第2章 电力电子器件96391

北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 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 第 2章北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 信息电子电路的基础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电力电子器件的 概念 、 特点 和 分类 等本章主要内容 电力电子器件 电力电子电路的基础晶体管和集成电路等电子器件引 言第 2章北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 电力电子器件的概述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 本章内容和学习要点2.1北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 电力电子器件的概念和特征电力电子器件u概念电力电子器件 （ Power Electronic Device）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（ Main Power Circuit）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u广义分类电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件 )半导体器件 (采用的主要材料是硅 )2.1.1北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University u特征能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。为减少本身损耗，一般都工作在 开关状态 。需要由信息电子电路来控制以及驱动电路。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 。电力电子器件的概念和特征2.1.1北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 主要损耗通态损耗：断态损耗：开关损耗：开通损耗： 在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗： 在器件关断的转换过程中产生的损耗对某些器件来讲， 驱动电路向其注入的功率 也是造成器件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而 通态损耗是器件功率损耗的主要成因器件开关频率较高时， 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 电力电子器件的概念和特征2.1.1导通时器件上有一定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流流过北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 应用电力电子器件的系统组成电力电子系统 ：由 控制电路 、 驱动电路 和以电力电子器件为核心的 主电路 组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2图 1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成2.1.2电气隔离北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 控制电路 按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。 有的电力电子系统中，还需要有 检测电路 。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。 主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行 电气隔离 ，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。应用电力电子器件的系统组成2.1.2北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些 保护电路 ，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。 器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在 主电路 中，而第三端被称为 控制端 （或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。 应用电力电子器件的系统组成2.1.2北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下 三类 ： 半控型器件2.1.3 绝缘栅双极晶体管（ Insulated-Gate Bipolar Transistor IGBT） 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 门极可关断晶闸管（ GTO）通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。 晶闸管 （ Thyristor） 及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 不控型器件 电力二极管（ Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。不能用控制信号来控制其通断 , 因此也就不需要驱动电路。北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为 两类 ： 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为 三类 ：1) 电流驱动型1) 单极型器件电力电子器件的分类2.1.32) 电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 2) 双极型器件3) 复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 本章内容和学习要点 本章内容 : 介绍各种器件的 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 。 简要讲述电力电子器件的 驱动 、 保护和串 、 并联使用 等问题。 学习要点 : 最重要的是掌握其 基本特性（静态和动态） 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 由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件（如变压器、电感、电容、电阻等）有不同于普通电路的要求2.1.4北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 不控型器件 电力二极管2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 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北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自 20世纪 50年代 初期就获得应用。 快恢复二极管 和 肖特基二极管 ，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。不可控器件 电力二极管2.2整流二极管及模块北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University PN结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 以半导体 PN结 为基础 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，主要有 螺栓型 和 平板型 两种封装图 1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号2.2.1北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University N型半导体和 P型半导体结合后构成 PN结 。图 1-3 PN结的形成 扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为 空间电荷区 ，按所强调的角度不同也被称为 耗尽层 、 阻挡层 或 势垒区 。空间电荷建立的电场被称为 内电场 或 自建电场 ，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动 。 交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的 扩散运动 ，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为 空间电荷 。PN结与电力二极管的工作原理 2.2.1北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University PN结的正向导通状态电导调制效应使得 PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持 在1V左右，所以正向偏置的 PN结表现为低阻态。 PN结的反向截止状态PN结的单向导电性。二极管的基本原理就在于 PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致 热击穿 。 PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现 电容效应 ，称为 结电容 CJ， 又称为 微分电容 。结电容按其产生机制和作用的差别分为 势垒电容 CB和 扩散电容 CD 。PN结与 电力二极管的工作原理 2.2.1北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 势垒电容 只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。 势垒电容的大小与 PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比 。PN结 与电力二极管的工作原理 2.2.1扩散电容 仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容 影响 PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 电力二极管和普通二极管的 区别 ： 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有明显的影响。 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。PN结与电力二极管的工作原理 2.2.1北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 电力二极管的基本特性1. 静态特性主要指其 伏安特性 。 当电力二极管承受的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。与正向电流 IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的 反向漏电流 。图 1-4 电力二极管的伏安特性2.2.2北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 2. 动态特性电力二极管的基本特性2.2.2 因结电容的存在，电压 电流特性是随时间变化的。这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的 开关特性 。a)IFUFtF t0trrtd tft1 t2 tURURPIR PdiFdtdiRdtub)UFPi iFuFtfr t02Vt0: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北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 2. 动态特性（续）电力二极管的基本特性2.2.2 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。关断过程（正向偏置变为反向偏置）延迟时间 ： td=t1-t0 电流下降时间 ： tf =t2- t1反向恢复时间 ： trr=td+ tf恢复特性的软度 ： tf /td，或称恢复系数，用 Sr表示。北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 开通过程（零偏置变为正向偏置） 电力二极管的正向压降先出现一个 过冲 UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。 这一动态过程时间被称为 正向恢复时间 tfr。 出现电压过冲的原因 :电导调制效应 起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。 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 。2. 动态特性（续）电力二极管的基本特性2.2.2北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 电力二极管的主要参数1. 正向平均电流 IF(AV) （额定电流）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 的平均值按照电流的发热效应来定义，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。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小 2.2.3北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 2. 正向压降 UF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指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压 UB的 2/3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 电力二极管的主要参数2.2.3北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 4. 最高工作结 温 TJM结温 是指管 芯 PN结的平均温度， 用 TJ表示。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。TJM通常在 125175C范围之内。5. 反向恢复时间 trrtrr= td+ tf ， 关断过程中，电流降到 零 起到恢复反响阻断能力止的时间。6. 浪涌电流 IFSM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。 电力二极管的主要参数2.2.3北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 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。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。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。1. 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 5s以上，这在开关频率不高时并不重要。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。2.2.4北 京 工 商 大 学 Beijing Technology & Business University 2. 快恢复二极管 （ Fast Recovery DiodeFRD ）电力二极管的主要类型2.2.4恢复过程很短特别是反