第1章 电力电子器件.ppt

电力电子技术 电子教案 第1章电力电子器件 第1章第2页 第1章电力电子器件 引言1 1电力电子器件概述1 2不可控器件 电力二极管1 3半控型器件 晶闸管1 4典型全控型器件1 5其他新型电力电子器件1 6电力电子器件的驱动1 7电力电子器件的保护1 8电力电子器件的串联和并联使用小结 第1章第3页 引言 电子技术的基础 电子器件 晶体管和集成电路电力电子电路的基础 电力电子器件本章主要内容 简要概述电力电子器件的概念 特点和分类等问题介绍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 第1章第4页 1 1电力电子器件概述 1 1电力电子器件概述1 1 1电力电子器件的概念和特征1 1 2应用电力电子器件的系统组成1 1 3电力电子器件的分类1 1 4本章内容和学习要点 第1章第5页 1 1电力电子器件概述 1 1 1电力电子器件的概念和特征主电路 mainpowercircuit 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电力电子器件 powerelectronicdevice 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 第1章第6页 1 1 1电力电子器件的概念和特征 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类 两类中 自20世纪50年代以来 真空管仅在频率很高 如微波 的大功率高频电源中还在使用 而电力半导体器件已取代了汞弧整流器 MercuryArcRectifier 闸流管 Thyratron 等电真空器件 成为绝对主力 因此 电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅 第1章第7页 1 1 1电力电子器件的概念和特征 同处理信息的电子器件相比 电力电子器件的一般特征 1 能处理电功率的大小 即承受电压和电流的能力 是最重要的参数其处理电功率的能力小至毫瓦级 大至兆瓦级 大多都远大于处理信息的电子器件 第1章第8页 1 1 1电力电子器件的概念和特征 2 电力电子器件一般都工作在开关状态导通时 通态 阻抗很小 接近于短路 管压降接近于零 而电流由外电路决定阻断时 断态 阻抗很大 接近于断路 电流几乎为零 而管子两端电压由外电路决定电力电子器件的动态特性 也就是开关特性 和参数 也是电力电子器件特性很重要的方面 有些时候甚至上升为第一位的重要问题 作电路分析时 为简单起见往往用理想开关来代替 第1章第9页 1 1 1电力电子器件的概念和特征 3 实用中 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制 在主电路和控制电路之间 需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大 这就是电力电子器件的驱动电路 4 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏 不仅在器件封装上讲究散热设计 在其工作时一般都要安装散热器 导通时器件上有一定的通态压降 形成通态损耗 第1章第10页 1 1 1电力电子器件的概念和特征 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过 形成断态损耗在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗 总称开关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 第1章第11页 1 1 2应用电力电子器件的系统组成 1 1 2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图1 1电力电子器件在实际应用中的系统组成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 第1章第12页 1 1 2应用电力电子器件的系统组成 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 第1章第13页 1 1 2应用电力电子器件的系统组成 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 第1章第14页 1 1 3电力电子器件的分类 1 1 3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 1 半控型器件 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 第1章第15页 1 1 3电力电子器件的分类 2 全控型器件 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断 又称自关断器件绝缘栅双极晶体管 Insulated GateBipolarTransistor IGBT 电力场效应晶体管 PowerMOSFET 简称为电力MOSFET 门极可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor GTO 第1章第16页 1 1 3电力电子器件的分类 3 不可控器件 不能用控制信号来控制其通断 因此也就不需要驱动电路电力二极管 PowerDiode 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 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 第1章第17页 1 1 3电力电子器件的分类 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态 所以又称为场控器件 或场效应器件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 单极型器件 由一种载流子参与导电的器件双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 第1章第18页 1 1 4本章内容和学习要点 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 然后集中讲述电力电子器件的驱动 保护和串 并联使用这三个问题 最重要的是掌握其基本特性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 这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求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 第1章第19页 1 2不可控器件 电力二极管 1 2不可控器件 电力二极管1 2 1PN结与电力二极管的工作原理1 2 2电力二极管的基本特性1 2 3电力二极管的主要参数1 2 4电力二极管的主要类型 第1章第20页 1 2不可控器件 电力二极管 PowerDiode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 第1章第21页 1 2 1PN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 第1章第22页 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 