第2章 電力電子器件.ppt

1、第2章 電力電子器件 2.1 電力電子器件概述 2.2 不可控器件電力二極管 2.3 半控型器件晶閘管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié),引言,模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件 本章主要內(nèi)容： 對(duì)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類(lèi)等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述 。 分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。,2.1 電力電子器件概述,2.1.1 電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分

2、類(lèi) 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),2.1.1 電力電子器件的概念和特征,（1）電力電子器件的概念 電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路：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。 （2）分類(lèi) 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類(lèi)，目前往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,（3）電力電子器件的特征 所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工

3、作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 由信息電子電路來(lái)控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。 自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。 當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增 大而可能成為器件功率損耗的主要因素。,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開(kāi)關(guān)損耗,開(kāi)通損耗,關(guān)斷損耗,電力電子器件的功率損耗,2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng) 電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。,電氣隔離,圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,在主電路和控制電路中附加的一些電路

4、，以保證電力電子 器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽康倪\(yùn)行,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 半控型器件 主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通不能控制其關(guān)斷。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。因此不需要驅(qū)動(dòng)電路。,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)

5、通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱(chēng)混合型器件。,2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),本章內(nèi)容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。,2.2 不可控器件電力二極管引言,電力二極管（Power Diode）自20世紀(jì)50年代

6、初期就獲得 應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二 極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。 在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基 二極管，具有不可替代的地位。,整流二極管及模塊,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,電力二極管是以半 導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的, 實(shí)際上是由一個(gè)面積 較大的PN結(jié)和兩端引 線以及封裝組成的。 從外形上看，可以有 螺栓型、平板型等多 種封裝。,圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,2.2.2 電力

7、二極管的基本特性,（1）靜態(tài)特性 主要是指其伏安特性,圖2-5 電力二極管的伏安特性,2.2.2 電力二極管的基本特性,u,圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,（2）動(dòng)態(tài)特性,t0:正向電流降為零的時(shí)刻,t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻,t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻,2.2.2 電力二極管的基本特性,由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置（開(kāi)通過(guò)程） 先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。 正向恢復(fù)時(shí)間tfr,圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),.額定電流 IF 正向平均

8、電流 .額定電壓 URRM 反向重復(fù)峰值電壓 .反向漏電流 反向不重復(fù)平均電流IRS，反向重復(fù)平均電流IRR .正向平均電壓UF,2.3 半控型器件晶閘管,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件,2.3 半控器件晶閘管引言,晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅。 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electr

9、ic）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。 由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。,圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),晶閘管及模塊,特點(diǎn)：正向阻斷 反向阻斷 1.導(dǎo)通條件：正向陽(yáng)極電壓，正向門(mén)極電壓。 關(guān)斷條件：必須使陽(yáng)極電流降低到某一數(shù)值之下（幾十

10、毫安）,2. 內(nèi)部物理過(guò)程：,晶體管的集電極電流為另一只晶體管的基極電流形成正反饋,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,25,2.3.2 晶閘管的特性,1.晶閘管的陽(yáng)極伏安特性, 正向阻斷高阻區(qū) 負(fù)阻區(qū) 正向?qū)ǖ妥鑵^(qū) 反向阻斷高阻區(qū),26,2.門(mén)極伏安特性,確保觸發(fā)：Ig IGT, Ug UGT 加反壓 10，防止誤觸發(fā),門(mén)極峰值功率,門(mén)極正向峰電壓,門(mén)極正向峰電流,門(mén)極平均功率,27,3. 晶閘管的開(kāi)關(guān)特性,28,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),1. 額定電壓UR,選用器件時(shí) UR=(2 3)UTM,正反向重復(fù)峰值電壓,取UDRM和URRM中較小值，取整,1000V以下（100V一個(gè)等級(jí)），

11、10003000V（200V一個(gè)等級(jí)）,UDRM = 0.8UDSM，URRM = 0.8 URSM,29,2. 通態(tài)平均電流（額定電流）IT(AV) 單相、工頻、正弦半波、角度170,波形系數(shù)f/ IT(AV) =/2 = 1.57,選擇元件：有效電流,整流輸出：平均電流,從平均電流找出相應(yīng)波形的有效電流以保證不過(guò)熱,選用器件時(shí) IT(AV)=(1.5 2)IT/1.57,30,3.通態(tài)平均電壓（管壓降）UT(AV),4.維持電流H,5.掣住電流L 開(kāi)通過(guò)程中，能維持導(dǎo)通的最小電流。IL（24）IH,幾十mA，結(jié)溫 IH(難關(guān)斷),31,6.門(mén)極觸發(fā)電流GT與門(mén)極觸發(fā)電壓GT 對(duì)觸發(fā)電路要求

12、，隨溫度變化。,7.電路換向關(guān)斷時(shí)間q 導(dǎo)通時(shí)有載流子存在。使載流子消失，恢復(fù)正向阻斷能力，q 40微秒以上。,32, 門(mén)極開(kāi)路，使元件斷通的最小電壓上升率 Uak UB0， Ic相當(dāng)于Ig,9.通態(tài)電流臨界上升率 di/dt,di/dt過(guò)大J,8.斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt,33,11.晶閘管的型號(hào) 普通, 快速型，雙向型，逆導(dǎo)型，可關(guān)斷 KP電流電壓/100 ,KP500-12,2.3.4 晶閘管的派生器件,A,G,K,a),AK,光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間

