电力电子和现代控制-电力电子器件-第二部分.ppt

电力电子与现代控制Power Electronic and Modern Control 中国科学院研究生院 现代电力电子器件 三极管的静态特性和特点 功率三极管的特点： 是电流驱动器件，控制基极电流就可控制功率三极管的开通和关断； 单个功率三极管的放大倍数在10左右，达林顿型可达上千； 开关速度一般； 饱和时压降较低； 有二次击穿现象； 能控制较大的电流和较高的电压； 功率三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的功率三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A; 已经淘汰。 现代电力电子器件 晶闸管简介 晶闸管的工作状态 晶闸管的门极触发正向导通 晶闸管的门极触发正向导通 晶闸管的dv/dt触发正向导通 晶闸管的过电压和光照触发正向导通 (1) 额定电压VR ?? 断态正向重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安全裕量。 (2) 额定电流IT(AV) 环境温度+40℃和规定冷却条件下，电阻性负载单相工频正弦半波导通结温125°所对应的通态平均电流值。 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.5～2)倍的安全裕量。 (3) 维持电流IH ?? 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。 (4) 擎住电流IL ?? 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流约为维持电流的2～4倍。 (5) 门极触发电流IGT ?? 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。 (6) 门极触发电压UGT ?? 对应于门极触发电流时的门极触发电压。 (7) 断态电压临界上升率du/ dt 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。 (8) 通态电流临界上升率di/ dt 在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。 * 2、功率三极管 双极结型晶体管 双极结型晶体管 (Bipolar Junction Transistor简称BJT): 可简称为三极管。三极管由三层半导体材料构成，可以有两种结构方式：N层P层N层结构称为NPN型三极管，P层N层P层结构称 为PNP型三极管。三极管是三端半导体器件，三个端子分别是发射极(Emitter简称E)、基极(Base简称B)和集电极(Collector简称C)。BE间PN结称为发射结；BC间PN结称为集电结。 三极管正向导通时其发射极电流由流过发射结的少数载流子电子和空穴扩散电流组成，双极结型由此得名。 两种三极管的简化结构和符号 三极管工作原理 以NPN型三极管为例，三极管结构上等效为两个二极管共用一个阳极。三极管的工作原理与PN结原理密不可分，我们先来看一个二极管导通时的情况。 当二极管施加正向电压时，阳极电流IA 或阴极电流IK由空穴扩散电流和电子扩散电流构成。假设n型采用重度掺杂，p型采用轻度掺杂，由于n区注入p区的电子数量远大于p区注入n区的空穴数量。越过PN结的电子电流幅值远大于越过PN结的空穴电流。 假设p区长度超过越过PN结注入电子扩散长度，此时设置两个阳极A1和A2，由于A2距离PN结很远，只有很少的电子到达A2端子，因此仅有少部分电流流过A2端，大部分电流由A1端流过。 三极管工作原理 在A2极板和薄p区之间加入n型半导体区就形成了NPN三极管结构，原来的PN结变成了发射结，新的n区与p区之间形成了集电结。当发射结施加正向电压，集电结电压为零时，集电结出现空间电荷区。该空间电荷区电场方向是由C指向B，此时发射结正偏扩散过来的大部分电子可以通过该空间电荷区，形成集电极电流IC。 此时如大大缩短p区长度，使其远小于越过PN结注入电子扩散长度，此时A2极板面积远大于A1极板，大部分电子在被复合之前已到达A2极板，因此大部分扩散电流直接流入A2端，仅有少部分电子和空穴电流流过A1端。 三极管工作原理 发射极电流IE幅值由VBE控制，关系需满足PN结电压电流方程： 准饱和区 当IB大于零，VCE等于VBE时，称三极管工作在准饱和区。 基极电流IB和集电极电流IC之和等于发射极电流： 集电极电流IC和基极电流IB之比定义为共射极放大倍数