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1 第二章电力电子器件Chapter1PowerElectronicDevices 2 本章主要内容 电力电子器件的概念 特点和分类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问题电力二极管晶闸管全控型器件了解各种器件的结构和工作原理重点掌握各种器件的动态特性 主要参数以及如何选择 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 3 1 1电力电子器件概述Introductoryoverviewofpowerelectronicdevies 4 Theconceptofpowerelectronicdevices 电力电子器件 用于处理电能的主电路中实现电能的变换或控制的器件 Powerelectronicdevicesaretheelectronicdevicesthatcanbedirectlyusedinthepowerprocessingcircuitstoconvertorcontrolelectricpower 5 Theconceptofpowerelectronicdevices 电力电子器件Powerelectronicdevices电真空器件Vacuumdevices汞弧整流器Mercuryarcrectifier闸流管thyratron etc Seldominusetoday半导体器件SemiconductordevicesmajorpowerelectronicdevicesVeryoften Powerelectronicdevices PowersemiconductordevicesMajormaterialusedinpowersemiconductordevices Silicon 6 电力电子器件的特征 Featuresofpowerelectronicdevices 电力电子器件直接用于处理电能 有特征 处理功率能力远大于处理信息类器件处理功率的能力 可从毫瓦级到兆瓦级 工作在开关状态 处理功率大 减小本身的损耗 需信息电子电路控制 中间加驱动放大电路 器件损耗大 器件设计和封装方面必须考虑散热 工作时还必须考虑散热器 7 理想电力电子开关 开关处于关断状态Off state时能承受高的端电压 并且漏电流为零 开关处于导通状态On state时能流过大电流 且端电压 导通压降 为零 导通 关断切换时所需开关时间为零 小信号也能导通 关断 对信号的延迟时间为零 反复开关不老化 8 电力电子器件的损耗 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 开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素 主要损耗 通态损耗on stateloss 断态损耗off stateloss 开关损耗Switchingloss 关断损耗turn offloss 开通损耗turn onloss Powerlossesonpowersemiconductordevices 9 应用电力电子器件的系统组成 电力电子系统 由控制电路 controlcircuit 驱动电路 drivecircuit 保护电路 protectioncircuit 和以电力电子器件为核心的主电路 powercircuit 组成 图1 1电力电子器件在实际应用中的系统组成 在主电路和控制电路中附加一些电路 以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行 电气隔离Electricisolation 控制电路 10 电力电子器件的分类 按照电力电子器件的开关控制能力分不可控器件 Uncontrollabledevice 半控型器件 Half controllabledevice 全控型器件 Fully controllabledevice Classificationofpowerelectronicdevices 11 不可控器件 Uncontrollabledevice 不能用控制信号来控制通断 不需驱动电路 两个端子 器件通断由它在主电路中承受的电压和电流决定 单向导电 典型器件 功率二极管 PowerDiode onlytwoterminalsandcannotbecontrolledbycontrolsignal Theonandoffstatesofthedevicearedeterminedbythepowercircuit 12 半控型器件 Half controllabledevice 可控制器件开通但不能控制关断 控制端在器件导通后失去控制能力 即无法通过控制端来关断器件 器件关断决定于外部条件 即器件在主电路中承受的电压和电流 Half controlleddeviceisturned onbyacontrolsignalandturned offbythepowercircuit三端器件 典型器件 晶闸管 Thyristor 及派生器件 13 全控型器件 Full controllabledevice 既能控制开通 又能控制关断 又叫自关断器件 Theonandoffstatesofthedevicearecontrolledbycontrolsignals 常用的有功率场效应管 PowerMOSFET 绝缘栅极双极型晶体管 IGBT 门极可关断晶闸管 GTO 等 14 其它分类方法Otherclassifications 