电力电子半导体器件介绍课件

1、电力电子半导体器件第一章 绪 论1.1 电力电子技术(Power Electronics) -以电力为对象的一门新兴高新技术学科。一、定义 按美国电气和电子工程协会（IEEE）电子学会的定义：有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。二、组成1.电力电子器件2.变流电路3.控制电路-以电力电子器件制造技术为核心-以电力电子器件为核心的主电路-以控制理论为核心的电子线路电力电子学电子 电路器件静止 电力旋转模拟 数字控制三、电力电子技术的发展 1956年，第一个晶闸管（SCR）的发明，标志电力电子

2、 技术的诞生。1、传统电力电子技术阶段（1957-1980年） 1947年，第一只晶体管诞生，半导体电子学应运而生。1956年，晶闸管问世，半导体电子学产生两个分支。 两个分支分支一：以晶体管集成电路为核心形成对信息处理的微电子 技术。 特点：集成度越来越高，规模越来越大，功能越来越全。 -1971年，第一台微处理器问世。分支二：以晶闸管为核心，对电力进行处理的电力电子技术 （整流顺变时代） 特点：派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。例如：普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管（RCT） 双向晶闸管（TRIAC）、不对称晶闸管（ASCR）等。应用：直流传动，电化学电源，电力机车牵引，直流

3、输电等。 各类SCR电压、电流、dv/dt、di/dt参数有很大提高，性能越来越好。（普通SCR达到12KV，1KA；4KV，3KA） SCR器件和应用理论上都发展到了成熟阶段，从器件发展上来看，电压、电流还有提高的可能。但是，实际上它的发展却受到了制约。制约传统电力电子技术发展的因素控制功能上欠缺：半控型器件，关断必须用电感、电容和辅助电源组成强迫换相电路，使整机体积大、重量增加、效率低、可靠性下降。b. 立足于分立式结构，工作频率难以提高（小于400Hz)，应用范围窄。c. 控制方式采用移相控制，使电网及负载上谐波严重，整机功率因数低，电网“公害”大。2、现代电力电子技术阶段（1980年-

4、现在）发展：70年代末期，结合微电子技术和电力电子技术，产生了新一代高频化，全控型的功率集成器件，标志现代电力电子技术阶段的开始。例如：可关断晶闸管（GTO）9KV，1KA；4.5KV,4.5KA电力晶体管（GTR） 单管:1KV,200A；模块:1.2KV,800A;1.8KV,100A功率场控晶体管（功率MOSFET） 1KV,38A绝缘栅双极型晶体管（IGT、IGBT）1.2KV,400A; 3.3KV,1200A静电感应晶体管（SIT） fT:3050MHz,200A,1.2KV 静电感应晶闸管（SITH） 1KA/2.5KV; 2.2KA/450V; 400A/4.5KVMOS晶闸管

5、（MCT） 1KV,100A特点:a. 全控化；避免了关断时的强迫换相电路，结构大大简化。b. 集成化：与传统电力电子器件不同，不采用分立方式；由许多单元胞器件并联而成，子器件集成。如：1000A的GTO含有近千个单元GTO；40A功率MOSFET由上万个单元并联；300A的SITH含有近5万个子器件。c. 高频化：由于器件集成化，工作速度大大提高。如：GTO达12KHZ，GTR：25KHZ，功率MOSFET：几百KHZ，SIT：10MHZ以上。d. 多功能化：除开关功能外，增加保护、检测、驱动等功能，有些器件具有放大、调制、振荡和逻辑运算的功能，使用范围拓宽，电路简化。e. 电路弱电化：控制

6、技术数字化，如：PWM控制技术，谐振变换电路，高频斩波电路成为主要电路形式。1.2 电力半导体器件分类 现代电力电子技术发展与电力半导体器件的发展密不可分，随新型控制器件的诞生，新型变换电路也相应有所突破。 工业领域变流装置的变化过程旋转方式晶闸管出现前电动机直流发电机顺变方式晶闸管出现后可控硅整流装置，电路效率高，体积缩小，重量轻，节省原材料，延长寿命，消除噪音，便于维护。 逆变方式现代电力电子器件GTO，GTR，MOSFET，IGBT等出现，各种逆变器的产生，效率更高，体积更小，重量更轻，工作频率更高。静止方式一、分类电力电子器件非可控器件整流二极管普通整流二极管快恢复二极管肖特基二极管可

7、控器件半控型普通晶闸管SCR快速晶闸管FST双向晶闸管TRIAC逆导晶闸管RCT光控晶闸管LATT全控型双极型电力晶体管GTR可关断晶闸管GTO静电感应晶闸管SITH单极型功率MOSFET静电感应晶体管SIT混合型绝缘栅双极型晶体管IGBTMOS晶闸管MCT功率集成电路PIC高压集成电路HVIC智能功率集成电路SPIC二、全控型器件的特点1、双极型器件： 通态压降低、阻断电压高、电流容量大；用于中、大容量变换装置。电力晶体管GTR（巨型晶体管）Giant Transistor类型： 单管 达林顿管 GTR模块特点：控制方便，开关时间短，高频特性好，通态压降低。容量：400A/1200V，工作频

