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第一章电力电子器件
电力电子系统:由控制电路、驱动电路、保护电路检测电路和主电路组成
按照器件能够被控制的程度,分为以下三类:
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。
按照驱动电路信号的性质,分为两类:
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。
电力二极管的基本特性---- 1 静态特性:门槛电压UTO,正向电流IF开始明显增加所对应的电压。
与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。承受反向电压时,只有微小而数值恒定的反向漏电流。2 动态特性二极管的电压-电流特性随时间变化。结电容的存在。关断过程:须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力,进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现,并伴随有明显的反向电压过冲。开通过程:正向压降先出现一个过冲Ufp,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值(如 2V)。正向恢复时间Tfr。电流上升率越大,Ufp越高。
电力二极管的主要参数:1)额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下,其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。If(av)-----是按照电流的发热效应来定义的,使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额,并应留有一定的裕量。2)正向压降Uf在指定温度下,流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3) 反向重复峰值电压Urrm对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时,应当留有两倍的裕量。 4)反向恢复时间Trr Trr=Ttd+Ttf
电力二极管的主要类型:
1) 普通二极管:又称整流二极管(Rectifier Diode),多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路,其反向恢复时间较长,正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。
2) 快恢复二极管:简称快速二极管快恢复外延二极管,其trr更短(可低于50ns), UF也很低(),但其反向耐压多在1200V以下。
从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长,后者则在100ns以下,甚至达到20~30ns。
3. 肖特基二极管:以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管。
肖特基二极管的弱点:1反向耐压提高时正向压降会提高,多用于200V以下。2反向稳态损耗不能忽略,必须严格地限制其工作温度。
肖特基二极管的优点:1反向恢复时间很短(10~40ns)。2正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。3反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。4效率高,其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。
晶闸管---晶闸管的特性是:在低发射极电流下a 是很小的,而当发射极电流建立起来之后,a 迅速增大。阻断状态:Ig=0,a1+a2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态:注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话,流过晶闸管的电流Ia,将趋近于无穷大,实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
晶闸管在其他几种下可能导通的情况:1阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。2阳极电压上升率du/dt过高。3结温较高4光触发,光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中,称为光控晶闸管。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段
晶闸管的基本特性1承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通。2承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。3晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。
4要使晶闸管关断,只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
1) 静态特性:(1)正向特性Ig=0时,器件两端施加正向电压,只有很小的正向漏电流,为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通。随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小,在1V左右。(2)反向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损坏。
动态特性:1 开通过程:延迟时间Td (~)。上升时间Tr (~3ms)。开通时间Tgt以上两者之和, Tgt=Td+ Tr ; 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。普