电力电子器件与变换电路

电力电子器件与变换电路第1页/共88页电力电子与现代生活第2章电力电子器件与变换电路第2页/共88页3

第一部分电子器件与电力电子器件

2.1半导体基本知识

2.2半导体二极管及电力二极管

2.3半导体三极管及电力三极管

2.4半控型器件——晶闸管

2.5门极可关断晶闸管GTO2.6电力场效应管（电力MOSFET）

2.7绝缘栅极晶体管IGBT

第2章电力电子器件与变换电路第3页/共88页4

概述概述：由前一章我们知道，电力电子器件又称为电力电子开关、功率开关、或开关器件，那么它与我们常见的电力开关有什么不同呢？电力开关：构成材料：金属（铜等）、机械结构工作原理：借助外力或电磁力，使触头接通或断开。工作频率：不能频繁操作，无法用频率描述（<0.01Hz）应用场合：用于电路的接通或断开，不能改变电能的性质。特点：接通后，接通电阻为零，无电压降落；断开后，电阻为无穷大，没有漏电流。第4页/共88页5电力开关类型：

概述第5页/共88页6

概述第6页/共88页7

概述第7页/共88页8电磁接触器

概述第8页/共88页9电力电子开关：构成材料：半导体材料，有内阻，集成结构。工作原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。工作频率：能频繁操作，不同的器件，工作频率不同，如：晶闸管：50Hz~几kHzIGBT:5kHz~50kHzMOSFET:几kHz~几MHz应用场合：电路的接通或断开，或电能变换。特点：接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落；断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。

概述第9页/共88页102.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：有的物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。2.1半导体的基本知识第10页/共88页112.1半导体的基本知识GeSi在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。2.1.2本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。+4+4+4+4共价键结构束缚电子第11页/共88页122.1半导体的基本知识2.1.3

N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）而形成，也称为电子型半导体。+5自由电子半导体掺杂

在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大增加。第12页/共88页132.1半导体的基本知识掺入五价元素后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺杂浓度越大，自由电子数目越多，导电能力越强。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

第13页/共88页142.1半导体的基本知识2.1.4P型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或铟)而形成，也称为空穴型半导体。+3

空穴第14页/共88页152.1半导体的基本知识掺入三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。第15页/共88页162.1.5PN结扩散运动形成空间电荷区

扩散的结果使空间电荷区变宽。内电场漂移运动

内电场越强，漂移运动越强，扩散运动越弱

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。1.PN结的形成第16页/共88页172.1.5PN结第17页/共88页182.1.5PN结第18页/共88页192.2半导体二极管及电力二极管二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。二极管主要特点：单向导电性。主要分为：电子学上的小功率半导体二极管；

电力电子学上的功率型电力二极管。2.2.1二极管的主要结构：(a)点接触型:

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波等高频电路。(b)

面接触型

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。第19页/共88页202.2半导体二极管及电力二极管阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型阴极阳极(

d

)

符号D二极管的结构示意图第20页/共88页212.2半导体二极管及电力二极管电力二极管的结构示意图AKAKa)IKAPNJb)c)AK图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号

a)外形b)基本结构c)电气图形符号第21页/共88页222.2半导体二极管及电力二极管二极管的外形：第22页/共88页2.2.2二极管的伏安特性：硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–

反向电流在一定电压范围内保持常数。第23页/共88页242.2.3二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，处于反向截止状态，反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性，二极管损坏。

状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——第24页/共88页252.2.3二极管的单向导电性uiuottRLuiuo二极管的应用举例1：二极管半波整流第25页/共88页26二极管的应用举例2：二极管桥式整流第26页/共88页2.2.4特殊二极管——稳压二极管1.符号2.伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UZIZIZMUZIZUIO第27页/共88页282.2.4特殊二极管——发光二极管

发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，它包含了可见光、不可见光、激光等类型。

可见光发光二极管也称为LED，符号如图所示。发光颜色目前有红色、绿色、橙色、黄色、白色等。发光二极管的电特性与普通二极管一样，伏安特性曲线也类似，同样具有单向导电性。但正向导通电压比普通二极管高，红色的导通电压在1.6~1.8V间，绿色的为2V左右。符号第28页/共88页292.2.4特殊二极管——光电二极管

