电力电子器件

第一章电力电子器件电力电子器件是电力电子技术的基础。掌握各种电力电子器件的特性和使用方法。1.1电力电子器件概述：1.1.1概念和特征概念主电路Powercircuit:在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。电力电子器件Powerelectronicdevice:直接用于主电路中，实现电能的变换或控制任务的电子器件特征承受电流和电压的能力是其最重要的参数一般工作在开关状态。通态阻抗很小，近于短路，管压降近于零，电流由外电路决定。断态阻抗很大，近于开路，电流近于零，电压由外电路决定。因此开关特性和参数是重要方面电力电子器件由信息电子电路控制。普通信息电子电路信号一般不能直接控制电力电子器件，一般需要中间电路对这些信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。散热设计。通态损耗=通态压降*通态电流；断态损耗=断态压降*断态电流。开关损耗，驱动电路注入损耗1.1.2应用电力电子器件系统组成系统=控制电路+检测电路+驱动电路+主电路控制电路按照检测电路的信号和系统的工作要求，形成控制信号。电气隔离保护电路电力电子器件三端子：两端连接于主电路流通主电流，第三端（控制端）与公共端之间施加触发信号。公共端一般是电流流出端。1.1.3电力电子器件分类按可控程度：半控，可控制开通，不能控制关断全控：可控制开通，可控制关断不可控按控制信号性质电流驱动型电压驱动型（场控）按载流子单级型双极型复合型1.2电力二极管外观结构符号电力电子器件实际上是由面积较大的PN结，两短引线和封装组成的PN结↑扩散运动：有浓度高的想浓度低运动漂移运动：载流子在内电场作用下的运动扩散漂移达到动态平衡，形成稳定的空间电荷区（也叫阻挡层、耗尽层、势垒区），就是PN结。单向导电性正向偏置P+N-,外加电场与内电场方向相反，PN结变窄，扩散漂移，形成扩散电流，叫正向电流IF。正向导通状态。IF较小时，二极管电阻主要是低掺杂N区的欧姆电阻，数值较高且为常量，IF↑→UF↑。电导调制效应：IF较大时，注入并积存在低掺杂N区的空穴浓度会很高，为保持电中性，电子浓度也会大幅度增加，是电导率大大增加。反向偏置：P-N+,外加电场与内电场方向一致，PN结加厚，漂移扩散，形成扩散电流。称为反向电流IR，温度一定时，IR趋于恒定，成为反向饱和电流Is，高阻态，反向截止状态。反向击穿：雪崩、齐纳电容效应：Qpn=f(Uf),Cj=势垒Cb+扩散Cd，Cb只在外加电压变化时起作用，外加电压频率越高越明显。像平板电容器。Cd在正偏时起作用，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主。1.2.2电力二极管的基本特性静态特性动态特性关断过程延迟时间：td=t1-t0下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf回复特性的软度Sr=tf/td开通过程1.2.3电力二极管主要参数正向平均电流IF(AV)：在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C范围之内。反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。1.2.4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介绍。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。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。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（5s以下）的二极管，也简称快速二极管，工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构，采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。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。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。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。1.3半控型器件——晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1.3.1晶闸管的结构与工作原理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。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)工作原理：Ic1=1IA+ICBO1（1-1）Ic2=2IK+ICBO2（1-2）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。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。其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应，)(121CBO2CBO1G2AIIII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。晶闸管正常工作时的特性总结：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。1.3.2晶闸管的基本特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压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。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。1)开通过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr（1-6）2）关断反向阻断回复时间trr正向阻断回复时间tgr关断时间tq=trr+tgr(几百微妙)1.3.3晶闸管的主要参数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。UdrnUbo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。Urrm=0.9*Ursm,Ursm反向击穿电压。通态（峰值）电压UT——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。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，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。取整100V一个等级通态平均电流IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。–维持电流IH：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。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。浪涌电流ITSM:指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。动态参数开通时间tgt关断时间tq断态电压临界上升率du/dt通态临界电流上升率di/dt.结论晶闸管导通的条件：（1）承受正向阳极电压；（2）门极有触发电流；关断条件：（1）加反向阳极电压；1.3.4晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶HAII)3(RUIIHA使)2(闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）a)b)IOUIG=0GT1T2a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。3）逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。b)UOIIG=0KGA具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。4）光控晶闸管（Ligh