1、项目一 电力电子器件的检测与使用,1）概念:电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（Main Power Circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2）分类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然,1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件,能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。,3）同
2、处理信息的电子器件相比的一般特征：,通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。,主要损耗,通态损耗,断态损耗,开关损耗,关断损耗,开通损耗,电力电子器件的损耗,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。,图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,1.1.2 应用电力电子器件系统组成,电气隔离,控制电路,半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET) 通过控制
3、信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。不可控器件(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,1.1.3 电力电子器件的分类,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,1.2 不可控器件电力二极管,一、 半导体(semiconductor),自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,无杂
4、质,稳定的结构,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导
5、电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,2、本征半导体的结构,由于热运动（热激发），具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,在本征半导体中自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴的数目相等。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,在热激发下产生自由电子和空穴对的现象，称为本征激发。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的
6、空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,在本征半导体中，自由电子和空穴都参与导电！,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,4、杂质半导体,磷（P）,N型半导体主要靠电子（多数载流子）导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,1）. N型半导体-掺入五价元素,2）. P型半导体-掺入三价元素,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电。掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，空穴为多数载流子
7、（多子），自由电子为少数载流子（少子）。,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,5、PN结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场。内电场一方面阻止（多子）扩散运动的进行，另一方面使空穴（少子）从N区向P区、自由电子（少子）从P区向N 区运动。,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变
8、宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,PN结的单向导电性,二、二极管（Diode）,1、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高,面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低,平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大,2、二极管伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1-0.2V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.6
9、0.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管的死区电压受温度的影响，温度升高，死区电压减小。,3、 主要参数,1）. 最大整流电流 IF（正向平均电流）,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2）. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3）. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高
10、反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压U
11、D的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,4、特殊二极管-稳压二极管（Stabilivolt）,（4）稳定电流IZ(Izmin)、最大稳定电流Izmax,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（2）电压温度系数U（%/）,（3）动态电阻,稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,rZ愈
12、小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,5、用万用表检测二极管,在 R 100或 R 1 k 挡测量,红表笔是(表内电源)负极， 黑表笔是(表内电源)正极。,正反向电阻各测量一次， 测量时手不要接触引脚。,用指针式万用表检测,一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧；反向电阻为几百千欧。 正反向电阻相差不大为劣质管。,正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。,结论： （1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。 （2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。 （3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。,
13、晶体三极管(Transistor),1）、 基本结构及符号,发射区,基区,集电区,半导体三极管的结构示意图如下所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。,NPN型,PNP型,发射极，用E或e表示（Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,基极，用B或b表示（Base）,发射结,集电结,结构特点：,管芯结构剖面图, 发射区的掺杂浓度最高；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；, 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区：结面积最大,各电极电流关系及电流放大作用,晶体管电流测量
14、数据：,集电极电路,基极电路,结论:,1）三电极电流关系 IE = IB + IC2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质: 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。,. 输出特性,晶体管的输出特性曲线,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,输出特性曲线分为三个工作区，对应晶体管的三种工作状态。,(1) 放大区,3DG100晶体管的输出特性曲线,在放大区 IC = IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏
15、置，晶体管工作于放大状态。,iC/mA,uCE/V,100 A 80A 60 A 40 A 20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB =0,(2),截止区,截止时, 集电结也处于反向偏置(UBC 0),此时,IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。,IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。(ICEOIC，UCE0.3V,(3) 截止区：发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置. 即：UBEIG1IG,2-46,1.3.2 晶闸管的基本特性,反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热
16、损坏。,图2-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,（2）反向特性,2-47,1.3.2 晶闸管的基本特性,1) 开通过程延迟时间td (0.51.5s)上升时间tr (0.53s)开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （2-6）,2) 关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr （2-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒,2） 动态特性,图2-9 晶闸管的开通和关断过程波形,1.3.3 晶闸管的主要参数,断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM 在门极断路
17、而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。,通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。,使用注意：,1）电压定额,2-49,1.3.3 晶闸管的主要参数,通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL 晶闸管刚从断
18、态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。,2）电流定额,1.3.3 晶闸管的主要参数,除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。,3）
19、动态参数,1.3.4 晶闸管的派生器件,有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。,1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST),1.3.4 晶闸管的派生器件,2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,图2-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性,可
20、认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,1.3.4 晶闸管的派生器件,逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,a),K,G,A,图2-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性,将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。,1.3.4 晶闸管的派生器件,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,A,G,K,a),A
21、K,图2-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性,又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。,相当于两组半波电路的串联,一组来至共阴极组,另一组来至共阳极组。,电路结构特点,二极管的编号与自然换相点的点号保持一致。,电路结构特点,原边形接法,副边Y形接法,3090区间,3090区间,3090区间,90150区间,90150区间,90150区间,150210区间,150210区间,150210区间,210270区间,210270区间,210270区间,
22、270330区间,270330区间,270330区间,33030区间,33030区间,33030区间,换流规律,同组内的二极管每隔120换流一次；相邻号的二极管每隔60换流一次,；接在同一根电源线上的二极管每隔180换流一次。,2.1 单相可控整流电路,交流侧接单相电源重点注意：工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。2.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）Single Phase Half Wave Controlled Rectifier 1. 带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和隔离的作用；电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同 。,图2-1 单相半波可控整流电路
23、及波形,图2-1 单相半波可控整流电路及波形,工作过程和特点：（1）在U2的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，UVTU2，Ud=0;（2） t1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则Ud=U2, UVT=0,Id=U2/R，一直到时刻；（3） 2期间，U2反向，VT由于承受反向电压而关断,UVT=U2,Ud=0。以后不断重复以上过程。特点：为单拍电路，易出现变压器直流磁化，应用较少。,相当于两组半波电路的串联,一组来至共阴极组,另一组来至共阳极组。,三相可控电路结构特点,晶闸管的编号与自然换相点的点号保持一致。,电路结构特点,,电路结构特点,触发脉冲“
24、依次、成对”出现。,(ug6、ug1 ) ( ug1、ug2 ) ( ug2、ug3 ),( ug5、ug6 ) ( ug4、ug5 ) ( ug3、ug4 ),=0时电路工作分析,t1t2区间,=0时电路工作分析,t1t2区间,,=0时电路工作分析,t1t2区间,=0时电路工作分析,t2t3区间,=0时电路工作分析,t2t3区间,=0时电路工作分析,t2t3区间,=0时电路工作分析,t3t4区间,=0时电路工作分析,t3t4区间,=0时电路工作分析,t3t4区间,=0时电路工作分析,t4t5区间,=0时电路工作分析,t4t5区间,=0时电路工作分析,t4t5区间,=0时电路工作分析,t5t6
25、区间,=0时电路工作分析,t5t6区间,=0时电路工作分析,t5t6区间,t6t1区间,=0时电路工作分析,t6t1区间,=0时电路工作分析,t6t1区间,=0时电路工作分析,换流规律,同组内的晶闸管每隔120换流一次；相邻号的晶闸管每隔60换流一次,；接在同一根电源线上的晶闸管每隔180换流一次。,3) =30时的工作情况(波形图）晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30；从t1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律；变压器二次侧电流iu波形的特点：在VT1处于通态的120期间，iu为正，iu波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120期间，iu波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。,图2-19三相桥式全控整流电路带电阻负载 =30时的波形,
