第1章 电力电子器件

第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2电力二极管1.3晶闸管1.4绝缘栅双极晶体管1.5电力电子器件的新发展1.6电力电子器件的应用问题,1.1电力电子器件概述,1.1.1电力电子器件的主要特征1.1.2电力电子器件的分类,2/109,1.1.1电力电子器件的主要特征,电力电子器件一般工作于开关状态,导通（通态）时器件阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断（断态）时器件阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而器件两端的电压由外电路决定。工作特性接近于普通电力开关，因此常将电力电子器件称为电力电子开关。电路分析时用理想开关代替。,电力电子器件一般需要专门的驱动电路,性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作于最佳的开关状态。,3/109,1.1.1电力电子器件的主要特征,电力电子器件处理电功率的能力强,电力电子器件所能处理电功率的大小即其承受电压和电流的能力，额定电压和额定电流是其最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，一般都远大于处理信息的电子器件。,电力电子器件使用中一般要进行保护,半导体器件承受过电压、过电流的能力较弱。实际应用中，除选择电力电子器件时要留有足够的安全裕量外，还必须根据实际情况采取一定的过电压、过电流保护措施。,4/109,1.1.1电力电子器件的主要特征,电力电子器件一般需要安装散热器,图2-3-3晶闸管的散热器（a）自冷（b）风冷（c）水冷,5/109,1.1.1电力电子器件的主要特征,电力电子器件一般需要安装散热器,电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件，一般需要安装散热器。,电力电子器件的功率损耗：通态损耗功率损耗的主要成因断态损耗开关损耗开关频率较高时，可能成为器件功率损耗的主要因素。开通损耗关断损耗,6/109,1.1.2电力电子器件的分类,按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度,半控型器件晶闸管晶闸管派生器件全控型器件门极可关断晶闸管（GTO）电力晶体管（GTR）、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等等不可控器件整流二极管,7/109,1.1.2电力电子器件的分类,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况,单极型器件电力MOSFET静电感应晶体管（SIT）双极型器件电力二极管晶闸管GTOGTR静电感应晶闸管（SITH）等复合型器件IGBT,8/109,1.1.2电力电子器件的分类,按照驱动信号的性质,电流驱动型控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低，但容量较大。晶闸管GTOGTR电压驱动型驱动电路简单、控制功率小、工作频率高、性能稳定，是电力电子器件的重要发展方向电力MOSFETIGBT,9/109,1.2电力二极管,1.2.1电力二极管的结构及工作原理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,10/109,1.2.1电力二极管的结构及工作原理,电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同,图1-1电力二极管的外形、基本结构、电气图形符号(a)螺栓型(b)平板型(c)基本结构(d)电气图形符号,螺栓型，（200A以下）,平板型，（200A以上）,阳极,阴极,以半导体PN结为基础具有单向导通特性,11/109,1.2.1电力二极管的结构及工作原理,电力二极管区别于信息电子二极管的主要特征：,图1-2电力二极管内部结构断面示意图,承受高电压、大电流,电力二极管承受高电压、大电流的原因,电力二极管大都是垂直导电结构而非横向导电结构,在P区和N区之间多了一层低掺杂N区(用N-表示)，也称为漂移区,12/109,1.2.1电力二极管的结构及工作原理,电力二极管电导调制效应(ConductivityModulation),低掺杂N区电阻率高，对电力二极管的正向导通不利电导调制效应：,正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，阻值较高且为常量，管压降随正向电流的上升而增加;正向电流较大时，由P区注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也相应大幅增加，使其电阻率明显下降，即电导率大大增加。电导调制效应使电力二极管在正向电流较大时压降维持在1V左右。,13/109,1.2.2电力二极管的基本特性,静态特性,主要是指其伏安特性,图1-3电力二极管的伏安特性,14/109,UUTO(门槛电压)，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。U0，只有少子引起的微小而恒定的反向漏电流。PN结具有一定的反向耐压能力,反向电压过大时反向电流急剧增大,反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿电击穿热击穿。,1.2.2电力二极管的基本特性,动态特性,电力二极管的PN结也存在电容效应势垒电容PN结加反向电压时，空间电荷区的宽度随外加电压的大小而改变，即耗尽层的电荷量随外加电压而变。扩散电容,图1-4电力二极管PN结两侧少数载流子浓度分布情况,15/109,PN结加正向电压导通时，大量载流子流过PN结形成正向扩散(导通)电流，同时产生少数载流子的存储效应,1.2.2电力二极管的基本特性,动态特性,16/109,结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置、反向偏置三种状态之间转换时，必然经历过渡过程。