第2章 电力电子器件7

第二章第二章 电力电子器件电力电子器件l 引言l 第一节 功率二极管l 第二节 晶闸管及其派生器件l 第三节 可关断晶闸管l 第四节 双极型功率晶体管l 第五节 功率场效应管l 第六节 绝缘栅双极型功率晶体管l 第七节 集成门极换流晶闸管 IGCTl 第八节 功率集成电路l 第九节 电力电子器件的串并联l 第十节 电力电子器件的保护驱动电路l 小结引言引言l 电力半导体器件是现代电力电子设备的 核心。它们以开关阵列的形式应用于电力变流器中 ,把相同频率或不同频率的电能进行交 -直 (整流器 )、直 -直 (斩波器 )、直 -交 (逆变器 )和交 -交变换。l 开关模式的电力电子变换具有较高的效率 ,不足之处是由于开关的非线性而同时在电源端和负载端 产生谐波 。l 开关不是理想的 ,它们都具有 导通和开关损耗 。学习器件的重要性学习器件的重要性l 1）电力半导体器件的价格不超过 30%, 但是整台设备的价格和性能在很大程度上受到这些器件特性的影响。l2）要设计出高效、可靠、性价比高的系统 , 必须对器件及其特性有深入的了解。l3）现代电力电子技术基本上是随着电力半导体器件的发展而发展起来的。l4）微电子领域的发展对电力半导体器件的材料、加工、制造、封装、建模和仿真等方面产生了巨大的影响。l 电力半导体器件几乎完全是建立在 半导体材料的基础上 ,它们可以归为以下几类 :l 1 ） 功率二极管 ;l 2 ） 晶闸管 (SCR)及派生器件 ;l 3 ） 电力晶体管 (GTR)；l 4 ） 门极关断晶闸管 (GTO)；l 5 ） 电力 MOSFET;l 6 ） 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT); l 7 ） 集成门极换流晶闸管 (IGCT)l 8） 其它功率半导体器件等。 第一节第一节 功率（电力）二极管功率（电力）二极管1一、功率二极管工作原理和静态伏安特性2二、功率二极管的动态特性3三、功率二极管的参数4四、功率二极管的主要类型l 功率二极管 (Power Diode)从 20世纪 50年代初期就获得应用。l 是 不可控器件 ，但其结构简单，工作可靠，因而直到现在功率二极管仍然大量用于许多电气设备当中。l 目前已形成 普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管 等三种主要类型。l 特别是快恢复二极管和肖特基二极管，仍分别在中、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。 一、功率二极管工作原理和静态伏安特性一、功率二极管工作原理和静态伏安特性 l 典型的 正向导通压降 是 1.0V。 该压降会引起导通损耗 ,因此必须用适当的散热片对器件进行冷却以限制结温。l 如果反向电压超过一个阀值 ,器件就会发生雪崩式的击穿 ,这时反向电流变大 ,二极管由于结内的大量功率损耗而过热毁坏 ,这个阙值称为 击穿电压 。图 2-1a)功率二极管符号 b)伏安特性 c)理想特性比较其工作时的电压和电流的变化，我们可以得到它的理想 伏安特性 ，如图 2-1c)所示。由于功率二极管的导通速度相对电力电路的暂态变化过程来说要快得多，因此，可把功率二极管看成 理想开关 。 PN结原理结原理l 半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导电电流。l 由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动 扩散运动（扩散电流）l 由于电场而引起的定向运动 漂移运动（漂移电流）v扩散电流是半导体中载流子的一种特殊运动形式，是由于载流子的浓度差而引起的，扩散运动总是从浓度高的区域向浓度小的区域进行在多子为电子的 N型半导体或多子为空穴的 P型半导体两端外加电压 V，在电场 E的作用下， 空穴将沿电场方向运动 ， 电子将沿与电场相反方向运动EV 一一 PN结的动态平衡过程和接触电位结的动态平衡过程和接触电位消弱 内建电场 ENP+-E热平衡（动态平衡）1. 正向偏置，正向电流正向偏置，正向电流RUNP+-UiDUU -U扩散iD+_NP+-2. 反向偏置，反向电流反向偏置，反向电流RUU iRUU +UiR+_二、功率二极管的动态特性二、功率二极管的动态特性开关特性 反映通态和断态之间的转换过程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 。动态特性因结电容的存在，三种状态（零偏置、正向偏置、反向偏置）之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压 电流随时间变化的特性称为动态特性。rd CJ开通过程 ： 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。 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 。电导调制效应： PN结上流过的正向电流较小时， PN结呈现的阻值较高且为常数，因而管压降随着正向电流的上升而增加； PN结上流过的正向电流较大时， PN结呈现的阻值率明显下降，也就是电导率大大增加。l 图 2-2a)给出了电力二极管由零偏置转为正向偏置时动态过程的波形。可以看出，在这一动态过程中，电力二极管的正向压降会出现一个电压过冲UFP，经过一段 tFR时间才出现趋于接近稳态压降值。 v图 2-2b给出了电力二极管由正向偏置转为反向偏置时动态过程的波形。当原处于正向导通的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该电力二极管不能立即关断，而是需经过一段短暂的时间才能进入截止状态。 图 2-2功率二极管的动态过程波形a）开通过程波形 b）关断过程波形tRRt=0时刻外加电压突然由正向变为反向，正向电流在此反向电压作用下开始下降，下降速率由反向电压大小和电路中的电感决定，而管压降由于电导效应基本变化不大，直至正向电流降为零时刻 t0。 此时电力二极管由于 PN结两侧储存有大量少子的缘故而并没有恢复反向阻断能力，这些少子在外加反向电压的作用下被抽取出电力二极管，因而流过较大的反向电流。当空间电荷区附近储存的少子即将被抽取尽时，管压降变为负极性，于是开始抽取空间电荷区较远的浓度较低的少子。因而在管压降极性改变后不久的 t1时刻，反向电流从其最大值 IRP开始下降，空间电荷区开始展宽，电力二极管重新恢复对反向电压的阻断能力。在 t1时刻以后，由于反向电流迅速下降，在外电路电感的作用下会在电力二极管两端产生比外加反向电压大得多的反向电压过冲 URP。