技能培训专题：电力电子学-第2章

1第二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（第三版）2第二章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IGBT2.7MOS控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管IGCT2.8半导体电力开关模块和功率集成电路PIC2.9本章小结3第二章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IGBT2.7MOS控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管IGCT2.8半导体电力开关模块和功率集成电路PIC2.9本章小结42.1.1半导体PN结2.1.2半导体二极管基本特性2.1.3电力二极管2.1.4电力二极管的主要应用2.1电力二极管52.1.1半导体PN结电力二极管实物图6在4族元素本征半导体硅中掺入5族元素(砷、磷)。在4族元素本征半导体硅中掺入3族元素(硼、铝)。+N型半导体_P型半导体5个价电子中的4个与相邻的硅原子组成共价键后，还多余一个。3个价电子与相邻的硅原子组成共价键，因缺少一个价电子，在晶体中产生一个空穴。2.1.1半导体PN结72.1.1半导体PN结8扩散运动漂移运动扩散运动阻挡层势垒层PN结2.1.1半导体PN结9漂移运动扩散运动少子漂移运动产生反向电流PN结是单向导电的！2.1.1半导体PN结10T/S(1)VVIIe一般表达式：RSII反向时的表达式：T/FSVVIIe正向时的表达式：Is：反向饱和电流2.1.2半导体二极管基本特性112.1.2半导体二极管基本特性当PN结处于正偏时R为正向电阻，其值很小，结电容C很大；当PN结处于反偏时R为反向电阻，其值很大，结电容C很小。122.1.3电力二极管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132.1.3电力二极管额定电流IFR：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值。/2FRm0πm0πmm01sin()d1sin()d()11sin()d()2ππTIIttTIttTIttI当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：14/222Frmsm0π22m0m1sin()d1sin()d()2π12TIIttTIttI当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：2.1.3电力二极管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。152.1.3电力二极管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。Frmsm12IIFRm1πIIFrmsFRFRπ1.572III由额定电流和最大允许全周期均方根正向电流的公式，得：162.1.3电力二极管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。FRFrms/1.57II172.1.3电力二极管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182.1.3电力二极管二极管开通及反向恢复过程示意图192.1.3电力二极管有关半导体电力二极管使用特性和准则的几个重要参数：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202.1.3电力二极管二极管关断电压、电流波形212.1.4电力二极管的主要应用整流续流22第二章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IGBT2.7MOS控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管IGCT2.8半导体电力开关模块和功率集成电路PIC2.9本章小结232.2.1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电力晶体管使用参数和特性BJT(BipolarJunctionTransistor)或GTR(GiantTransistor)2.2双极结型电力晶体管BJT242.2.1基极电流对集电极电流的控制作用三极管的结构和符号25载流子流向示意图2.2.1基极电流对集电极电流的控制作用26基极电流控制集电极电流nCnEnCEIIIInBnEE(1)(1)IaIaIECBIIICCB0nCCBOEIIIIaICBCB0(1)(1)IaaIIa(1)CBCB0(1)IIICBII2.2.1基极电流对集电极电流的控制作用27三极管输入、输出特性2.2.2静态特性282.2.3电力晶体管使用参数和特性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29是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力晶体管的开通和关断；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；电力晶体管由于结构所限，其耐压很难超过1500V，现今商品化的电力晶体管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A;已经淘汰2.2.3电力晶体管使用参数和特性30Q1大电流GTR的β小，Ib过大为获得较大β，可将两晶体管组成复合管。