,过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其电状态，其伏-安特性是随时间变化的电力二极管的动态特性，通常专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。掌握下述概念有助于理解动态特性,少数载流子存储效应电导调制效应,1.2.2电力二极管的基本特性,动态特性,开通过程,图1-5电力二极管开通过程的电压、电流,关断过程,图1-6电力二极管关断过程的电压、电流,17/109,1.2.3电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(av),电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,图1-7电力二极管关断过程的电压、电流,18/109,1.2.3电力二极管的主要参数,之所以对电流大小进行限制，是因为电流的热效应。电流所产生热量的大小由其有效值决定。设正向平均电流IF(av)对应的有效值为I，电力二极管流过的实际电流有效值为ID,二极管电流为非工频正弦半波电流时其额定电流的确定,I=(1.52)ID,工频正弦半波电流有效值和平均值的关系,I=（/2）Iav=1.57Iav,额定电流选择原则,IF(av)=(1.52)ID/1.57,(1-1),(1-4),(1-5),19/109,1.2.3电力二极管的主要参数,在指定温度下，电力二极管流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降,正向压降UF,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,用URRM标称电力二极管的额定电压UDN,反向重复峰值URRM,UDN=(23)URM,(1-6),URM：电力二极管在电路中可能承受的最高反向电压,20/109,1.2.3电力二极管的主要参数,在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度,通常在125175之间,最高工作结温TJM,从电力二极管的正向电流降到0开始，由少数载流子的存储效应产生反向电流，到反向电流及其变化率均降至接近于0的时间,反向恢复时间trr,电力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,浪涌电流IFSM,21/109,1.2.4电力二极管的主要类型,普通整流二极管多用于1kHz以下的整流电路中。反向恢复时间较长，一般为25s几百s额定电压、额定电流可达数kV、数kA。快恢复二极管适用于高频下的斩波和逆变电路中的整流或续流反向恢复时间很短，一般0。,晶闸管的关断条件:利用外加电压和外电路的作用，使阳极电流降到接近于零的某一数值以下。,晶闸管导通后，门极电压不起作用。门极电压只能控制晶闸管的导通,不能控制其关断。晶闸管称为半控型器件。,26/109,1.3.1晶闸管的结构和工作原理,晶闸管其它可能导通的情况,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;结温过高;光直接照射硅片，即光触发。上述情况只有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，其他都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,27/109,1.3.2晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性,图1-13晶闸管的伏安特性,28/109,1.3.2晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性,正向特性正向阻断状态IG=0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”,多次“硬开通”会使晶闸管损坏正向导通状态晶闸管由正向导通恢复关断，只有逐步减小阳极电流IA，至维持电流以下。反向特性阻断状态反向击穿（会造成晶闸管永久性损坏）。,图1-13晶闸管的伏安特性(IG2IG10),29/109,1.3.2晶闸管的基本特性,晶闸管的开关特性,开通过程td：延迟时间0.51.5s管子内部正反馈的建立需要时间tr：上升时间0.53stgt：开通时间tgt=td+tr约为6stgt与触发脉冲的大小、陡度、结温以及主回路中的电感量等因素有关。一般要求触发脉冲的宽度稍大于tgt,图1-14晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形,30/109,1.3.2晶闸管的基本特性,晶闸管的开关特性,关断过程外电路电感的存在trr：反向阻断恢复时间tgr：正向阻断恢复时间tq：关断时间tq=trr+tgr数百s,图1-14晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形,31/109,1.3.3晶闸管的主要参数,额定电压UVN,断态重复峰值电压UDRM门极开路及额定结温下,允许重复施加于晶闸管阳极和阴极之间的正向峰值电压反向重复峰值电压URRM门极开路及额定结温下,允许重复施加于晶闸管阳极和阴极之间的反向峰值电压相关标准规定:,图1-13晶闸管的伏安特性(IG2IG10),32/109,1.3.3晶闸管的主要参数,额定电压UVN,额定电压UVN:取晶闸管的UDRM和URRM中较小的一个标值,作为该器件的额定电压。考虑安全裕量,UVN=(23)UAKM,(1-8),UAKM：晶闸管在电路中可能承受的最大正向阳极电压、最大反向阳极电压中较大的一个,33/109,1.3.3晶闸管的主要参数,额定电流IV(av),晶闸管在环境温度为40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。