第2章 电力电子器件的基本特性

1、教案编写教案编写 第第2 2章章 电力半导体器件的基本特性电力半导体器件的基本特性 2.1 2.1 电力半导体器件的种类及应用电力半导体器件的种类及应用 2.2 2.2 半导体整流管半导体整流管 2.3 2.3 晶闸管和可关断晶闸管晶闸管和可关断晶闸管 2.4 2.4 功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管 2.5 2.5 电力半导体器件的功率损耗和冷却电力半导体器件的功率损耗和冷却 电力电子器件的基本模型和分类 电力电子器件指标和特性 应用电力电子器件系统的组成 电力电子器件的驱动和保护类型及原理 2.1 2.1 电力半导体器件的种类及应用电力半导体器件的种类及应用

2、 电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基 础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制 与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的 半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。 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，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器 件。 不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根 据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管（Power Diode）； 半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关 断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管 （Thyri

3、stor）及其大部分派生器件等； 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 的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（Gate- Turn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET） 和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类： 二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为 两种：两种： 电流控制型器件： 此类器件采用电流信 号来实现导通或关断控 制。 如：晶闸管、门极可关 断晶闸管、功率晶体管、 IGCT等

4、； 电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控 制（场控原理控制）它 的通、断，输入控制端 基本上不流过控制电流 信号，用小功率信号就 可驱动它工作。 如：MOSFET管和IGBT管。 2.1.2 2.1.2 电力电子器件的种类电力电子器件的种类 q附表附表2.1:2.1:主要电力半导体器件的特性及其应用领域主要电力半导体器件的特性及其应用领域 器件种类器件种类 开关开关 功能功能 器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域 电力电力 二极管二极管 不可不可 控控 5kV/3kA400Hz5kV/3kA400Hz 各种整流装置各种整流装置 晶闸管晶闸管 可控可控 导通导通 6kV/6kA400Hz

5、6kV/6kA400Hz 8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光 控控SCRSCR 炼钢厂、轧钢机、直流输电、炼钢厂、轧钢机、直流输电、 电解用整流器电解用整流器 可关断可关断 晶闸管晶闸管 自关自关 断型断型 6kV/6kA 500Hz 工业逆变器、电力机车用逆变工业逆变器、电力机车用逆变 器、无功补偿器器、无功补偿器 MOSFET 600V/70A 100kHz 开关电源、小功率开关电源、小功率UPSUPS、小功、小功 率逆变器率逆变器 IGBT 1200V1200V/1200A 20kHz 4.5kV/1.2kA 2kHz 各种整流各种整流/ /逆变器（逆变器（UPSUPS、变频、变频

6、 器、家电）、电力机车用逆变器、家电）、电力机车用逆变 器、中压变频器器、中压变频器 2.2 2.2 半导体整流管半导体整流管 2.2.1 PN2.2.1 PN结型整流管结型整流管 2.2.2 2.2.2 其它类型的整流管其它类型的整流管 2.2 2.2 半导体整流管半导体整流管 2.2.1 PN2.2.1 PN结型整流管结型整流管 Power Diode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。 整流二极管及模块 PN结的状态 2.2.2 2.2.2 其它类型的整流管其

7、它类型的整流管 除了PN结型的整流管外，还有肖特基整流管、快恢复二 极管和同步整流管等。 肖特基整流管：肖特基整流管：导通压降的典型值为0.40.6V（而PN结 型整流管的通态压降典型值为1V左右），而且它的反向恢复 时间为几十纳秒。它常被用于高频低压开关电路或高频低压 整流电路中。 快恢复二极管：快恢复二极管：它的容量可达1200V/200A的水平，反向 恢复时间为10纳秒数量级，常应用于三相380V高频PWM整流/ 逆变电路中，作为电力半导体器件缓冲吸收回路中的快恢复 二极管。 同步整流管：同步整流管：利用VDMOS管的栅极驱动信号与电源电压同 步而构成的具有低导通电阻、低反向恢复时间等优

8、良特性的 一种整流器件，已经成功用于48VDC以下电压等级的开关电 源的输出整流部分，用来提高高频整流电路的效率，估计可 提高效率7%。 2.3 2.3 晶闸管和可关断晶闸管晶闸管和可关断晶闸管 2.3.1 2.3.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR） 2.3.2 2.3.2 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO） 2.3.1 2.3.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR） 晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快 速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管 (RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在

