电力电子器件概述课件.ppt

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1、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：概述电力电子器件的概念、特点和分类。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

2、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（Power Electronic Device）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 处理电功率的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，如晶闸管：12000V/1000A 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

3、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实际应用：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 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定

4、 主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。全控型器件 通过控制信号既可以控制其导通、关断。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor）、功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。不可控器件 电力二极管（Power Diode）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 从控制端注入或者抽出电流来实现器件导通、关断。电压驱动型 在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现器

5、件导通或者关断的控制。什么是PN结的电导调制效应？导体电阻率很小（电导率很大）好比1万条车道的高速公路。电流好比是车辆，电压好比是通行时间。车流越大，必然通行时间越长。由于车道数太多，导体不可控！半导体好比是受交通管制的1-100车道高速公路，先天牺牲了车道数，但是换来了可控。当车流很小，只开1条车道，通行所花时间为0.7V。车流很大时，多开车道，反正保证通行花的时间是0.7V。即使考虑电导调制，半导体的导电能力也远不及导体，半导体是牺牲了导流性能换来了可控性！电流控制型器件：采用电流信号来实现其导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管GTR、IGCT（集成门极换流晶闸管）等。

6、电流控制型器件的特点是：a在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，由导通转向阻断时，两种载流子在复合过程中产生热量，使器件结温升高。过高的结温限制了工作频率的提高，因此，电流控制型器件比电压控制型器件的工作频率低。b电流控制型器件具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损耗较小。c电流控制型器件的控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子（空穴）浓度将很大，为了维持半导体的中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应电压控制型器件：采用电压控制（场控原

7、理控制）其导通或关断。其输入端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动其工作。如：MOSFET管、IGBT管等。电压控制型器件的特点是：a输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。b工作频率高。c工作温度高，抗辐射能力强。2.1.3 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 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。电平控制型 通过持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持导通状态或者关断并维持阻断状态。2.1.3 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。如功率场效应管MOSFET、静电感应

8、晶体管SIT等。双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。如PN结整流管、普通晶闸管、电力晶体管等。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。如IGBT、MCT（MOS控制晶闸管）等 主要电力电子器件的特性及其具有代表性的应用领域 器件种类 开关功能 器件特性概略 应用领域电力二极管 不可控5KV/3KA 400HZ各种整流装置晶闸管 可控导通6KV/6KA 400HZ8KX/3.5KA 光控SCR炼钢厂、轧钢厂机、直流输电、电解用整流器可关断晶闸管 自关断型6KV/6KA 500HZ工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器MOSFET 600V/70A 100KHZ

9、开关电源、小功率UPS、小功率逆变器IGBT1200V/1200A 20KHZ4.5KV/1.2KA 2KHZ各种整流/逆变器（UPS、变频器、家电）、电力机车用逆变器、中压变频器2.1.4 本章内容和学习要点本章内容 介绍不可控器件、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 掌握其基本特性（重点）。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。2.2 不可控器件电力二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2

10、.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2.2 不可控器件电力二极管引言电力二极管（Power Diode）自1950s初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管。整流二极管及模块AKA Ka)IK AP NJb)c)A K2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封

11、装。图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)基本结构 c)电气图形符号19 PN结 PN结是由N型半导体和P型半导体结合后构成的，如下图所示。PN结的形成PN结与电力二极管工作原理在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。N型半导体中有大量的电子（多子），P型半导体中有大量的空穴（多子），在两种半导体的交界处由于电子和空穴的浓度差别，形成了各区的多

12、子向另一区的扩散运动，其结果是在N型半导体和P型半导体的分界面两侧分别留下了带正、负电荷的离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷，这个区域称为空间电荷区。空间电荷建立的电场称为内电场，其方向是阻止扩散运动的。另一方面，内电场又吸引对方区域中的少子向本区运动，即形成漂移运动。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，形成了一个稳定的空间电荷区，这就是PN结。扩散运动漂移运动扩散运动阻挡层势垒层PN 结PN结 PN结的三种工作状态（即二极管的工作原理）PN结的正向导通状态：当给PN结外加正向电压（P正N负）时，外电场方向与内电场方向相反，外电场削弱

13、内电场，空间电荷区变窄，使多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成从P区流向N区的正向电流，此时PN结表现为低电阻，电力二极管电压降只有1V左右。漂移运动 扩散运动 PN结的反向截止状态：当PN结外加反向电压（P负N正）时，外电场与内电场方向相同，使内电场增强，空间电荷区变宽，使得少子的漂移运动强于多子的扩散运动，形成从N区流向P区的反向电流，由于少子的浓度很小，只有极小的反向漏电流流过PN结，PN结表现为高电阻。所以PN结具有单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性。PN结的反向击穿：当反向电压增大到某一值（反向击穿电压）时，反向电流急剧增大，PN结内部产生雪崩击穿，导致二极管损坏

14、。少子漂移运动产生反向电流PN结的三种工作状态（即二极管的工作原理）PN结的正向导通状态：当给PN结外加正向电压（P正N负）时，外电场方向与内电场方向相反，外电场削弱内电场，空间电荷区变窄，使多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成从P区流向N区的正向电流，此时PN结表现为低电阻，电力二极管电压降只有1V左右。按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。PN 结高频等效电路 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

15、大，结电容C 很小。PN结的电容效应 结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类：A势垒电容CB：它只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，其作用越明显。它的大小与PN结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。B扩散电容CD：它仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主要成份，正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。注意：结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时要注意。PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。造成电力二极管与普通二极管的区

16、别的一些因素：虽然电力二极管与普通二极管的结构、工作原理基本一样，但使用是不一样的，造成这种区别的因素是：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都不能忽略。承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。2.3.2 电力二极管的基本特性1.静态特性（Static State Characteristic）主要指其伏安特性(Volt-Ampere Characteristic)式中：IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT=k