光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件。也有可见光和不可见光（如远红外光）之分。其外形与发光管类似。

光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时,和普通二极管一样,其反向电流很小,称为暗电流。当有光照时,产生的反向电流称为光电流。照度E越强，光电流也越大。光电流很小,一般只有几十微安,应用时必须放大。符号：光耦合器第29页/共88页302.3

半导体三极管及电力三极管2.4.1基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管第30页/共88页31基区：厚度最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结2.3.2三极管的结构特点：集电区：面积最大BECNNP基极发射极集电极第31页/共88页322.3.3.三极管内部载流子的运动规律基极----发射极：基极发射极第32页/共88页332.3.3.三极管内部载流子的运动规律基极----集电极：基极集电极第33页/共88页342.3.3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICE

发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。最重要特性：电流放大第34页/共88页352.3.4三极管的外形——普通三极管按功率大小分：普通三极管电力三极管第35页/共88页362.3.4三极管的外形—电力三极管（GTR）第36页/共88页372.3.5电力三极管（GTR）的常见结构

1．达林顿GTR

达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定。如图4-2，图中：V1为驱动管、V2为输出管。V1V2BECV1V2BEC达林顿GTRa)NPN型b)PNP型c)实用达林顿电路V1V2BECB2VD1第37页/共88页382.3.5电力三极管（GTR）的常见结构2.GTR模块GTR模块:它将GTR管芯、稳定电阻R1、R2，加速二极管VD1以及续流二极管VD2等构成一个单元，根据不同用途将几个单元电路组装在—个外壳之内构成模块。将上述单元电路集成制作在同一硅片上，大大提高了器件的集成度。特点：小型轻量化、性能/价格比提高第38页/共88页392.3.5电力三极管（GTR）的常见结构★实例：几类达林顿GTR及其辅助元器件构成的模块。第39页/共88页402.3.5电力三极管（GTR）的常见结构GTR模块外形：两个单元，四重达林顿第40页/共88页412.3.6三极管的三种工作状态三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态、饱和状态。当三极管用于不同目的时，它的工作状态是不同的。三种状态也叫三个工作区域即：截止区、放大区和饱和区：截止区：当B极无电流时，三极管截止，C到E之间阻值无穷大，C到E之间无电流通过。放大区：B极有电流，IC和IE都随IB改变而变化饱和区：当集电结电流IC增大到最大时，进入饱和区。饱和时，集电极和发射之间的内阻最小，集电极和发射之间的电流最大。普通三极管：放大状态、开关状态电力三极管：开关状态（=饱和状态+截止状态）第41页/共88页422.4半控型器件—晶闸管■晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。■1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管，并于1958年使其商业化。■由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块2.4.1引言第42页/共88页432.4.2晶闸管的结构

2.4.2晶闸管的结构

◆从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。◆引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。◆内部是PNPN四层半导体结构。

图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号

a)外形b)结构c)电气图形符号

第43页/共88页442.4.3晶闸管的双晶体管模型及其工作原理AGKP1N1P2N2J1J2J3工作原理

:1.uak<0;2.uak>0,uG=0;3.uak>0,uG>0;4.门极作用;5.IA=02.4.3晶闸管的工作原理关键词：正反馈，饱和第44页/共88页452.4.3晶闸管的工作原理■正常工作时的特性总结如下：

☞当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。----截止

☞当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。----开通条件

☞晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。----半控

☞若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到零。----关断条件第45页/共88页46（1）0~t1:开关S未合上，晶闸管未导通；（2）t1~t2:uAK>0，由于开关S合上，使ug>0，即晶闸管导通；

（3）t2~t3:uAK<0，尽管ug>0，但ud=0，即晶闸管关断；

（4）t3~t4:uAK>0，这时ug>0，所以，晶闸管又导通；

（5）t4~t5：ug=0，但uAK>0，即晶闸管仍处于导通状态；

（6）t=t5:uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。

实验电路如图：2.4.3晶闸管的工作原理2.4.3晶闸管的工作原理第46页/共88页472.4.4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√导通状态☞反向特性：√反向阻断状态√反向击穿

