第1章 新型電力電子器件

1、1第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件21.1 電力電子器件概述電力電子器件概述電力電子器件：電力電子器件：直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件變換或控制的電子器件。電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。斷。全控型器件全控型器件（IGBT,MOSFET) 通過控制信號既可控制其導通又可控制其關通過控制信號既可控制其導通又可控制其關 斷，又稱自關斷

2、器件。斷，又稱自關斷器件。不可控器件不可控器件(Power Diode) 不能用控制信號來控制其通斷不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需因此也就不需要驅動電路。要驅動電路。3電流驅動型電流驅動型通過從控制端注入或者抽出電流來實通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者現(xiàn)導通或者 關斷的控制。關斷的控制。 特點特點：具有電導調制效應，因而通態(tài)壓降低，導通損耗小，但工作頻率較低，所需驅動功率大,驅動電路較復雜電壓驅動型（場控器件）電壓驅動型（場控器件） 僅通過在控制端和僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關斷公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關斷的控制。的控

3、制。 特點：特點：輸入阻抗高，所需驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高。1.1 電力電子器件的概述電力電子器件的概述 按照驅動電路信號的性質，分為兩類：按照驅動電路信號的性質，分為兩類：4 硅（多晶硅和單晶硅）碳化硅、金剛石1.1 電力電子器件的概述電力電子器件的概述 按照芯片材料分為兩類：按照芯片材料分為兩類： 按照集成度分為三類：按照集成度分為三類： 分立型功率模塊集成電路51.1 電力電子器件的概述電力電子器件的概述 按照器件內部電子和空穴參與導電的情況，分為三類：按照器件內部電子和空穴參與導電的情況，分為三類：單極型單極型 由一種載流子參與導電的器件由一種載流子參與導電的器件雙極型雙極

4、型由電子和空由電子和空穴兩種穴兩種載流子參與導電的器件載流子參與導電的器件復合型復合型由由單極型單極型器件和器件和雙極型雙極型器件集成混合而成器件集成混合而成的器件的器件61.2.1 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管(Power Diode)(Power Diode) 整流管產(chǎn)生于本世紀40年代，是電力電子器件中結構最簡單、使用最廣泛的一種器件。 目前已形成普通整流管、快恢復整流管和肖特基整流管等三種主要類型。 電力整流管對改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使用效率等方面都具有非常重要的作用。 7電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUT

5、OUFU門檻電壓門檻電壓UTO正向電壓降正向電壓降UF2) 2) 動態(tài)特性動態(tài)特性IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtUFPuiiFuFtfrt02V關斷過程關斷過程開通過程開通過程8電力二極管的特點和應用電力二極管的特點和應用l 普通整流管的特點是：漏電流小、通態(tài)壓降較高(1 01 8V)、反向恢復時間較長(幾十微秒)、可獲得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充電、電鍍等對轉換速度要求不高的裝置中。l 較快的反向恢復時間(幾百納秒至幾微秒)是快恢復整流管的顯著特點，但是它的通態(tài)壓降卻很高(1 64 0V)。它主要用于斬波、逆變等電路中充當旁路二極管或阻

6、塞二極管。9電力二極管的特點和應用電力二極管的特點和應用l 肖特基整流管兼有快的反向恢復時間(幾乎為零)和低的通態(tài)壓降(0.30.6V)的優(yōu)點，不過其漏電流較大、耐壓能力低， 常用于高頻低壓儀表和開關電源。l 目前的研制水平為:普通整流管(8000V/5000A/400Hz)快恢復整流管(6000V/1200A/1000Hz)肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。 101.2.2 1.2.2 半控器件半控器件晶閘管晶閘管（Thyristor），又稱可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）l 普通晶閘管廣泛應用于交直流調速、調光、調溫等低頻(4

7、00Hz以下)領域，運用由它所構成的電路對電網(wǎng)進行控制和變換是一種簡便而經(jīng)濟的辦法。不過，這種裝置的運行會產(chǎn)生波形畸變和降低功率因數(shù)、影響電網(wǎng)的質量。目前水平為12kV/1kA和6500V/4000A。l 在特大功率的工頻開關應用中，晶閘管以其耐壓高、通態(tài)壓降小、通態(tài)功耗低而應用在高壓直流輸電（HVDC）、動態(tài)無功功率補償、超大電流電解等場合占有優(yōu)勢。11正向正向導通導通雪崩雪崩擊穿擊穿O+UA- -UA- -IAIAIHIG2IG1IG= =0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 I IG2G2 I IG1G1 I IG G晶閘管的

8、基本特性晶閘管的基本特性100%100%90%90%10%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形2） 動態(tài)特性動態(tài)特性12晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電壓定額電壓定額斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通 常 取 晶 閘 管 的UDRM和URRM中較小的標

9、值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：使用注意：13晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電流定額電流定額通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。使用時應按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說對同一晶閘管來說，通

10、常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流 ITSM指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流 。14晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 除開通時間開通時間tgt和關斷時間關斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升斷態(tài)電壓臨界上升率率du/dt 指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通 。 通態(tài)電流臨界上升通態(tài)電流臨界上升率率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。15晶