流过晶闸管的电流非工频正弦半波电流时，考虑安全裕量：,IV(av)=(1.52)IT/1.57,(1-9),IT:晶闸管流过的实际电流有效值,34/109,1.3.3晶闸管的主要参数,额定电流IV(av),【例2-2】晶闸管流过如图1-15所示波形的电流，试确定晶闸管的额定电流。,35/109,图1-15例2-2电流波形,解：流过晶闸管电流的有效值为,按标准电流等级，取额定电流为70A。,=64.485.9A,1.3.3晶闸管的主要参数,维持电流IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般数十数百mA。结温越高，IH越小。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24IH。浪涌电流ITSM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。,36/109,1.3.3晶闸管的主要参数,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。断态电压临界上升率du/dt在额定结温和门极开路的条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率。通态电流临界上升率di/dt在规定条件下，用门极触发信号使晶闸管导通时，晶闸管能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率,37/109,1.3.3晶闸管的主要参数,38/109,1.3.4晶闸管的派生器件,快速晶闸管,双向晶闸管可认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成,图1-16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,39/109,1.3.4晶闸管的派生器件,逆导晶闸管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。无承受反向电压的能力。与普通晶闸管相比，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,可用于不需要阻断反向电压的电路中,图1-17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,40/109,1.3.4晶闸管的派生器件,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。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,图1-18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,41/109,1.4绝缘栅双极晶体管,1.4.1绝缘栅双极晶体管的结构及工作原理1.4.2绝缘栅双极型晶体管的静态特性和动态特性1.4.3绝缘栅双极型晶体管的主要参数1.4.4绝缘栅双极型晶体管的模块结构1.4.5绝缘栅双极型晶体管设计、使用和保管中的注意事项1.4.6其他全控型电力电子器件,42/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,IGBT，Insulated-GateBipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管IGBT是由GTR(GiantTransistor，电力晶体管)和PowerMOSFET(电力场效应晶体管)取长补短适当结合而成的复合器件GTR,20世纪80年代是GTR发展和应用的全盛期，尤其是电压等级AC200400V、功率等级数kW数百kW的各类逆变电源、变频调速器、UPS等主要选用GTR。随着IGBT的兴起，目前GTR作为大功率开关器件的地位已逐步被IGBT所取代。,43/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,GTR,GTR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单元并联而成。单管的GTR结构与普通的双极结型晶体管类似。多采用NPN结构，共发射极接法。,图1-19GTR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,44/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,GTR,GTR的二次击穿现象GTR的C-E极间最高电压UCEO又称为一次击穿电压发生一次击穿时集电极电流迅速增加，这种击穿一般是雪崩击穿。如果有外接电阻限制电流的增长，一般不会引起GTR特性变坏。,发生一次击穿后，若集电极电流没有得到外接电阻的限制而继续增加，在电流增大到某个临界点时，集电极电压突然降低，产生工作点向低阻抗区高速移动的负阻现象。这种现象称为GTR的二次击穿。,图120GTR的二次击穿特性,45/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,GTR,GTR的安全工作区最高C-E极电压UCEM、最大集电极电流ICM、最大集电极耗散功率PCM、二次击穿临界线，规定了GTR的安全工作区(SafeOperatingArea，SOA),图121GTR的安全工作区,46/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,PowerMOSFETPowerMOSFET的结构和特点PowerMOSFET中，主要是N沟道增强型。其结构大都采用垂直导电结构，以提高器件的耐压和耐电流能力。为多元集成结构，一个器件由许多个小MOSFET元组成。