图2-9晶闸管的伏安特性

IG2>IG1>IG

正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第47页/共88页482.4.5晶闸管的派生器件——双向晶闸管a)b)IOUIG=0GT1T2Bidirectionaltriodethyristor）

◆可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。

◆门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。

◆双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。图2-11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

■双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或第48页/共88页49

2.4.5晶闸管的派生器件——双向晶闸管

台灯调光电路双向晶闸管外形

台灯调光电路波形第49页/共88页502.4.5晶闸管的派生器件——光控晶闸管a)AGKAK光强度强弱b)OUIA■光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）◆是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。◆由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。图2-13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

第50页/共88页512.4.5晶闸管的派生器件——光控晶闸管光控晶闸管常用于路灯控制、高压直流输电等场合。第51页/共88页522.5门极可关断晶闸管GTO2.5.1概述：★门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—

GTO）晶闸管的一种派生器件。★全控型，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。★

GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，水平4500A/5000V、1000A/9000V。★在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。如电力有源滤波器、直流输电、静止无功补偿等。第52页/共88页532.5门极可关断晶闸管GTOGTO外形第53页/共88页542.5门极可关断晶闸管GTO2.5.2结构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。第54页/共88页552.5门极可关断晶闸管GTO2.5.3GTO开通原理

与普通晶闸管一样，可以用图示的双晶体管模型来分析。当阳极加正向电压、门极加触发信号时，GTO导通，具体过程如下：正反馈过程。器件进入饱和而开通。第55页/共88页562.5门极可关断晶闸管GTO2.5.4

GTO关断原理关断过程：是开通过程的逆过程。门极加负脉冲即从门极抽出电流，形成强烈正反馈——

IG↓—→Ib2↓—→IK、Ic2↓—→IA、Ic1↓↑

器件退出饱和而关断。

第56页/共88页572.6电力场效应管（电力MOSFET）2.6.1概述★绝缘栅型电力场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）。●特点——用栅极电压来控制漏极电流。☆输入阻抗高，驱动电流小(功率小)，驱动电路简单；☆开关速度快，工作频率高；☆热稳定性好；☆电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。第57页/共88页582.6电力场效应管（电力MOSFET）电力MOSFET外形第58页/共88页592.6电力场效应管（电力MOSFET）

2.6.2MOSFET结构MOS—金属(M)极、氧化膜绝缘层(O)、半导体(S)硅片。

MOSFET只有一种载流子(N沟道时是电子，P沟道时是空穴)，从源极(S)出发经漏极(D)流出。金属M氧化物O半导体

SPN结第59页/共88页602.6电力场效应管（电力MOSFET）2.6.3工作原理：1）栅极电压为零(VGS＝0)时：漏-源间PN结反向偏置，即器件保持关断状态。2）栅极加正向电压(VGS＞0)：★P区电子被吸向硅表面，栅极下面的硅表面开始出现耗尽区（即电子与空穴复合），接着出现负电荷(电子数>空穴数)，硅的表面从P型反型成N型，该反型层称作沟道。第60页/共88页612.6电力场效应管（电力MOSFET）★此时，沟道处两个PN结消失，在电压VDS的作用下，电子可以从源极、经过沟道、移动到漏极，形成漏极电流ID。3）栅极加反向电压(VGS＜0时，则与2)情况相反，在栅极下面的硅表面上因感应而产生空穴，故没有ID电流流过。

第61页/共88页622.6电力场效应管（电力MOSFET）

N沟道耗尽型MOSFET(SiO2绝缘层中掺入Na+、K+离子)N沟道增强型MOSFET两种类型的MOSFET：第62页/共88页632.6电力场效应管（电力MOSFET）2.6.4MOSFET提高功率的措施电力MOSFET在传统器件基础上进行了四项重大改革：

(1)垂直导电：在硅片底面上安装漏极，实现垂直导电，降低电阻，可获得大电流容量。(2)