N型半导体和P型半导体结合后构成PN结 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 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 扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾 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 第1章第23页 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 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 图1 3PN结的形成 第1章第24页 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 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 第1章第25页 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 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而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 第1章第26页 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素 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 第1章第27页 1 2 2电力二极管的基本特性 1 2 2电力二极管的基本特性图1 4电力二极管的伏安特性 第1章第28页 1 2 2电力二极管的基本特性 1 静态特性 电力二极管伏安特性图 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 2 动态特性动态特性 因结电容的存在 三种状态之间的转换必然有一个过渡过程 此过程中的电压 电流特性是随时间变化的 第1章第29页 1 2 2电力二极管的基本特性 开关特性 反映通态和断态之间的转换过程关断过程 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图1 5电力二极管的动态过程波形a 正向偏置转换为反向偏置b 零偏置转换为正向偏置 第1章第30页 1 2 2电力二极管的基本特性 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 下降时间与延迟时间的比值tf td 或称恢复系数 用Sr表示 正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置 第1章第31页 1 2 2电力二极管的基本特性 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 第1章第32页 1 2 3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 第1章第33页 1 2 3电力二极管的主要参数 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 第1章第34页 1 2 3电力二极管的主要参数 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125 175 C范围之内5 反向恢复时间trrtrr td tf 关断过程中 电流降到0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 第1章第35页 1 2 4电力二极管的主要类型 1 2 4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 第1章第36页 1 2 4电力二极管的主要类型 1 普通二极管 GeneralPurposeDiode 又称整流二极管 RectifierDiode 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5 s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 第1章第37页 1 2 4电力二极管的主要类型 2 快恢复二极管 FastRecoveryDiode FRD 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短 5 s以下 的二极管 也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构 第1章第38页 1 2 4电力二极管的主要类型 采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管 FastRecoveryEpitaxialDiodes FRED 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400V以下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20 30ns 第1章第39页 1 2 4电力二极管的主要类型 3 肖特基二极管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 SchottkyBarrierDiode SBD 简称为肖特基二极管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弱点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1章第40页 1 2 4电力二极管的主要类型 肖特基二极管的优点反向恢复时间很短 10 40ns 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲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 第1章第41页 1 3半控器件 晶闸管 1 3半控型器件 晶闸管1 3 1晶闸管的结构与工作原理1 3 2晶闸管的基本特性1 3 3晶闸管的主要参数1 3 4晶闸管的派生器件 第1章第42页 1 3半控型器件 晶闸管 晶闸管 Thyristor 晶体闸流管 可控硅整流器 SiliconControlledRectifier SCR 1956年美国贝尔实验室 BellLab 发明了晶闸管1957年美国通用电气公司 GE 开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来 开始被性能更好的全控型器件取代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 第1章第43页 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 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 6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 第1章第44页 