13、的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。,圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,2.4 典型全控型器件,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,2.4 典型全控型器件引言,門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè) 嶄新時(shí)代。 典型代表門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。,電力MOSFET,IGBT單管及模塊,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate

14、-Turn-Off ThyristorGTO）也是晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。,圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) 各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 電氣圖形符號(hào),2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,GTO的工作原理 仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來(lái)分析，在雙晶體管等效模型中，利用門(mén)極負(fù)電流分流IC1，并快速抽取V2管發(fā)射結(jié)側(cè)載流子，以實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。,V2處于臨界飽和對(duì)Ic2的減少很敏感,引發(fā)關(guān)斷正反饋,2.4.1 門(mén)極可關(guān)

15、斷晶閘管,GTO與普通晶閘管的不同 GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。 GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。,圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,GTO的動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)似。 關(guān)斷過(guò)程 儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。 門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡， ts就越短。

16、使門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間。,圖2-15 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,GTO的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO 用來(lái)標(biāo)稱(chēng)GTO額定電流。 電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 開(kāi)通時(shí)間ton 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。 延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而 增大。 關(guān)斷時(shí)間toff 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。 儲(chǔ)存時(shí)

17、間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電 壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。,2.4.2 電力晶體管,電力晶體管（Giant TransistorGTR） 按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一 樣的。 最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān) 特性好。,43,1.結(jié)構(gòu)：,普通晶體管結(jié)構(gòu),GTR結(jié)構(gòu),符號(hào),特點(diǎn)： 開(kāi)關(guān)頻率較高、動(dòng)態(tài)性能好、承受功耗小、控制方便。 阻斷能力差、瞬態(tài)過(guò)電壓及過(guò)

18、載能力差。,44,2.工作特性,（1）靜態(tài)特性,45,（2）動(dòng)態(tài)特性,td：延遲時(shí)間； ts：存儲(chǔ)時(shí)間 tr：集電極電流上升時(shí)間； tf：集電極電流下降時(shí)間,46,3.主要參數(shù),（1）電壓參數(shù) 集電極額定電壓 UCEM 應(yīng) 小于 UCEO UCEO ：基極開(kāi)路，集電極電流較大時(shí)，集，射極間的擊穿電壓,（2）電流參數(shù) 連續(xù)（直流）額定電流 IC 集電極額定電流（最大允許電流）ICM,47,(1) 二次擊穿現(xiàn)象,出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象（AB段），稱(chēng)一次擊穿。,1),2),集電極局部過(guò)熱，CD負(fù)阻效應(yīng), 低電流，大電壓，稱(chēng)二次擊穿，元件損壞 。,4.二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū),48,(2) 安全工作區(qū),FBSO

19、A,RBSOA,49,1.結(jié)構(gòu),2.4.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）,特點(diǎn)：電壓控制，控制極（柵極）靜態(tài)內(nèi)阻高 驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度高，無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)寬,50,() 可調(diào)電阻區(qū) () 飽和區(qū) ( ) 擊穿區(qū),1)漏極伏安特性,2.工作特性 （1）靜態(tài)特性,跨導(dǎo)（與GTR中相似）,表示柵源電壓對(duì)ID的控制,2)轉(zhuǎn)移特性,51,靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流小 動(dòng)態(tài)Cin充放電，驅(qū)動(dòng)電流稍大,開(kāi)通：a）,b),c),輸入電容:,(2)開(kāi)關(guān)特性,為多數(shù)載流子器件，沒(méi)有存儲(chǔ) 效應(yīng)，開(kāi)關(guān)時(shí)間短為20ns左右,52,關(guān)斷：a）UP高電平 ，Cin放電，UGS下降，iD未變,b）td（off）時(shí)，預(yù)夾斷，i

20、D下降,c）Cin仍放電，UGS仍下降，夾斷區(qū)上升，iD下降,UGSUGS（TH）時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD0,53, 漏源電阻限制線 最大漏極電流限制線 最大功率限制線 最大漏源電壓限制線,2)安全工作區(qū),(3)主要參數(shù)與安全工作區(qū),1)主要參數(shù),（a）漏極電壓 UDS,（b） 電流定額 ID,（c） 柵源電壓 UGS,54,GTR：開(kāi)關(guān)頻率較高，驅(qū)動(dòng)功率大，導(dǎo)通壓降小,2.4.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,IGBT,輸入（MOSFET）,輸出（GTR）,MOSFEF：通態(tài)壓降大，開(kāi)關(guān)速度高，驅(qū)動(dòng)功率小,55,1.結(jié)構(gòu)：,56,2. 工作特性 (1)靜態(tài)特性,(2)動(dòng)態(tài)特性 與MOSFET類(lèi)似,57,3.擎住效應(yīng),Rbr上產(chǎn)生NPN管導(dǎo)通的正向偏壓從而產(chǎn)生擎住現(xiàn)象 。,大，此電流可在,措施：ICICM,RG上升，使關(guān)斷速度下降，減小重加,IC上升，Rbr壓降使NPN通,經(jīng)正反饋，