第二章、电力电子器件

第1章、电力电子器件1.1电力电子器件的基本模型1.2电力二极管(PD或SR)1.3晶闸管(SCR)1.4可关断晶闸管(GTO)1.5电力晶体管(GTR)1.6电力场效应晶体管(MOSFET)1.7绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1.8功率模块1.9电力电子器件的驱动1.1电力电子器件的基本模型定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（PowerElectronicDevice）。第1章在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图1.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。图1.1.1电力电子器件的理想开关模型一、基本模型：1.1电力电子器件的基本模型第1章二、基本特性：1.1电力电子器件的基本模型第1章（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。（2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。1.1.2电力电子器件的种类一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：①不可控器件：②半控型器件：③全控型器件：第1章二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种：①电流控制型器件：此类器件采用电流信号来控制它的通、断。②电压控制型半导体器件：这类器件采用电压信号来控制它的通、断。1.2电力二极管第1章1.2.1电力二极管及其工作原理•电力二极管（PowerDiode），属不可控电力电子器件。基本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,单向导电性.PN阳极(A)阴极(K)1.2.2、电力二极管的伏安特性与信息电子电路中的二极管一样.1.正向导通特性.死区电压,正向导通压降的概念.2.反向截止特性.3.反向击穿.图1.2.2电力二极管的伏安特性曲线伏安特性曲线:第1章（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（RectifierDiode），多用于开关频率较低(一般在１KHZ以下)的整流电路中。（2）快恢复二极管：多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：导通压降很低,典型值为0.4～0.6V。但不能耐反向高压。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。1.2.3、电力二极管的主要类型第1章1.2.4、电力二极管的主要参数（1）额定正向平均电流IF(AV)第1章指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降)。（3）正向导通压降：（2）反向重复峰值电压ＵRRM：指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。1.3、晶闸管普通晶闸管：也称可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),简称SCR。。第1章1.3.1晶闸管及其工作原理晶闸管有三个电极,它们是阳极A,阴极K和门极(或称栅极)G,它的电气符号如图1.3.1(e)所示。图1.3.1晶闸管的外型及符号1、晶闸管的符号：第1章晶闸管与电力二极管的对比：相同点：都具有单向导电性。加正向电压导通，加反向电压截止。不同点：晶闸管要导通，除了加正向电压外，还要在门极加正向触发电流。2、晶闸管的工作原理第1章2、晶闸管的工作原理(2)正向导通：晶闸管阳极施加正向电压,给门极G也加正向触发电流,则晶闸管阳极A与阴极K之间导通。晶闸管导通后,此时即使撤除正向触发电流，晶闸管仍然能够维持导通。只能通过门极控制其开通，不能控制其关断，所以晶闸管称为半控型器件。第1章(1）正向阻断：当晶闸管A、K间承受正向电压，而门极电流Ig=0时,晶闸管处于正向阻断状态。(3)反向截止：当晶闸管A、K间加反向电压时,晶闸管处于反向截止状态。第1章2、晶闸管的工作原理第1章1.3.2晶闸管的伏安特性定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。•图1.3.4晶闸管阳极伏安特性第1章正向特性:与二极管的正向特性相似.正向转折电压UBO对应于二极管的死区电压.触发电流Ig越大,正向转折电压越小.反向伏安特性也类似于二极管的反向特性。电流基本为0.反向击穿电压.图1.3.4晶闸管阳极伏安特性反向特性：第1章1.3.3晶闸管的开关特性晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。1.3.5晶闸管的开通和关断过程波形第1章延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr•1.3.5晶闸管的开通和关断过程波形(1)开通过程：第1章正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr1.3.5晶闸管的开通和关断过程波形(2)关断过程反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间第1章1）开通时间tgt：普通晶闸管的开通时间tgt约为6μs。2）关断时间tq：普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒。第1章1.3.4.晶闸管的主要特性参数•正向重复峰值电压UDRM.•反向重复峰值电压URRM.•晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值,选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2～3倍。（1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压UTe第1章（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流IT(AV)在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。第1章（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。