变频器常用电力电子器件.docx

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变频器常用电力电子器件

无锡市技工院校

教案首页

授课日期

2.24

班组

自动化71201

课题：

变频器常用电力电子器件

教学目的要求：

1.了解变频器中常用电力电子器件的外形和符号

2.了解相关电力电子器件的特性

教学重点、难点：

重点：

1.认识变频器中常用电力电子器件

2.常用电力电气器件的符号及特性

难点：

常用电力电气器件的特性

授课方法：

讲授、分析、图示

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：

《变频器原理及应用》机械工业出版社王延才主编

授课执行情况及分析：

在授课中，主要从外形结构、符号、特性等几方面对变频器中常用的电力电子器件进行介绍。

通过本次课的学习，大部分学生已对常用电力电子器件有了一定的认识，达到了预定的教学目标。

板书设计或授课提纲

变频器常用电力电子器件

一、电力二极管（PD）：

指可以承受高电压、大电流，具有较大耗散功率的二极管。

1.结构

2.伏安特性

3.使用场合

二、晶闸管（SCR）

1.外形及符号

2.结构

晶闸管是四层（（Ｐ1Ｎ1Ｐ2Ｎ2）三端（Ａ、Ｋ、Ｇ）器件。

3.晶闸管的导通和阻断控制

导通控制：

在晶闸管的阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极G和阴极K间也加正向触发电压，且有足够的门极电流。

要使导通的晶闸管阻断，必须将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。

三、门极可关断晶闸管（GTO）

1.结构：

与普通晶闸管相似

2.门极控制

四、电力晶体管（GTR）

五、电力MOS场效应晶体管（P-MOSFET）

1.结构

2.特性

（1）转移特性：

栅极电压

与漏极电流

之间的关系

（2）输出特性：

以栅—源电压

为参变量，反映漏极电流

与漏极电压

间关系的曲线簇

六、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

1.结构

2.静态特性

教学内容

备注

复习：

1.什么是变频器？

2.变频器有哪些应用？

新课引入：

变频器是随着微电子学、电力电子技术、计算机技术和自动控制理论等的不断发展而发展起来的。

变频器的主电路不论是何种形式，都是采用电力电气器件作为开关器件。

因此，电气电子器件是变频器发展的基础。

本次课我们一起来认识变频器中常用的电力电子器件。

讲授新课：

一、电力二极管（PD）：

指可以承受高电压、大电流，具有较大耗散功率的二极管。

电力二极管与普通二极管的结构、工作原理和伏安特性相似，但它的主要参数和选择原则等不尽相同。

1.结构

电力二极管的内部也是一个PN结，其面积较大，电力二极管引出了两个极，分别称为阳极A和阴极K。

电力二极管的功耗较大，它的外形有螺旋式和平板式两种。

（1）正向特性：

当从零逐渐增大正向电压时，开始阳极电流很小，这一段特性曲线很靠近横坐标。

当正向电压大于0.5V时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导通。

如果电路中不接限流元件，二极管将被烧毁。

硅二极管的开启电压为0.5V左右，锗二极管的开启电压为0.1V左右。

（2）反向特性：

当二极管加上反向电压时，起始段的反向漏电流也很小，而且随着反向电压的增加，反向漏电流只是略有增大，但当反向电压增大到反向不重复

峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增加。

2.伏安特性：

电力二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性。

如果对反向电压不加限制的话，二极管将被击穿而损坏。

3.使用场合

电力二极管常用于将交流电变换为直流电的整流电路中，也用于具有回馈或续流的逆变电路中。

二、晶闸管（SCR）：

是硅晶体闸流管的简称，包括普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。

其中普通晶闸管又叫可控硅，常用SCR表示。

1.外形及符号

晶闸管的种类很多，从外形上看主要由螺栓形和平板形两种，螺栓式晶闸管容量一般为10~200A；平板式晶闸管用于200A3个引出端分别叫做阳极A、阴极K和门极G，门极又叫控制极。

