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电力电子器件

第一章电力电子器件

电力电子器件是电力电子技术的基础。

掌握各种电力电子器件的特性和使用方法。

1.1电力电子器件概述：

1.1.1概念和特征

概念

主电路Powercircuit:

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。

电力电子器件Powerelectronicdevice:

直接用于主电路中，实现电能的变换或控制任务的电子器件

特征

⏹承受电流和电压的能力是其最重要的参数

⏹一般工作在开关状态。

通态阻抗很小，近于短路，管压降近于零，电流由外电路决定。

断态阻抗很大，近于开路，电流近于零，电压由外电路决定。

因此开关特性和参数是重要方面

⏹电力电子器件由信息电子电路控制。

普通信息电子电路信号一般不能直接控制电力电子器件，一般需要中间电路对这些信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。

⏹散热设计。

通态损耗=通态压降*通态电流；断态损耗=断态压降*断态电流。

开关损耗，驱动电路注入损耗

1.1.2应用电力电子器件系统组成

⏹系统=控制电路+检测电路+驱动电路+主电路

Ø控制电路按照检测电路的信号和系统的工作要求，形成控制信号。

Ø电气隔离

Ø保护电路

⏹电力电子器件三端子：

两端连接于主电路流通主电流，第三端（控制端）与公共端之间施加触发信号。

公共端一般是电流流出端。

1.1.3电力电子器件分类

⏹按可控程度：

Ø半控，可控制开通，不能控制关断

Ø全控：

可控制开通，可控制关断

Ø不可控

⏹按控制信号性质

Ø电流驱动型

Ø电压驱动型（场控）

⏹按载流子

Ø单级型

Ø双极型

Ø复合型

1.2电力二极管

⏹外观

⏹结构

⏹符号

⏹电力电子器件实际上是由面积较大的PN结，两短引线和封装组成的

⏹PN结

↑

⏹扩散运动：

有浓度高的想浓度低运动

⏹漂移运动：

载流子在内电场作用下的运动

⏹扩散漂移达到动态平衡，形成稳定的空间电荷区（也叫阻挡层、耗尽层、势垒区

），就是PN结。

⏹单向导电性

Ø正向偏置P+N-,外加电场与内电场方向相反，PN结变窄，扩散>漂移，形成扩散电流，叫正向电流IF。

正向导通状态。

ØIF较小时，二极管电阻主要是低掺杂N区的欧姆电阻，数值较高且为常量，IF↑→UF↑。

Ø电导调制效应：

IF较大时，注入并积存在低掺杂N区的空穴浓度会很高，为保持电中性，

电子浓度也会大幅度增加，是电导率大大增加。

Ø反向偏置：

P-N+,外加电场与内电场方向一致，PN结加厚，漂移>扩散，形成扩散电流。

称为反向电流IR，温度一定时，IR趋于恒定，成为反向饱和电流Is，高阻态，反向截止状态。

⏹反向击穿：

雪崩、齐纳

⏹电容效应：

Qpn=f（Uf）,Cj=势垒Cb+扩散Cd，Cb只在外加电压变化时起作用，外加电压频率越高越明显。

像平板电容器。

Cd在正偏时起作用，正向电压较低时势垒电容为主，正向电压较高时扩散电容为主。

1.2.2电力二极管的基本特性

⏹静态特性

⏹动态特性

Ø关断过程

✧延迟时间：

td=t1-t0

✧下降时间：

tf=t2-t1

✧反向恢复时间：

trr=td+tf

✧回复特性的软度Sr=tf/td

Ø开通过程

1.2.3电力二极管主要参数

⏹正向平均电流IF（AV）：

在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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。