,图122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,47/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,PowerMOSFETPowerMOSFET的结构和特点导通时只有多子参与导电，属单极型晶体管。无少数载流子导电所需的存储时间，因此具有较高的开关速度，工作频率可达100kHz以上(是目前电力电子器件中开关速度最高的)。一般不存在二次击穿问题,48/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,PowerMOSFET转移特性和输出特性转移特性：漏极直流电流ID和栅源间电压UGS的关系。它反映了输入电压和输出电流的关系输出特性：漏极伏安特性,图123电力MOSFET转移特性和输出特性(a)转移特性(b)输出特性,49/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,PowerMOSFET开关特性电力MOSFET内寄生着两种类型的电容:与MOS结构有关的MOS电容，如CGS、CGD;与PN结有关的电容，如CDS。极间电容的充放电影响了PowerMOSFET的开通、关断,图124电力MOSFET的极间电容等效电路,图125电力MOSFET开关过程的电压波形,50/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,IGBT的结构和工作原理GTR：双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。PowerMOSFET：单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单。IGBT：PowerMOSFET和GTR相互取长补短适当结合而成的复合型器件。,51/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,IGBT的结构和工作原理,图126IGBT的基本结构、简化等效电路和电气图形符号（a）基本结构（b）简化等效电路（c）电气图形符号,集电极,发射极,门(栅)极,IGBT比PowerMOSFET多一层P+注入区，形成大面积PN结J1，使IGBT导通时由于J1结的电导调制作用，具有很强的通流能力。,52/109,1.4.1IGBT的结构及工作原理,IGBT的结构和工作原理IGBT的驱动原理与PowerMOSFET基本相同，是一种场控器件，其开通和关断由门射极电压UGE决定UGEUT(开启电压)时，PowerMOSFET内部形成沟道，并为晶体管提供基极电流，使IGBT导通。由于PN结J1的电导调制效应，使IGBT的通态压降比PowerMOSFET更小UGE为负或不加信号时，PowerMOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。UGE为负时，J1结处于反向偏置，类似于反偏二极管，器件呈反向阻断状态。说明IGBT具有反向阻断能力。,53/109,1.4.2IGBT的静态特性和动态特性,IGBT的静态特性转移特性：描述IC与UGE间的关系，与PowerMOSFET的转移特性类似。输出特性(也称伏安特性)：描述以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。与GTR的输出特性相似。,图127IGBT的转移特性和输出特性（a）转移特性（b）输出特性,54/109,1.4.2IGBT的静态特性和动态特性,IGBT的静态特性开启电压UGE(th)：IGBT能实现电导调制而导通的最低UGE。UGE(th)随温度升高而略有下降，温度每升高1C，其值下降5mV左右。+25C时，UGE(th)一般为26V。IGBT输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区、饱和区，uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。,图127IGBT的转移特性和输出特性（a）转移特性（b）输出特性,电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，在正向阻断区和饱和区之间来回转换。,55/109,1.4.2IGBT的静态特性和动态特性,IGBT的动态特性IGBT开通运行时，其电流、电压波形与PowerMOSFET开通时波形相似。IGBT关断运行时，关断延迟时间td(off)由IGBT中MOSFET决定，tfi1由该MOSFET的关断过程决定，较快；tfi2由器件内的PNP型晶体管中存储电荷决定，较长。,图128IGBT的开关过程,56/109,1.4.2IGBT的静态特性和动态特性,IGBT的动态特性IGBT中双极型PNP晶体管带来了电导调制效应的好处，引入了少子储存现象，使IGBT的开关速度ICM，产生静态擎住效应。IGBT关断时，由于tfi1阶段总电流下降很快而产生动态擎住效应。温度过高。避免发生擎住效应的措施限制IC不超过ICM。加大门极电阻RG延长IGBT的关断时间。IGBT的安全工作区：最大集电极电流、最大集射极间电压、最大集电极功耗确定了IGBT在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区(ForwardBiasedSafeOperatingArea，FBSOA)。,63/109,1.4.4IGBT的模块结构,图13部分IGBT模块内部结构图（a）（e）为一单元封装模块（f）（g）为两单元封装模块（h）四单元封装模块（i）六单元封装模块（j）带单相整流桥的六单元封装模块（k）同时带有温度传感器、直流侧电流传感器及独立三相整流桥的六单元封装模块,64/109,部分IGBT模块内部结构图,1.4.5IGBT设计、使用和保管中的注意事项,IGBT门极电路设计中的注意事项正向驱动电压UGE，一般应在1218V之间，应用中推荐UGE15V，允许波动率小于10%。