2.结构

晶闸管是四层（（Ｐ1Ｎ1Ｐ2Ｎ2）三端（Ａ、Ｋ、Ｇ）器件。

3.晶闸管的导通和阻断控制

导通控制：

在晶闸管的阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极G和阴极K间也加正向触发电压，且有足够的门极电流。

晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。

晶闸管从阻断变为导通的过程称为触发导通。

门极触发电流一般只有几十毫安到几百毫安，而晶闸管导通后，从阳极到阴极可以通过几百、几千安的电流。

要使导通的晶闸管阻断，必须将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。

三、门极可关断晶闸管（GTO）

门极可关断晶闸管，具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、控制功率大、使用方便和价格低；但它具有自关断能力，属于全控器件。

在质量、效率及可靠性方面有着明显的优势，成为被广泛应用的自关断器件之一。

1.结构：

与普通晶闸管相似，也为PNPN四层半导体结构、三端（阳极A、阳极K、门极G）器件。

2.门极控制

GTO的触发导通过程与普通晶闸管相似，关断则完全不同，GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出Ｐ2基区的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。

四、电力晶体管（GTR）

电力晶体管通常又称双极型晶体管（BJT），是一种大功率高反压晶体管，具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。

它被广泛用于交直流电机调速、中频电源等电力变流装置中，属于全控型器件。

工作原理与普通中、小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态，不用于信号放大，它所承受的电压和电流数值较大。

五、电力MOS场效应晶体管（P-MOSFET）

电力MOS场效应晶体管是对功率小的电力MOSFET的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极性半导体器件，属于电压控制型，具有驱动功率小、控制线路简单、工作频率高的特点。

1.结构

2.特性

（1）转移特性：

栅极电压

与漏极电流

之间的关系

当

时，

近似为零；当

，随着

的增大

也增大；当

较大时，

与

的关系近似为线性。

输出特性可划分为4个区域：

非饱和区Ⅰ、饱和区Ⅱ、截止区Ⅲ、雪崩区Ⅳ。

在非饱和区

较小，当

为常数时，

与

几乎呈线性关系。

在饱和区，漏电流几乎不再随漏源电压变化。

当

大于一定的电压值后，漏极PN结发生雪崩击穿，进入雪崩区Ⅳ，漏电流突然增大，直至器件损坏。

（2）输出特性：

以栅—源电压

为参变量，反映漏极电流

与漏极电压

间关系的曲线簇

六、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是20世纪80年代中期发展起来的一种新型器件，它综合了GTR和MOSFET的优点，既有GTR耐高电压、电流大的特点，又兼有单极性电压驱动器件MOSFET输入阻抗高、驱动功率小等优点。

目前在20KHz及以下中等容量变流装置中得到了广泛应用，已取代了GTR和功率MOSFET的一部分市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件。

1.结构

2.静态特性

（1）转移特性：

集电极电流

与栅—射极电压

之间的相互关系，与电力MOS场效应晶体管的转移特性相似。

开启电压

是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅—射极电压。

（2）输出特性：

以栅—射电压

为控制变量时，集电极电流

与集—射极电压

之间的关系。

输出特性分为3个区域：

正向阻断区、有源区和饱和区。

七、智能功率模块（IPM）：

集成电路PIC的一种。

它将高速度、低功耗的IGBT、与栅极驱动器和保护电路一体化，具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小的特点。

课堂小结：

类型

器件名称

简称

不可控器件

电力二极管

PD

半控器件

晶闸管

SCR

全控器件

门极可关断晶闸管

GTO

电力晶体管

GTR

电力MOS场效应晶体管

P-MOSFET

绝缘栅双极型晶体管

IGBT

电力电子模块

智能功率模块

IPM

布置作业：

1.总结本次课所学的电力电子器件。

2.哪种器件是目前通用变频器中广泛使用的主流功率器件？

不可控的单向导通器件

因为导通后门极失去控制作用，不能用门极控制晶闸管的关断，所以它是半控器件

门极加负电压可使其关断，全控器件

双极型全控器件

单极型全控器件，属于电压控制

复合型全控器件

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