电气工程概论第三章_电力电子课件.ppt

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1、第三章电力电子技术电气工程概论电气工程概论第三章电力电子技术引言近年来基于相关技术的发展，电力电子领域得到了高度发展。同时电力电子的市场也在迅速地扩张，在开关电源、不间断电源、节能、自动化、运输、感应加热、电力事业诸方面都得到了广泛的使用。电气工程概论第三章电力电子技术第一节功率半导体器件电气工程概论第三章电力电子技术功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的基础。功率集成电路是最近10年功率半导体器件发展的一个重要趋势，是将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。智

2、能功率模块IPM是功率集成电路中典型的例子，近年得到了较为广泛的应用。电气工程概论3.1功率半导体器件一、概述（一）功率半导体器件的功能图3-1为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输出至负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压或频率等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从输出端送至输入端。电气工程概论3.1功率半导体器件功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。2）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成

3、断态时，在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。一个理想的功率半导体器件应当具有的理想的静态和动态特性是：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的和；同时器件具有全控功能，即器件的通断可通过电信号控制。电气工程概论3.1功率半导体器件（二）功率半导体器件的发展功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于20世纪40

4、年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。20世纪70年代，出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。20世纪80年代，出现了的第三代复合导电机构的场控半导体器件，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT或IGT)为典型代表，另外还有静电感应式晶体管、静电感应式晶闸管、MOS控制晶闸管、集成门极换流晶闸管等。现已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件，它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应用前景

5、。电气工程概论3.1功率半导体器件图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围电气工程概论3.1功率半导体器件二、大功率二极管大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路的续流等场合均得到广泛使用。（一）大功率二极管的结构大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图3-3(a)所示。从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b))，200A以上则采用平板式(图3-3(c))。电气工程概论3.1功率半导体器件

6、（二）大功率二极管的特性1.大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图3-4所示。由于大功率二极管的通态压降和反向漏电流数值都很小，可忽略，于是大功率二极管的理想伏安特性如图3-4(b)所示。电气工程概论3.1功率半导体器件2.大功率二极管的开通、关断特性图3-5为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。电气工程概论3.1功率半导体器件图3-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时间必须考虑。电气工程概论3.1功率半导体器件

7、在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态过程，trr=2~5微秒。但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程，通常使用快恢复二极管(反向恢复时间很短的大功率二极管，trr=200~500nm)。快恢复二极管具有开通压降低、反向快速恢复性能好的优点。电气工程概论3.1功率半导体器件三、晶闸管(SCR)晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导地位。（一）晶闸管的结构晶闸管是大功率的半导体器件，从总

8、体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。电气工程概论3.1功率半导体器件（二）晶闸管的基本特性通过理论分析和实验验证表明：1)只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。2)晶闸管一