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 图1 7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 Ic1 1IA ICBO1 1 1 Ic2 2IK ICBO2 1 2 第1章第45页 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 IK IA IG 1 3 IA Ic1 Ic2 1 4 式中 1和 2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益 ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流 由以上式 1 1 1 4 可得 1 5 晶体管的特性是 在低发射极电流下 是很小的 而当发射极电流建立起来之后 迅速增大 第1章第46页 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 阻断状态 IG 0 1 2很小 流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和开通 门极触发 注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 1 2趋近于1的话 流过晶闸管的电流IA 阳极电流 将趋近于无穷大 实现饱和导通 IA实际由外电路决定 第1章第47页 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du dt过高结温较高光直接照射硅片 即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外 其它都因不易控制而难以应用于实践 称为光控晶闸管 LightTriggeredThyristor LTT 只有门极触发 包括光触发 是最精确 迅速而可靠的控制手段 第1章第48页 1 3 2晶闸管的基本特性 1 静态特性承受反向电压时 不论门极是否有触发电流 晶闸管都不会导通承受正向电压时 仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通 门极就失去控制作用要使晶闸管关断 只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 第1章第49页 1 3 2晶闸管的基本特性 晶闸管的伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性 图1 8晶闸管的伏安特性IG2 IG1 IG 第1章第50页 1 3 2晶闸管的基本特性 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 伏安特性图 第1章第51页 1 3 2晶闸管的基本特性 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的门极触发电流从门极流入晶闸管 从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3 其伏安特性称为门极伏安特性 为保证可靠 安全的触发 触发电路所提供的触发电压 电流和功率应限制在可靠触发区 伏安特性图 第1章第52页 1 3 2晶闸管的基本特性 2 动态特性图1 9晶闸管的开通和关断过程波形 第1章第53页 1 3 2晶闸管的基本特性 1 开通过程 特性图 延迟时间td 门极电流阶跃时刻开始 到阳极电流上升到稳态值的10 的时间上升时间tr 阳极电流从10 上升到稳态值的90 所需的时间开通时间tgt以上两者之和 tgt td tr 1 6 普通晶闸管延迟时间为0 5 1 5 s 上升时间为0 5 3 s 第1章第54页 1 3 2晶闸管的基本特性 2 关断过程反向阻断恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tgr 晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压 晶闸管会重新正向导通实际应用中 应对晶闸管施加足够长时间的反向电压 使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力 电路才能可靠工作关断时间tq trr与tgr之和 即tq trr tgr 1 7 普通晶闸管的关断时间约几百微秒 第1章第55页 1 3 3晶闸管的主要参数 1 电压定额1 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 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 第1章第56页 1 3 3晶闸管的主要参数 2 电流定额1 通态平均电流IT AV 额定电流 晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态下 稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管应留一定的裕量 一般取1 5 2倍 第1章第57页 1 3 3晶闸管的主要参数 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4 浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 第1章第58页 1 3 3晶闸管的主要参数 3 动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外 还有 1 断态电压临界上升率du dt指在额定结温和门极开路的情况下 不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时 相当于一个电容的J2结会有充电电流流过 被称为位移电流 此电流流经J3结时 起到类似门极触发电流的作用 如果电压上升率过大 使充电电流足够大 就会使晶闸管误导通 第1章第59页 1 3 3晶闸管的主要参数 2 通态电流临界上升率di dt 指在规定条件下 晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率如果电流上升太快 则晶闸管刚一开通 便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内 从而造成局部过热而使晶闸管损坏 第1章第60页 1 3 4晶闸管的派生器件 1 快速晶闸管 FastSwitchingThyristor FST 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 第1章第61页 1 3 4晶闸管的派生器件 2 双向晶闸管 TriodeACSwitch TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor 图1 10双向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 第1章第62页 1 3 4晶闸管的派生器件 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成有两个主电极T1和T2 一个门极G正反两方向均可触发导通 所以双向晶闸管在第 和第III象限有对称的伏安特性与一对反并联晶闸管相比是经济的 且控制电路简单 在交流调压电路 固态继电器 SolidStateRelay SSR 和交流电机调速等领域应用较多通常用在交流电路中 