设置高电阻率N—漂移区：不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并且使沟道长度稳定。

(3)双重扩散技术：代替光刻工艺控制沟道长度，实现精确的短沟道制作，降低沟道电阻，提高工作速度。（4）采用多元集成结构。第63页/共88页642.7绝缘栅极晶体管IGBT2.7.1概述

GTR的特点——双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；MOSFET的优点——

单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单；

绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor—

—IGBT），两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件。

GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性

第64页/共88页652.7绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT外形第65页/共88页662.7绝缘栅极晶体管IGBT2.7.2发展简史：★1983年，美国GE公司和RCA公司研制成功。★第一代IGBT，1986年投入市场，特点：低损耗，通态压降高（3V），容量小，有擎住现象，速度低。★第二代IGBT，1989投产，高速开关型和低压降型（2V左右），速度、容量均提高，抑制擎住现像。★第三代IGBT，1995左右投产，性能进一步提高。★第四代IGBT，采用沟槽技术以降低饱和压降；★智能化集成IGBT——IPM，内置IGBT、驱动电路、过流过热过压保护，PWM电路等。第66页/共88页672.7绝缘栅极晶体管IGBT2.7.3IGBT的结构三端器件：栅极G、集电极C和发射极E第67页/共88页682.7绝缘栅极晶体管IGBT2.7.4IGBT的工作原理

●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。●阻断：uCE<0时，J1结反偏，不论uGE如何，器件不导通。

uGE小于开启电压UT时，MOSFET内不能形成沟道。●导通：

uGE大于开启电压UT时，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。●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。

第68页/共88页692.7绝缘栅极晶体管IGBTGTR是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，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管IGBT

：综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性，是目前应用最广泛的器件。第69页/共88页70第70页/共88页71第71页/共88页72电力电子开关：构成材料：半导体材料，有内阻，集成结构。工作原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。工作频率：能频繁操作，不同的器件，工作频率不同，如：晶闸管：50Hz~几kHzIGBT:5kHz~50kHzMOSFET:几kHz~几MHz应用场合：电路的接通或断开，或电能变换。特点：接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落；断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。

概述第72页/共88页732.2.4特殊二极管——发光二极管

发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，它包含了可见光、不可见光、激光等类型。

可见光发光二极管也称为LED，符号如图所示。发光颜色目前有红色、绿色、橙色、黄色、白色等。发光二极管的电特性与普通二极管一样，伏安特性曲线也类似，同样具有单向导电性。但正向导通电压比普通二极管高，红色的导通电压在1.6~1.8V间，绿色的为2V左右。符号第73页/共88页742.3.5电力三极管（GTR）的常见结构GTR模块外形：两个单元，四重达林顿第74页/共88页752.4半控型器件—晶闸管■晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。■1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管，并于1958年使其商业化。■由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块2.4.1引言第75页/共88页762.4.2晶闸管的结构

2.4.2晶闸管的结构

◆从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。◆引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。◆内部是PNPN四层半导体结构。

图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号

a)外形b)结构c)电气图形符号

第76页/共88页77（1）0~t1:开关S未合上，晶闸管未导通；（2）t1~t2:uAK>0，由于开关S合上，使ug>0，即晶闸管导通；

（3）t2~t3:uAK<0，尽管ug>0，但ud=0，即晶闸管关断；

（4）t3~t4:uAK>0，这时ug>0，所以，晶闸管又导通；

（5）t4~t5：ug=0，但uAK>0，即晶闸管仍处于导通状态；

（6）t=t5:uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。

实验电路如图：2.4.3晶闸管的工作原理2.4.3晶闸管的工作原理第77页/共88页782.6电力场效应管（电力MOSFET）2.6.3工作原理：1）栅极电压为零(VGS＝0)时：漏-源间PN结反向偏置，即器件保持关断状态。2）栅极加正向电压(VGS＞0)：★P区电子被吸向硅表面，栅极下面的硅表面开始出现耗尽区（即电子与空穴复合），接着出现负电荷(电子数>空穴数)，硅的表面从P型反型成N型，该反型层称作沟道。第78页/共88页792.7绝缘栅极晶体管IGBT2.7.1概述

GTR的特点——双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；MOSFET的优点——

单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单；

绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor—

—IGBT），两类器件取长补短结合而成的复