电力电子的技术1

第1章电力二极管和晶闸管•电力电子器件是电力电子电路的基础。因而掌握各种常用电力电子器件的特性和正确使用方法是我们学好电力电子技术的基础。本章将在对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作简要概述之后，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。§1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的特征•主电路（mainpowercircuit）：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强电电路。•与处理信息的电子器件相比，电力电子器件一般具有如下的特征：所能处理的电压电流较大。主电路功率达MW级。电力电子器件一般都工作在开关状态。因为处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率。注重器件的功率损耗和散热问题。通常PE器件所能切换控制的功率很大，可达数kW，但本身所允许的功耗却只有100W左右。通常需要安装散热器，风冷或水冷。器件发热的原因：通态损耗：导通时有一定通态压降；断态损耗：阻断时有一定断态漏电流；开关损耗：包括开通损耗与关断损耗。开关过程中的电压、电流乘积较大，并且随开关频率的升高而增大。通常关断损耗大于开通损耗。需要驱动与隔离。强、弱电系统之间电气隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰，提高可靠性。注重对器件的保护。通常采用吸收（缓冲)）保护电路（Snubber）来限制器件的du/dt和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件过压击穿。1.1.2电力电子器件的分类•半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。这类器件主要指晶闸管。•全控型器件既可以控制其导通，又可以控制其关断。又称为自关断器件。目前最常用的是GTR\IGBT、电力MOSFET、GTO。•不可控器件电力二极管（PowerDiode），只有两个端子，不能用控制信号来控制其通断，不需要驱动电路，器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。•按驱动信号的性质，又可分为电流驱动型（如GTR）和电压驱动型（如MOSFET、IGBT）两类。由于电压驱动型器件是通过加在控制极与公共端之间的电压产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态的，故亦称作压控器件或场控器件。•还可以按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为双极型器件（GTR、SCR、GTO、二极管）、单极型器件（MOSFET）和复合型器件（IGBT）三类。由一种载流子参与导电的器件称为单极型器件；由电子和空穴两种载流子参与导电的器件称为双极型器件；由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件则被称为复合型器件，也称混合型器件。§1.2不可控器件——电力二极管•电力二极管的基本特性–伏安特性：主要关心的参数是正向通态压降UF，0.7~1.2V；反向漏电流IS，数十A~数十mA；反向击穿电压。trr–开关特性PN结上存储有空间电荷和两种载流子，形成电荷存储效应及结电容，直接影响着二极管的动态开关特性。电导调制效应：当PN结外加正向电压，流过正向电流较大时，通过正向PN结两侧载流子存储量或电导率的自动调节作用，使得压降随着正向电流的增大而增加很少，基本维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态，通态压降很低。在GTR、SCR、IGBT、SITH和MCT等器件中，都存在着这种电导调制效应，因此它们的通态压降都很低。都是利用了正向PN结的电导调制效应的优点。关断时间较长：外加电压由正偏转换为反偏时，PN结两侧的存储电荷并不能立刻消散，PN结低阻，在反压作用下形成较大的反向电流。直到两区的载流子被反压抽尽，才恢复反向阻断能力。这一过程称作反向恢复时间trr。开通时间较短：外加电压由反偏或零偏转换为正偏的过程一般较快。•电力二极管的主要参数1.正向平均电流IF(AV)（额定电流）所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。决定发热的因素本来是电流的有效值，但由于传统上二极管多用于整流，其输出负载通常需要平均电流来衡量其性能。然而实际选管时，还是需要考虑工作电流有效值（发热损耗）是否会超过允许的定额。应按照实际电流波形所造成的发热效应与工频正弦半波时的有效值相等的原则来选取电力二极管的电流定额，并应留有一定的裕量。比如，峰值为IM的正弦半波电流对应的平均值IF(AV)=IM/（平均面积），其对应的有效值I=IM/2，故得I=(/2)IF(AV)=1.57IF(AV)。2.正向压降UF1V左右。3.反向重复峰值电压URRM指所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。4.最高工作结温TJM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。5.反向恢复时间trr6.浪涌电流IFSM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。短时冲击电流很大。•电力二极管的主要类型电力二极管的广泛应用：整流、控制电感续流、电压隔离、箝位或保护。从根本上讲，各种电力二极管性能上的不同都是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。1.普通二极管（GeneralPurposeDiode）开关频率在1kHz以下。其反向恢复时间较长，一般在5S以上。但其正向电流定额和反向电压定额却可以达到很高，分别可达数kA和数kV以上。2.快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）反向恢复时间trr很短（一般在5S以下）。多采用掺金工艺，结构上有的采用PN结型结构，也有的采用对此加以改进的PiN结构。特别是采用外延型PiN结构的所谓的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢复时间更短（50nS），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。快恢复二极管从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百nS或更长，后者则在100nS以下，甚至达到20~30nS。