電力電子器件

1、第一章 電力電子器件電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。掌握各種電力電子器件的特性和使用方法。1.1電力電子器件概述：1.1.1概念和特征概念主電路Power circuit:在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。電力電子器件Power electronic device:直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制任務(wù)的電子器件特征n 承受電流和電壓的能力是其最重要的參數(shù)n 一般工作在開關(guān)狀態(tài)。通態(tài)阻抗很小，近于短路，管壓降近于零，電流由外電路決定。斷態(tài)阻抗很大，近于開路，電流近于零，電壓由外電路決定。因此開關(guān)特性和參數(shù)是重要方面n 電力電子器件由信息電子電路控制。普通信息電子

2、電路信號一般不能直接控制電力電子器件，一般需要中間電路對這些信號進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動電路。n 散熱設(shè)計(jì)。通態(tài)損耗=通態(tài)壓降*通態(tài)電流；斷態(tài)損耗=斷態(tài)壓降*斷態(tài)電流。開關(guān)損耗，驅(qū)動電路注入損耗1.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成n 系統(tǒng)=控制電路+檢測電路+驅(qū)動電路+主電路 控制電路按照檢測電路的信號和系統(tǒng)的工作要求，形成控制信號。 電氣隔離 保護(hù)電路n 電力電子器件三端子：兩端連接于主電路流通主電流，第三端（控制端）與公共端之間施加觸發(fā)信號。公共端一般是電流流出端。1.1.3 電力電子器件分類n 按可控程度： 半控，可控制開通，不能控制關(guān)斷 全控：可控制開通，可控制關(guān)斷 不可控n

3、 按控制信號性質(zhì) 電流驅(qū)動型 電壓驅(qū)動型（場控）n 按載流子 單級型 雙極型 復(fù)合型1.2 電力二極管n 外觀n 結(jié)構(gòu) n 符號 n 電力電子器件實(shí)際上是由面積較大的PN結(jié)，兩短引線和封裝組成的n PN結(jié) n 擴(kuò)散運(yùn)動：有濃度高的想濃度低運(yùn)動n 漂移運(yùn)動：載流子在內(nèi)電場作用下的運(yùn)動n 擴(kuò)散漂移達(dá)到動態(tài)平衡，形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)（也叫阻擋層、耗盡層、勢壘區(qū)），就是PN結(jié)。n 單向?qū)щ娦?正向偏置P+N-,外加電場與內(nèi)電場方向相反，PN結(jié)變窄，擴(kuò)散漂移，形成擴(kuò)散電流，叫正向電流IF。正向?qū)顟B(tài)。 IF較小時，二極管電阻主要是低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，數(shù)值較高且為常量，IFUF。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：IF較

4、大時，注入并積存在低摻雜N區(qū)的空穴濃度會很高，為保持電中性，電子濃度也會大幅度增加，是電導(dǎo)率大大增加。 反向偏置：P-N+,外加電場與內(nèi)電場方向一致，PN結(jié)加厚，漂移擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流。稱為反向電流IR，溫度一定時，IR趨于恒定，成為反向飽和電流Is，高阻態(tài)，反向截止?fàn)顟B(tài)。n 反向擊穿：雪崩、齊納n 電容效應(yīng)：Qpn=f(Uf),Cj=勢壘Cb+擴(kuò)散Cd，Cb只在外加電壓變化時起作用，外加電壓頻率越高越明顯。像平板電容器。Cd在正偏時起作用，正向電壓較低時勢壘電容為主，正向電壓較高時擴(kuò)散電容為主。1.2.2 電力二極管的基本特性n 靜態(tài)特性 n 動態(tài)特性 關(guān)斷過程 延遲時間：td=t1-t0

5、下降時間：tf=t2-t1 反向恢復(fù)時間：trr=td+tf 回復(fù)特性的軟度Sr=tf/td 開通過程1.2.3 電力二極管主要參數(shù)n 正向平均電流IF(AV)：在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 當(dāng)用在頻率較高的場合時，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略。 當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。n 正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。 有時參數(shù)表中也

6、給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降。n 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3。 使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。n 最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。n 反向恢復(fù)時間trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時間。n 浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的

7、過電流。1.2.4 電力二極管的主要類型 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。 在應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。n 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode）； 多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中； 其反向恢復(fù)時間較長，一般在5ms以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要； 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。n 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode FRD） 恢

8、復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5ms以下）的二極管，也簡稱快速二極管， 工藝上多采用了摻金措施， 有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)， 有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)， 采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下。 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。 n 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Ba

9、rrier DiodeSBD），簡稱為肖特基二極管。 20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用。 肖特基二極管的弱點(diǎn) 當(dāng)反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下。 反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) 反向恢復(fù)時間很短（1040ns）， 正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖， 在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管， 其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高 。1.3半控型器件晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（S

10、ilicon Controlled RectifierSCR）1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝， 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端， 對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便， 平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。工作原理：Ic1=a1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=a2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4）式中a1和a2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式（1-1）（1-4）可得 1

11、-5） 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下a 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，a 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，a1+a2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和 開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致a1+a2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況： 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)， 陽極電壓上升率du/dt過高， 結(jié)溫較高， 光直接照射硅片，即光觸發(fā)。光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控

12、晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)： 承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通； 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通； 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用； 要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。1.3.2 晶閘管的基本特性（1）正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。 正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。

13、 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 反向特性類似二極管的反向特性。 反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流流過。 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。1) 開通過程 延遲時間td (0.51.5ms) 上升時間tr (0.53ms) 開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）2）關(guān)斷 反向阻斷回復(fù)時間trr 正向阻斷回復(fù)時間tgr 關(guān)斷時間tq=trr+tgr(幾百微妙)1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。UdrnUbo 反向重復(fù)峰值電壓URRM， 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時

14、，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。Urrm=0.9*Ursm,Ursm BUcex BUces BUcer Buceo。實(shí)際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。2) 集電極最大允許電流Icm 通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應(yīng)的Ic 。實(shí)際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。3) 集電極最大耗散功率PCm最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。4) 二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。 只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊

15、穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管(單極型器件) 分為結(jié)型和絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT）n 電力MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOS

16、FET的結(jié)構(gòu)n 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和原理 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET） 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 多元集成結(jié)構(gòu) 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零, P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS, 當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消

17、失，漏極和源極導(dǎo)電 。 UT稱為開啟電壓,UGS超過UT越多,導(dǎo)電能力越強(qiáng).n 基本特性靜態(tài) 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性 ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs=dId/dugs 截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)） 工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。動態(tài) Ton=tdon+tr Toff=tdoff+tfn 主要參數(shù) 跨導(dǎo)Gfs，開啟電壓UT,tdon

18、,tr,tdoff,tf 漏極電壓Uds 漏極電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 柵源電壓UGS,絕對值小于20V 極間電容，MOSFET三個極之間分別存在極間電容CGS,CGD,CDS,手冊提供漏源極短路時的輸入電容CISS,共源極輸出電容COSS，和反向轉(zhuǎn)移電容CRSS.其關(guān)系是：CISS=CGS+CGD,CRSS=CGDCOSS=CDS+CGD輸入電容可用CISS代替。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT NOSFET+GTR復(fù)合器件n 三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件通斷由柵射極電壓uGE決定。 導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。 通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。 簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。n IGBT的基本特性 IGBT的靜態(tài)特性 動態(tài)特性n 主要參數(shù) UCES I