负驱动电压-UGE，应不小于5V，以有效避免管子的误导通。门极电阻RG管子导通时，RG可减小集电极电流上升率dic/dt，防止门极电流振荡；管子关断时，RG可减小集电极电压上升率du/dt，避免动态擎住效应的发生。RG会增大IGBT的开通、关断时间，增加IGBT开关损耗。应根据IGBT的电压、电流定额，选择合适的RG。,65/109,1.4.5IGBT设计、使用和保管中的注意事项,IGBT门极电路设计中的注意事项门极电阻RG,表1-4门极电阻RG的推荐值,图133IGBT的门极稳压保护,门-射极间加一对反向串联的稳压二极管，钳制UGE的突然上升，防止门极绝缘层被击穿。驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。可采用光耦合隔离或磁隔离。,66/109,1.4.5IGBT设计、使用和保管中的注意事项,IGBT门极电路设计中的注意事项驱动电路与IGBT之间的引线应为采用双绞合线或同轴电缆屏蔽线，并应尽量短，以减少寄生电感。不同IGBT门极驱动线不应捆扎在一起。门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力。,67/109,1.4.5IGBT设计、使用和保管中的注意事项,IGBT使用中的注意事项IGBT的栅极通过一层很薄的氧化膜与发射极实现电隔离。该氧化膜的击穿电压为2030V。静电导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。IGBT使用注意事项尽量不用手触摸驱动端子部分，必须触摸时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸。在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前先不要接上模块。尽量在底板良好接地的情况下操作。在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。,68/109,1.4.5IGBT设计、使用和保管中的注意事项,IGBT保管中的注意事项一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为535，常湿的规定在4575%左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿。尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合。IGBT模块应放在温度变化较小的地方。不要在IGBT模块上堆放重物。装IGBT模块的容器，应不带静电。,69/109,1.4.6其它全控型电力电子器件,GTOGTO是一种重要的全控型器件。是晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。商品化的GTO可以做到耐压6kV，电流6kA的水平，目前在特大功率的场合仍发挥重要作用。内部结构与晶闸管相同，都是PNPN四层三端结构。和普通晶闸管不同的是：GTO是一种多元功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元胞，这些GTO元胞的阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件的功率可以达到相当大的数值。,70/109,1.4.6其它全控型电力电子器件,GTO,图134GTO的内部结构和电气图形符号（a）各单元阴极、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,需要指出的是，不少GTO都制成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。,71/109,1.5电力电子器件的新发展,1.5.1功率晶闸管的新发展1.5.2新型大功率IGBT模块电子注入增强栅晶体管（InjectionEnhancedGateTransistor，IEGT）1.5.3MOS控制晶闸管（MOSControlledThyristor，MCT）1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件1.5.5功率集成电路与集成电力电子模块,72/109,1.5.1功率晶闸管的新发展,超大功率晶闸管日本能稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管(LightTriggeredThyristor，LTT)。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管(ElectricTriggeredThyristor，ETT)。2010年投运的向家坝-上海800kV、6400MW特高压直流输电工程的复龙站换流阀，应用了8500V/4500A的6英吋晶闸管。,73/109,1.5.1功率晶闸管的新发展,理想电力电子器件应具有理想的静态和动态特性：阻断状态时能承受高电压；导通状态时，具有高的电流密度和低的导通压降；开关状态转换时，具有短的开、关时间;能承受高的di/dt和du/dt;具有全控功能。脉冲功率闭合开关晶闸管(PulsePowerClosingSwitchThyristor，PPCST）特别适用于传送极强的峰值功率(数MW)、极短的持续时间(数百ns)的放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。能在数kV的高压下快速开通，不需要放电电极;具有很长的使用寿命，体积小、价格较低;可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。,74/109,1.5.1功率晶闸管的新发展,新型GTO器件集成门极换流晶闸管（IntegratedGateCommutatedThyristor，IGCT）高功率的IGBT模块和新型GTO派生器件IGCT，是两种常规的GTO替代品。