Ø正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。

Ø当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。

Ø当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。

⏹正向压降UF

Ø指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

Ø有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。

⏹反向重复峰值电压URRM

Ø指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。

Ø通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。

Ø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。

⏹最高工作结温TJM

Ø结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。

Ø最高工作结温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。

ØTJM通常在125~175C范围之内。

⏹反向恢复时间trr

Øtrr=td+tf，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。

⏹浪涌电流IFSM

Ø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。

1.2.4电力二极管的主要类型

Ø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。

Ø在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。

Ø性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。

⏹普通二极管（GeneralPurposeDiode）

Ø又称整流二极管（RectifierDiode）；

Ø多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中；

Ø其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要；

Ø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。

⏹快恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）

Ø恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管，

Ø工艺上多采用了掺金措施，

Ø有的采用PN结型结构，

Ø有的采用改进的PiN结构，

Ø采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。

Ø从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。

前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。

⏹肖特基二极管

Ø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），简称为肖特基二极管。

Ø20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。

Ø肖特基二极管的弱点

Ø当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下。

Ø反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

Ø肖特基二极管的优点

Ø反向恢复时间很短（10~40ns），

Ø正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲，

Ø在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管，

Ø其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

1.3　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）

1.3.1晶闸管的结构与工作原理

Ø外形有螺栓型和平板型两种封装，

Ø引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端，

Ø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，

Ø

平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

工作原理：

Ic1=1IA+ICBO1（1-1）

Ic2=2IK+ICBO2（1-2）

IK=IA+IG（1-3）

IA=Ic1+Ic2（1-4）

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（1-1）~（1-4）可得1-5）

Ø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。

Ø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

Ø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。

Ø其他几种可能导通的情况：

Ø阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应，

Ø阳极电压上升率du/dt过高，

Ø结温较高，

Ø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之外，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）

Ø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。

晶闸管正常工作时的特性总结：

Ø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；

Ø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；

Ø晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；

Ø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。

1.3.2晶闸管的基本特性

（1）正向特性

ØIG=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。

Ø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。

Ø随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。

Ø晶闸管本身的压降很小，在1V左右。

Ø反向特性类似二极管的反向特性。

Ø反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。

Ø当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。

1）开通过程

Ø延迟时间td（0.5~1.5s）

Ø上升时间tr（0.5~3s）

Ø开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr（1-6）

2）关断

Ø反向阻断回复时间trr

Ø正向阻断回复时间tgr

Ø关断时间tq=trr+tgr（几百微妙）

1.3.3晶闸管的主要参数

Ø断态重复峰值电压UDRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

Udrn

Ø反向重复峰值电压URRM，

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

Urrm=0.9*Ursm,Ursm<反向击穿电压。

Ø通态（峰值）电压UT

——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。

选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。

取整100V一个等级

通态平均电流IT（AV）

在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

标称其额定电流的参数。

使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。

–维持电流IH：

使晶闸管维持导通所必需的最小电流。

Ø擎住电流IL:

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电流。

对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。

Ø浪涌电流ITSM:

指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

⏹动态参数

Ø开通时间tgt

Ø关断时间tq

Ø断态电压临界上升率du/dt

Ø通态临界电流上升率di/dt.

