第2章电力电子器件z

《电力电子技术》电子教案第2章电力电子器件第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——电力二极管2.3半控型器件——晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结引言■模拟和数字电子电路的基础——晶体管和集成电路等电子器件电力电子电路的基础——电力电子器件■本章主要内容：◆对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作了简要概述。◆分别介绍各种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的一些问题。2.1电力电子器件概述2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点2.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的概念◆电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指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：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。☞广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。2.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的特征◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。◆由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。2.1.1电力电子器件的概念和特征☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。☞当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗☞电力电子器件的功率损耗2.1.2应用电力电子器件的系统组成■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电气隔离控制电路检测电路保护电路驱动电路RLV1V2主电路图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成2.1.3电力电子器件的分类■按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。◆全控型器件☞目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。2.1.3电力电子器件的分类■按照驱动信号的性质◆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关断的控制。GTR,GTO◆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。IGBT和PowerMOSFET2.1.3电力电子器件的分类■按照驱动信号的波形（电力二极管除外）◆脉冲触发型☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。GTO,晶闸管◆电平控制型☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。IGBT和PowerMOSFET等电压型器件，GTR2.1.3电力电子器件的分类■按照载流子参与导电的情况◆单极型器件☞由一种载流子参与导电。PowerMOSFET◆双极型器件☞由电子和空穴两种载流子参与导电。GTR,GTO◆复合型器件☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。IGBT2.1.4本章内容和学习要点■本章内容◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种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的一些问题。■学习要点◆最重要的是掌握其基本特性。◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。第1章第18页2.2不可控器件—电力二极管2.2.1PN结与电力二极管的工作原理2.2.2电力二极管的基本特性2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型第1章第19页2.2电力二极管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图2-1整流二极管及模块第1章第20页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。图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号第1章第21页2.2.1PN结与电力二极管的工作原理P型半导体和N型半导体基本概念N(Negative)型半导体：简单讲就是电子容易被激发的半导体，此时电子是多子。电子带负电。P(Positive)型半导体：含有可以接收多余电子的空穴的半导体，此时空穴是多子。空穴：带有正电。N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。第1章第22页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离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。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。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，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，也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。第1章第23页2.2.1PN结与电力二极管的工作原理图2-3PN结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场动画演示第1章第24页PN结的正向导通状态PN结在正向电流较大时压降维持在1V左右，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－－承受电压超过反向击穿电压时状态参数正向导通反向截止电流正向大几乎为零电压维持1V反向大阻态低阻态高阻态表1PN结的状态动画动画动画动画第1章第27页2.2.2电力二极管的基本特性–门槛电压UT0，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。–UB反向击穿电压–承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流IRR，少子漂移引起图2-5电力二极管的伏安特性1)静态特性（StaticStateCharacteristic）：主要指其伏安特性IOIFUT0UFUUB第1章第28页2.2.2电力二极管的基本特性2）动态特性(DynamicCharacteristic)PN结中的电荷量随着外加电压而变化，呈电容效应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结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。第1章第29页图2-6电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置关断特性（反向恢复）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。IRM——反向电流最大值MaximumURM——反向电压过冲最大值td=t1-t0——延迟时间Delaytf=t2-t1——电流下降时间Falltrr=td+tf—反向恢复时间ReverseRecoverytf/td——恢复特性的软度，用Sr表示a)IFtdtrrtfIRMt1t2UFURtdtdiFtFt0dtdiRURM在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。----清除大量存储的少子第1章第31页图1-5电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的开通iu,FPUFiFufrt2V0tb)正向恢复时间tfr(ForwardRecoveryTime)电力二极管的正向压降出现过冲UFP，经过一段时间接近稳态降压的某个值，这一动态过程时间：正向恢复时间tfr。通常tfrtrr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。第1章第32页2.2.3电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)（额定电流）2）正向压降UF3）反向重复峰值电压URRM（额定电压）4）反向恢复时间trr第1章第33页2.2.3电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)（额定电流）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。正弦半波电流：有效值是平均值的1.57倍第1章第34页2）正向压降UF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（额定电压）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。4）反向恢复时间trr二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。trr=td+tf第1章第35页5）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）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。第1章第36页2.2.4电力二极管的主要类型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–其反向恢复时间较长（一般在5µs以上）–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。第1章第37页2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）–又称开关二极管（SwitchingDiode）或简称快速二极管–用于开关频率较高的场合–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。第1章第38页3.肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode--SBD）以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。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。正向压降明显低于快恢复二极管（0.55V）。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管小。第1章第39页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。反向漏电流较大,且对温度敏感,反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。第1章第41页2.3半控器件—晶闸管2.3半控型器件——晶闸管2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的测试与使用第1章第42页2.3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）1957年美国GE公司开发出第一只晶闸管产品20世纪80年代，开始被性能更好的全控型器件取代优点：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第1章第43页2.3.1晶闸管的结构与工作原理有三个联接端－阳极A(Anode)、阴极K(Katho