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质不同划分 电流控制型器件Current driven current controlled devices通过向控制端注入或从控制端抽出电流实现器件的开通 关断 电压控制型器件Voltage driven voltage controlled devices Field controlleddevices 器件的开通 关断控制是通过加在控制端与公共端之间的电压来实现的 又叫场控型器件或场效应器件 电压控制型器件需要的控制极驱动功率要小得多 15 其它分类方法Otherclassifications 按照器件内部载流子的类型分类 单极型UnipolardevicesMajoritycarrierdevices双极型BipolardevicesMinoritycarrierdevices复合型Compositedevices 16 单极型Unipolardevices 一种载流子 一般为多数载流子 参与导电的器件 如功率场效应管 静电感应晶体管 SIT 特点 只有多数载流子导电 无少子存储效应 开通关断时间短 典型值为20ns 以功率场效应管为例 小容量器件工作频率可达500kH 输入阻抗很高 通常大于40兆欧 电压控制型 电流有负温度系数 不易产生局部热点 二次击穿可能性极小 通态压降高 电压和电流额定值比双极型器件小 适用于功率较小 工作频率高的电力电子设备 17 双极型Bipolardevices 电子和空穴两种载流子都参与导电 如晶闸管 GTO等 特点 通态压降较低 阻断电压高 电压和电流额定值较高 适用于大中容量的变流设备 18 复合型Compositedevices 由单极型器件和双极型器件组合而成 如IGBT 特点 既有晶闸管 GTO等双极型器件的电流密度高 导通压降低等优点 又具有功率场效应管等单极型器件的输入阻抗高 响应速度快的特点 是一类综合性能较好 具有发展前途的电力电子器件 19 不可控器件 Uncontrollabledevice 电力二极管PowerDiode 结构和原理简单 工作可靠 快恢复和肖特基二极管 分别在中 高频整流 逆变及低压高频整流场合 有不可替代的地位 功率二极管主要作整流 续流和隔离等 整流二极管及模块 20 电力二极管PowerDiode 结构和原理与信息电子电路二极管一样 一个面积较大的PN结和两端引线封装组成 外形 螺栓型和平板型 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 A K A K a I K A P N J b c A K Structure Symbol Anode Cathode Appearance 21 PNJunction PN结 N型半导体 N typesemiconductor 和P型半导体结合成扩散 diffusion 空间电荷建立内电场或自建电场 阻止扩散漂移 drifting 稳定的空间电荷区或耗尽层 阻挡层 势垒区 22 电导调制效应ConductivityModulation 结导通 流过较小电流时 电阻主要为基底低掺杂 区的欧姆电阻 为常量 此时管压降随电流上升增加 结流过较大电流时 注入并积累在低掺杂区的少子空穴浓度很大 为维持半导体中性 多子浓度也增大 电阻率下降 即电导调制效应 此时压降 左右 低阻状态 电导调制效应的存在 可允许器件流过较大电流 23 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 两种形式 雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿 PN结的状态 电力二极管的工作原理 24 电力二极管的工作原理 PN结电荷量随外加电压变化 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 Potentialbarriercapacitor CB和扩散电容 Diffusioncapacitor CD 电容影响PN结的工作频率 尤其是高速的开关状态 PN结的结电容 Junctioncapacitor 25 电力二极管和信息二极管不同的因素 正向导通时流过大电流 电流密度大 额外载流子注入水平高 电导调制效应明显 引线和焊接电阻压降有明显影响 电流变化率di dt较大 引线和器件自身的电感效应有较大影响 为提高反向耐压 掺杂浓度低 造成正向压降较大 1V左右 一般的为0 7V 电力二极管的工作原理 26 电力二极管的基本特性 主要指其伏安特性I Vcharacteristic门槛电压UTO 正向电流IF开始明显增加所对应的电压 与IF对应的电压即为正向压降UF 反向时 只有漏电流 图1 4电力二极管的伏安特性 静态特性Staticcharacteristics 27 电力二极管的基本特性 动态特性Switching dynamic characteristics 偏值状态改变时的过渡过程 电压电流特性随时间变化 由于结电容的存在 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 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 28 电力二极管的动态特性 关断过程须经短暂时间才能重新获得反向阻断能力 进入截止状态 关断前有较大反向电流 并伴随明显反向电压过冲 图1 5 b 关断过程 Turn offtransient Reverse recoveryprocess Reverse recoverytime reverse