浙大电力电子技术课件01功率半导体器件

-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件1功率半导体器件的分类:1、按可控性分类（1）不控型器件（2）半控型器件（3）全控型器件2、按驱动信号类型分类（1）电流驱动型（2）电压驱动型第一章功率半导体器件-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件2§1-2大功率二极管一、大功率二极管的结构大功率二极管的内部结构与外部构成与晶闸管基本相同，只是少了一个可控的门极。反向恢复时间trr：普通2～5μS快速200-500nS与普通二极管相比有延迟导通、关断现象。关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件3二、大功率二极管的伏安特性-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件4三、大功率二极管的开通、关断特性-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件5四、大功率二极管的主要参数１.额定电流IF正向平均电流２.额定电压URRM反向重复峰值电压３.反向漏电流反向不重复平均电流IRS，反向重复平均电流IRR４.正向平均电压UF五、大功率二极管的型号ZP[电流]─[电压/100][]-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件6§1-3晶闸管一、晶闸管的结构结构:分为管芯及散热器两大部分。方式:分为螺栓型与平板型两种。-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件7-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件8螺栓型：散热效果差，用于200Ａ以下容量的元件平板型：散热效果好，用于200Ａ以上的元件a）自冷b）风冷c）水冷-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件9内部结构：四层（P-N-P-N）三端（A、K、G）-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件10二、晶闸管的工作原理特点：正向阻断反向阻断1.导通条件：正向阳极电压，正向门极电压。关断条件：必须使阳极电流降低到某一数值之下（几十毫安）2.内部物理过程：晶体管的集电极电流为另一只晶体管的基极电流→形成正反馈-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件11三、晶闸管的特性1.晶闸管的阳极伏安特性①正向阻断高阻区②负阻区③正向导通低阻区④反向阻断高阻区-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件122.门极伏安特性确保触发：IgIGT,UgUGT加反压10Ｖ，防止误触发门极峰值功率门极正向峰电压门极正向峰电流门极平均功率-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件133.晶闸管的开关特性-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件14四、晶闸管的主要参数1.额定电压UR选用器件时UR=(2～3)UTM正反向重复峰值电压取UDRM和URRM中较小值，取整1000V以下（100V一个等级），1000～3000V（200V一个等级）UDRM=0.8UDSM，URRM=0.8URSM-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件152.通态平均电流（额定电流）IT(AV)单相、工频、正弦半波、角度170°波形系数∶Ｋf＝Ｉ/IT(AV)=π/2=1.57选择元件：有效电流整流输出：平均电流从平均电流找出相应波形的有效电流以保证不过热选用器件时IT(AV)=(1.5～2)IT/1.570mmT(AV)dsin21IttII2mm01(sin)d22IIItt-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件163.通态平均电压（管压降）UT(AV)4.维持电流ＩH5.掣住电流ＩL开通过程中，能维持导通的最小电流。IL＝（2～4）IH几十mA，结温↑IH↓(难关断)-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件176.门极触发电流ＩGT与门极触发电压ＵGT对触发电路要求，随温度变化。7.电路换向关断时间ｔq导通时有载流子存在。使载流子消失，恢复正向阻断能力，ｔq40微秒以上。-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件18门极开路，使元件断→通的最小电压上升率UakUB0，Ic相当于Ig9.通态电流临界上升率di/dtdi/dt过大→J↑8.断态电压临界上升率du/dt-电力电子技术-第3学时第1章第3节功率半导体器件1911.晶闸管的型号Ｐ—普通,Ｋ—快速型，Ｓ—双向型，Ｎ—逆导型，Ｇ—可关断KP[电流]─[电压/100][]KP500-12通态平均电压组别正反向重复峰值电压通态平均电流普通型闸流特性-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件1四、大功率晶体管（GTR）1.结构：普通晶体管结构GTR结构符号特点：开关频率较高、动态性能好、承受功耗小、控制方便。阻断能力差、瞬态过电压及过载能力差。-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件22.工作特性（1）静态特性-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件3（2）动态特性td：延迟时间；ts：存储时间tr：集电极电流上升时间；tf：集电极电流下降时间图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件43.主要参数（1）电压参数集电极额定电压UCEM应小于UCEOUCEO：基极开路，集电极电流较大时，集，射极间的击穿电压（2）电流参数连续（直流）额定电流IC集电极额定电流（最大允许电流）ICM-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件5(1)二次击穿现象出现击穿现象（AB段），称一次击穿。cceoceiUU,1)2)点达，仍CCceiU集电极局部过热，C→D负阻效应,低电流，大电压，称二次击穿，元件损坏。4.二次击穿现象与安全工作区-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件6(2)安全工作区FBSOARBSOA-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件71.结构五、功率场效应晶体管（P-MOSFET）特点：电压控制，控制极（栅极）静态内阻高驱动功率小，开关速度高，无二次击穿，安全工作区宽-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件8(Ⅰ)可调电阻区(Ⅱ)饱和区(Ⅲ)击穿区1)漏极伏安特性2.工作特性（1）静态特性GSDmUIg跨导（与GTR中β相似）表示栅源电压对ID的控制2)转移特性-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件9GDGSinCCC静态驱动电流小动态Cin充放电，驱动电流稍大开通：a）GSinPUCU充电，,b)DTH(iUUGSGS时，导电沟道，有）c)不变稳定，仍充电，，预夹断随DGSinGSiUCUiDondonrttt（）＝＋输入电容:(2)开关特性为多数载流子器件，没有存储效应，开关时间短为20ns左右-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件10关断：a）UP高电平↓，Cin放电，UGS下降，iD未变b）td（off）时，预夹断，iD下降c）Cin仍放电，UGS仍下降，夹断区上升，iD下降UGSUGS（TH）时，导电沟道消失，iD＝0-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件11Ⅰ漏源电阻限制线Ⅱ最大漏极电流限制线Ⅲ最大功率限制线Ⅳ最大漏源电压限制线2)安全工作区(3)主要参数与安全工作区1)主要参数（a）漏极电压UDS（b）电流定额ID（c）栅源电压UGS-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件12GTR：开关频率较高，驱动功率大，导通压降小六、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT＝输入（MOSFET）＋输出（GTR）MOSFEF：通态压降大，开关速度高，驱动功率小-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件131.结构：-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件142.工作特性(1)静态特性(2)动态特性与MOSFET类似-电力电子技术-第4学时第1章第4节全控型器件153.擎住效应Rbr上产生NPN管导通的正向偏压从而产生擎住现象。dtdUCcej2大，此电流可在,dtdUce措施：ICICMRG上升，使关断速度下降，减小重加dtdUceIC上升，Rbr压降使NPN通,经正反馈，寄生等效晶闸管通，IGBT栅极失去控制作用。静态擎住：ICICM动态擎住：关断时产生，J2结反压很快建立，