第1章电力电子器件第一讲

1、 第第1章、电力电子器件章、电力电子器件 v1.1 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v1.2 电力二极管电力二极管 v1.3 晶闸管晶闸管v1.4 可关断晶闸管可关断晶闸管 v1.5 电力晶体管电力晶体管 v1.6 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 v1.7 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v1.8 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件v1.9 电力电子器件的驱动与保护电力电子器件的驱动与保护1 1.1 .1 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 电力半导体器件是电力电子技术及其应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用系统的

2、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。力电子器件的研制与应用。 定义：定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控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广义上电力电子器件可分为电真空器件电真空器件和半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半和半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。导体电力电子器件。 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图象成下图1.1.11.1.

3、1所示的所示的理想理想开关开关模型模型，它有三个电极，其中，它有三个电极，其中A和和B代表开关的两个主电极，代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。是控制开关通断的控制极。它只工作在它只工作在“通态通态”和和“断态断态”两种情况，在通态时其电两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。阻为零，断态时其电阻无穷大。 图图1.1.1 电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的理想开关模型一、基本模型：一、基本模型：二、基本特性：二、基本特性：1.1 1.1 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损

4、耗）很大。为保证不至因损耗散发的热开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装都要安装散热器散热器。（2）电力电子器件的开关状态由）电力电子器件的开关状态由外电路外电路（驱（驱动电路）来控制。动电路）来控制。（1）电力电子器件一般都工作在）电力电子器件一般都工作在开关开关状态。状态。1.1.2 电力电子器件的种类电力电子器件的种类 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类： 不可控器件：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要器件本身没有导通、关断控制功能，而

5、需要根据根据电路条件电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。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（如：电力二极管（Power Diode）；）；半控型器件：半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关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。断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件；）及其大部分派生器件；全控型器件：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。的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断

6、晶闸管（如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、）、 功率场效应管（功率场效应管（Power MOSFET） 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。）等。 二、电力电子器件按控制信号的性质不同又二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种：可分为两种： 电流控制型器件：电流控制型器件： 此类器件采用此类器件采用电流信号来实现导电流信号来实现导通或关断控制。通或关断控制。 如：晶闸管、门极如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功可关断晶闸管、功率晶体管、率晶体管、IGCT等；等； 电压控制半导

7、体器件：电压控制半导体器件： 这类器件采用电压（场这类器件采用电压（场控原理）控制它的通、断，控原理）控制它的通、断，输入控制端基本上不流过控输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。就可驱动它工作。 如：代表性器件为如：代表性器件为 MOSFET和和IGBT。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/3kA5kV/3kA400Hz400Hz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/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光

8、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/6kA500Hz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MOSFETMOSFET600V/70A100kHz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IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各种整流各种整流/ /逆变器（逆变器（UPSUPS、变频、变频器、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1.2 电

9、力二极管电力二极管 1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理一、电力二极管一、电力二极管： 1 1、电力二极管（、电力二极管（Power Diode）也称为半）也称为半导体整流器（导体整流器（Semiconductor Rectifier，简，简称称SR），属不可控电力电子器件，是），属不可控电力电子器件，是20世纪世纪最早获得应用的电力电子器件。最早获得应用的电力电子器件。 2 2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合

10、发挥着积极的作用的场合发挥着积极的作用, 具有不可替代的地具有不可替代的地位。位。 二、二、PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理： 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。 以半导体以半导体PNPN结结为基础。为基础。 由一个面积较大的由一个面积较大的PN结结和两端引线以及封装组成。和两端引线以及封装组成。 从外形上看，主要有从外形上看，主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种。两种。 图图1.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）外形外形 b）结构结构 c）电气图形）电气图形二、二、

11、 PN结与结与电力二极管工作原理电力二极管工作原理( (续续) ) N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结。结。 空间电荷空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一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区的扩散运动扩散运动，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移，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。 内电场内电场:空间电荷建立的电场空间电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场，其方向是，其方向是阻止阻止扩散运扩散运动

12、的，另一方面又动的，另一方面又吸引吸引对方区内的对方区内的少子少子（对本区而言则为多子）向（对本区而言则为多子）向本区运动，即本区运动，即漂移运动漂移运动。 空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，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，被称为空间空间电荷区电荷区，按所强调的角度不同也被称为，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区耗

13、尽层、阻挡层或势垒区。 二、二、 PN结与结与电力二极管工作原理电力二极管工作原理( (续续) ) PN结的正向导通状态：结的正向导通状态： 使得使得PN结在正向电流较大结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正左右，所以正向偏置的向偏置的PN结表现为低阻态。结表现为低阻态。 PN结的反向截止状态：结的反向截止状态： PN结有单向导电性。结有单向导电性。 二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单结的单 向导电性这一主要特征。向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿：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。有雪崩击穿和齐纳击穿

14、两种形式，可能导致热击穿。 PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的空间电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电结的空间电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容容CJ，又称为微分电容。，又称为微分电容。 结电容结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容和扩散电容CD 。l图图2.2.2 电力二极管的伏安特性曲线电力二极管的伏安特性曲线 势垒电容势垒电容只在外加只在外加电压变化电压变化时才起作用。外加电压频率时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结结截面积成

15、正比，与阻挡层厚度成反比。截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。 扩散电容扩散电容仅在仅在正向偏置正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正时起作用。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。电容为结电容主要成分。 结电容结电容影响影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在，特别是在高速开高速开关的状关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用态下，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。时应加以注意。二、二、 PN结与结与电力二极管工作原理电力二极管工作原理( (续续) )1.2 电

16、力二极管电力二极管 1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性 2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性 3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性 当电力二极管承受的当电力二极管承受的正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门门槛电压槛电压UTO），正向电流才），正向电流才开始明显增加，处于稳定开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流导通状态。与正

