页，共201页。第1章第194页+-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1-35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa单相(dn xin)三相(sn xin) 返回返回 第193页/共201页第一百九十四页，共201页。第1章第195页电力电子装置过电压抑制电路图1-36C1R1R2C2 返回返回(f

35、nhu) 第194页/共201页第一百九十五页，共201页。第1章第196页负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1-37 返回返回(fnhu) 第195页/共201页第一百九十六页，共201页。第1章第197页a)b)图1 -38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC电路(dinl) 波形(b xn) 返回返回 第196页/共201页第一百九十七页，共201页。第1章第198页ADCB无缓冲电

36、路有缓冲电路图1-39uCEiCO 返回返回(fnhu) 第197页/共201页第一百九十八页，共201页。第1章第199页L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDs放电阻止型吸收(xshu)电路RC吸收(xshu)电路 返回返回 第198页/共201页第一百九十九页，共201页。第1章第200页b)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2伏安(f n)特性差异串联(chunlin)均压措施 返回返回 第199页/共201页第二百页，共201页。第1章第201页MCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（图1-42GTR第200页/共201页第二百零一页，共201页。