8、率：5KHz 常用于500KW以下的变流装置。缺点：耐压难以提高（小于1500V），存在二次击穿问题。可关断晶闸管GTO(Gate Turn-off Thyristor) 四层半导体双极型器件AP1N1P2N2GK结构AGK等效电路AGK符号类型：螺栓型、平板型、GTO模块特点：耐压最高，电流容量最大，有充分的发展余地。 4500V/4500A，9000V/1000A，工作频率：12KHZ。具有自关断能力（省去强迫换流电路，体积减小，重量减轻，效率高，可靠性增加）用于200KW以上的中、大容量设备中。如：电力机车牵引，交流电机调速，UPS电源，直流斩波。缺点：关断增益较小，关断电流较大。 关断

9、需缓冲电路来限制dv/dt。种类：逆阻GTO，逆导GTO，无反压GTO，掩埋门极GTO， 放大门极GTO，MOSGTO。 静电感应晶闸管SITH（Static Induction Thyristor) 场控晶闸管 常开型和常闭型两种，常开型在栅极上加反向偏压时，阻断状态。无反向偏压时，导通状态。 AKG符号特点：通态电阻小，电压低，开关速度快 损耗小，关断电流增益大。容量：1000A/2500V，2200A/450V， 400A/4500V工作频率：100KHz以上，用于高频加热电源。（取代电子管）2、单极型器件：只有一种载流子参与导电。功率场控晶体管（Power MOSFET) N沟道 P沟

10、道DSGDGS特点：电压控制器件，驱动功率小，工作速度快，无二次击 穿现象，安全区宽。电流负温度系数，有良好的电流 自动调节能力，热稳定性好，抗干扰能力强。 如：1000V/200A，开关时间13ns，工作频率几百KHz。缺点：通态电阻大，导通压降较高。电流、电压容量提高难 度大。用于中、小功率，开关频率较高的装置中。 静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor) 三层结构的半导体，也称功率结型场效应晶体管（JFET）。是一种非饱和输出特性的多子器件，为单极型器件。 NSIT PSITDSGDSG特点：可工作于开关、放大状态，非饱和输出特性。输出功率大、失真小

11、、输入阻抗高，开关特性好，热稳定性好，抗辐射能力强。fT: 3050MHz，电流200A/1200V，耗散功率3KW以上。用于高频加热电源，音频放大器，通信设施（各种发射机、电台、电视发射机）及空间技术领域。3、混合型器件：双极MOS型器件 结构：用耐压高，电流密度大，导通压降低的双极型器件（SCR、GTR、GTO）做输出单元；用输入阻抗高，响应速度快的单极型器件MOSFET做输入级。器件兼有二者的优点。绝缘门极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT IGT 1982年研制，第一代于1985年生产，主要特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间0.5

12、us，耐压500600V，电流25A。第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容量为400A/5001400V，工作频率达20KHZ。目前第三代正在发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A/4500V；命名为IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor)工作频率：20KHZ应用广泛 MOS晶闸管（MOS-Controlled Thyristor) MCT特点：阻断电压高，电流容量大，通态压降低，损耗小 开关速度快，发展前景好。电压等级：5001000V；电流等级：50100A功率

13、集成电路PIC（Power Integrated Circuit) 将功率电路，驱动电路，控制电路，保护电路集成。高压集成电路 HVIC ：横向高耐压器件与控制电路集成智能功率集成电路 SPIC ：纵向功率器件与控制电路，保护 电路，传感电路集成用于中，小功率，501000V，1100A的装置。 智能化电子技术时代1.3 全控型器件的比较比较指标：电压，电流，工作频率一、单管VA容量（逆变器每臂用一个器件，输出功率与频率关系）P（W）f(Hz)102103104105106104103105106107108SCRGTOSITHIGBTGTRMOSFET二、电流与电压等级V(v)I(A)110

14、10410310210102103104GTOSITHGTRIGBTMOSFET 四层结构 SCR、GTO、SITH属于高电压，大电流器件，在这方面还有发展的余地。 三层结构 GTR、IGBT、MOSFET电压电流不如四层结构器件。GTR可增大电流，但电压小于1500V。 功率MOSFET导通电阻随电压升高而增大，提高耐压有困难。 目前，IGBT发展很快，电流、电压高于GTR。三、工作频率P(VA)f(Hz)101001K10K100K1M101001K10K100K1M10M100MSCR 高 压 直 流 输 电 GTO 机车 UPSGTRUPS空调逆变器电机控制IGBT焊机电机控制MOSF