结论

晶闸管导通的条件：

（1）承受正向阳极电压；

（2）门极有触发电流；

关断条件：

（1）加反向阳极电压；

1.3.4晶闸管的派生器件

Ø有快速晶闸管和高频晶闸管。

Ø开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。

Ø普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。

Ø高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。

Ø由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。

2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）

可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。

有两个主电极T1和T2，一个门极G。

在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。

不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。

3）逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）

将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。

具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。

4）光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）

又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。

光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。

因此目前在高压大功率的场合。

1.4典型全控型器件

1.4.1门极可关断晶闸管

•晶闸管的一种派生器件。

•可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。

•GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

Ø结构：

与普通晶闸管的相同点：

PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。

和普通晶闸管的不同点：

GTO是一种多元的功率集成器件。

Ø工作原理：

•与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。

ØGTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：

•GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。

•GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

•多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。

Ø开通过程：

与普通晶闸管相同

Ø关断过程：

与普通晶闸管有所不同

•储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。

•下降时间tf

•尾部时间tt—残存载流子复合。

•通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。

•门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。

⏹主要参数：

Ø最大可关断阳极电流IATO

Ø电流关断增益βoff=IATO/IGM

Ø开通时间ton=td+tr

Ø关断时间toff=ts+tf

1.4.2电力晶体管

⏹GTR的结构和工作原理

在应用中，GTR一般采用共发射极接法。

静态特性

Ø共发射极接法时的典型输出特性：

截止区、放大区和饱和区。

Ø在电力电子电路中GTR工作在开关状态。

Ø在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。

开通过程：

延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。

关断过程：

储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。

⏹GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。

⏹GTR主要参

1）

ØGTR上电压超过规定值时会发生击穿。

击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。

Ø发射极开路是集基间的反向击穿电压Bucbo

Ø基极开路时，集射极间的击穿电压Buceo

ØBE间用电阻连接时，集射间击穿电压Bucer

ØBE间短路时，集射间击穿电压Buces

ØBE反偏时，集射间击穿电压Bucex

ØBUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。

实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。

2）集电极最大允许电流Icm

Ø通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。

实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。

3）集电极最大耗散功率PCm

最高工作温度下允许的耗散功率。

产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。

4）二次击穿现象与安全工作区

Ø一次击穿：

集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。

•只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。

Ø二次击穿：

一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。

•

常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。

1.4.3电力场效应晶体管（单极型器件）

Ø分为结型和绝缘栅型

Ø通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）

Ø简称电力MOSFET（PowerMOSFET）

Ø结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）

⏹电力MOSFET的种类

Ø按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

Ø耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

Ø增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

Ø电力MOSFET的结构

⏹电力MOSFET的结构和原理

Ø小功率MOS管是横向导电器件

Ø电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）

Ø按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。

Ø

多元集成结构

Ø截止：

漏源极间加正电源，栅源极间电压为零,P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

Ø导电：

在栅源极间加正电压UGS,当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

ØUT称为开启电压,UGS超过UT越多,导电能力越强.

⏹基本特性

静态

Ø漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性

ØID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs=dId/dugs

•截止区（对应于GTR的截止区）

•饱和区（对应于GTR的放大区）

•非饱和区（对应GTR的饱和区）

•工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。

•漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。

•通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

动态

ØTon=tdon+tr

ØToff=tdoff+tf

⏹主要参数

Ø跨导Gfs，开启电压UT,tdon,tr,tdoff,tf

Ø漏极电压Uds

Ø漏极电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

Ø栅源电压UGS,绝对值小于20V

Ø极间电容，MOSFET三个极之间分别存在极间电容CGS,CGD,CDS,手册提供漏源极短路时的输入电容CISS,共源极输出电容COSS，和反向转移电容CRSS.其关系是：

CISS=CGS+CGD,

CRSS=CGD

COSS=CDS+CGD

输入电容可用CISS代替。

1.4.4绝缘栅双极晶体管IGBT

ØNOSFET+GTR复合器件

⏹三端器件：

栅极G、集电极C和发射极E

ØRN为晶体管基区内的调制电阻。

Ø驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件通断由栅射极电压uGE决定。

✧导通：

uGE大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

✧通态压降：

电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。

✧关断：

栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

ØN沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。

ØIGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。

Ø简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

⏹IGBT的基本特性

ØIGBT的静态特性

Ø动态特性

⏹主要参数

ØUCES

ØIC和1ms脉宽最大电流ICP

ØPCM

1.5其他新型电力电子器件

1.5.1MOS控制晶闸管MCT

Ø承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小

Ø高电压，大电流、高载流密度，低导通压降

Ø一个MCT器件由数以万计的MCT元组成

Ø每个元的组成为：

一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET

Ø其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用

1.5.2静电感应晶体管SIT

Ø多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合

Ø栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便

Ø通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用

1.6电力电子器件器件的驱动

•按控制目标的要求施加开通或关断的信号。

•对半控型器件只需提供开通控制信号。

•对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。

Ø驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。

• 光隔离一般采用光耦合器。

• 磁隔离的元件通常是脉冲变压器。

v按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。

v驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。

•双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。

•为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。