11、閘管的派生器件晶閘管的派生器件l 雙向晶閘管可視為一對反并聯(lián)的普通晶閘管的集成，常用于交流調壓和調功電路中。正、負脈沖都可觸發(fā)導通，因而其控制電路比較簡單。其缺點是換向能力差、觸發(fā)靈敏度低、關斷時間較長，其水平已超過2000V/500A。l 光控晶閘管是通過光信號控制晶閘管觸發(fā)導通的器件，它具有很強的抗干擾能力、良好的高壓絕緣性能和較高的瞬時過電壓承受能力，因而被應用于高壓直流輸電(HVDC)、靜止無功功率補償(SVC)等領域。其研制水平大約為8000V/3600A。16晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件l 逆變晶閘管因具有較短的關斷時間(1015s)而主要用于中頻感應加熱。在逆變電路中，它已讓

12、位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范圍之內。l 逆導晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。與普通晶閘管相比，它具有關斷時間短、正向壓降小、額定結溫高、高溫特性好等優(yōu)點，主要用于逆變器和整流器中。目前，國內有廠家生產(chǎn)3000V/900A的晶閘管。171.2.3 1.2.3 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 在當前各種自關斷器件中，GTO容量最大、工作頻率最低(12kHz)。GTO是電流控制型器件，因而在關斷時需要很大的反向驅動

13、電流； GTO通態(tài)壓降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。 目前，GTO雖然在低于2000V的某些領域內已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢； 今后，它也必將在高壓領域占有一席之地。18GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2） 關斷時間關斷時間toff（1）開通時間開通時間ton 不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同，以下

14、只介紹意義不同的參數(shù)。19（3 3）最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流I IATOATO（4） 電流關斷增益電流關斷增益 off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流 最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益（1-8）GMATOoffIIGTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)201.2.4 1.2.4 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR） GTR是一種電流控制的雙極雙結電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz、1400v/60

15、0A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關損耗小、開關時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛。GTR的缺點是驅動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關電源和UPS內，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。211.2.5 電力場效應晶體管電力場效應晶體管功率MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，顯著特點是驅動電路簡單、驅動功率?。?僅由多數(shù)載流子導電，無少子存儲效應，高頻特性好，工作頻率高達100kHz以上，為所有電

16、力電子器件中頻率之最。沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強。功率MOSFET的缺點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運用于大功率裝置，適合應用于開關電源、高頻感應加熱等高頻場合；目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz220 0101020203030505040402 24 46 68 8a)101020203030505040400 0b)1010 2020 303050504040飽和區(qū)飽和區(qū)非非飽飽和和區(qū)區(qū)截止區(qū)截止區(qū)ID/ /AUTUGS/ /VUDS/ /VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/

17、/A靜態(tài)特性靜態(tài)特性電力電力MOSFET的基本特性的基本特性（b）iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf動態(tài)特性動態(tài)特性23電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導致絕緣層擊穿 。 除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS241.2.6 1.2.6

18、絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT） IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的復合。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身 由于IGBT具有上述特點，在中等功率容量(600V以上)的UPS、開關電源及交流電機控制用PWM逆變器中，IGBT已逐步替代GTR成為核心元件。 目前，其研制水平已達4500V/1000A。25a) )b) )O有源區(qū)有源區(qū)正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)反向阻斷區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加IGBT的

19、基本特性的基本特性 IGBT的轉移特性和輸出特性的轉移特性和輸出特性轉移特性轉移特性IC與UGE間的關系(開啟電開啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。(1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性26ttt10%10%90%90%10%10%90%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的開關過程的開關過程 (2) IGBTIGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性27IGBTIGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)(3) 最大集電極功耗最大集電極

20、功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗正常工作溫度下允許的最大功耗 (2) 最大集電極電流最大集電極電流包括額定直流電流包括額定直流電流IC和和1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICP 。 (1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES 由內部由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。晶體管的擊穿電壓確定。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）281.2.7 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件MOS控制晶閘管控制晶

21、閘管MCT靜電感應晶體管靜電感應晶體管SIT靜電感應晶閘管靜電感應晶閘管SITH集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCT29MCT既具備功率MOSFET輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度快的特性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、低壓降的優(yōu)點。其芯片連續(xù)電流密度在各種器件中最高，通態(tài)壓降不過是IGBT或GTR的1/3，而開關速度則超過GTR。MCT具有很強的導通di/dt和阻斷dV/dt能力，其值高達2000A/ s 和2000V/ s。其工作結溫亦高達150200。已研制出阻斷電壓達4000V的MCT，75A/1000VMCT已應用于串聯(lián)諧振變換器。 隨著性能價格比的不斷優(yōu)化，MCT將逐漸走入應用領域并有可能取代高壓GTO，與IGBT的競爭亦將在中功率領域展開。1.2.7 MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復合301.2.8 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路將功率器件及其驅動電路、保護電路、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，就制成了PIC功率集成電路還可以分為高壓功率集成電路(HVIC)、智能功率集成電路(SPIC)和智能功率模塊(IP