电力电子器件及驱动和保护

1第二章电力电子器件及驱动和保护2本章主要内容概述电力二极管晶闸管及其派生器件门极可关断晶闸管大功率晶体管电力场效应晶体管绝缘栅双极性晶体管集成门极换流晶闸管其它新型电力电子器件电力电子器件的驱动和保护电力电子器件的串并联技术32.1电力电子器件概述42.1.1Theconceptofpowerelectronicdevices电力电子器件：电力电子装置中实现电能变换与控制的器件。•Powerelectronicdevicesaretheelectronicdevicesthatcanbedirectlyusedinthepowerprocessingcircuitstoconvertorcontrolelectricpower.52.1.1Theconceptofpowerelectronicdevices电力电子器件电真空器件（Vacuumdevices）汞弧整流器（Mercuryarcrectifier）闸流管（thyratron）很少使用半导体器件SemiconductordevicesmajorpowerelectronicdevicesVeryoften:Powerelectronicdevices=PowersemiconductordevicesMajormaterialusedinpowersemiconductordevices——Silicon6电力电子器件的特征Featuresofpowerelectronicdevices电力电子器件直接用于处理电能，有特征：•处理功率能力远大于处理信息类器件处理功率的能力，可从毫瓦级到兆瓦级。•工作在开关状态——处理功率大，减小本身的损耗。•需信息电子电路控制，中间加驱动放大电路。•器件损耗大，器件设计和封装方面必须考虑散热，工作时还必须考虑散热器。72.1.2理想电力电子开关开关关断Off-state时能承受高的端电压，且漏电流为零。开关导通On-state时能流过大电流，且端电压（导通压降）为零。导通、关断切换时所需开关时间为零。小信号能导通、关断，对信号的延迟时间为零。反复开关不老化。82.1.3电力电子器件的损耗一般来说通态损耗是器件功率损耗的主要成因。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。主要损耗通态损耗on-stateloss断态损耗off-stateloss开关损耗Switchingloss关断损耗turn-offloss开通损耗turn-onlossPowerlossesonpowersemiconductordevices92.1.4电力电子器件的分类1.根据器件被控制信号所控制的程度分类•不可控器件(Uncontrollabledevice)•半控型器件(Half-controllabledevice)•全控型器件(Fully-controllabledevice)Classificationofpowerelectronicdevices10不可控器件(Uncontrollabledevice)•不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。•两个端子，器件通断由主电路决定。•单向导电。•典型器件：功率二极管（PowerDiode）。11半控型器件(Half-controllabledevice)可控制开通但不能控制关断，器件导通后控制端失去控制能力，器件关断决定于外部条件。三端器件。典型器件：晶闸管及派生器件。12全控型器件(Full-controllabledevice)既能控制开通，又能控制关断，又叫自关断器件。常用的有:PowerMOSFET、IGBT、GTO等。132.1.4电力电子器件的分类2.根据器件驱动信号的类型分类电流控制型器件通过向控制端注入或从控制端抽出电流实现器件的开通、关断。电压控制型器件器件的开通、关断控制是通过加在控制端与公共端之间的电压来实现的，又叫场控型器件或场效应器件。电压控制型器件需要的控制极驱动功率要小得多。142.1.4电力电子器件的分类3.根据器件驱动信号的波形分类•脉冲触发型如晶闸管及派生器件。•电平驱动型如GTR、IGBT等。152.1.4电力电子器件的分类4.按照器件内部载流子的类型分类•单极型UnipolardevicesMajoritycarrierdevices•双极型BipolardevicesMinoritycarrierdevices•复合型Compositedevices16单极型Unipolardevices一种载流子（一般为多子）参与导电的器件。特点：只有多子导电，无少子存储效应，开通关断时间短，典型值为20ns。输入阻抗很高，通常大于40兆欧，电压控制型。电流有负温度系数，不易产生局部热点，二次击穿可能性极小。通态压降高，电压和电流额定值比双极型器件小。适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备。17双极型Bipolardevices两种载流子都参与导电。特点：通态压降较低。阻断电压高。电压和电流额定值较高，适用于大中容量的变流设备。18复合型Compositedevices由单极型器件和双极型器件组合而成。特点：既有晶闸管、GTO等双极型器件的电流密度高、导通压降低等优点，又具有功率场效应管等单极型器件的输入阻抗高、响应速度快的特点，是一类综合性能较好、具有发展前途的电力电子器件。19电力电子器件的家族树20电力电子器件的发展情况212.2电力二极管PowerDiode功率二极管主要作整流、续流和隔离等。快恢复和肖特基二极管，分别在中、高频整流、逆变及低压高频整流场合，有不可替代的地位。整流二极管及模块22222.2电力二极管PowerDiode232.2.1电力二极管的结构和基本工作原理一个面积较大的PN结和两端引线封装组成。外形：螺栓型和平板型。AKAKa)IKAPNJAKAnodeCathodeAppearance24PNJunction的形成PN结：N型半导体和P型半导体结合成。扩散(diffusion)空间电荷建立内电场或自建电场，阻止扩散。漂移(drifting)稳定的空间电荷区或耗尽层，阻挡层，势垒区。25正向：内电场被削弱，扩散漂移，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。