电力电子技术基础1―器件

FundamentalsofPowerElectronicsTechnology电力电子技术基础第二部分电力电子器件61.1功率二极管基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。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两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK电力二极管的结构和工作原理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1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。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结的状态主要指其伏安特性门槛电压UTO，当电力二极管承受的正向电压大到一定值（UTO），正向电流IF才开始明显增加，处于稳定导通状态与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF,0.7~1.2V。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Is。反向击穿电压图1-3a电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU——静态特性电力二极管的基本特性主要反映电力二极管通态和断态之间转换过程的开关特性开关特性：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原处于正向导通状态的二极管的外加电压突然从正向变为反向时，二极管不能立即关断，而是经过短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。——动态特性电力二极管的基本特性IFUFtrrtdtftURPIRP——动态特性参数反向电流延迟时间：td,反向电流下降时间：tf反向恢复时间：trr=td+tfIFUFtrrtdtftURPIRP电力电子技术基础电力二极管的主要参数电力电子技术基础——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5s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——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（1s以下）的二极管，也简称快速二极管适用频率：20～100kHz电力电子技术基础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。——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——PD的分类肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）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：1MHz电力电子技术基础1.2普通晶闸管（SCR）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，因此在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），简称可控硅。——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、模块等封装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常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构——SCR的结构和工作原理晶闸管的四层半导体结构：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反向偏置，器件也处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。——SCR的结构和工作原理图1-5晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理晶体管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：IGIB2IC2(IB1)IC1IB2如此不断地对电流放大，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。——SCR的结构和工作原理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。如何使SCR关断：设法使阳极电流IA减小到小于维持电流IH（接近于零的某一数值），解除正反馈；A-K间施加反压。——SCR的结构和工作原理电力电子技术基础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晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下晶闸管正常工作时的特性总结如下：电力电子技术基础阳-阴极（A-K）之间加有正向电压；门-阴极(G-K)之间加正向电压和电流（触发脉冲）。晶闸管导通要具备两个条件：——SCR的特性晶闸管的阳极伏安特性该特性表示阳阴极之间的电压UAK与阳极电流IA之间的关系。第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMIG2IG1IG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。（伏安特性图）（1）正向特性位于第III象限，反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后（雪崩击穿），外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，可能导致晶闸管发热损坏。图1-6晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向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。该特性表示门极电压UGK与门极电流IG之间的关系。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在器件所要求的范围内。晶闸管的门极伏安特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断波形晶闸管的开关特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1)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）。开通过程（特性图)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ton以上两者之和，ton=td+tr（1-6）普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s电力电子技术基础2)关断过程（改变A-K极的电压极性）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正向阻断恢复时间tgr：由于载流子复合慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间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而不受门极电流控制而导通，即误导通实际应用中，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关断时间toff：trr与tgr之和，即toff=trr+tgr（1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA——SCR的主要参数1.电压定额1)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：重复频率为50次/s，电压持续时间为10ms以内。3)额定电压——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4)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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM——SCR的主要参数2.电流定额1)通态平均电流IT(AV)-----额定电流允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。额定电流本来应按照正向电流造成的发热效应来定义。实际选管时，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。器件的发热与有效值有关，晶闸管的通态平均电流IT(AV)对应着一个有效值I。由于整流电路的形式和带负载性质不同，导通角不同，流过晶闸管的电流波形不一样。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管的电流额定值，并留一定的裕量，一般取1.5~2倍——SCR的主要参数电力电子技术基础iIm0tIT(AV))()(21)(1200tdtidttiTITd电流平均值的定义)())((21220tdtiI电流有效值的定义dfIIK波形系数的定义——SCR的主要参数iIm0tIT(AV)峰值为IM的正弦半波电流对应的平均值/)(sin21)()(21)(10200)(MMTAVTItdtItdtidttiTI峰值为IM的正弦半波电流对应的有效值2/)()sin(21)())((2120220MMItdtItdtiI()()1(/2)1.57(1.57)TAVTAVfIIIK有效值工频半波的波形系数不同电流波形对应的波形系数不同，实际选管时应按照与工频半波时的有效值相等的原则进行换算，即实际波形的电流有效值等于工频半波的有效值：2()21.57()fdTAVfIKIIK有效值为实际波形波形系数iIm0td()TAVII：实际的电流波形，流经额定电流为的晶闸管，其允许的电流平均值。例：求波形的电流平均值、电流有效值以及波形系数iIm0tiIm0t解：（1）)()(2120tdtiId2)()sin(212mmItdtI22220)())sin((21)())((21tdtItdtiIm42mI22.22422mmdfIIIIK例：上题中不考虑安全裕量，额定电流IT(AV)=100A的晶闸管