因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值 第1章第63页 1 3 4晶闸管的派生器件 3 逆导晶闸管 ReverseConductingThyristor RCT 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具有正向压降小 关断时间短 高温特性好 额定结温高等优点逆导晶闸管的额定电流有两个 一个是晶闸管电流 一个是反并联二极管的电流图1 11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 第1章第64页 1 3 4晶闸管的派生器件 4 光控晶闸管 LightTriggeredThyristor LTT 图1 12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 第1章第65页 1 3 4晶闸管的派生器件 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小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆 光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘 且可避免电磁干扰的影响 因此目前在高压大功率的场合 如高压直流输电和高压核聚变装置中 占据重要的地位 第1章第66页 1 4典型全控型器件 1 4典型全控型器件1 4 1门极可关断晶闸管1 4 2电力晶体管1 4 3电力场效应晶体管1 4 4绝缘栅双极晶体管 第1章第67页 1 4典型全控型器件 门极可关断晶闸管 在晶闸管问世后不久出现20世纪80年代以来 信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合 高频化 全控型 采用集成电路制造工艺的电力电子器件 从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代典型代表 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管 第1章第68页 1 4 1门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor GTO 晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压 电流容量较大 与普通晶闸管接近 因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用 第1章第69页 1 4 1门极可关断晶闸管 1 GTO的结构和工作原理结构 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 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图1 13GTO的内部结构和电气图形符号a 各单元的阴极 门极间隔排列的图形b 并联单元结构断面示意图c 电气图形符号 第1章第70页 1 4 1门极可关断晶闸管 工作原理 与普通晶闸管一样 可以用图1 7所示的双晶体管模型来分析 1 2 1是器件临界导通的条件 当 1 2 1时 两个等效晶体管过饱和而使器件导通 当 1 2 1时 不能维持饱和导通而关断 图1 7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 第1章第71页 1 4 1门极可关断晶闸管 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别 1 设计 2较大 使晶体管V2控制灵敏 易于GTO关断 2 导通时 1 2更接近1 1 05 普通晶闸管 1 2 1 15 导通时饱和不深 接近临界饱和 有利门极控制关断 但导通时管压降增大 3 多元集成结构使GTO元阴极面积很小 门 阴极间距大为缩短 使得P2基区横向电阻很小 能从门极抽出较大电流 第1章第72页 1 4 1门极可关断晶闸管 导通过程与普通晶闸管一样 只是导通时饱和程度较浅关断过程 强烈正反馈 门极加负脉冲即从门极抽出电流 则Ib2减小 使IK和Ic2减小 Ic2的减小又使IA和Ic1减小 又进一步减小V2的基极电流当IA和IK的减小使 1 2 1时 器件退出饱和而关断多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快 承受di dt能力强 第1章第73页 1 4 1门极可关断晶闸管 2 GTO的动态特性开通过程 与普通晶闸管类似 需经过延迟时间td和上升时间tr 图1 14GTO的开通和关断过程电流波形 第1章第74页 1 4 1门极可关断晶闸管 关断过程 与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子 储存时间ts 使等效晶体管退出饱和等效晶体管从饱和区退至放大区 阳极电流逐渐减小 下降时间tf残存载流子复合 尾部时间tt通常tf比ts小得多 而tt比ts要长门极负脉冲电流幅值越大 前沿越陡 抽走储存载流子的速度越快 ts越短门极负脉冲的后沿缓慢衰减 在tt阶段仍保持适当负电压 则可缩短尾部时间 第1章第75页 1 4 1门极可关断晶闸管 3 GTO的主要参数 显示图 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同 以下只介绍意义不同的参数1 开通时间ton延迟时间与上升时间之和 延迟时间一般约1 2 s 上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大2 关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和 不包括尾部时间 GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大 下降时间一般小于2 s不少GTO都制造成逆导型 类似于逆导晶闸管 需承受反压时 应和电力二极管串联 第1章第76页 1 4 1门极可关断晶闸管 3 最大可关断阳极电流IATOGTO额定电流4 电流关断增益 off最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益 1 8 off一般很小 只有5左右 这是GTO的一个主要缺点 1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 第1章第77页 1 4 2电力晶体管 术语用法 电力晶体管 GiantTransistor GTR 直译为巨型晶体管 耐高电压 大电流的双极结型晶体管 BipolarJunctionTransistor BJT 英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内 GTR与BJT这两个名称等效应用20世纪80年代以来 在中 小功率范围内取代晶闸管 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代 第1章第78页 1 4 2电力晶体管 1 GTR的结构和工作原理 图 15 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的主要特性是耐压高 电流大 开关特性好通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 