在电流变化率接近零的 t2时刻（约为 25%IRP），电力二极管两端承受的反向电压才降至外加的反向电压大小，电力二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。时间 td=t1-t0称为延迟时间， tf=t2-t1称为电流下降时间，因而时间 tRR=td+tf称为电力二极管的反向恢复时间。出现电压过冲的原因是 （ 1）电导调制效应起作用，正向电流较小时，电阻为常数，管压降随正向电流的上升而增加；（ 2）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 di/dt越大， UFP越高。2v三、功率二极管的参数三、功率二极管的参数 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正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，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。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指定条件是：环境温度 +400，规定的冷却条件，单相半波整流电路为电阻负载，导通角不小于 1700，结温 TJM通常在125 1750之间。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 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。 四、功率二极管的主要类型四、功率二极管的主要类型 u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。u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。u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。n恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（ 5s以下）的二极管，也简称快速二极管n工艺上多采用了掺金措施n有的采用 PN结型结构n有的采用改进的 PiN结构 l 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。 l 采用外延型 PiN结构的的 快恢复外延二极管 （ Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED ），其反向恢复时间更短（可低于 50ns），正向压降也很低（ 0.9V左右），但其反向耐压多在 1200V以下2. 快恢复二极管 （ Fast Recovery DiodeFRD ）3. 肖特基二极管p 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（ Schottky Barrier DiodeSBD ），简称为肖特基二极管p 20世纪 80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用 肖特基二极管的 优点l 反向恢复时间很短（ 1040ns）l 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲l 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l 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 肖特基二极管的 弱点l 当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l 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第二节第二节 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件一、晶闸管的工作原理和静态伏安特性五、双向晶闸管二、晶闸管的动态特性 三、功率损耗和热阻抗四、 电流额定值u 晶闸管 （ Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（ Silicon Controlled RectifierSCR ）u1956年美国贝尔实验室（ Bell Lab）发明了晶闸管u1957年美国通用电气公司（ GE）开发出第一只晶闸管产品u1958年商业化u开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代u20世纪 80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代u能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位u 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型 普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 u 本节将主要介绍普通晶闸管的工作原理、基本特性和主要参数，然后简要介绍其一种派生器件双向晶闸管。 一、晶闸管的工作原理和静态伏安特性一、晶闸管的工作原理和静态伏安特性 1、晶闸管的常见封装外形有螺栓型和平板型两种封装： 引出阳极 A、阴极 K和门极（控制端） G三个联接端 (三端器件）； 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便； 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图 2-00 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号2、晶闸管的其它封装形式：还有塑封和模块式两种封装。3、晶闸管的管耗和散热：管耗流过器件的电流 器件两端的电压管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行 散热和冷却 。 冷却方式： 自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷 简单描述 晶闸管 SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。图 2 00 晶闸管的工作条件的试验电路 解释 当 SCR的阳极和阴极电压 UAK0时，只有 EGk0， SC