绪论、电力电子器件及其使用相关技术.ppt

1、现代电力电子技术,绪论 电力电子器件 AC/DC变换 AC/AC变换 DC/DC变换 DC/AC变换,教材: 林渭勋，现代电力电子技术（研究生教学用书） ， 机械工业出版社 ，2006-01,1 绪论,一个简单例子电力电子节能概念,1kW直流阻性负载, 需10100V可调(对应电流110A，电阻10).,采用110可调电阻，负载50V(250W)运行时：R299.1, R110.9。额外损耗：P=502/99.1+602/10.9355W 效率极低。,1. 绪论,1.1 电力电子及其发展,应用前景：电能使用90%-转换使用，2010 ：80% 经电力电子。 （ CPES 语, Center o

2、f Power Electronics system, USA).,电力电子: 采用电子开关、进行电能转换（处理） 电子学（半导体器件）。 涉及 电工学（电力、电机）。 控制学（控制技术）。,1.1.1 电力电子,处理功率的电子学 (强弱结合),1. 绪论,2. 特点：开关状态工作、进行电能转换（功率大)。,3. 核心：变流 AC DC,4. 基本技术问题 (1) 新材料、器件(碳化硅、氮化镓宽禁带材料; 超级结、浮动结等); (2)电路拓扑(核心桥式); (3) 控制及转换方法(移相、PWM、多电平；智能控制); (4) 功率集成 (PICPower Integrated Circuits;

3、 IPM Intelligent /Smart Power Module; IPES(M) Integrated Power Electronics System/Module); (5)抑制谐波、提高功率因素(PFC Power Factor Compensation); (6) 提高转换效率; (7) 高频化(Soft switch、高频磁技术); (8) EMC设计(Electromagnetic compatibility)。,1995年，美国总统科技顾问委员会提供咨询报告，列举6项关系国民经济发展及国家长久安全关键技术：材料、制造业、信息通讯、航空和运输、能源与环境、生物技术前5项均

4、与电力电子有关。,5. 应用：涉及机械(交直流电机传动)、电子(各种电子、半导体材料器件及电子、集成电路)、冶金(电炉冶炼精炼、锻轧钢)、材料(电焊、透热、淬火)、化工(电解电镀、鼓风除尘制氧机)、交通(机车牵引、船舶、电动汽车)、通信(各种有线无线卫星通信电源)、电力(无功补偿、太阳能风力新能源发电)、家电(空调、电磁灶、电视冰箱洗衣机) 、医疗(B超CT等电子诊断医疗仪器)、国防(激光武器、电磁炸弹、电子对抗)以及航空航天等。,1.1.2 电力电子发展态势,除应用范围不断扩大之外，总体： (1) 高频化(MHz水平: 提高性能、效率、功率密度：变压器、电感、电容体积 Hz平方根成反比)。,

5、1. 绪论,(2) 绿色化（洁净化。高效、无谐波、EMC）。,1. 总体发展趋势,1. 绪论,3.智能化(数字化。神经网络、模糊、自适应、仿生学(粒子群，蚁群)等方 法应用）。,1950-1970 : 摇篮期。主要Thyristor、GTR等。 1970-1990 : 成长期。主要 MOSFET、IGBT、GTO、光控Thyristor等。,4. 集成化(PIC/PMIPM/SPMIPEM/IPES)。,2. 几个典型发展态势：,1990-至今: 成熟期。硅材料的电压全控型电力电子器件和各种复合型器件进一步完善和发展, 如, IGBT(6006.5 kV, 13.5kA)、IGCT; 各种功率

6、集成模块(PM) 、智能模块(SPM, IPM)的出现等。 目前电力电子器件的功率水平基本上稳定在109- 1010 WHz水平, 传统功率器件已逼近由于寄生二极管制约而能达到的材料极限。,1.器件：如同因为有了计算机才引发信息浪潮一样，电力电子技术伴随着器件的发展而进步。,但自1990年代之后，电力电子器件无进一步突破性发展电力电子技术也难以有革命性跨越。,为突破目前器件极限-两大技术发展方向：,宽禁带电力半导体器件(碳化硅、氮化稼等),如, SJ -MOSFET; LDD-MOSFET; RB-IGBT(反相阻断型)等。 随着宽禁带电力半导体器件的商用化，可能给电力电子技术带来一个革命性改

7、观。(查看宽禁带半导体电力电子器件及应用，陈治明、李守智编著，机械工业出版社，2009年1月）,2. 可再生新能源以及分布式发电系统的发展为电力电子技术应用提供并将提供更广阔的发展空间。 传统：煤、油、核、水电。可再生：风、水(海洋)、生物、地热、太阳能等需要电力电子转换并入电网。 电能质量控制：无功、谐波补偿等。,3. 电力电子系统集成IPES:,1. 绪论,1997,美国海军提出PEBB(Power Electronics Building Block) 便于标准化、模块化、维护和规模生产等。 1998,美国电力电子系统中心(CPES)正式提出电力电子系统集成概念。主要分为：,新的器件结构

8、(如超级结、浮动结型）。,1. 绪论,子系统集成核心：PSOC (Power System on Chip)和PSIP (Power System in Package, 多片封装) 系统级集成：多个PSIP组成应用系统。,2002 我国立项研究(浙大、西交大、西安电力电子所)。,主要涉及：基本单元拓扑、集成封装、绝缘散热、无源元件集成、磁集成、平面金属化(模块中喷涂金属层、表面贴装驱动保护检测芯片等以减小寄生参数)等技术。,1.2 电力电子高频化,音频(16Hz20kHz)以上开关频率一般称高频(超音频) 不同于无线电高频(用于无线电广播与通讯的中波: 100kHz6MHz; 短波: 630