第1章第79页 1 4 2电力晶体管 图1 15GTR的结构 电气图形符号和内部载流子的流动a 内部结构断面示意图b 电气图形符号c 内部载流子的流动一般采用共发射极接法 集电极电流ic与基极电流ib之比为 1 9 GTR的电流放大系数 反映了基极电流对集电极电流的控制能力 第1章第80页 1 4 2电力晶体管 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时 ic和ib的关系为ic ib Iceo 1 10 产品说明书中通常给直流电流增益hFE 在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比 一般可认为 hFE单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多 通常为10左右 采用达林顿接法可有效增大电流增益 第1章第81页 1 4 2电力晶体管 2 GTR的基本特性 1 静态特性共发射极接法时的典型输出特性 截止区 放大区和饱和区在电力电子电路中GTR工作在开关状态 即工作在截止区或饱和区在开关过程中 即在截止区和饱和区之间过渡时 要经过放大区图1 16共发射极接法时GTR的输出特性 第1章第82页 1 4 2电力晶体管 1 动态特性图1 17GTR的开通和关断过程电流波形开通过程延迟时间td和上升时间tr 二者之和为开通时间tontd主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的 增大ib的幅值并增大dib dt 可缩短延迟时间 同时可缩短上升时间 从而加快开通过程 第1章第83页 1 4 2电力晶体管 关断过程 显示图 储存时间ts和下降时间tf 二者之和为关断时间toffts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的 是关断时间的主要部分减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子 或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压 可缩短储存时间 从而加快关断速度负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加 从而增大通态损耗GTR的开关时间在几微秒以内 比晶闸管和GTO都短很多 第1章第84页 1 4 2电力晶体管 3 GTR的主要参数前已述及 电流放大倍数 直流电流增益hFE 集射极间漏电流Iceo 集射极间饱和压降Uces 开通时间ton和关断时间toff 此外还有 1 最高工作电压GTR上电压超过规定值时会发生击穿击穿电压不仅和晶体管本身特性有关 还与外电路接法有关BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo实际使用时 为确保安全 最高工作电压要比BUceo低得多 第1章第85页 1 4 2电力晶体管 2 集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1 2 1 3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量 只能用到IcM的一半或稍多一点3 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC 间接表示了最高工作温度 第1章第86页 1 4 2电力晶体管 4 GTR的二次击穿现象与安全工作区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Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升 并伴随电压的陡然下降常常立即导致器件的永久损坏 或者工作特性明显衰变 第1章第87页 1 4 2电力晶体管 安全工作区 SafeOperatingArea SOA 最高电压UceM 集电极最大电流IcM 最大耗散功率PcM 二次击穿临界线限定图1 18GTR的安全工作区 第1章第88页 1 4 3电力场效应晶体管 也分为结型和绝缘栅型 类似小功率FieldEffectTransistor FET 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型 MetalOxideSemiconductorFET 简称电力MOSFET PowerMOSFET 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 StaticInductionTransistor SIT 特点 用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单 需要的驱动功率小开关速度快 工作频率高热稳定性优于GTR电流容量小 耐压低 一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 第1章第89页 1 4 3电力场效应晶体管 1 电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型 对于N P 沟道器件 栅极电压大于 小于 零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型 第1章第90页 1 4 3电力场效应晶体管 电力MOSFET的结构 显示图 导通时只有一种极性的载流子 多子 参与导电 是单极型晶体管导电机理与小功率MOS管相同 但结构上有较大区别电力MOSFET的多元集成结构国际整流器公司 InternationalRectifier 的HEXFET采用了六边形单元西门子公司 Siemens 的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司 Motorola 的TMOS采用了矩形单元按 品 字形排列 第1章第91页 1 4 3电力场效应晶体管 小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构 又称为VMOSFET VerticalMOSFET 大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异 又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MO结构的VDMOSFET VerticalDouble diffusedMOSFET 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论 第1章第92页 1 4 3电力场效应晶体管 电力MOSFET的工作原理图1 19电力MOSFET的结构和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 电气图形符号截止 漏源极间加正电源 栅源极间电压为零P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏 漏源极之间无电流流过 第1章第93页 1 4 3电力场效应晶体管 导电 在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的 所以不会有栅极电流流过 但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开 而将P区中的少子 