第九章电力半导体器件

模拟、数字电子技术———电子器件：晶体管和集成电路电力电子技术———电力电子器件本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。第九章电力半导体器件·引言1-21.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2应用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类1.1.4本章内容和学习要点第一节电力半导体器件的发展概况1-31）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主电路中，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）分类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管)半导体器件(采用的主要材料硅）仍然1.1电力电子器件的概念和特征电力半导体器件1-4能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。1.1电力电子器件的概念和特征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：1-5通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗1-6电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行1.2应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路1-7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。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制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。1.3电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：｛晶闸管及其派生器件｛绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管处理兆瓦级大功率电能电力二极管只有两个端子1-8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。1.3电力电子器件的分类按照驱动电路信号的性质，分为两类：1-9单极型——有一种载流子参与导电。如功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）。双极型——电子和空穴两种载流子参与导电。如功率场效应晶体管（MODFET）混合型——单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如晶闸管（SCR）1.3电力电子器件的分类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：1-10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。二、不可控器件—功率二极管整流二极管及模块1-11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。图9.2-1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1.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK1-12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2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态1-13PN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。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：1-14主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图9.2-4电力二极管的伏安特性2.2电力二极管的基本特性1)静态特性IOIFUTOUFU1-152)动态特性——二极管的电压-电流特性随时间变化的——结电容的存在2.2电力二极管的基本特性零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中电压—电流特性随时间变化1-162.2电力二极管的基本特性a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图9.2-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置电流过冲最大值：IRP电压过冲最大值：URP延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。电力二极管的关断经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。1-17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）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V图9.2-5(b)开通过程2.2电力二极管的基本特性开通过程：电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子,需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。2)正向电流的上升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。1-182.2电力二极管的基本特性注意：电流、电压反向问题正偏压时，正向偏压降约为2V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时间以清除过剩载流子。1-19额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，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。2.3电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)1-20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。3）反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。4）反向恢复时间trrtrr=td+tf，是从二极管正向电流过零到反向电流下降到其峰值10%时的时间间隔。1.2.3电力二极管的主要参数2）正向（峰值）压降UFM1-21结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。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。6)正向浪涌电流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。2.3电力二极管的主要参数5）最高允许结温TJM1-221)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）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、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。2.4二极管的主要类型1-23简称快速二极管快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UFM也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V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trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。2.4二极管的主要类型2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）1-24肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须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。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。2.4电力二极管的主要类型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）。1-25第三节晶闸管3.1晶闸管的结构与工作原理3.2晶闸管的基本特性3.3晶闸管的主要参数3.4晶闸管的派生器件1-26半控器件—晶闸管·引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司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（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1-27图9.3-1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。有三个联接端。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31-283.1晶闸管的结构与工作原理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1-293.1晶闸管的结构与工作原理式中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：图9.3-3晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理按晶体管的工作原理，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）1-303.1晶闸管的结构与工作原理在低发射极电流下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。开通状态：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，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。1-313.1晶闸管的结构与工作原理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，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况：1-323.2晶闸管的基本特性承受反向电压时，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：1-333.2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，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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图9.3-4晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1-343.2晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极