17、T/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数（1.381023），q 为电子电荷量（1.61019），T 为热力学温度。对于室温（25相当T=300 K），则有VT=26 mV。2.2.2 电力二极管的基本特性2.2.2 电力二极管的基本特性静态特性 主要是指其伏安特性 正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。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，只有少子 引起的微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU图2-5 电力二极管的伏安特性2.3.2 电力二极管的基本特性1.静态特性（Static State Charac

18、teristic）主要指其伏安特性(Volt-Ampere Characteristic)正压为门槛电压时，耗尽层消失加反压：反向饱和电流（少子抽取）正压大于门槛电压时，形成正向导通电流（少子注入）正压较小时：耗尽层变窄反压足够大：击穿2.2.2 电力二极管的基本特性2.2.2 电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd tub)UFPiiFuFtfrt 02V 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 b)零偏置转换为正向偏置 t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻

19、2.动态特性(Dynamic Characteristic)动态特性 因结电容的存在，零偏置、正向偏置、反向偏置等状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。动态特性主要指开关特性(Switching Characteristic)，开关特性反映通态和断态之间的转换过程。2.2.2 电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt 02V由零偏置转换为正向偏置 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 出现电压过冲的原因:阻性机制：电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；感性

20、机制：正向电流的上升会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。图2-6 电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置 2.2.2 电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd tub)UFPiiFuFtfrt 02V 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 b)零偏置转换为正向偏置 由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。t0:正向电流降为零的时刻t1:

21、反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻 关断须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲（由于外电路电感存在）。当原来处于正向导通的电力二极管外加电压在tF时刻突然从正向变为反向时，正向电流IF开始下降，下降速率由反向电压和电路中的电感决定，而管压降由于电导调制效应基本变化不大。到t0时刻正向电流降为零，此时器件并没有恢复反向阻断能力，而是在外加反向电压作用下形成较大的反向电流。直到t1时刻反向电流IRP（由URP产生的）达到最大值后，才开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小。到了t2时刻，电流变化率接近于

22、零，管子两端的反向电压才降到外加反向电压UR，二极管完全恢复反向阻断能力。原因：正向导通时在管子两侧储存有大量少子，它们在外加反向电压作用下被抽取出管子，因而形成较大的反向电流，当它们即将被抽尽时，管压降变为负极性。URP：是外电路中电感产生的感应电动势使器件承受的很高的反向电压。a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd t2.3.2 电力二极管的基本特性关断过程(Turn-off Transient)：IFUFt图1-5（a）电力二极管的关断过程电路电感作用复合存储电荷反向偏置状态建立体电阻压降所致外部电感决定2.2.2 电力二极管的基本特性 从图

23、中可定义：延迟时间：td=t1t0 下降时间：tf=t2t1 反向恢复时间：trr=tdtf 此时间就是关断过程中，电流降到零时起到恢复反向阻断能力时止的时间。恢复特性的软度：也称恢复系数，是下降时间与延迟时间的比值，Sr=tf/td。Sr越大，则恢复特性越软，就是反向电流下降时间相对较长，则在同样条件下造成的反向电压过冲较小。a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd tut0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻半导体电力二极管的开关特性 二极管开通及反向恢复过程示意图半导体电力二极管的开关特性二极管关断过

24、程示意图二极管关断电压、电流波形2.2.3 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2.2.3 电力二极管的主要参数正向平均电流IF(AV)指电力二极管长期运行时，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。IF(AV)是按照“电流的发热效应应在允许范围内”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。额定正向平均电流IF（AV）：指器件长期运行在规定管壳温度和散热条件下允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设正弦半波电流的峰值为Im

25、，则额定电流（平均电流）IF（AV）为 额定电流有效值IF为（均方根）额定电流有效值IF为（均方根）定义：波形系数某电流波形的有效值与平均值之比称为这个电流的波形系数。根据此定义可求出正弦半波电流的波形系数为:这说明：额定电流IF（A V）=100A的电力二极管，其额定电流有效值为IF=157A。注意：使用时应按有效值相等的原则来选取器件的额定电流，并应留有1.52倍的裕量。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。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能忽略。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？的正弦半

26、波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为？允许通过任意波形的有效值为？的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。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；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IF；求二极管电流定额IF(AV)，等于有效值IF 除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。2.正向压降UFn 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n 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3.反向重复峰值电压URRM额定电

27、压n 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压n 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3n 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选定2.2.3 电力二极管的主要参数4.最高工作结温TJMn 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示，注意结温与管壳温度不同n 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n TJM通常在125175 C范围之内5.反向恢复时间trrn trr=td+tf（延迟时间+下降时间），关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间n一般称反向恢复时间在5微秒以上的二极管为普通二极管，反向恢复时间在5微秒以下的二极管为快恢复二极

28、管。普通二极管多用于开关频率在1kHz以下的整流电路中。在高频开关电路中，通常选择二极管的trr为其开关周期的百分之一以下。6.浪涌电流IFSMn 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。一般用额定正向平均电流倍数和浪涌周期（即工频周波数）来规定。二极管的基本应用 整流 续流2.2.4 电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在

29、5 s以上。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。2.2.4 电力二极管的主要类型快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5 s以下）。快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。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2030ns。2.2.4 电力二极管的主要类型肖特基二极管（Schottky Barrier Dio

30、deSBD）优点：反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；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；因此，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。弱点：当所能承受的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以下的低压场合；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。电力二极管的测试及使用注意事项 由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用表的R100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向电阻，可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极管的正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。注意：严禁用兆欧表测试电力二极管。电力二极管使用时必须保证规定的冷却条件，如不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的1/3左右。