电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT 开启电压或阈值电压 时 栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度 使P型半导体反型成N型而成为反型层 该反型层形成N沟道而使PN结J1消失 漏极和源极导电 第1章第94页 1 4 3电力场效应晶体管 2 电力MOSFET的基本特性1 静态特性图1 20电力MOSFET的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性ID较大时 ID与UGS的关系近似线性 曲线的斜率定义为跨导Gfs 第1章第95页 1 4 3电力场效应晶体管 MOSFET的漏极伏安特性 输出特性 截止区 对应于GTR的截止区 饱和区 对应于GTR的放大区 非饱和区 对应于GTR的饱和区 电力MOSFET工作在开关状态 即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管 漏源极间加反向电压时器件导通电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数 对器件并联时的均流有利 第1章第96页 1 4 3电力场效应晶体管 2 动态特性图1 21电力MOSFET的开关过程a 测试电路b 开关过程波形up 脉冲信号源 Rs 信号源内阻 RG 栅极电阻 RL 负载电阻 RF 检测漏极电流 第1章第97页 1 4 3电力场效应晶体管 开通过程 开关过程图 开通延迟时间td on up前沿时刻到uGS UT并开始出现iD的时刻间的时间段上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后 在up作用下继续升高直至达到稳态 但iD已不变开通时间ton 开通延迟时间与上升时间之和 第1章第98页 1 4 3电力场效应晶体管 开通过程关断延迟时间td off up下降到零起 Cin通过Rs和RG放电 uGS按指数曲线下降到UGSP时 iD开始减小止的时间段下降时间tf uGS从UGSP继续下降起 iD减小 到uGS UT时沟道消失 iD下降到零为止的时间段关断时间toff 关断延迟时间和下降时间之和 图1 21电力MOSFET的开关过程a 测试电路b 开关过程波形up 脉冲信号源 Rs 信号源内阻 RG 栅极电阻 RL 负载电阻 RF 检测漏极电流 第1章第99页 1 4 3电力场效应晶体管 MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系使用者无法降低Cin 但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数 加快开关速度MOSFET只靠多子导电 不存在少子储存效应 因而关断过程非常迅速开关时间在10 100ns之间 工作频率可达100kHz以上 是主要电力电子器件中最高的场控器件 静态时几乎不需输入电流 但在开关过程中需对输入电容充放电 仍需一定的驱动功率 开关频率越高 所需要的驱动功率越大 第1章第100页 1 4 3电力场效应晶体管 3 电力MOSFET的主要参数跨导Gfs 开启电压UT以及td on tr td off 和tf之还有1 漏极电压UDS电力MOSFET电压定额2 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额3 栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄 UGS 20V将导致绝缘层击穿4 极间电容极间电容CGS CGD和CDS厂家提供 漏源极短路时的输入电容Ciss 共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss 第1章第101页 1 4 3电力场效应晶体管 Ciss CGS CGD 1 14 Crss CGD 1 15 Coss CDS CGD 1 16 输入电容可近似用Ciss代替这些电容都是非线性的漏源间的耐压 漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区一般来说 电力MOSFET不存在二次击穿问题 这是它的一大优点实际使用中仍应注意留适当的裕量 第1章第102页 1 4 4绝缘栅双极晶体管 GTR和GTO的特点 双极型 电流驱动 有电导调制效应 通流能力很强 开关速度较低 所需驱动功率大 驱动电路复杂MOSFET的优点 单极型 电压驱动 开关速度快 输入阻抗高 热稳定性好 所需驱动功率小而且驱动电路简单两类器件取长补短结合而成的复合器件 Bi MOS器件 第1章第103页 1 4 4绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管 Insulated gateBipolarTransistor IGBT或IGT GTR和MOSFET复合 结合二者的优点 具有好的特性1986年投入市场后 取代了GTR和一部分MOSFET的市场 中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量 以期再取代GTO的地位 第1章第104页 1 4 4绝缘栅双极晶体管 1 IGBT的结构和工作原理三端器件 栅极G 集电极C和发射极E图1 22IGBT的结构 简化等效电路和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 简化等效电路c 电气图形符号 第1章第105页 1 4 4绝缘栅双极晶体管 IGBT的结构 显示图 图1 22a N沟道VDMOSFET与GTR组合 N沟道IGBT N IGBT IGBT比VDMOSFET多一层P 注入区 形成了一个大面积的P N结J1 使IGBT导通时由P 注入区向N基区发射少子 从而对漂移区电导率进行调制 使得IGBT具有很强的通流能力简化等效电路表明 IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构 一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管RN为晶体管基区内的调制电阻 第1章第106页 1 4 4绝缘栅双极晶体管 IGBT的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同 场控器件 通断由栅射极电压uGE决定导通 uGE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导通导通压降 电导调制效应使电阻RN减小 使通态压降小关断 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 第1章第107页 1 4 4绝缘栅双极晶体管 2 IGBT的基本特性1 IGBT的静态特性图1 23IGBT的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 第1章第108页 1 4 4绝缘栅双极晶体管 转移特性 IC与UGE间的关系 与MOSFET转移特性类似开启电压UGE th IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE th 随温度升高而略有下降 在 25 C时 UGE th 的值一般为2 6V输出特性 伏安特性 以UGE为参考变量时 IC与UCE间的关系分为三个区域 正向阻断区 有源区和饱和区 分别与GTR的截止区 放大区和饱和区相对应uCE 0时 IGBT为反向阻断工作状态 第1章第1