9、 无特别说明的情况下，本书所说的晶闸管都为普通晶 闸管。 普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性 (目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整 流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功 率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。 1、晶闸管及其工作原理 （1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流 螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A 以上), 分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。 （2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A,

10、 阴极K和 门极(或称栅极)G, 它的电气符号如图2.3.1(e)所示。 l图2.3.1 晶闸管的外型及符号 常用大功率晶闸管实物外形 螺栓型晶闸管晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 晶闸管的内部结构和等效电路 导通条件： 在在A-KA-K两端施加正向电压；两端施加正向电压； 同时在门极和阴极之间也施加正向触发（电压）信号时，门同时在门极和阴极之间也施加正向触发（电压）信号时，门 极有电流极有电流IGIG流通。流通。 这时，即使去掉触发信号，这时晶闸管仍然能够自动维持导这时，即使去掉触发信号，这时晶闸管仍然能够自动维持导 通。通。 要使晶闸管由关断状态转变成导

11、通状态，还有三种要使晶闸管由关断状态转变成导通状态，还有三种 情况均无须门极触发信号，属于非正常导通：情况均无须门极触发信号，属于非正常导通： 正向转折导通：正向转折导通：提高提高UAKUAK正向电压，阳极电流正向电压，阳极电流IAIA增增 加，直至晶闸管转入通态；加，直至晶闸管转入通态； 温度导通：温度导通：当温度增加时，流过当温度增加时，流过PNPN结（结（J2J2）的反偏）的反偏 漏电流随着增加，直至晶闸管转入导通；漏电流随着增加，直至晶闸管转入导通； du/dt du/dt导通：导通：各各PNPN结都存在着电容。在结都存在着电容。在A-KA-K两端加正两端加正 向变化的电压时，各向变化

12、的电压时，各PNPN结将流过充电电流，其作用也结将流过充电电流，其作用也 相当于阳极电流相当于阳极电流IAIA增加，直至晶闸管导通。增加，直至晶闸管导通。 阻断条件：当晶闸管A 、K间承受正向电压，而门极电流 Ig=0时, 上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管 A 、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。 2. 2. 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 图2-4 晶闸管的伏安特性 晶闸管导通时的A-K间 的电压（导通压降） 是非常小的，其典型 的平均压降为12V， 因此，晶闸管导通后 相当于“低阻态”。 晶闸管门极特性偏差 很大，即使同一额定 值的晶闸管之间其特 性也有所不同，

13、所以 在设计门极触发电路 时，必须考虑这种偏 差。 3. 3. 晶闸管的开关过程晶闸管的开关过程 （b）阳极电压(UA) 和阳极电流(IA)（a）门极电流(IG) 图2-5 晶闸管的开关过程波形 从图2-5中可知，晶闸管的开通时间为晶闸管的开通时间为 rdon ttt（td为延迟时间；tr为上升时间） 晶闸管的关断时间为晶闸管的关断时间为 复合 ttt rroff 在晶闸管关断的时间内，必须严格控制重加du/dt，避免晶闸管再次返 回导通状态，引起关断失败。 v1)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。 v2) 小功率光控晶闸管只有阳极和 阴极两个端子。 v3）大功率

14、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。 v4）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。 图图2.3.8 2.3.8 控晶闸管的电气图控晶闸管的电气图 形符号和伏安特性形符号和伏安特性 a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性 光控晶闸管光控晶闸管(LTT)(LTT) 4 4、晶闸管的派生器件、晶闸管的派生器件 可允许开关频率在可允许开关频率在400H400HZ Z以上工作的晶闸管称为以上工作的晶闸管称为快速晶快速晶 闸

15、管闸管(Fast Switching Thyrister(Fast Switching Thyrister，简称，简称FST)FST)，开关频开关频 率在率在10KHZ 10KHZ 以上的称为以上的称为高频晶闸管。高频晶闸管。 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普 通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低， 一般在一般在2000V2000V以下。以下。 快速晶闸管快速晶闸管du/dtdu/dt的耐量较差，使用时必须注意产品铭的耐量较差，使用时必须注意产品铭 牌上规定的额定开关频率下的牌

16、上规定的额定开关频率下的du/dtdu/dt，当开关频率升高，当开关频率升高 时，时，du/dt du/dt 耐量会下降。耐量会下降。 快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching ThyristerFST(Fast Switching ThyristerFST 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（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