15、ET自动焊机、汽车、电磁炉GTR模块、MOSFET开关电源、音频电源1.4 变流电路与控制技术一、变流电路：以电力半导体器件为核心，通过不同的拓扑电 路和控制方式，实现电能的转换与控制。 ACDC：整流，不可控整流（二极管），可控整流（SCR） DCAC：逆变电路电压源型逆变器电流源型逆变器谐振型逆变器输出恒压恒频电路：CVCF调压调频电路：VVVF DCDC：斩波，将不可控直流电压变成可控直流电压。 用于开关电源，直流电机调速。 种类：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、 库克斩波电路、半桥变换电路、全桥变换电路等。 ACAC：交流调压电路，变频电源。二、控制技术1相控技术：整流、逆

16、变、ACAC变换 适用于SCR半控型器件，但网侧谐波严重。2PWM脉宽调制技术：DCDC、DCAC、ACAC变换 适用于各种自关断器件，谐波小、动态响应好、电路性能高。种类直流PWM正弦PWM（SPWM） 载波调制式 按最小谐波计算开关角度式 按电压矢量控制磁通轨迹式 调制和电流跟踪式全控型变流电路优、缺点：优点：体积小、重量轻、无噪音、维护方便 功率增益高，控制灵活 控制特性好，反应快（响应时间S 级），动态过程短 效率高，节省能源缺点：过载能力低 某些工作状态下功率因数低 电网造成“公害”，电磁干扰（EMI） 解决：EMI滤波器 软性PWM开关：双零开关谐振电路（ZVS，ZCS）3新型控制

17、技术：基于PWM控制技术下，数字控制代替模拟控 制；计算机仿真和计算机控制。1.5 电力电子技术的应用与未来广泛，小到家电，大到电厂输电设备。从几瓦1GW，几Hz100MHz。1典型应用旋转的电动机传动装置： 直流传动和交流传动（变频器）静止的各类电源和开关： 加热电源，UPS，开关电源，直流输电， 电力机车等。2新应用有源滤波器： 由电压源型、电流源型PWM变换器和一个基准器构成谐波发生器，产生大范围动态谐波和无功功率，修补电网波形。能量储存设备： 用于电厂，调节用电量。如：变速抽水储能设备 超导磁悬浮铁道系统： 逆变器达50100MVA 小型化开关电源： 高频化，高功率密度化的绿色电源电子

18、化汽车： 多个电动机控制，用到斩波器、逆变器家用电器：变频器 第二章 功率二极管2.1 PN结一、PN结形成 采用合金法、扩散法、外延生长法、离子注入法在本征半导体中掺入微量杂质构成。二、单向导电性：其中：三、PN结反向击穿：反向电压超过VBR时，可能损坏PN结 1雪崩击穿：掺杂浓度较低的PN结，VBR7V 2齐纳击穿：掺杂浓度较高的PN结，电场2x105V/cm 3热击穿：由于发热，导致载流子数目增多，形成大 电流。一般损坏管子 控制结温 12501750C四、电容效应： PN结中电荷量随外加电压而变化，呈电容效应。 结电容Cj （微分电容）影响PN结工作频率，失去单向导电 性，不能正常工作

19、。 1势垒电容：PN结正偏时，空间电荷区变窄；反偏时，增宽。随外加电压变化，空间电荷区电荷量变化，引起电容效应。与PN结面积成正比，与阻挡层厚度成反比 2扩散电容： PN结正偏时，扩散电流是由电子和空穴复合形成，扩散长度内存储了一定数量的电荷，正向电流越大，存储电荷越多，随电压变化具有电容性质。 ：载流子的平均寿命一般：反偏时，以CB为主；正偏时，以CD为主。 Cj= CB+ CD2.2 二极管特性与参数PN结加引线，封装构成；有分立式和模块式。分为：单管、半桥、全桥。一、伏安特性：VTO：门槛电压硅：0.5V锗：0.1VVF：导通压降硅：0.60.8V锗：0.10.3VVBR：反向击穿电压，

20、几伏几千伏VBRISIS：反向饱和漏电流，很小。随温度增加，VF减小，IS增大90%ton10%trr二、开关特性1反向恢复时间：trr=td+tf td:延迟时间；PN结存储电荷耗散时间，产生反向电流-IR tf：电流下降时间2正向恢复时间：ton 建立正向电流所需的时间。三、性能参数1额定正向平均电流IF 管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 定额方法：在指定壳温，规定散热条件下，二极管流过工频正弦半波的平均电流。要求该电流下，管子正向压降引起的损耗使结温升高不超过最高允许结温。 *正向电流以发热条件定义，应用中按有效值相等条件来选取二极管的定额。例：iI O U1为正弦波：(SW开关断开)OU2 2 wtio 2 IMIFwt平均值:其中:有效值:即:一只额定IF=100A的管子，允许电流有效值为157A。 U1为脉冲波：平均值：有效值：按