β为两级之乘积，起到放大作用Uces会有一定程度的增加。电阻：提供反向漏电流通路，提高复合管的温度稳定性。二极管：加速Q1的关断。2.2.3电力晶体管使用参数和特性31第二章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IGBT2.7MOS控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管IGCT2.8半导体电力开关模块和功率集成电路PIC2.9本章小结322.3.1逆阻型晶闸管SCR2.3.2逆导型晶闸管RCT2.3.3光控晶闸管LCT2.3.4双向晶闸管TRIAC2.3晶闸管及其派生器件33晶闸管实物图2.3.1逆阻型晶闸管SCR342.3.1逆阻型晶闸管SCR晶闸管的结构、符号和结构模型35SCR是三端器件A：阳极(anode)K：阴极(cathode)G：门极(gate)，也称控制极符号跟二极管很像，多了一个门极2.3.1逆阻型晶闸管SCR362.3.1逆阻型晶闸管SCR螺栓型平板型KAG固定在散热器上KAG用两个散热器将其夹住，散热效果好。372.3.1逆阻型晶闸管SCR钼片钼片硅片SCR-P1N1P2N2四层三端器件没有控制极，AK间始终截止控制极作用？38无触发—保持阻断状态AGKN2P2N1P1J1J2J3P1AGKN1P2P2N1N2AP1N1P2e1c1b1双晶体管等效电路模型★2.3.1逆阻型晶闸管SCR39REAAGKe1c1b1b2c2e2IAIc1Ic2Ib1IgIb2IKIgIb2Ic2(Ib1)Ic1正向触发(VAK0，VGK0，Ig0)，形成正反馈，晶闸管迅速断通。2.3.1逆阻型晶闸管SCR40Ic1REAAGKIgIc2Ib1IKIAIb2Ic0c02gA121()III正反馈过程的数量关系1c1AII2c2KIIAb01c1cIIIIccc201IIIA1Ac02KIIIIKAgIII2.3.1逆阻型晶闸管SCR可控开通关断？强迫其电流IA(IC)下降到维持电流以下通态时12141c02gA121()III阻断：Ig=0，1、2很小。流过SCR的电流约等于漏电流。开通：足够的Ig使发射极电流增大，使1+2→1，IA↑，饱和导通。IA实际由外电路决定。半控：从关断到导通后,1+2趋近于1，Ig=0，仍有正反馈，维持导通；当IAIH，1、2很小，正反馈无法维持，SCR恢复阻断。10-510-410-310-210-11101021.00.80.60.40.20.0Ie1Ie22.3.1逆阻型晶闸管SCR422.3.1逆阻型晶闸管SCR432.3.1逆阻型晶闸管SCR正向折转导通高温导通高电压变化率导通门极触发导通光注入导通晶闸管在什么时候关断？强迫其电流IA(IC)减小到维持电流以下442.3.1逆阻型晶闸管SCR(1)额定电压(2)额定电流(3)通态峰值电压降(4)浪涌电流(5)额定门极触发电流和触发电压(6)维持电流(7)掣住电流(8)开通时间和关断时间(9)断态电压临界上升率(10)开通电流临界上升率45(1)通态平均电流ITav(SCR额定电流的选取)2.3.1逆阻型晶闸管SCR晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，电阻性负载电路中，额定结温时，所允许流过的工频正弦半波电流的平均值。影响SCR发热的是电流有效值，有效值相等、发热相同。πTavm01sind()2πIIttmπI2πTm01sind()2πIIttm2ITfTavIKI平均电流有效值电流波形系数mm21.57πIIfdTav(1.5~2)1.57KII46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？2.3.1逆阻型晶闸管SCR47(2)维持电流IH(ON-OFF)晶闸管被触发导通后，在室温和门极开路条件下，减小阳极电流，使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为十几到几十毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。(3)擎住电流IL(OFF-ON-ON)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阳极电流。（要求正反馈进行到一定深度。）通常IL约为IH的2～4倍。(4)断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR门极开路、额定结温时，对应断态重复峰值电压和反向重复峰值电压时的平均漏电流。(5)浪涌电流ITSM工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。持续时间更短则用I2t表示允许通过浪涌电流的能力。2.3.1逆阻型晶闸管SCR48(1)断态电压临界上升率du/dt(V/us)在额定结温和门极开路条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率。2.3.1逆阻型晶闸管SCRAGKN2P2N1P1J1J2J3GKA(2)通态电流临界上升率di/dt(A/us)在规定条件下，晶闸管用门极触发导通时，晶闸管能够承受而不致损坏的通态电流最大上升率。di/dt过大会局部过热而使SCR损坏du/dt过大会使SCR误导通49一、晶闸管的结构SCR的符号、半导体结构、P1N1P2N2四层三端器件SCR的符号、半导体结构、P1N1P2N2四层三端器件二、晶闸管导通关断条件导通条件、半控特性、关断方法导通条件、半控特性、关断方法三、晶闸管的工作原理半导体结构：双晶体管等效电路模型★用双晶体管等效电路模型解释正反馈过程★恢复阻断的方法半导体结构：双晶体管等效电路模型★用双晶体管等效电路模型解释正反馈过程★恢复阻断的方法2.3.1逆阻型