17、有效值来表 示其额定电流值。 a)b) I O U IG=0 G T1 T2 图图2.3.6 2.3.6 双向晶闸管的电气图双向晶闸管的电气图 形符号和伏安特性形符号和伏安特性 a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性 双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC) 1)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。 2)与普通晶闸管相比，逆导晶 闸管具有正压降小、关断时间短、 高温特性好、额定结温高等优点； 3)根据逆导晶闸管的伏安特性 可知，它的反向击穿电压很低；因 此只能适用于反向不需承受电压的 场合； 4)逆导晶闸管存在着晶闸管区 和整流管区之间

18、的隔离区； 5)逆导晶闸管的额定电流分别 以晶闸管和整流管的额定电流表示； b)a) UO I K G A IG=0 图图2.3.7 2.3.7 逆导晶闸管的电气逆导晶闸管的电气 图形符号和伏安特性图形符号和伏安特性 a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安伏安 特性特性 逆导晶闸管逆导晶闸管 (RCT)(RCT) 2.3.2 2.3.2 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO） 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。 同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下 导通，在负脉冲电流

19、触发下关断。 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。 图图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号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并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号 1 1、GTOGTO的基本原理的基本原理 1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后， 门极信号是可以撤除的, 但在

20、制作时采用特殊的工艺 使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样 处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临 界饱和状态使其关断。 2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从 门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)， 强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 导通过程与SCR一样，只是 导通时饱和程度较浅。需 经过延迟时间td和上升时间 tr。 lGTOGTO的关断特性的关断特性 1 1）开通过程：）开通过程： 2 2、GTOGTO的开关特性的开关特性 2 2）关断过程：）关断过程： 采用很大的负门极电流迅速地采用很大的负门极电流迅速地 减小阳极电流，并过一段时间减小阳极电流

21、，并过一段时间 后此微小（阳极）电流降为零，后此微小（阳极）电流降为零， 这时这时GTOGTO才真正关断。才真正关断。 GTO在应用中要注意以下方面的问题： 明确门极开通和关断波形； 驱动电路的电源选择； 缓冲吸收回路的合理设计； 阳极电路限流电抗器的合理设计。 2.4 2.4 功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管 2.4.1 2.4.1 功率场效应管（功率场效应管（MOSFETMOSFET） 2.4.2 2.4.2 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT） 2.4.1 2.4.1 功率场效应管（功率场效应管（MOSFETMOSFET） 1. 1.

22、 功率功率MOSFETMOSFET的基本结构的基本结构 功率MOSFET的基本结构 2. 2. 功率功率MOSFETMOSFET的静态输出特性的静态输出特性 当栅极电压UGS10V），典型 值为15VDC开通，8VDC 关断。 3. 3. 功率功率MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 由于功率MOSFET没有载流子累积现象，所以本质上 开关速度快，仅受各电极之间的寄生电容充放电速度的 影响，其开关时间与寄生电容的充放电时间相当。 功率功率MOSFETMOSFET的工作频率可达的工作频率可达100kHz100kHz1000kHz1000kHz范围。范围。 栅极驱动电路 电阻Ron和Rof

23、f，用于 调整器件的充放电时间， 从而可以分别控制功率 MOSFET的开通与关断时间。 4 4、安全工作区、安全工作区 正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区(FBSOA)(FBSOA)： 导通时间越短，最大功耗耐量越高。导通时间越短，最大功耗耐量越高。 开关安全工作区开关安全工作区(SSOA)(SSOA) 曲线的应用条件是：结温曲线的应用条件是：结温TJTJ150150，tonton 与与tofftoff均小于均小于1s1s。 换向安全工作区换向安全工作区 (CSOA)(CSOA) 5. 5. 功率功率MOSFETMOSFET的特点的特点 工作频率高，开关速度仅受寄生电容充放电的影响；工作频率

24、高，开关速度仅受寄生电容充放电的影响； 开关损耗小；开关损耗小； 易于直接并联；易于直接并联； 安全工作区宽；安全工作区宽； 栅极输入阻抗高，且呈容性；栅极输入阻抗高，且呈容性； 输出容量较低，导通饱和压降相对较高；输出容量较低，导通饱和压降相对较高； 导通电阻导通电阻R Ronon正比于正比于UBRUBR的的2.52.5次方，因而制约了功次方，因而制约了功 率率MOSFETMOSFET耐压不能做得太高。耐压不能做得太高。 2.4.2 2.4.2 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT） lIGBTIGBT：绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管( (Insulated Gat

