电力电子器件基础知识.ppt

1 模块1 电力电子器件基础知识 1 1概述1 2电力二极管1 3晶闸管1 4门极关断晶闸管1 5电力晶体管1 6电力场效应晶体管1 7绝缘栅双极晶体管1 8其他新型功率开关器件1 9任务实施 电力电子器件测试1 10知识拓展 谐振软开关基本概念小结 2 1 1概述 1 电力电子器件的发展2 电力电子器件的使用特点3 电力电子器件的分类4 电力电子技术主要组成部分 3 1957 1970 1980 1990 2000 t 年 电力电子器件发展 4 电力电子器件使用特点 1 导通压降2 运行频率3 器件容量4 耐冲击能力5 可靠性 5 电力电子器件的分类 1 根据控制信号可以控制的程度 半控型器件 Thyristor 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断 全控型器件 IGBT MOSFET 通过控制信号既可控导通又可控制其关断 又称自关断器件 不可控器件 PowerDiode 不能用控制信号来控制其通断 因此也就不需要驱动电路 6 2 根据驱动信号的类型 电流驱动型 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 电压驱动型 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 3 根据内部导电载流子分 单极型 器件内只有一种载流子 多数载流子 参与导电过程的半导体器件 双极型 器件内电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件 混合型 是指单极型和双极型器件的集成混合 电力电子器件的分类 7 2 变流技术 电力电子器件应用技术 用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术 以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术 是电力电子技术的核心 其理论基础是电路理论 电力电子技术主要组成部分 1 电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础 其理论基础是半导体物理 3 控制技术 电力电子技术的关键 8 电力变换分四大类交流变直流 整流 AC DC变换器 直流变交流 逆变 DC AC变换器 直流变直流 斩波 DC DC变换器 交流变交流 交交变换 AC AC变换器 电力电子技术主要组成部分 9 1 2电力二极管 电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管 它与其他电力电子器件相配合 作为整流 续流 电压隔离 钳位或保护元件 在各种变流电路中发挥着重要作用 它的基本结构 工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同 以半导体PN结为基础 主要类型有普通二极管 快恢复二极管和肖特基二极管 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成 从外形上看 大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装 小功率的和普通二极管一致 图1 1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 10 1 3晶闸管 晶闸管 Thyristor 就是硅晶体闸流管 普通晶闸管也称为可控硅SCR 普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件 从1958年美国研制出第一只普通晶闸管以来 至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品 晶闸管作为大功率的半导体器件 只需用几十至几百毫安的电流 就可以控制几百至几千安培的大电流 实现了弱电对强电的控制 晶闸管具有体积小 重量轻 损耗小 控制特性好等优点 曾经在许多领域中得到了广泛的应用 11 一 晶闸管的结构 晶闸管具有四层PNPN结构 引出阳极A 阴极K和门极G三个联接端 晶闸管的常见封装外形有螺栓型 平板型 塑封型 晶闸管对于螺栓型封装 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1 2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 G 12 二 晶闸管的导通和关断条件 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1 3晶闸管的工作条件的试验电路 13 解释 当SCR的阳极和阴极电压UAK0时 且EGk 0 SCR才能导通 SCR一旦导通 门极G将失去控制作用 即无论EG如何 均保持导通状态 SCR导通后的管压降为1V左右 主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定 当UAK 0时 无论SCR原来的状态 都会使R熄灭 即此时SCR关断 其实 在I逐渐降低 通过调整RW 至某一个小数值时 刚刚能够维持SCR导通 如果继续降低I 则SCR同样会关断 该小电流称为SCR的维持电流 导通和关断条件 综上所述 SCR导通条件 UAK 0同时UGK 0由导通 关断的条件 使流过SCR的电流降低至维持电流以下 一般通过减小EA 直至EA 0来实现 14 图1 4晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a 双晶体管模型b 工作原理 三 晶闸管的工作原理分析 具体描述 如果IG 门极电流 注入V2基极 V2导通 产生IC2 2IG 它同时为V1的基极电流 使V1导通 且IC1 1IC2 IC1加上IG进一步加大V2的基极电流 