第2章半导体电力开关器件

电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第2章半导体电力开关器件22半导体电力开关器件2.1电力二极管2.2双极结型电力晶体管BJT2.3晶闸管及其派生器件2.4门极可关断晶闸管GTO2.5电力场效应晶体管P－MOSFET2.6绝缘门极双极型晶体管IGBT*2.7*2.8自学2.9半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结3电力开关器件家族树4电力开关器件发展史52.1电力二极管5电力二极管实物图62.1.1半导体PN结P型、N型半导体和PN结72.1.2半导体二极管基本特性—单向导电性正向接法时内电场被削弱，扩散运动强于漂移运动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。反向接法时内电场被增强，漂移运动强于扩散运动，光热激发形成的少数载流子导电，等效电阻很大。7半导体二极管的符号及正反向接法82.1.2半导体二极管基本特性—单向导电性（续1）正向接法反向接法92.1.2半导体二极管基本特性—单向导电性（续2）二极管伏-安特性)1(/TVVSeII一般表达式：SRII反向时的表达式：TVVSFeII/正向时的表达式：Is：反向饱和电流102.1.2半导体二极管基本特性—单向导电性（续3）RCK(N)A(P)PN结高频等效电路112.1.3半导体电力二极管重要参数半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量二极管使用过程中：是否被过压击穿是否会过热烧毁开关特性12额定电流的定义：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值。002/01)()sin(21)()sin(1)sin(1mmmTmFRItdtItdtITtdtITI当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：13mmTmFrmsItdtIdttITI21)()(sin21)(sin10222/022当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：最大允许全周期均方根正向电流的定义：当二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms称为最大允许全周期均方根正向电流。14二极管电流定额的含义如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。mFrmsII21mFRII1FRFRFrmsIII57.12由额定电流和最大允许全周期均方根正向电流的公式，得：15选择二极管电流定额的过程：求出电路中二极管电流的有效值IFrms；求二极管电流定额IFR，等于有效值IFrms除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。/1.57FRFrmsII16半导体电力二极管的开关特性开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完成，它要经历一个短时的过渡过程；此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管有很大差异；理解开关过程对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。状态：过程：导通、阻断开通、关断17半导体电力二极管的开关特性（续）二极管开通及反向恢复过程示意图18半导体电力二极管的开关特性（续）二极管关断过程示意图19半导体电力二极管重要参数有关半导体电力二极管使用特性和准则的几个重要参数是：最大允许反向重复峰值电压额定电流最大允许的全周期均方根正向电流最大允许非重复浪涌电流最大允许的PN结结温和管壳温度结－壳、壳－散热器热阻反向恢复时间20半导体电力二极管重要参数（续1）二极管关断电压、电流波形212.1.4二极管的基本应用整流续流¡«D1D2D3D4VDCVAC（a）整流（b）续流DLiSVSRR222.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用2.2.2静态特性2.2.3电力三极管使用参数和特性BJT(BipolarJunctionTransistor)或GTR(GiantTransistor)2.2双极结型电力晶体管BJT232.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用三极管的结构和符号242.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用(续1)载流子流向示意图252.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用(续2)基极电流控制集电极电流EnCnEnCIIIIaEnEnBIaIaI)1()1(BCEIIIECBOnCCBCIaIIII0)1()1(0aIIaaICBBC)1(aa0)1(CBBCIIIBCII26CIcRcVCCVCE=0BIBVBBIBEVCE=1VVBE(b)输入特性(a)电路RBN1J1PN2J22.2.2三极管的静态特性三极管输入、输出特性272.2.3电力三极管使用参数和特性BVCEX反偏BVCESBVCERBVCEOR开路CBEBVcExBVcEsBVcERBVcEo图2.9不同基极状态时，集－射极击穿电压1.集电极额定电压2.集电极额定电流（最大允许电流）3.饱和压降4.基极电流的最大允许值5.开通和关断时间6.安全工作区28电力三极管的主要特点是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；开关速度较快；饱和压降较低；有二次击穿现象；能控制较大的电流和较高的电压；电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A;已经淘汰292.3晶闸管及其派生器件晶闸管实物图302.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈2.3.2逆导型晶闸管RCT2.3.3光控晶闸管LCT2.3.4双向晶闸管TRIACIGBT2.3晶闸管及其派生器件312.