recoverycharge reverse recoverypeakcurrent 29 电力二极管的动态特性 正向压降先出现过冲UFP 经一段时间趋于稳态压降的某个值 如2V 正向恢复时间tfr电流上升率越大 UFP越高 图1 5 b 开通过程 开通过程 Turn ontransient forward recoverytime 30 电力二极管的主要参数 正向平均电流 额定电流 AveragerectifiedforwardcurrentIF AV 定义 功率二极管长期运行时 在指定的管壳温度 即壳温 和散热条件下 结温稳定且不超过所允许的最高工作结温 所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 即为正向平均电流 将此电流值取规定系列的电流等级值 即为元件的额定电流 Specificationsofpowerdiode 31 电力二极管的主要参数 注意 正向平均电流按照发热条件定义 使用时 应按电流有效值相等原则选取 并留裕量 工作频率较高时 不能忽略开关损耗 采用反向漏电流较大的管子 应考虑断态损耗 Specificationsofpowerdiode 换算关系 正弦半波电流有效值和平均值IF AV 比 32 电力二极管的主要参数 正向压降定义 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 有时也指在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时功率二极管的最大瞬时正向压降 ForwardvoltageUF Specificationsofpowerdiode 33 电力二极管的主要参数 反向重复峰值电压URRM定义 二极管能重复施加的反向最高峰值电压 通常是雪崩击穿电压UB的2 3 一般按电路中二极管可能承受的最高峰值电压的两倍选取 最高工作结温TJM结温TJ是pn结的平均温度 最高工作结温指在pn结不损坏前提下所能承受的最高平均温度TJM 通常在125C 175C Peakrepetitivereversevoltage Maximumjunctiontemperature 34 电力二极管的主要参数 反向恢复时间指功率二极管由导通到关断时 从正向电流过零到反向电流下降到峰值的25 时的时间间隔 它与反向电流上升率 结温及正向导通时的最大正向电流有关 浪涌电流IFSM指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流 一般用额定正向平均电流的倍数和相应的浪涌时间 工频周波数 来规定 Reverse recoverytimetrr 35 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分类 整流二极管 RectifierDiode 快恢复二极管 FastRecoveryDiode 肖特基二极管 SchottkyDiode 36 即整流二极管 RectifierDiode 多用于频率不高 1kHz以下 的整流电路 反向恢复时间较长 5微秒以上 正向电流定额和反向电压定额高 普通二极管 GerneralPurposeDiode 37 快恢复二极管 FastRecoveryDiode 恢复过程短 特别是反向恢复过程较短 在5微秒以下 分为快速恢复和超快速恢复 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 38 肖特基二极管 SchottkyBarrierDiode 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的为肖特基势垒二极管 SchottkyBarrierDiode SBD 简称肖特基二极管 优点 反向恢复时间很短 10 40ns 正向恢复过程无有明显电压超调 反向耐压较低时正向压降小 明显低于快恢复二极管 因此 开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小 缺点 反向耐压提高时 正向压降会高得无法接受反向漏电流较大且对温度敏感 多用于200V以下的场合 39 常用电力二极管型号及主要参数 常用电力二极管型号额定正向反向重复反向电流正向平恢复时间平均电流A峰值电压均电压usZP1 40001 4000A50 5000V1 40mA0 4 1V 10uSZP3 20003 2000A100 4000V1 40mA0 4 1V 10uS快恢复二极管 美国MOTOROLA MR86750A600V50uA1 4V 400nS超快恢复二极管 美国MOTOROLA MUR10020CT50A200V25uA1 1V 50nS 40 半控型器件 晶闸管Thyristor 硅晶体闸流管的简称 俗称可控硅 SiliconControlledRectifier SCR 1956年 美国贝尔实验室 BellLab 发明了晶闸管 1957年 通用电气公司 GE 开发出第一只产品 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 大容量场合有重要地位 晶闸管一般指普通晶闸管 实际还包括其派生器件 41 晶闸管的结构 Appearanceofthyristor 螺栓型晶闸管 晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 42 晶闸管的结构 PNPN四层三端结构 三个PN结 三个输出端 阳极A Anode 阴极K Cathode 和门极G Gate 43 