从而形成强烈的正反馈 使V1V2很快进入完全饱和状态 此时SCR饱和导通 通过SCR的电流由R确定为EA R UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为1V 此时 将IG调整为0 即UGK 0 也不能解除正反馈 G极失去控制作用 在分析SCR的工作原理时 常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成 此时 其工作过程如下 UGK 0 产生IG V2通 产生IC2 V1通 IC1 IC2 出现强烈的正反馈 G极失去控制作用 V1和V2完全饱和 SCR饱和导通 15 晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系 称为阳极伏安特性 见图1 5 四 晶闸管的阳极伏安特性 IG 0 正向导通 UBO 正向特性 反向特性 雪崩击穿 16 1 正向特性IG 0时 器件两端施加正向电压 正向阻断状态 只有很小的正向漏电流流过 正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo 则漏电流急剧增大 器件开通 随着门极电流幅值的增大 正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小 在1V左右 导通期间 如果门极电流为零 并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下 则晶闸管又回到正向阻断状态 IH称为维持电流 四 晶闸管的阳极伏安特性 17 2 反向特性晶闸管上施加反向电压时 伏安特性类似二极管的反向特性 晶闸管处于反向阻断状态时 只有极小的反相漏电流流过 当反向电压超过一定限度 到反向击穿电压后 外电路如无限制措施 则反向漏电流急剧增加 导致晶闸管发热损坏 四 晶闸管的阳极伏安特性 18 1 额定电压 UTn 1 正向断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时 允许重复加在器件上的正向峰值电压 2 反向阻断重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时 允许重复加在器件上的反向峰值电压 3 通态 峰值 电压UTM 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压 五 晶闸管的主要参数 19 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压 选用时 额定电压要留有一定裕量 一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 3倍 UTn UTM 在交流市电中UTM 311V 一般来说 SCR的额定电压等级规范标准为 100V 1000V 每100V一个等级 1000V 3000V 每200V一个等级 20 举例 一晶闸管用于相电压一晶闸管用于相电压为220V的单相电路中时 器件的电压等级选择如下 考虑到既能满足耐压要求 又较经济取系列值 21 2 额定电流 通态平均电流 IT AV 定义 在环境温度为 140度和规定的散热条件下 晶闸管在电阻性负载时的单相 工频 50Hz 正弦半波 导通角不小于170度 的电路中 结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流 注意 由于晶闸管较多用于可控整流电路 而整流电路往往按直流平均值来计算 它是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额 22 闸管的通态平均电流IT AV 和正弦电流最大值Im之间的关系表示为 正弦半波电流的有效值为 平均电流IT AV 与有效值关系为 23 流过晶闸管的电流波形不同时 其电流有效值也不同 以上比值也不同 实际应用中 应根据电流有效值相同的原则进行换算 并且在选用晶闸管时 电流电流参数还应取 1 5 2 倍的安全裕量 即 式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值 24 有一晶闸管的电流额定值I TAV 100A 用于电路中流过的电流波形如图所示 允许流过的电流峰值IM 分析 I TAV 100A的晶闸管对应的电流有效值为 IT 1 57 I TAV 157A 波形对应的电流有效值 考虑2倍的安全雨量后得 举例 25 1 通态平均电压UT AV 当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时 阳极与阴极之间电压降的平均值 称为通态平均电压 通态平均电压UT AV 分为A 对应为0 4V 1 2V共九个组别 2 维持电流IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安 与结温有关 结温越高 则IH越小3 擎住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后 能维持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说 通常IL约为IH的2 4倍 3 其他参数 26 4 断态电压临界上升率du dt 在额定结温和门极开路情况下 不使元件从断态到通态转换的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率 5 通态电流临界上升率di dt 在规定条件下 晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率 27 六 晶闸管门极伏安特性及主要参数 1 门极伏安特性指门极电压与电流的关系 晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结 