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈晶闸管的结构、符号和结构模型32AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效电路可控开通关断时：强迫其电流下降到维持电流以下0111CBACiIaI0222CBCCiIaI02121IIaIaIIICACCA)(12120aaIaIIgA通态时121aaAI()ACIIAgCIII晶闸管的等值电路33防护及逆阻型晶闸管伏安特性图dtdv11.2静态伏安特性及dv/dt防护34图中画斜线部分为一个2周期中晶闸管的电流波形。若各波形的最大值为Im=100A，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3。若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求？例2-1答：见书39页352.3.2逆导型晶闸管RCTGKAGKA逆导晶闸管等值电路和符号362.3.3光控晶闸管LCTGKAAGKJ2光控晶闸管符号及等值电路37T2T2T1T1GGG(a)符号(b)双向开关IVT1T2T2T1Ig+-T2T1GIg+-(c)伏安特性G双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性2.3.4双向晶闸管TRIAC38GTO符号及关断原理图GGKKAAIAIC-IgP1P2P2N1N1N2T2T1(a)符号(b)关断原理1ci2ci2biGTO（GateTurn-OffThyristor）为什么能靠反向触发电流关断？T2的电流分配系数较大；T1、T2饱和深度较浅2.4门极可关断晶闸管GTO392.5电力场效应晶体管P－MOSFETP-MOSFET基本结构、符号和外接电路402.5电力场效应晶体管P－MOSFET（续1）目前流行的结构具有垂直导电双扩散MOS结构的N沟增强型VDMOS的结构412.5电力场效应晶体管P－MOSFET（续2）关断导通导通和关断载流子流向示意图42P-MOSFET特性曲线IDVGSVGSth(d)转移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(e)输出特性ⅠⅡⅢVBRP－MOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述：2.5电力场效应晶体管P－MOSFET（续3）432.6绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBT结构和等效电路GCERdrRbrT2T1AB44ICVCEVGE=0VGE1VGE2VGE3VRM0(c)输出特性正向阻断区VGEVBRIcVGEVGEth(d)转移特性(a)符号ICGECGCEVgVSR(b)电路RdrRbrT2T1ICABRg符号、电路及静态特性2.6绝缘门极双极型晶体管IGBT（续1）452.6绝缘门极双极型晶体管IGBT（续2）GCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg什么是擎住效应：集电极电流iC过大；集电极电压过高；关断速度过快。Rbr上的电压过大，可使T2导通，使IGBT失去关断能力。产生擎住效应的原因：46晶闸管引入一对MOSFET构成了场控晶闸管MCT（图2.19）开通P沟道的MOS管使MCT导通开通N沟道的MOS管使MCT关断*2.7MOS控制晶闸管MCT47图2.20SIT和SITH结构原理0GSV：N沟道变宽，等效电阻小，SIT开通0GSV：N沟道夹断，等效电阻大，SIT关断特点：开关速度很快，可在100~500kHz的高频开关状态下工作SIT是一种结型场效应晶体管，控制GS之间的电压可以改变电流通道（图中N沟道）的宽窄，从而控制SIT的通断。静电感应晶闸管SIT*2.8静电感应晶体管48(a)(d)(c)(b)二极管和晶闸管模块2.9半导体电力开关模块和功率集成电路49达林顿三极管功率模块2.9半导体电力开关模块和功率集成电路（续1）50MOSFET功率模块2.9半导体电力开关模块和功率集成电路（续2）(a)双开关模块(b)三相桥模块(c)四个开关并联51AC-DC-AC变频功率模块2.9半导体电力开关模块和功率集成电路（续3）ACBPNLZYX52小结根据开关器件开通、关断可控性的不同，开关器件可以分为三类：不可控器件：仅二极管D是不可控开关器件。半控器件：仅普通晶闸管SCR属于半控器件。可以控制其导通起始时刻，一旦SCR导通后，SCR仍继续处于通态。全控型器件：三极管BJT、可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管P-MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT都是全控型器件，即通过门极（或基极或栅极）是否施加驱动信号既能控制其开通又能控制其关断53小结（续1）根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要求，开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控制型开关器件两大类：SCR、BJT和GTO为电流驱动控制型器件P－MOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件三极管BJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，当基极电流为零后BJT关断。为了加速其关断，最好能提供负的脉冲电流。P-MOSFET和IGBT要求有正的持续的驱动电压使其开通并保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并保持为可靠的断态。电压型驱动器件的驱动功率都远小于电流型开关器件，驱动电路也比较简单可靠。54可控性驱动信号额定电压、电流工作频率饱和压降二极管不可控无最大有高有低小晶闸管半控脉冲电流（开通）最大最低小GTO全控正、负脉冲电流大较低中BJT全控正电流中中小IGBT全控正电压较大较高较小MOSFET全控正电压小最高大常用电力半导体开关器件性能对比55最近十年电力电子器件发展的一个重要趋势是将半导体电力开关器件与其驱动、缓冲、监测、控制和保护等所有硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。PIC实现了电能与信息的集成，如果能妥善解决PIC内部的散热、隔离等技术难题，今后PIC将使电力电子技术发生革命性的变革。大趋势