封装形式 螺栓式和平板式螺栓式 螺栓阳极 粗辫子为阴极 细辫子为门极 安装和更换方便 散热效果较差 平板式 两个平面分别是阳极和阴极 细辫子线为门极 散热效果好 但安装和更换较麻烦 冷却方式 自然冷却 强迫风冷和水冷 晶闸管的结构 44 晶闸管的开通和关断条件 晶闸管加正向阳极电压 门极断开或接反向电压 灯泡不亮 晶闸管加反向阳极电压 不论门极电源开关闭合与否 灯泡均不亮 晶闸管加正向阳极电压 门极接正向电压 灯泡亮 晶闸管导通后 门极开关 2打开或接反向电压 灯泡仍亮 45 晶闸管的开通和关断条件 主电路中接电流表 减小晶闸管正向阳极电压 电流表读数 电流减小到某一值 灯泡熄灭 46 晶闸管的开通和关断条件 晶闸管承受正向阳极电压 仅在门极承受正向电压时导通 即从关断转变为导通必须同时具备正向阳极电压和正向门极电压两个条件 晶闸管承受反向阳极电压 不论门极承受何种电压 晶闸管都处于关断状态 晶闸管导通后 只要仍有一定正向阳极电压 不论门极电压如何 晶闸管仍保持导通 即晶闸管导通后 门极失去控制作用 晶闸管导通情况下 主回路电压 或电流 减小到接近于零时 晶闸管关断 47 晶闸管的工作原理 特点 可看作两个三极管P1N1P2 N1P2N2 48 晶闸管的工作原理 晶闸管开通过程 正向阳极电压 J1和J 正偏置 J2反偏 要使晶闸管导通 须使J2失去阻挡 一个三极管集电极同另一三极管基极相接 当有足够门极电流Ig流入 形成强烈正反馈 两个晶体管饱和导通 即晶闸管导通 流入Ig时 即Ig增大 表示为Ig 有Ig Ib2 2 Ic2 Ib1 1 Ic1 Ib2 的正反馈过程发生 49 V1和V2管电流放大系数分别为晶闸管阳极电流 三极管集电极电流和漏电流的总和 即 晶闸管的工作原理 50 分析 V1和V2电流放大系数值随发射极电流改变而变化 当晶闸管承受正向阳极电压 而门极未加电压时 很小 晶闸管阳极电流为Ia Ic0晶闸管处于正向阻断状态 晶闸管的工作原理 51 晶闸管的工作原理 分析 饱和导通时 晶闸管阳极电流由外电路决定 门极开通后失去控制作用 减小电源电压或增大回路电阻 使阳极电流减小到维持流IH以下 此时 和迅速下降 当时 晶闸管恢复阻断状态 52 晶闸管为半控型器件 晶闸管可能触发导通的其它条件 Othermethodstotriggerthyristoron阳极电压太高 晶闸管击穿 阳极电压du dt太大 晶闸管上结电容产生电流Cdu dt 导致晶体管发射极电流增大 引起导通结温太高 漏电流增大引起导通 光触发 光直接照射在硅片上产生电子空穴对 在电场作用下产生触发电流 晶闸管的可能触发导通的其它条件 53 用万用表简单判断晶闸管三个极的方法 螺栓式晶闸管 直接判断平板式晶闸管 引出线 门极J3结有不太理想的二极管特性 正 反向电阻为几十至几百欧 而J1 J2结有标准二极管特性 则可用万用表区分阳极和阴极 并大致判断好坏 注意 测量时不能用万用表高阻档 以免高压击穿门极的pn结 测量时如发现任何两个极短路 或门极对阴极断路 则说明元件已损坏 54 晶闸管的基本特性 晶闸管的静态特性 伏安特性阳极伏安特性和门极伏安特性晶闸管的动态特性 开关特性 55 晶闸管的静态特性 Staticcharacteristicsofthyristor 正向特性IG 0时 器件加正向电压 有很小漏电流 为正向阻断状态 正向电压超过正向转折电压Ubo 漏电流急剧增大 器件开通 门极电流幅值增大 正向转折电压降低 晶闸管本身的压降很小 在1V左右 56 晶闸管的静态特性 Staticcharacteristicsofthyristor 图1 8晶闸管的伏安特性IG2 IG1 IG 反向特性类似二极管 反向阻断时 只有极小反相漏电流 反向电压达到反向击穿电压后 可能导致晶闸管发热损坏 57 晶闸管的动态特性 Switchingcharacteristics 开通过程tgt延迟时间td 0 5 1 5 s 上升时间tr 0 5 3 s 开通时间为以上两者之和 tgt td tr 58 晶闸管的动态特性 Switchingcharacteristics 100 90 10 u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 图1 9晶闸管的开通和关断过程波形 关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq trr tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒 59 晶闸管的主要参数Specificationsofthyristor 电压定额断态不重复峰值电压 PeakNon repetitiveForwardblockingVoltage 反向不重复峰值电压 PeakNon repetitiveReverseblockingVoltage 断态重复峰值电压UDRM PeakRepetitiveForwardBlockingVoltage 反向重复峰值电压URRM PeakRepetitivePeakReverseVoltage 额定电压 VoltageRating 通态平均电压 AverageVoltageDrop 60 门极开路 晶闸管额定结温时 管子阳极电压升到正向转折电压之前 即管子正向漏电流开始急剧增大 伏安特性曲线急剧弯曲处 此时对应的阳极电压称为断态不重复峰值电压 此电压不可连续施加且持续时间不大于10ms的最大脉冲电压 且一般小于转折电压 晶闸管承受的电压若超过断态不重复峰值电压几次即会损坏报废 断态不重复峰值电压 61 反向不重复峰值电压 门极开路 晶闸管承受反向电压时 