所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似 门极伏安特性曲线可通过实验画出 如图1 6所示 28 2 门极几个主要参数的标准1 门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极不触发电压UGD 相应的最大电流称为门极不触发电流IGD 门极触发电压UGT和门极触发电流IGT在室温下 对晶闸管加上 V正向阳极电压时 使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发电流IGT 相应的门极电压称为门极触发电压UGT 门极正向峰值电压UGM 门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM 29 一 双向晶闸管1 双向晶闸管的外形与结构双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似 有塑封式 螺栓式和平板式 但其内部是一种NPNPN五层结构引出三个端线的器件 如图1 7所示 双向晶闸管及其他派生晶闸管 图1 7双向晶闸管 30 2 双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线 正向部分位于第I象限 反向部分位于第III象限 双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为 31 3 双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通 门极加正负电压都能触发 主电压与触发电压相互配合 可以得到四种触发方式 第一象限触发第二象限触发第三象限触发第四象限触发 32 包括所有专为快速应用而设计的晶闸管 有快速晶闸管和高频晶闸管 10kHz以上 管芯结构和制造工艺进行了改进 开关时间以及du dt和di dt耐量都有明显改善 普通晶闸管关断时间数百微秒 快速晶闸管数十微秒 高频晶闸管10 s左右 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高 由于工作频率较高 选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应 FST由于允许长期通过的电流有限 所以其不宜在低频下工作 二 快速晶闸管 FastSwitchingThyristor FST 33 逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件 这种器件不具有承受反向电压的能力 一旦承受反向电压即开通 三 逆导晶闸管 ReverseConductingThyristor RCT 图1 9逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性 34 四 光控晶闸管 LightTriggeredThyristor LTT 光控晶闸管又称光触发晶闸管 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管 图1 10光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性 35 全控型电力电子器件 GTO 门极可关断晶闸管GTR 电力晶体管MOSFET 电力场效应晶体管IGBT 门极绝缘栅双极晶体管 36 1 4门极关断晶闸管 GTO 1 结构 与普通晶闸管的相同点 PNPN四层半导体结构 外部引出阳极 阴极和门极 和普通晶闸管的不同点 GTO是一种多元的功率集成器件 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元 这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起 37 2 导通关断条件 导通 同晶闸管 AK正偏 GK正偏关断 门极加负脉冲电流 38 3 特点 全控型容量大 off 5电流控制型 1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 39 1 5电力晶体管 GTR 电力晶体管按英文GiantTransistor直译为巨型晶体管GiantTransistor GTR 是一种耐高电压 大电流的双极结型晶体管 BipolarJunctionTransistor BJT 所以有时也称为PowerBJT 其特性有 耐压高 电流大 开关特性好 但驱动电路复杂 驱动功率大 GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的 40 1 电力晶体管简介 GTR是一种电流控制的双极双结大功率 高反压电力电子器件 具有自关断能力 产生于本世纪70年代 其额定值已达1800V 800A 2kHz 1400v 600A 5kHz 600V 3A 100kHz 它既具备晶体管饱和压降低 开关时间短和安全工作区宽等固有特性 又增大了功率容量 因此 由它所组成的电路灵活 成熟 开关损耗小 开关时间短 在电源 电机控制 通用逆变器等中等容量 中等频率的电路中应用广泛 GTR的缺点是驱动电流较大 耐浪涌电流能力差 易受二次击穿而损坏 在开关电源和UPS内 GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替 它的符号如图1 和普通的NPN晶体管一样 41 1 电力晶体管简介 42 2 电力晶体管的结构 电力晶体管 GiantTransistor 简称GTR又称BJT BipolarJunctionTransistor GTR和BJT这两个名称是等效的 结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似 