1-4变频器主电路常用电力半导体器件

变频器主电路常用的电力半导体器件电力、电子器件电子技术的基础电力电子器件电力电子电路的基础电子器件：晶体管和集成电路电力电子器件的概念和特征电力电子电路的基础——电力电子器件1.概念:电力电子器件（powerelectronicdevice）——可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件主电路（mainpowercircuit）——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2.广义上分为两类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件(采用的主要材料仍然是硅)同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：①能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。②电力电子器件一般都工作在开关状态。③实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。④为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。电力电子器件的概念和特征应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.2电力电子器件的分类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绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3)不可控器件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。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。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2)全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。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。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：1)电流驱动型1)单极型器件电力电子器件的分类2)电压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2)双极型器件3)复合型器件由一种载流子参与导电的器件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：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由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件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。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。不可控器件—电力二极管PN结与电力二极管的工作原理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两种封装AKAKa)IKAPNJb)c)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N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。PN结的形成•扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。•空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。•交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。PN结与电力二极管的工作原理-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态PN结的单向导电性。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结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。PN结与电力二极管的工作原理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。PN结与电力二极管的工作原理电力二极管的基本特性1.静态特性主要指其伏安特性IOIFUTOUFU电力二极管的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。2.动态特性电力二极管的基本特性动态特性关断过程：开关特性•须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。••反映通态和断态之间的转换过程•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。开通过程：•电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。•电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。•正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。2.动态特性电力二极管的基本特性晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）•1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管•1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品•1958年商业化•开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代•20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代•能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件半控器件—晶闸管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)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构常用晶闸管的结构晶闸管的结构与工作原理Ic1=1IA+ICBO1Ic2=2IK+ICBO2IK=IA+IGIA=Ic1+Ic2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。由以上式可得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)工作原理晶闸管的结构与工作原理)(121CBO2CBO1G2AIIII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。晶闸管的结构与工作原理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•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，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的结构与工作原理晶闸管的基本特性1.静态特性总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：1)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。2)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。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。4)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。晶闸管的伏安特性第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=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管的基本特性1)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。晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的基本特性2)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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性2.动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性1)开通过程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普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)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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•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。•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tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的派生器件1.快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，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，