对应反向漏电流开始急剧增大的电压值称为反向不重复峰值电压 该电压是不可连续施加且持续时间不大于10ms的反向最大脉冲电压 当晶闸管承受反向电压超过此值一次即可发生破坏性击穿而损坏 62 断态重复峰值电压和反向重复峰值电压 断态不重复峰值电压的80 为断态重复峰值电压 该电压是晶闸管门极开路时 可以连续施加 重复频率为每秒50次 持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压 反向不重复峰值电压的80 为反向重复峰值电压 该电压是晶闸管门极开路时 可以连续施加 重复频率为每秒50次 持续时间不大于10ms的反向最大脉冲电压 63 额定电压 断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中小的数值 按标准电压等级取整 为晶闸管额定电压 晶闸管工作时 外加电压峰值瞬时超过不重复峰值电压 即可造成永久性损坏 且由于环境温度升高或散热不良 均可能使正反向转折电压下降 因而选晶闸管额定电压应为其正常工作峰值电压的 倍 作为安全裕量 64 通态平均电压 晶闸管通以额定通态平均电流 待结温稳定时 阳极与阴极之间电压降的平均值定义为通态平均电压 通称管压降 根据通态平均电压的不同数值 将其分成几组 选用时应尽量选择值小的晶闸管 以便减少管的损耗和发热 65 晶闸管的主要参数Specificationsofthyristor 电流定额通态平均电流IT AV ConductingAverageCurrent 维持电流IH HoldingCurrent 擎住电流IL LatchingCurrent 断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR浪涌电流ITSM SurgeCurrent 66 通态平均电流 环境温度 40 和规定冷却条件下 晶闸管在阻性负载的单相工频正弦半波 导通角不小于170 电路中 结温稳定并不超过额定结温时 允许通过的最大平均电流 此电流按晶闸管标准电流系列取相应等级 为额定电流 注意 晶闸管额定电流按正向电流造成器件本身的通态损耗发热效应来定义的 使用时应按实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等 即有效值相等原则选晶闸管额定电流 并考虑一定裕量 一般取1 5 2倍 67 波形系数 任一含有直流分量的电流波形 电流有效值I与平均值Id之比 即 通态平均电流 正弦半波电流的波形系数计算 设该正弦波峰值电流为 则其通态平均电流为 根据有效值的定义 其有效值为 故正弦半波电流的波形系数是 68 通态平均电流 额定电流为100A的晶闸管 允许通过电流有效值为157A 相同平均值而波形不同的电流 因波形系数不同而有效值不同 流经同一晶闸管时发热也不相同 根据有效值相等发热相同的原理 将非正弦半波电流平均值Id折算成等效的正弦半波电流的平均值IT 即 69 通态平均电流 额定电流为100A的晶闸管 只有在正弦半波电流情况下 允许通过的平均值才是100A 其它情况下 允许通过的电流平均值都不是100A 当时 由于折算的等效平均电流IT将大于实际的平均电流Id 故该管允许通过的实际的平均电流Id应小于100A 反之允许通过的平均电流Id可大于100A 考虑一定裕量 70 维持电流 晶闸管被触发导通后 在室温和门极开路条件下 晶闸管从较大通态电流到恰能 保持其导通的最小阳极电流 称维持电流IH 维持电流的大小与晶闸管结温有关 结温越高 维持电流越小 维持电流大的管子容易关断 同一型号的晶闸管 其维持电流也各不相同 71 擎住电流和浪涌电流 擎住电流IL 晶闸管加上触发电压后 从阻断状态刚转为导通状态时就去掉触发电压 在这种情况下要保持晶闸管导通所需要的最小阳极电流 称为擎住电流IL 对同一个晶闸管来说 通常其擎住电流要大于维持电流 浪涌电流ITSM 在规定条件下 工频正弦波半周期内所允许的最大过载峰值电流 72 晶闸管的主要参数Specificationsofthyristor 动态参数 断态电压临界上升率du dt CriticalRateofRiseofOff StateVoltage 通态电流临界上升率di dt CriticalRateofRiseofOn StateCurrent 73 通态电流临界上升率 规定条件下 由门极触发晶闸管使其导通时 晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率 晶闸管电流上升率太大 会造成局部过热而使晶闸管损坏 74 晶闸管关断时电压变化率超过此值 可能使晶闸管误导通 断态电压临界上升率 额定结温和门极开路条件下 使元件保持断态所能承受的最大电压上升率 一般用每微秒若干伏表示 75 晶闸管的派生器件Thefamilyofthyristors 快速晶闸管Fastswitchingthyristor FST双向晶闸管TriodeACswitch TRIACBi directionaltriodethyristor逆导晶闸管Reverse conductingthyristor RCT光控晶闸管Light triggered activited thyristor LTT 76 快速晶闸管 普通快速晶闸管 可应用于400Hz的斩波或逆变电路中 高频晶闸管 可应用于10kHz以上斩波或逆变电路中 管芯结构和制造工艺进行改进 快速晶闸管的开关时间及du dt和di dt的耐量都有明显改善 关断时间 普通晶闸管为数百微秒 快速晶闸管为数十微秒 高频晶闸管为10微秒左右 缺点 电压和电流定额都不易做高 由于工作频率较高 