25PN结的单向导电性26反向：内电场被增强，漂移扩散，光热激发形成的少数载流子导电，等效电阻很大。26PN结的单向导电性27状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持约1V反向大反向小阻态低阻态高阻态——PN结的单向导电性PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿PN结的状态电力二极管的工作原理28电导调制效应ＰＮ结流过较小电流时，电阻主要为基底低掺杂Ｎ区的欧姆电阻，为常量，管压降随电流上升增加。ＰＮ结流过较大电流时，注入并积累在低掺杂区的少子空穴浓度很大，为维持半导体中性，多子浓度也增大，电阻率下降，即电导调制效应。此时压降１Ｖ左右，低阻状态。电导调制效应的存在，可允许器件流过较大电流。29PN结电容效应PN结的空间电荷区就是一个平板电容器，其电荷量随着外加电压变化而变化，呈现电容效应，称为结电容。结电容影响工作频率，特别是高速开关状态时，结电容可能与电路的杂散电感共同引起高频震荡，影响电路正常工作。注意：高频状态下，结电容呈低阻抗特征，PN结单向导电性变差，降低反向阻断能力。30RCK(N)A(P)PN结高频等效电路311.2.2电力二极管的基本工作特性门槛电压UTO正向压降UF反向时，只有漏电流。IOIFUTOUFU静态特性：主要指其伏安特性。32动态特性偏值状态改变时的过渡过程。电压电流特性随时间变化。由于结电容的存在。1.2.2电力二极管的基本工作特性33关断过程须经短暂时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断前有较大反向电流，并伴随明显反向电压过冲。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt2.2.2电力二极管的基本工作特性34关断过程延迟时间：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：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。1.2.2电力二极管的基本工作特性IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt35正向压降先出现过冲UFP，经一段时间趋于稳态压降的某个值（如2V）。正向恢复时间tfr电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V开通过程：forward-recoverytime2.2.2电力二极管的基本工作特性36电力二极管的参数主要用来衡量二极管使用过程中：是否被过压击穿是否会过热烧毁开关特性362.2.3电力二极管的主要参数372.2.3电力二极管的主要参数正向平均电流（额定电流）IF(AV)定义：长期运行时，在指定的壳温和散热条件下，结温稳定且不超过允许的最高工作结温，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，即为正向平均电流。将此电流值取规定系列的电流等级值，即为元件的额定电流。Specificationsofpowerdiode38注意：正向平均电流按照发热条件定义，使用时，应按电流有效值相等原则选取，并留裕量。换算关系：正弦半波电流有效值和平均值IF(AV)比：()1.57FAVII2.2.3电力二极管的主要参数3939如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。2.2.3电力二极管的主要参数40正向压降定义：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。UF2.2.3电力二极管的主要参数41反向重复峰值电压URRM二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压UB的2/3，是二极管的额定电压。最高工作结温TJM在pn结不损坏前提下所能承受的最高平均温度TJM，通常在125°C-175°C。2.2.3电力二极管的主要参数42•反向恢复时间指功率二极管由导通到关断时，从正向电流过零到反向电流下降到峰值的25%时的时间间隔。它与反向电流上升率、结温及正向导通时的最大正向电流有关。•浪涌电流IFSM指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。一般用额定正向平均电流的倍数和相应的浪涌时间（工频周波数）来规定。trr2.2.3电力二极管的主要参数432.2.3电力二极管的主要参数442.2.4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分类。•普通二极管(RectifierDiode)•快恢复二极管（FastRecoveryDiode）•肖特基二极管（SchottkyDiode）45多用于频率不高（1kHz以下）的整流电路；反向恢复时间较长,5微秒以上；正向电流定额和反向电压定额高。普通二极管(GerneralPurposeDiode)46快恢复二极管(FastRecoveryDiode)恢复过程短，特别是反向恢复过程较短（在5微秒以下）。分为快速恢复和超快速恢复。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。47肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode)以金属和半导体接触形成的势垒为基础。优点：反向恢复时间很短（10-40ns）；正向恢复过程无明显电压超调；反向耐压较低时正向压降小，开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小。缺点：反向耐压提高时，正向压降会高得无法接受。反向漏电流较大且对温度敏感。多用于200V以下的场合。482.3晶闸管Thyristor硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅（SiliconControlledRectifier—SCR）。晶闸管一般指普通晶闸管，实际还包括其派生