GTR由三层半导体 两个PN结组成 和小功率三极管一样 有PNP和NPN两种类型 GTR通常多用NPN结构 43 3 电力晶体管的工作原理 在电力电子技术中 GTR主要工作在开关状态 GTR通常工作在正偏 基极电流IB 0 时大电流导通 反偏 基极电流IB 0 时处于截止状态 因此 给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号 它将工作于导通和截止的开关状态 44 4 电力晶体管的工作特性 一 静态特性共发射极接法时可分为三个工作区 截止区 在截止区内 IB 0 UBE 0 UBC0 UBE 0 UBCIcS UBE 0 UBC 0 ICS是集电极饱和电流 其值由外电路决定 45 4 电力晶体管的工作特性 二 动态特性GTR主要工作在截止区及饱和区 切换过程中会快速通过放大区 这个开关过程即反映了GTR的动态特性 当在GTR基极施加脉冲信号时 GTR将作开关状态 在t0时刻加入正向基极电流 GTR经延迟和上升阶段后达到饱和区 故开通时间 ton td tr当反向基极电流信号加到基极时 GTR经存储和下降阶段才返回截止区 则关断时间 toff ts tf 46 5 电力晶体管的主要参数 一 电压参数1 集电极最高工作电压UCEM2 饱和压降UCEsat二 电流参数1 连续额定电流Ic 2 集电极额定电流 最大允许电流 ICM3 基极最大允许电流IBM4 集电极最大允许耗散功率PCM 47 6 二次击穿现象与安全工作区 一 二次击穿现象二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素 当GTR的集电极电压升高至击穿电压时 集电极电流迅速增大 这种首先出现的击穿是雪崩击穿 被称为一次击穿 出现一次击穿后 只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度 GTR一般不会损坏 工作特性也不会有什么变化 但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流 Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升 同时伴随着电压的突然下降 这种现象称为二次击穿 48 6 二次击穿现象与安全工作区 一次击穿及二次击穿现象比较一次击穿集电极电压升高至击穿电压时 Ic迅速增大 出现雪崩击穿 只要Ic不超过限度 GTR一般不会损坏 工作特性也不变 二次击穿一次击穿发生时 如果继续增高外接电压 则Ic继续增大 当达到某个临界点时 Uce会突然降低至一个小值 同时导致Ic急剧上升 这种现象称为二次击穿 二次击穿的持续时间很短 一般在纳秒至微秒范围 常常立即导致器件的永久损坏 必需避免 49 6 二次击穿现象与安全工作区 二 安全工作区GTR能够正常运行的范围称为安全工作区 safeoperatingarea SOA 以直流极限参数ICM PCM UCEM构成的工作区为一次击穿工作区 以USB 二次击穿电压 与ISB 二次击穿电流 组成的PSB 二次击穿功率 是一个不等功率曲线 防止二次击穿的办法是 应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多 必须有电压电流缓冲保护措施 50 1 6电力场效应晶体管 MOSFET G 栅极D 漏极S 源极 电力MOSFET的结构和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 电气图形符号 51 1 6电力场效应晶体管 MOSFET 52 1 导通关断条件 漏源极导通条件 在栅源极间加正电压UGS漏源极关断条件 栅源极间电压UGS为零 53 2 特点及应用 优点 驱动电路简单 驱动功率小 开关速度快 工作频率高 所有电力电子器件中工作频率最高的 输入阴抗高 热稳定性优良 无二次击穿 安全工作区宽 缺点 电流容量小 耐压低 通态电阻大等 故中适用于中小功率电力电子装置中 应用 中小功率的高性能开关电源 斩波器 逆变器 54 一 静态特性1 输出特性曲线 3 工作特性 55 2 转移特性曲线 3 工作特性 56 二 开关特性 3 工作特性 开通时间为 ton td on tr关断时间为 toff td off tf 57 一 主要参数1 漏 源击穿电压U BR DS2 额定电流ID3 栅 源击穿电流U BR GS4 通态电阻Ron5 最大耗散功率PD 4 主要参数及安全工作区 二 安全工作区由四条边界包围而成 58 1 7绝缘栅双极晶体管 IGBT 绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT InsulatedGateBiopolarTransistor 是80年代中期发展起来的一种新型复合器件 IGBT综合了MOSFET和GTR的输入阻抗高 工作速度快 通态电压低 阻断电压高 承受电流大的优点 成为当前电力半导体器件的发展方向 59 1 结构 复合结构 MOSFET GTR 60 2 导通关断条件 驱动原理与电力MOSFET基本相同 属于场控器件 通断由栅射极电压uGE决定导通条件 在栅射极间加正电压UGEUGE大于开启电压UGE th 时 MOSFET内形成沟道 为晶体管提供基极电流 IGBT导通 关断条件 栅射极反压或无信号栅射极间施加反压或不加信号时 MOSFET内的沟道消失 晶体管的基极电流被切断 IGBT关断 61 3 特点 高频 容量大反向耐压低 必须反接二极管 模块化驱动和保护有专用芯片 62 1 8其他新型功率开关器件 SIT 静电感应晶体管SITH 静电感应晶闸管MCT MOS控制晶闸管IGCT 集成门极换流晶闸管PM 功率模块PIC 功率集成电路 HVIC SPIC IPM 63 GTR MOSFET IGBT特性测试 1 9任务实施 电力电子器件测试 采用THPDD实训台 双踪示波器 万用表 数字表等进行实训