选择快速晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应 77 双向晶闸管 一对反并联的普通晶闸管的集成 两个主电极T1和T2 一个门极G 一 三象限有对称伏安特性 78 双向晶闸管 与一对反并联晶闸管相比经济 且控制电路简单 在交流调压 固态继电器 SolidStateRelay SSR 和交流电机调速等领域应用较多 用有效值来表示其额定电流值由于双向晶闸管通常在交流电路中 因此不用平均值 79 逆导晶闸管 a K G A 晶闸管反并联一二极管制作在同一管芯上 正向压降小 关断时间短 高温特性好 额定结温 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 80 光控晶闸管 A G K a AK 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 又称光触发晶闸管 利用一定波长的光照信号触发导通 保证主电路与控制电路之间绝缘 避免电磁干扰 用在高压大功率场合 81 流经晶闸管的电流波形如图所示 试计算该电流波形的平均值 有效值及波形系数 若取安全裕量为 问额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流平均值和最大值是多少 解 电流平均值 电流有效值 例题1 1 82 波形系数 100A的晶闸管允许通过的电流平均值 电流最大值 注 kf I Id1 57IT kfId 例题1 1 83 典型全控型器件Typicalfully controlleddevices 门极可关断晶闸管 Gato Turn offThyristor GTO 电力晶体管 GiantTransisitor GTR 电力场效应晶体管 PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor FET 绝缘栅极双极晶体管 Insulated gateBipolarTransistor IGBT 84 常用的典型全控型器件 电力MOSFET IGBT单管及模块 85 门极可关断晶闸管GTO 晶闸管的一种派生器件 可通过在门极施加负脉冲电流关断 电压 电流容量较大 与普通晶闸管接近 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用 86 门极可关断晶闸管GTO的结构 四层三端 阳极 阴极和门极三个电极 多元集成器件 由数百个共阳极的小GTO单元组成 为便于实现门极控制关断特殊设计 87 门极可关断晶闸管GTO的工作原理 1 2 1是器件临界导通的条件 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1 V2分别具有共基极电流增益 1和 2 当 器件临界导通 不能维持饱和导通关断 两个晶体管过饱和 器件导通普通晶闸管 两互补的等效晶体管处于深度饱和状态 88 门极可关断晶闸管GTO的特殊结构 特点 较大 NPN管控制灵敏 使GTO易关断结构设计时 使更接近于1 普通晶闸管一般为 GTO设计为 更接近于临界饱和 为门极关断提供有利条件 缺点 未进入深饱和 器件导通压降大 多元集成结构 阴极面积小 门 阴极间距离短 P2基区横向电阻小 从门极抽出较大电流成为可能 多元集成结构使GTO开通过程快 承受di dt能力强 89 门极可关断晶闸管GTO的动态特性 开通过程 与普通晶闸管相同 关断过程 与普通晶闸管有所不同 储存时间ts 使等效晶体管退出饱和下降时间tf尾部时间tt 残存载流子复合 图1 14GTO的开通和关断过程电流波形 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 ts越短 90 SpecificationsofGTO 最大可关断阳极电流IATO 电流关断增益 off off一般很小 5左右 这是GTO的一个主要缺点 GTO额定电流 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 91 SpecificationsofGTO 延迟时间与上升时间之和 延迟时间一般约1 2 s 上升时间随通态阳极电流的增大而增大 一般指储存时间和下降时间之和 不包括尾部时间 下降时间一般小于2 s 关断时间toff 开通时间ton 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 92 电力晶体管GTR GiantTransistor GTR 巨型晶体管 耐高压 大电流的双极结型晶体管 BipolarJunctionTransistor BJT 也称PowerBJT 20世纪80年代以来 在中 小功率范围内取代晶闸管 目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代 93 与普通的双极结型晶体管基本原理一样 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 StructuresofGTR 94 PhysicsofGTRoperation 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 GTR的电流放大系数 反映了基极电流对集电极电流控制能力 95 PhysicsofGTRoperation 考虑漏电流Iceo ic和ib的关系为ic ib Iceo单管GTR的 值比小功率晶体管小得多 为10左右 达林顿接法可增大电流增益 96 StaticcharacteristicsofGTR 