【知识点总结】电力电子技术——第一讲

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电力电子技术——第一讲

总结内容：
内容包括： 电力电子器件类型归纳、电力二极管、晶闸管、梅逊公式 、GTO、GTR、电力MOSFET、IGBT、电力电子器件的驱动、晶闸管的触发电路、直接耦合式驱动电路、贝克嵌位、电力MOSFET的一种驱动电路、IGBT的驱动、 过电压的产生及过电压保护、电力电子器件器件的串联和并联使用、单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相桥式半控整流电路、三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路、变压器漏感对整流电路的影响、整流电路的有源逆变工作状态、同步信号为锯齿波的触发电路。

提示：本文章是本人结合所学的课程进行总结所写，如果大家感兴趣，直接从目录里找需要的看。本文很长，切忌一口气读完

前言

简介：

以下是本篇文章正文内容：

第一章——电力电子器件

一.基本概念

（1）基本概念及其特征：
电力电子器件——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
同处理信息的电子器件相比，其所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。电力电子器件为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态，同时由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路，自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。其中通态损耗是器件功率损耗的主要成因。当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。
（2）电力电子器件的分类：
●按照器件能够被控制的程度，分为：
①半控型器件：如晶闸管，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
②全控型器件：目前最常用的是 IGBT 和 Power MOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。
③不可控器件：如电力二极管，不能用控制信号来控制其通断。
●按照驱动电路信号的性质，分为两类：电流驱动型、电压驱动型。
●按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ），分为两类：脉冲触发型、电平控制型。
●按照载流子参与导电的情况：单极型器件、双极型器件、复合型器件

二.不可控器件—电力二极管

1.二极管的基本原理——PN结的单向导电性

◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。
◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。
☞综上，PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。

2.PN结与电力二极管的工作原理

（1）电力二极管与普通二极管内部结构的不同之处：
• 垂直导电结构，显著提高通流能力
• 增加低掺杂N区，增加承受反向电压的能力
注：低掺杂N区的高电阻率对于正向导通是不利的。电导调制效应对解决这一矛盾有利
（2）电导调制效应：
•PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，阻值较高。
•PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的空穴载流子浓度将很大，电阻率明显下降。
（3）使用时与普通二极管的区别：
•正向导通时流过的正向电流很大，电导调制效应不能忽略，引线和焊接电阻的压降有明显影响。
•导通与关断过程中di/dt 较大，线路及负载电感影响较大。
•为了提高反向耐压，掺杂浓度低，尽管有电导调制效应，正向压降较大。
（4）静态特性（伏安特性）

•正向电压大到一定值（门槛电压U_TO ），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与I_F对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降U_F。
•承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
（5）动态特性

◆因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。
◆由正向偏置转换为反向偏置：电力二极管并不能立即关断，而是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。在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。
（6）开通过程（由零偏置转换为正向偏置）：先出现一个过冲 U_FP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。
☞出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，U_FP越高。

3.电力二极管的主要参数

额定电流——长期运行时，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。（波形相同时，直接按照额定电流选用）
（1）正向平均电流 I_F(AV)—— I_F(AV) 是按照电流的发热效应来定义的，（波形不同时）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。 I_F(AV) 与有效值的关系1:1.57，电力二极管允许流过最大电流有效值为1.57 I_F(AV) 。
（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U_RRM——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t_rr —— t_rr = t_d + t_f
（5）最高工作结温TJM
（6）浪涌电流I_FSM——指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

4.电力二极管的主要类型

可分为普通二极管、快恢复二极管（恢复过程很短，特别是反向恢复过程）、肖特基二极管（反向恢复时间很短，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲）。

三.半控器件—晶闸管

1.晶闸管的基本原理

2.晶闸管的主要参数

（1）断态重复峰值电压U_DRM、反向重复峰值电压U_RRM，通常取晶闸管的 U_DRM 和 U_RRM 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2~3倍。
（2）通态平均电流 I_T(AV）——在环境温度为40C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。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的
原则所得计算结果的1.5~2倍
。
（3）维持电流 I_H ——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。结温越高，则 I_H越小。
（4）擎住电流 I_L ——晶闸管刚从断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 I_L 约为 I_H 的2~4倍。
（5）浪涌电流I_TSM ——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 。
（6）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。
（7）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.晶闸管的派生器件

分为快速晶闸管、双向晶闸管（是一对反并联联接的普通晶闸管）、逆导晶闸管（晶闸管反并联一个二极管）、光控晶闸管。

四.典型全控型器件

1.GTO 门极可关断晶闸管