3.肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管。肖特基二极管的突出优点：反向恢复时间trr很短（10~40nS）；正向压降小。因此开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。主要缺点：反向耐压低，200V以下；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。§1.3半控型器件——晶闸管晶闸管（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。由于其能承受的电压和电流容量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占有比较重要的地位。1.3.1晶闸管的结构与工作原理•电气图形符号•三个电极：阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。•封装形式：螺栓型（200A)和平板型(200A)。平板型封装的晶闸管可由两个散热器夹紧。散热效果好。其两个平面分别是阳极和阴极，引出的细长端子为门极。•四层半导体结构：P1、N1、P2、N2四个区，形成J1、J2、J3三个结。P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。•外加正向电压（A接正，K接负）：J2反向偏置，A、K之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。•外加反向电压（A接负，K接正）：J1和J3反偏，器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。•双晶体管模型晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2组合而成。如果外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管V2的基极。•SCR的触发导通正反馈原理：V1实际上为V2构成了正反馈电路，在A-K间加正向电压情况下，若外电路向门极注入电流IG：IGIB2IC2（IB1）IC1IB2———————如此不断对电流放大，形成强烈的正反馈，很快使V1、V2进入饱和导通状态，即晶闸管导通，A-K间压降约1V左右。此过程称作门极触发。此时若撤掉外加门极电流IG，由于内部已形成了正反馈，并且反馈电流IC1IG，V1、V2可以相互维持导通。(定量分析自学)•如何使SCR关断：设法使阳极电流IA减小到接近0，解除正反馈；使SCR所在的回路断开；A-K间所加正向电压降到0或施加反压。•SCR为半控器件：通过门极只能使SCR触发导通，而不能控制其关断。•使SCR触发导通的几种情况：–门极触发；–阳极电压过高，造成雪崩效应，使反偏的J2结少子漏流倍增；–阳极电压上升率du/dt过高，中间结电容上形成位移电流Cdu/dt，使三极管电流增大，引发正反馈；–结温较高，漏电流增大；–光触发：光直接照射硅片，载流子获得能量。这5种情况只有门极触发和光触发具有使用价值，其它方式均应避免。光触发有专门的光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT），它可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘（隔离），在高压电力设备中有不少应用。1.3.2晶闸管的基本特性1.静态伏安特性•正向特性位于第I象限。当IG=0时，如果外加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo（breakover），则漏电流急剧增大，SCR开通（由高阻区经虚线负阻区到低阻区）。AKG随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。即使通过较大的阳极电流，晶闸管本身的压降也很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。•反向特性位于第III象限。伏安特性类似二极管的反向特性。外加反向电压时SCR处于反向阻断状态，只有极小的反向漏电流通过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后（雪崩击穿），外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。•门极伏安特性晶闸管的门极触发信号是作用于G-K之间的，触发电流是从门极流入，从阴极流出的。阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。从晶闸管的结构图可以看出，门极和阴极之间是一个PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。为了保证可靠、安全的触发，门极触发电路所提供的触发电压、触发电流和功率都应限制在一定的适当范围内（即晶闸管门极伏安特性曲线中的可靠触发区）。2.动态特性–开通过程SCR内部的正反馈导通过程总需要一定时间（阳极电流在iG作用后经过循环放大而建立），但开通时间tgt较短。–关断过程原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，阳极电流将逐步衰减到零，然后同电力二极管的关断动态过程类似，在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值IRM后，再反方向衰减。最终反向恢复电流衰减至接近于零，晶闸管恢复其对反向电压的阻断能力。从正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时间，就是晶闸管的反向阻断恢复时间trr。反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间，这叫做正向阻断恢复时间tgr。在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，造成误导通。所以应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。晶闸管关断时间tq定义为trr与tgr之和，即tq=trr+tgr。普通晶闸管（KP）的关断时间约几百S。1.3.3晶闸管的主要参数1.电压定额•断态重复峰值电压UDRM门极断路而结温额定时允许重复加在器件上的正向峰值电压。国标规定UDRM为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo，所留裕量大小由生产厂家自行规定。•反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%。低于反向击穿电压，裕量大小