共发射极接法输出特性 截止区 放大区和饱和区 工作在开关状态 开关过程中 要经过放大区 图1 16共发射极接法时GTR的输出特性 97 SwitchingcharacteristicsofGTR 开通过程延迟时间td和上升时间tr 二者之和为开通时间ton 加快开通过程的办法 增大基极驱动电流的幅值和di dt 上升时间主要是由于基区电荷储存需要时间造成的 增大基极驱动电流的幅值和di dt 可加快开通过程 98 SwitchingcharacteristicsofGTR 关断过程储存时间ts和下降时间tf 二者之和为关断时间toff 加快关断速度的办法 减小导通时饱和深度以减小储存载流子 或增大基极抽取负电流的幅值和负偏压 可缩短储存时间 加快关断速度 开关时间在几微秒以内 比晶闸管和GTO短 99 GTR的主要参数 除电流放大倍数 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 还有 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 使用时 最高工作电压要比BUceo低得多 100 GTR的主要参数 通常规定为直流电流放大系数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 取IcM的一半或稍多 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 集电极最大允许电流IcM 101 SecondbreakdownofGTR 一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时 Ic迅速增大 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 如不能有效地限制电流 Ic突然急剧上升 电压陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏 或者工作特性明显衰变 二次击穿对GTR有极大危害 102 Safeoperatingarea SOA ofGTR 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 103 电力场效应晶体管Powermetal oxide semiconductorfieldeffecttransistor PowerMOSFET 结型和绝缘栅型 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 104 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 适用于功率不超过10kW的电力电子装置 PowerMOSFET 105 StructuresofPowerMOSFET 电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道 耗尽型 栅极电压为零时漏源极间就存在导电沟道 增强型 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 106 StructuresofPowerMOSFET 单极型晶体管 导电机理与小功率MOS管相同 结构上有较大区别 多元集成结构 不同的生产厂家采用不同设计 图1 19电力MOSFET的结构和电气图形符号 107 StructuresofPowerMOSFET 小功率MOS管是横向导电器件 电力MOSFET采用垂直导电结构 又称VMOSFET VerticalMOSFET 按垂直导电结构不同 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MOS结构的VDMOSFET VerticalDouble diffusedMOSFET 108 PhysicsofPowerMOSFETOperation 截止状态 漏源极间加正电源 栅源极间电压为零 P基区与N漂移区的PN结J1反偏 无电流流过 109 PhysicsofPowerMOSFETOperation 导电状态 在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时 P型半导体反型成N型而成为反型层 J1消失 漏极和源极导电 110 StaticcharacteristicsofPowerMOSFET 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 111 StaticcharacteristicsofPowerMOSFET 截止区饱和区非饱和区工作在开关状态漏源极之间有寄生二极管 漏源极间加反向电压时导通通态电阻具有正温度系数 对器件并联时的均流有利 MOSFET的漏极伏安特性 即输出特性 112 SwitchingcharacteristicsofPowerMOSFET 开通过程开通延迟时间td on 上升时间tr开通时间ton 开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td off 下降时间tf关断时间toff 关断延迟时间和下降时间之和 113 PowerMOSFET的开关速度 和Cin充放电有关 可降低驱动电路内阻Rs 减小时间常数 加快开关速度 无少子储存效应 关断迅速 开关时间在10 100ns之间 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 