第2章 电力电子器件

第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——电力二极管2.3半控型器件——晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结2/89引言■模拟和数字电子电路的基础——晶体管和集成电路等电子器件电力电子电路的基础——电力电子器件■本章主要内容：◆对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作了简要概述。◆分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。3/892.1电力电子器件概述2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点4/892.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的概念◆电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。☞主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。☞广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。5/892.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的特征◆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。◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。◆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。6/892.1.1电力电子器件的概念和特征☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。☞当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗☞电力电子器件的功率损耗7/892.1.2应用电力电子器件的系统组成■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电气隔离控制电路检测电路保护电路驱动电路RLV1V2主电路图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成8/892.1.3电力电子器件的分类■按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。☞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。◆全控型器件☞目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。9/892.1.3电力电子器件的分类■按照驱动信号的性质◆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。■按照驱动信号的波形（电力二极管除外）◆脉冲触发型☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。◆电平控制型☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。10/892.1.3电力电子器件的分类■按照载流子参与导电的情况◆单极型器件☞由一种载流子参与导电。◆双极型器件☞由电子和空穴两种载流子参与导电。◆复合型器件☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。11/892.1.4本章内容和学习要点■本章内容◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。■学习要点◆最重要的是掌握其基本特性。◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。12/892.2不可控器件——电力二极管2.2.1PN结与电力二极管的工作原理2.2.2电力二极管的基本特性2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型13/892.2不可控器件——电力二极管·引言■电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。整流二极管及模块14/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN结与电力二极管的工作原理■电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)基本结构c)电气图形符号15/892.2.1PN结与电力二极管的工作原理■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。◆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。☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。16/892.2.1PN结与电力二极管的工作原理■PN结的电容效应◆称为结电容CJ，又称为微分电容◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。◆结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。17/892.2.2电力二极管的基本特性■静态特性◆主要是指其伏安特性◆正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。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，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU图2-5电力二极管的伏安特性18/892.2.2电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V图2-6电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置■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。☞延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻19/892.2.2电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置转换为正向偏置☞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☞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，UFP越高。图2-6电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置20/892.2.3电力二极管的主要参数■正向平均电流IF(AV)◆指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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。■正向压降UF◆指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。■反向重复峰值电压URRM◆指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。21/892.2.3电力二极管的主要参数■最高工作结温TJM◆结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。◆最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。◆TJM通常在125～175C范围之内。■反向恢复时间trr■浪涌电流IFSM◆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。22/892.2.4电力二极管的主要类型■按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。◆普通二极管（GeneralPurposeDiode）☞又称整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。☞其反向恢复时间较长，一般在5s以上。☞其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。23/892.2.4电力二极管的主要类型◆快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）☞恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。☞快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。☞从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。24/892.2.4电力二极管的主要类型◆肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）☞属于多子器件☞优点在于：反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。☞弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。25/892.3半控型器件——晶闸管2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件26/892.3半控器件—晶闸管·引言■晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。■1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（GeneralElectric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。■由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块27/892.3.1晶闸管的结构与工作原理■晶闸管的结构◆从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。◆引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。◆内部是PNPN四层半导体结构。图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号28/892.3.1晶闸管的结构与工作原理图2-8晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理■晶闸管的工作原理◆按照晶体管工作原理，可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2