25、e Bipolar Insulated Gate Bipolar TransistorTransistor) ) 。 l兼具功率兼具功率MOSFETMOSFET高速高速开关特性和开关特性和GTRGTR的的低导通压降低导通压降特性两者特性两者 优点的一种复合器件。优点的一种复合器件。 lIGBTIGBT于于19821982年开始研制，年开始研制，19861986年投产，是发展最快而且很年投产，是发展最快而且很 有前途的一种混合型器件。有前途的一种混合型器件。 l目前目前IGBTIGBT产品已系列化，最大电流容量达产品已系列化，最大电流容量达1800A1800A，最高电压，最高电压 等级达等级达4

26、500V4500V，工作频率达，工作频率达50kHZ50kHZ。 l在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损 耗的中小功率领域，耗的中小功率领域，IGBTIGBT取代了取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市场。的市场。 IGBTIGBT基本上是功率基本上是功率MOSFETMOSFET的漏极端追加的漏极端追加P P型半导体层的结型半导体层的结 构，等效成构，等效成PNPPNP型双极性晶体管和功率型双极性晶体管和功率MOSFETMOSFET的复合电路。的复合电路。 在在IGBTIGBT的栅极上施加正电压时，在栅极电

27、极下的栅极上施加正电压时，在栅极电极下N N沟道形成沟道形成 导通的形式。这一点是与功率导通的形式。这一点是与功率MOSFETMOSFET的最大区别，也是的最大区别，也是 IGBTIGBT可以大电流化的原因。可以大电流化的原因。 1. IGBT1. IGBT的基本结构的基本结构 IGBTIGBT的外形的外形 IGBTIGBT也属场控器件，其驱动原也属场控器件，其驱动原 理与电力理与电力MOSFETMOSFET基本相同，是一基本相同，是一 种由栅极电压种由栅极电压UGEUGE控制集电极电流控制集电极电流 的栅控自关断器件。的栅控自关断器件。 v 导通：导通：U UGE GE大于开启电压 大于开启

28、电压U UGE(th) GE(th)时， 时， MOSFETMOSFET内形成沟道，为晶体管提内形成沟道，为晶体管提 供基极电流，供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。 v 导通压降：导通压降：电导调制效应使电阻电导调制效应使电阻 R RN N减小，使通态压降小。减小，使通态压降小。 v 关断：关断：栅射极间施加反压或不加栅射极间施加反压或不加 信号时，信号时，MOSFETMOSFET内的沟道消失，内的沟道消失， 晶体管的基极电流被切断，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT 关断。关断。 IGBT IGBT伏安特性伏安特性 2. IGBT2. IGBT的静态输出特性的静态输出特性 4.

29、IGBT4. IGBT的特点的特点 工作频率高，开关损耗小； IGBT的导通压降（或通态压降）比功率MOSFET低， 特别是在大电流工作区段； NPT-IGBT具有导通压降的正温度系数特点，在并联 使用时具有电流自动调节能力，即易于直接并联； 安全工作区宽，具有耐脉冲电流冲击的特点； 栅极输入阻抗高，且呈容性，与功率MOSFET相似； IGBT的耐压、电流容量可以做得很大，同时还可保 持工作频率高的特点。 2.52.5电力半导体器件的功率损耗和冷却电力半导体器件的功率损耗和冷却 2.5.1 2.5.1 电力半导体器件的功率损耗电力半导体器件的功率损耗 2.5.2 2.5.2 缓冲吸收回路缓冲吸

30、收回路 2.5.3 2.5.3 电力半导体器件的结面温度电力半导体器件的结面温度 2.5.4 2.5.4 为什么要对电力半导体器件进行冷却为什么要对电力半导体器件进行冷却 2.5.1 2.5.1 电力半导体器件的功率损耗电力半导体器件的功率损耗 纯电阻负载电路 电力半导体器件的功率损耗 l各损耗是器件电压和电流乘积的平均 功率损耗： PT = Pon +Poff +Psw.on +Psw.off l 器件的断态损耗可以忽略，其通态损耗 Pon= Uon Ion l器件的开关损耗为 为电力半导体器件导通的占空比； fsw （=1/T）为器件的开关频率。 随着开关频率的增加，开关损耗将成为器件损耗的主要部分。 2.5.2 2.5.2 缓冲吸收回路缓冲吸收回路