电力电子技术基础1―器件

FundamentalsofPowerElectronicsTechnology电力电子技术基础SouthChinaUniversityofTechnology第二部分电力电子器件6电力电子技术基础第二部分电力电子器件——功率器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：(1)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晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的分类(2)全控型器件——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）(3)不可控器件——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的分类按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：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电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件电力电子技术基础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三类：单极型器件——由一种载流子参与导电的器件双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件——由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的分类电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的分类MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（（图1-42GTR电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的特性和应用电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——当前的格局IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTOGTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固电力电子技术基础1.1功率二极管电力电子技术第二部分电力电子器件——功率二极管PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础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，主要有螺栓型和平板型以及模块封装•AKAK电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——电力二极管与普通二极管的区别造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——PD等效模型外壳电容体电阻体电感引线电感势垒+扩散电容PN结电阻-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场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。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分电力电子技术基础电力电子技术第一部分绪论——静态特性uDiDmAA~m反向阻断雪崩击穿0.5~1.2V主要指其伏安特性当电力二极管承受的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。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——动态特性tiDtFRUFRP理想iDiD实际理想uD实际uDuD开通过程：势垒电容体电感正向恢复时间动态特性——因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的电力电子技术基础ononDDSDUridtdiLu电力电子技术第二部分电力电子器件——动态特性电力电子技术基础关断过程：tiDUFRP理想uD理想iDIRRPUR实际iDuD实际URRP25%IRRPtRR由UR、线路电感、体电感决定反向充电建立势垒开始承受反压，抽流过程减弱，直至恢复反向阻断能力PN结两侧储存的大量空穴在反压的作用下被抽出器件，而形成反相电流，达到反向偏置稳态电力电子技术第二部分电力电子器件——动态特性参数延迟时间：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IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——主要参数电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——主要参数电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类1.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5ms以上，这在开关频率不高时并不重要正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类2.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（1ms以下）的二极管，也简称快速二极管适用频率：20～100kHzMUR系列MUR162016A200V电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类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。适用频率：200kHz左右BYV26/32/36★超快恢复二极管（UltraFastRecoveryDiode25ns)★软恢复二极管（SoftRecoveryDiode0.5us)BYV27/28/29/1N6620~IN66311N5802~IN5816电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类3.肖特基二极管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（SchottkyBarrierDiode——SBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当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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电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类肖特基二极管的优点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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适用频率：1MHzMBR系列MBR252025A20V电力电子技术基础电力电子技术第二部分电力电子器件——二极管特性仿真4.925VD2MUR1620CT0VR1100D4MBR25204.323VV2TD=0nTF=50nPW=5uPER=10uV1=5vTR=50nV2=-5v0V04.351VR3100D3D1N4007R4100R2100D1D1N41484.514V电力电子技术第二部分电力电子器件——电流波形Time0s5us10us15us20us25us30us35us40us45us50usI(D4)-10mA0A10mA-I(R1)-10mA0A10mASELI(D3)-10mA0A10mAI(D1)-5.0mA0A5.0mAV(V2:+)-5.0V0V5.0V1N40071N4148MUR1620MBR2520电力电子技术第二部分电力电子器件——电压波形Time0s5us10us15us20us25us30us35us40us45us50usV(D1:2)-5.0V0V5.0VV(D3:2)-10V0V10VV(D2:3)-10V0V10VSELV(D4:2)-10V0V10VV(V2:+)-5.0V0V5.0V1N40071N4148MUR1620MBR25201.2普通晶闸管（SCR）电力电子技术第二部分电力电子器件——SCR的外形和符号电力电子技术基础外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间a)外形b)结构c)电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3电力电子技术第二部分电力电子器件——SCR的结构和工作原理电力电子技术基础RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)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Ic1=1IA+ICBO1（1-1）Ic2=2IK+ICBO2（1-2）电力电子技术第二部分电力电子器件——SCR的工作原理电力电子技术基础IK=IA+IG（1-3）IA=Ic1+Ic2（1-4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）~（1-4）可得（1-5）晶体管的特性是：在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。)(121CBO2CBO1G2AIIII电力电子技术第二部分电力电子器件——SCR的工作原理电力电子技术基础阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。电力电子技术第二部分电力电子器件——SCR其他可以导通的情况电力电子技术基础阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段电力电子技术第二部分电力电子器件——SCR的静态特性电力电子技术基础承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