IGCT是20世纪90年代后期出现的新型大功率器件。IGCT的容量与普通GTO相当，但开关速度比普通GTO快10倍。可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路。所需的驱动功率仍然很大。,75/109,1.5.2新型大功率IGBT模块电子注入增强栅晶体管(InjectionEnhancedGateTransistor，IEGT),IEGTIEGT是日本东芝公司近年来开发出的一种IGBT派生器件。综合了IGBT的电压驱动、控制功率小、安全工作区宽、开关损耗小及GTO的输出功率大、低通态压降、载流子密度高等优点。摒弃了IGBT的高饱和压降、发射极载流子密度低及GTO的安全工作区窄、电流驱动功率大、开关损耗大等缺点。额定容量已达到3kA/4.5kV。栅极驱动功率比GTO小两个数量级，吸收回路的功耗为GTO的1/10以下。,76/109,1.5.3MOS控制晶闸管（MOSControlledThyristor，MCT）,MCTMCT是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。MCT特点承受高电压、大电流、高载流密度、低通态压降。其通态压降只有GTR的1/3左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的。可承受极高的du/dt、di/dt，使得其保护电路可以简化。MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也小。MCT关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。,77/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,硅从整流二极管到晶闸管，再到IGBT，都是硅制造的器件。晶闸管问世后的40多年里，人们对电力电子器件的研究集中在对器件原理和结构的改进和创新，在材料的使用上则始终没有突破硅的范围。随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件的性能逐步趋近其理论极限，而电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要求，尤其是希望器件的功率和频率能得到更高程度的兼顾。越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半导体材料制造。研究结果表明，就电力电子器件而言，比较理想的材料应当是宽禁带半导体材料！,78/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,宽禁带半导体材料禁带宽度在3.0eV及以上的半导体材料称为宽禁带半导体材料。硅的禁带宽度为1.12eV。典型的宽禁带半导体材料：碳化硅（SiC）氮化镓（GaN）金刚石,79/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,碳化硅是一种性能优越的材料性能指标较氮化镓还要高一个数量级，与其他材料比较，它具有高禁带宽度高饱和电子漂移速度高击穿强度低介电常数高热导率等特征使用碳化硅制造的电力电子器件，有可能将半导体器件的极限工作温度提高到600以上，至少可以在硅器件难以承受的高温下长时间稳定工作。额定阻断电压相同的前提下，碳化硅器件通态电阻很低，工作频率也比硅器件高10倍以上。碳化硅器件在高温、高频、高功率容量的应用场合是极为理想的电力电子器件。,80/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）本世纪初，美国Cree公司、德国Infineon公司率先推出耐压600V、电流分别为12A和10A以下的系列产品。最近，普渡大学制造出了阻断电压高达4.9kV的4H-SiCSBD，这是目前碳化硅SBD的最高水平。市面上的SBD最高耐压可达1200V，最大电流可达20A。碳化硅SBD器件具有预期的优点:反向漏电流极小几乎没有反向恢复时间高温性能异常优越一些大公司在其IGBT变频或逆变装置中采用碳化硅SBD代硅SBD。,81/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,碳化硅场效应器件碳化硅场效应器件的开发优势在于能够兼顾阻断电压和通态电阻，而且结构与硅场效应器件没有太大区别，因而可以充分利用硅MOS的成熟技术。1994年首次报道的碳化硅场效应器件，耐压只有260V，2004年其耐压已经达到了硅器件无法达到的10kV水平，2012年8月召开的第44届国际大电网会议上，日本专家介绍了利用SiC电力电子器件研制的100kVA的配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）。在无滤波器情况下利用器件的高速开断能力得到了理想的电压波形。,82/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,碳化硅IGBT1999年才首见报道，阻断电压只有790V的P沟道4H-SiCIGBT，且其通态压降很高,在电流密度为75A/cm2时就高达15V，这说明碳化硅IGBT在阻断电压不高的情况下，相对于硅场效应器件没有什么优势,其优越性只在10kV以上的高压领域。近年来，碳化硅高压IGBT的研发工作已有较大进展，目前遇到的主要困难在于：P沟道IGBT的源极接触电阻偏高，而N沟道IGBT又需要用P型碳化硅材料做衬底。碳化硅IGBT研发工作的实质性进展，还有待于材料和工艺技术的进一步发展。,83/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,84/109,碳化硅双极型器件碳化硅可以制造阻断电压很高的双极型器件，如高压二极管、晶闸管等。