17、向电流IF对对应的电力二极管两端的电应的电力二极管两端的电压压UF即为其正向电压降。即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏微小而数值恒定的反向漏电流。电流。l图图1.2.2 电力二极管的伏安特性曲线电力二极管的伏安特性曲线 特性曲线特性曲线:1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性 当当PN结上流过的正向电流结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大

18、幅度增加，使其电浓度也相应大幅度增加，使其电阻率明显下降，也就是电导率大阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这称为大增加，这称为电导调制效应电导调制效应。电导调制效应使得电导调制效应使得PN结在正向结在正向电流较大时压降仍然很低，维持电流较大时压降仍然很低，维持在在1V 左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态，且不随电流大结表现为低阻态，且不随电流大小变化而变化。小变化而变化。l图图1.2.2 电力二极管的伏安特性曲线电力二极管的伏安特性曲线 特性曲线特性曲线:2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性 2、电力

19、二极管的开关特性、电力二极管的开关特性 3 、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性 电力二极管在正向偏置的通态转换为反向偏置的断态的过程中，电力二极管在正向偏置的通态转换为反向偏置的断态的过程中，电压、电流的波形如图电压、电流的波形如图1.2.31.2.3（a a）所示。）所示。（1 1）关断特性）关断特性：电力二极管由正向偏置的电力二极管由正向偏置的通态通态转换为反向偏置的断态过程。转换为反向偏置的断态过程。v 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。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。v 在关断

20、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。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。一、定义：一、定义：反映通态和断态之间的转换过程（反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程关断过程、开通过程）。）。图图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形 当原来处于正向导通的电力二极管外加电压在当原来处于正向导通的电力二极管外加电压在t tf f时刻突然从正向变为反向时，正时刻突然从正向变为反向时，正向电流向电流I If f开始下降，到开始下降，到t t0 0时刻电力二极管电流基本降为零，此时时刻电力二极管电流基本降为零，此时

21、PNPN结两侧存在大量的结两侧存在大量的少子，器件并没有恢复反向阻断能力，直到少子，器件并没有恢复反向阻断能力，直到t t1 1时刻时刻PNPN结内存储的少子减少到零时，反结内存储的少子减少到零时，反向电流达到最大值向电流达到最大值I IRPRP。t t1 1后电力二极管开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小。后电力二极管开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小。 外电路中电感产生的高感应电动势使器件承受很高的反向电压外电路中电感产生的高感应电动势使器件承受很高的反向电压U URPRP。当电流降到。当电流降到基本为零的时刻基本为零的时刻t t2 2时，电力二极管两端的反向电压才降到外加电压时，电

22、力二极管两端的反向电压才降到外加电压U UR R, ,电力二极管完全电力二极管完全恢复反向阻断能力。恢复反向阻断能力。注：注：这些少子在外加这些少子在外加反向电压反向电压的作用下被的作用下被抽取出抽取出电力二极管，因而形成较大的电力二极管，因而形成较大的反向电流反向电流。当空间电荷区附近的存储当空间电荷区附近的存储少子即将被抽尽少子即将被抽尽时，时，管压降变为负极性管压降变为负极性，于是开始抽取离空，于是开始抽取离空间电荷区较远的浓度低的少子。因而在管压降极性改变后不久的间电荷区较远的浓度低的少子。因而在管压降极性改变后不久的t t1 1时刻反向电流时刻反向电流I IRPRP开开始下降，电力二

23、极管开始重新恢复对反向电压的阻断能力。始下降，电力二极管开始重新恢复对反向电压的阻断能力。图图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形v（1 1）关断特性）关断特性：正反：If至t0时， If=0，此时PN大量少子（扩散结果），反压未起到反向阻断能力，后少子慢慢多子慢慢至t1时刻少子为0，多子最多，IRP最大（反压起作用） （2 2）开通特性）开通特性：正向压降先出现一个过冲正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于接近稳态压，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如降的某个值（如 2V2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间）。这一动

24、态过程时间被称为正向恢复时间t tfrfr。v 电导调制效应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。压降较大。v 正向电流的上升会因器件自身的正向电流的上升会因器件自身的电感电感而产生较大压降。电流上升率越大，而产生较大压降。电流上升率越大，U UFPFP越高越高 。 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。图图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形v（2 2）开通特性）开通特性：（2 2）开关特性）开关特性（续）（续） 延

25、迟时间：延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用或称恢复系数，用sr表示。表示。图图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形（1 1）普通二极管）普通二极管：普通二极管又称整流管（普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），），多用于开关频率在多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，以下的整流电路中，其反向恢复其反向恢复时间在时间在ss以上，

26、额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。以上。 （2 2）快恢复二极管：）快恢复二极管：反向恢复时间在反向恢复时间在ss以下的称为快恢复以下的称为快恢复二极管（二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode简称简称FDRFDR）。快恢复二极管）。快恢复二极管从性能上可分为从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns100ns以下，其容量可以下，其容量可达达1200V/200A1200V/200A的水平的

27、水平, , 多用于高频整流和逆变电路中多用于高频整流和逆变电路中。 （3 3）肖特基二极管：）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.40.6V0.6V，而且它的反向恢复时间短，为，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒几十纳秒。但反向耐。但反向耐压在压在200200以下。以下。它常被用于它常被用于高频低压高频低压开关电路或高频低压开关电路或高频低压整流电路中整流电路中。二、电力二极管的主要类型：二、电力二极管的主要类型：1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性 2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性 3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 额定正向平均电流额定正向平均电流在指定的在指定的管壳温管壳温（简称壳温，用（简称壳温，用TC表示）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。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。设该正弦半波电流的峰值为设该正弦半波电流的峰值为Im, 则则0)(sin21mmA