仍需一定驱动功率 开关频率越高 所需要的驱动功率越大 114 powerMOSFET的主要参数 电力MOSFET电压定额 漏极电压UDSDrain sourcebreakdownvoltage 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额 栅源电压UGS UGS 20V将导致绝缘层击穿 除跨导Gfs 开启电压UT以及td on tr td off 和tf之外还有 极间电容 极间电容CGS CGD和CDS Continuousdraincurrent Peakpulseddraincurrent Inter terminalcapacitances 115 绝缘栅极双极性晶体管IGBT Insulated gatebipolartransistor IGBT CombinationofMOSFETandGTRGTR GTOlowconductionlosses especiallyatlargerblockingvoltages longerswitchingtimescurrent drivenMOSFETfasterswitchingspeedeasytodrive voltage driven largerconductionlosses especiallyforhigherblockingvoltages 116 FeaturesofIGBT On statelossesaremuchsmallerthanthoseofapowerMOSFET andarecomparablewiththoseofaGTREasytodrive similartopowerMOSFETFasterthanGTR butslowerthanpowerMOSFET ApplicationofIGBT Thedeviceofchoicein500 1700Vapplications atpowerlevelsofseveralkWtoseveralMW 117 StructureofIGBT 三端器件 栅极G 集电极C和发射极E 118 StructureofIGBT 沟道VDMOSFET与GTR组合 N沟道IGBTIGBT比VDMOSFET多一层P 注入区 具有很强的通流能力GTR与MOSFET组成达林顿结构 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 119 PrincipleofIGBT IGBT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 通态压降 电导调制效应使电阻RN减小 使通态压降减小 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 120 StaticcharacteristicsofIGBT 转移特性 集电极电流与栅射电压之间的关系 与功率场效应管的转移特性相似 开启电压 是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 随温度升高而略有下降 在 25 时 的值一般为2 6V 121 当 0时 IGBT反向阻断 电力电子电路中 IGBT工作在开关状态 StaticcharacteristicsofIGBT 输出特性 即伏安特性 以栅射电压为参变 集电极电流与集射电压间的关系 有正向阻断区 有源区和饱和区 122 SwitchingcharacteristicsofIGBT 图1 24IGBT的开关过程 开通过程与MOSFET的相似开通延迟时间td on 电流上升时间tr开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段 tfv1 IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程 tfv2 MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 123 关断延迟时间td off 电流下降时间关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段 tfi1 IGBT器件内部的MOSFET的关断过程 iC下降较快 tfi2 IGBT内部的PNP晶体管的关断过程 iC下降较慢 SwitchingcharacteristicsofIGBT 图1 24IGBT的开关过程 IGBT的关断过程 124 SpecificationofIGBT 正常工作温度下允许的最大功耗 最大集电极功耗PCMMaximumpowerdissipation 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 最大集电极电流collectorcurrent 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 最大集射极间电压UCESCollector emitterbreakdownvoltage 125 有一寄生NPN管 NPN管基极与射极间有体区短路电阻 P区横向空穴电流在该电阻上产生压降 相当于对J3结施加正偏压 一旦J3开通 栅极失去控制 电流失控 IGBT的擎住效应或自锁效应latch upinIGBT 126 IGBT的安全工作区 IGBT常与反并联快速二极管封装在一起 制成模块 成为逆导器件 最大集电极电流 最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE dt确定 反向偏置安全