2000年5月，美国Cree公司与日本关西电力公司(KEPCO)联合研制成功世界上第一只耐压超过10kV的碳化硅PN结二极管，其反向阻断电压为12.3kV，正向压降在电流密度为100A/cm2时只有4.9V。2001年，碳化硅二极管的阻断电压可达到20kV水平，相应的反向漏电流密度为2.7mA/cm2，正向压降在电流密度为100A/cm2时只有6.5V。2002年Sugawara等人研制成功了100A/5200V大功率碳化硅PN结二极管,在300和100A正向电流下的压降为4.2V。利用碳化硅材料研制的晶闸管、GTO、GCT等器件近年来均有相关报道，但这些器件离实际工业应用还有一段距离。,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,碳化硅双极型器件硅晶闸管和碳化硅晶闸管性能比较。,表1-5硅晶闸管和碳化硅晶闸管的主要参数比较,碳化硅晶闸管的耐压比硅晶闸管的耐压高得多，对于耐压200kV的单阀，需要硅晶闸管的串联数为67个，而碳化硅晶闸管的串联数仅为12个。碳化硅晶闸管的额定结温比硅晶闸管的额定结温高得多，可以极大地提高换流阀的电流容量，并极大地降低对冷却设备的要求。,85/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,碳化硅双极型器件硅晶闸管和碳化硅晶闸管性能比较。,表1-7碳化硅晶闸管和硅晶闸管开通损耗比较,表1-6碳化硅晶闸管和硅晶闸管通态损耗比较,86/109,87/109,1.5.4采用新型半导体材料制造的新型电力电子器件,碳化硅双极型器件硅晶闸管和碳化硅晶闸管性能比较。,表1-8碳化硅晶闸管和硅晶闸管关断损耗比较,碳化硅晶闸管的损耗要比硅晶闸管的损耗低得多。采用碳化硅等新型材料制造电力电子器件，预示在不远的将来会诞生集高耐压、大电流、高工作频率、无吸收电路、简单门极驱动、低损耗等优点于一身的新型器件，实现人们对“理想器件”的追求。,1.5.5功率集成电路与集成电力电子模块,功率集成器件（PID）就器件内部结构而言，功率MOSFET、IGBT和IGCT都是PID，如一只IGBT是由105个单胞集成而来的。就PID的外部结构而言，早期却都是分立式的，实用时必须为每一个器件安置独立的散热器，功率模块（PM）多个PID按电路拓扑安置在一起以构成功率模块(PM)，PM的外壳是导热的绝缘体，因而可共用一个散热器，这就明显提高了电路的功率密度。智能模块（IPM）模块内部除主电路功率器件之外吗，还包含相应的各种接口电路、保护电路（含过电流、过电压、欠电压和过热保护等保护）和驱动电路。,88/109,1.5.5功率集成电路与集成电力电子模块,功率集成电路（PIC）将控制电路也包含在IPM内便称为PIC同一芯片上高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的有效处理，是功率集成电路的主要技术难点，短期内难以有较大的突破。电力电子电路的封装集成小功率情况下，将不同器件和电路通过专门设计的引线或导体连接起来并封装在一起，称为电力电子电路的封装集成。封装集成为处理高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热问题提供了有效思路。目前最新的智能功率模块产品已大量用于电机驱动、汽车电子乃至高速子弹列车牵引这样的大功率场合。,89/109,90/109,1.6电力电子器件的应用问题,1.6.1电力电子器件的驱动1.6.2电力电子器件的保护1.6.3电力电子器件的散热1.6.4电力电子器件的串并联,91/109,1.6.1电力电子器件的驱动,驱动电路的功能将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光隔离或磁隔离。对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。,92/109,1.6.1电力电子器件的驱动,晶闸管触发电路晶闸管是半控型电流驱动器件，其驱动电路称触发电路。理想的晶闸管触发脉冲电流波形,图137理想晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉冲宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,93/109,1.6.1电力电子器件的驱动,晶闸管触发电路,图138带隔离变压器的SCR驱动电路,图139光耦隔离的SCR驱动电路,晶闸管的产品型号很多，其触发电路的种类也多，各种专用触发集成电路获得了广泛的应用。,94/109,1.6.1电力电子器件的驱动,PowerMOSFET和IGBT驱动电路PowerMOSFET和IGBT是电压驱动型器件使PowerMOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取1015V，使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取1520V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。,95/109,1.6.1电力电子器件的驱动,PowerMOSFET和IGBT驱动电路PowerMOSFET的一种驱动电路,图140电力MOSFET的一种驱动电路,无输入信号时高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压。有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电平。,96/109,1.6.1电力电子器件的驱动,PowerMOSFET和IGBT驱动电路专为驱动PowerMOSFET的集成驱动电路芯片或混合集成电路很多，三菱公司的M57918L就是其中之一，其输出驱动电压+15V和-10V。IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，例如三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)、富