第1章（4）通态平均电压UT(AV)正向导通时的管压降.1.4可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。全控型器件.第1章图1.4.1GTO的内部结构和电气图形符号(a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形(b)并联单元结构断面示意图(c)电气图形符号1、可关断晶闸管的结构第1章2、可关断晶闸管的应用GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大。优点:用门极正脉冲可使GTO开通，用门极负脉冲可以使其关断。缺点:但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的１/５左右。例如1000A的GTO,要关断它需要施加200A的反向电流.代价太大.GTO的通态管压降比较大，一般为2～3V。第1章1.5、电力晶体管•1)术语：电力晶体管（GTR,有时候也称为PowerBJT。耐高电压、大电流.全控型器件.2）应用：20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。第1章1.5.1电力晶体管及其工作原理•与普通的晶体三极管的基本原理是一样的。•主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。•这里以NPN型为例.第1章NNP基极发射极集电极NPN型符号：BECIBIEICBCII在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流Ic与基极电流Ib之比为β——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力第1章1.5.2电力晶体管的特性深饱和区：IB变化时IC不再改变，管压降UCE很小，类似于开关的通态。图1.5.3共发射极接法时GTR的输出特性1.GTR的输出特性截止区：IB＜0(或IB=0)，类似于开关的断态；线性放大区：IC=βIB，GTR应避免工作在线性区.准饱和区：随着IB的增大，IC与IB之间不再呈线性关系，β开始下降，曲线开始弯曲；第1章•1）延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。延迟时间:在正基极电流的作用下,集电极电流Ic从0增加到饱和电流ICS的10%的时间.上升时间：集电极电流Ic从10%ICS增加到90%ICS的时间。图1.5.4GTR的开通和关断过程电流波形2、GTR的开关特性（1）开通过程：第1章关断时间tof为：存储时间ts和与下降时间tf之和。储存时间:在负基极电流的作用下,集电极电流Ic下降到90%ICS的的时间.下降时间：集电极电流Ic从90%ICS的减小到10%ICS的时间。图1.5.4GTR的开通和关断过程电流波形（2）关断过程：第1章1.5.3电力晶体管的主要参数(1)电压定额(2)电流定额第1章(3)最大耗散功率PCM：即GTR在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。(4)电流放大倍数β：β=IC／IB•一次击穿集电结电压UCE升高至最大电压定额左右时，Ic急剧增大（雪崩击穿），但此时集电结的电压UCE基本保持不变，称为一次击穿.如果此时限制Ic不再继续增加，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿一次击穿发生后如果继续增大UCE，当Ic上升到某个临界点A时,Ic会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降，立即导致器件的永久损坏，这称为二次击穿。二次击穿和安全工作区第1章•按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。1.5.3电力晶体管的特性与主要参数(续)安全工作区安全工作区SOA(SafeOperationArea)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。第1章正偏安全工作区，基极正向偏置下.它是由GTR的最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压UCEO、最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域。1.5.2电力晶体管的特性与主要参数(续)①正偏安全工作区FBSOA第1章•反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE、电流IC限制界线所围成的区域。②反偏安全工作区RBSOA1.6电力场效应晶体管电力场效应管通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。N沟道P沟道电力MOSFET耗尽型：增强型:耗尽型增强型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；对于N（P）沟道器件,栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道第1章最常见的是N沟道增强型.优点：电压控制型器件，所以输入阻抗高(可达40MΩ以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)宽缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电力电子装置。N沟道MOSFET的符号G—栅极D---漏极S—源极•MOS的漏极电流ID受控于栅压UGS；1.6.1电力场效应管及其工作原理2、电力场效应管的工作原理（1）截止：栅源电压UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT为开启电压，又叫阈值电压)；（2）导通：UGS＞UT时，加至漏极电压UDS＞0；（3）漏极电流ID：第1章1.6.2电力场效应晶体管的特性•在不同的UGS下，漏极电流ID与漏极电压UDS间的关系曲线族称为MOS的输出特性曲线。1）截止区：当UGS＜UT(UT的典型值为2~4V)时；2）线性区(非饱和区)：当UGS＞UT且UDS很小时，ID和UDS几乎成线性关系。3）饱和区：在UGS＞UT时，且随着UDS的增大，ID几乎不变;4）雪崩区：当UGS＞UT，且UDS增大到一定值时,损坏.1、静态输出特性MOS管的输出特性第1章一般就可理解为使MOSFET开通所需要施加的最小栅极电压.实际应用时，UGS=(1.5～2.5)UT