电力电子器件基础知识

1模块1：电力电子器件基础知识1.1概述1.2电力二极管1.3晶闸管1.4门极关断晶闸管1.5电力晶体管1.6电力场效应晶体管1.7绝缘栅双极晶体管1.8其他新型功率开关器件1.9任务实施——电力电子器件测试1.10知识拓展——谐振软开关基本概念小结21.1概述1.电力电子器件的发展2.电力电子器件的使用特点3.电力电子器件的分类4.电力电子技术主要组成部分3晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代全控型器件迅速发展时期19571970198019902000t(年)电力电子器件发展4电力电子器件使用特点1.导通压降2.运行频率3.器件容量4.耐冲击能力5.可靠性5电力电子器件的分类1）根据控制信号可以控制的程度半控型器件（Thyristor）——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通过控制信号既可控导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。62）根据驱动信号的类型电流驱动型——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。3）根据内部导电载流子分单极型——器件内只有一种载流子（多数载流子）参与导电过程的半导体器件双极型——器件内电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件混合型——是指单极型和双极型器件的集成混合电力电子器件的分类72.变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。是电力电子技术的核心，其理论基础是电路理论。电力电子技术主要组成部分1.电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础，其理论基础是半导体物理。3.控制技术——电力电子技术的关键8电力变换分四大类交流变直流——整流（AC-DC变换器）直流变交流——逆变（DC-AC变换器）直流变直流——斩波（DC-DC变换器）交流变交流——交交变换（AC-AC变换器）电力电子技术主要组成部分9AKAKa)1.2电力二极管电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同，以半导体PN结为基础；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。IKAPNJb)c)图1-1电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号101.3晶闸管晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。从1958年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品；晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对强电的控制；晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。11一、晶闸管的结构晶闸管具有四层PNPN结构，引出阳极A、阴极K和门极G三个联接端；晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；晶闸管对于螺栓型封装，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。图1-2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AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G12二、晶闸管的导通和关断条件〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。图1-3晶闸管的工作条件的试验电路13〔解释〕当SCR的阳极和阴极电压UAK0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始终处于关断状态；UAK0时，且EGk0，SCR才能导通。SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；当UAK0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。导通和关断条件综上所述：SCR导通条件：UAK0同时UGK0由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。(一般通过减小EA,,直至EA0来实现。）14RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-4晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理三、晶闸管的工作原理分析〔具体描述〕如果IG(门极电流)注入V2基极，V2导通，产生IC2（β2IG）。它同时为V1的基极电流，使V1导通，且IC1=β1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通过SCR的电流由R确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为1V。此时，将IG调整为0，即UGK0，也不能解除正反馈，G极失去控制作用。在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。此时，其工作过程如下：UGK0→产生IG→V2通→产生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。15晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。（见图1-5）四、晶闸管的阳极伏安特性IG=0图1-5晶闸管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向导通UBO正向特性雪崩击穿161)正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。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。晶闸管本身的压降很小，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。四、晶闸管的阳极伏安特性172)反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。四、晶闸管的阳极伏安特性181.额定电压（UTn）1)正向断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。2)反向阻断重复峰值电压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。3)通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。五、晶闸管的主要参数19通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。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：UTn＝（２～３）UTM(在交流市电中UTM≈311V)一般来说，SCR的额定电压等级规范标准为：100V~1000V，每100V一个等级；1000V～3000V，每200V一个等级。20举例：一晶闸管用于相电压一晶闸管用于相电压为220V的单相电路中时，器件的电压等级选择如下：933.2V~7.62023~22VUUnT）（考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：VUnT700212.额定电流（通态平均电流）IT(AV)定义：在环境温度为+140度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算，它是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。22闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：平均电流IT(AV)与有效值关系为：m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57.1)T(AVTII23流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.5～2)倍的安全裕量，即57.1)2~5.1()(TAVTII式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值24有一晶闸管的电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过的电流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？分析：I（TAV）=100A的晶闸管对应的电流有效值为：IT=1.57×I（TAV）＝157A；波形对应的电流有效值：考虑2倍的安全雨量后得：举例：MMItdII6121310AIM3.192157621251）通态平均电压UT(AV)：当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。通态平均电压UT(AV)分为A～Ｉ，对应为0.4V～1.2V共九个组别。2)维持电流IH：使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小3)擎住电流IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。3.其他参数264)断态电压临界上升率du／dt：在额定结温和门极开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。5）通态电流临界上升率di／dt：在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。27六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1、门极伏安特性指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结，所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线可通过实验画出，如图1-6所示。282、门极几个主要参数的标准1）门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD：不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极不触发电压UGD，相应的最大电流称为门极不触发电流IGD。２）门极触发电压UGT和门极触发电流IGT在室温下，对晶闸管加上６V正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发电流IGT，相应的门极电压称为门极触发电压UGT。３）门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM29一、双向晶闸管1.双向晶闸管的外形与结构双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其内部是一种NPNPN五层结构引出三个端线的器件。如图1-7所示。双向晶闸管及其他派生晶闸管图1-7双向晶闸管302.双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第I象限，反向部分位于第III象限。双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为)()()(45.02RMSTRMSTAVTIII313.双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：第一象限触发第二象限触发第三象限触发第四象限触发32包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速