9、MHz; 用于电视雷达卫星通讯的超短波(微波): 30 3105 MHz)。,高频化提高功率密度、减小储能元件体积，便于装置小型轻便化，如，变压器、电感、电容体积Hz平方根成反比。带来主要问题: 开关元件功耗、开关应力问题； 寄生分布参数影响及EMI(Electro-Magnetic Interference)等问题。,1. 绪论,高频化引发许多技术革新: 软开关技术(ZVCS: ZeroVoltage Current Switching; ZVCT: Zero - Voltage Current Transition); 时间分割波形交错技术; 同步整流技术(低压大电流高频)； 高频磁技术(

10、兆赫级的非晶、纳米晶磁性材料； PET (压电变压器: Piezo -Electric Transformer); 减小寄生分布参数、便于电力电子系统集成的平面变压器、磁集成、磁电 混合集成)； SiC(碳化硅)等电力半导体器件； 高频和超级电容器(容量大可达数十上百法拉、体积小、充放电快、等 效串联电阻小)。 高频电力电子电路的EMC技术等等。,2. 电力电子器件,电力电子器件是电力电子电路的基础工程实际：许多问题都可归结为如何使用好器件的问题。,一. 电力电子器件: 工作在开关状态、用于功率转换的电力半导体器件。,1. 双极型、单极型、复合型： 两种载流子(多子、少子)都参与导电的器件双极

11、型器件。特点：单管容量大、开关速度低。如，SCR、GTO、GTR等； 只有一种载流子(电子或空穴)参与导电的器件单极型器件。特点：单管容量小、开关速度高。如，功率MOSFET。 单极型与双极型器件混合集成而成的器件复合型器件。开关速度、单管容量介于单、双极型器件之间，如，IGBT、IGCT。,二. 主要类型：,2. 电压驱动型、电流驱动型： 通过在控制端与公共端之间施加一定的电压信号即可实现器件的导通或关断电压驱动型器件。特点：所需驱动功率小。如，MOSFET、 IGBT 、 IGCT。,2. 电力电子器件,通过在控制端注入或抽出一定的电流实现器件的导通或关断电流驱动型器件。特点：所需驱动功率

12、较大。如，SCR、GTO、GTR。,3. 不控、半控、全控型器件： 不能通过控制信号控制器件的通、断不控型器件。如,电力二极管(Power Diode); 通过控制信号只可以其控制导通、不能控制其关断半控型器件。如, 晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件。 通过控制信号既可以其控制导通、又能控制其关断全控型器件。如功率晶体管(GTR: Giant Transistor)、门极可关断晶闸管(GTO: Gate Turn-Off Thyristor)、功率场效应晶体管( P-MOSFET: Power Metal Oxide Semicon-ductor Field Effect Tra

13、nsistor) 、绝缘栅双极晶体管(IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor)以及集成门极换流晶闸管 (IGCT: Integrated Gate Com-mutated Thyristor)等。,三.电力半导体器件基础,为了能够较深刻地理解电力半导体器件的工作特性简单了解有关半导体及其导电机理的一些基本知识。,1. 半导体,三.电力半导体器件基础,电力半导体器件: 由半导体材料制作而成的功率(Power电力)器件. 何为半导体？,(1) 导体: 分为第一类、第二类导体。 第一类导体：主要指各种金属。 特点是导电机构为自由电子，导电不会引起物质的化学性质

14、变化以及物质的质量迁移(金属原子的最外层电子受原子束缚力较弱, 结合成固体时, 最外层电子将不会单独受原来的原子束缚, 而为全体原子所共有价电子: 在外电场作用下很容易挣脱原子束缚形成定向流动，故称自由电子。为与仍被各原子束缚、不能参与导电的内层电子相区别, 这些电子又称载流子。所有载流子即使在绝对零度也是自由的，故载流子密度(典型值: 10281029/m3之间)与原子密度相当、不随温度变化而明显改变。由于导电机构是电子, 所有电子都相同,且质量远小于原子核电子流动不会引起物质的化学性质变化以及物质的质量迁移) 。,第二类导体：主要有酸、碱、盐的溶液等化学电解质。特点是导电机构为 离子(缺少

15、电子或者电子多余的原子或原子团), 由于各种离子的化学成分以及 质量不一定相同, 故导电往往会引起物质的化学性质变化和物质的质量迁移。,(2) 绝缘体又称电介质, 如玻璃、石蜡、硬橡胶、松香、丝绸、瓷器、纯水、,按导电性能的不同, 物体可分为：导体、绝缘体、半导体。,1. 半导体,(3)半导体导电能力介于金属导体与绝缘体之间，且导电能力明显依赖于材料内、外状态的一类特殊物质, 如硅、锗、硒、金刚石以及一些化合物如砷化镓、碳化硅等。 完全纯净、结构完整的半导体称为本征半导体。组成本征半导体晶体的所有原子, 在绝对零度时, 都将其电子(含最外层电子)紧紧束缚在周围，不能象金属中的价电子那样在电场作

16、用下参与导电本征半导体本来不能导电。 随温度上升, 本征半导体中电子的平均能量会随之有所增加, 束缚最弱的外层电子中, 少量获得足够能量者有可能挣脱束缚, 成为可参与导电的自由电子 称为本征激发。 本征激发半导体可以导电，但导电性能很差(本征激发载流子数量很少, 如, 室温下硅的导电电子密度约为1.381016/m3，远不能与载流子密度典型值在10281029 /m3之间的金属相比)。,假使物质的某部分因外界作用而获取电子，获取的电子也会被该部分的原子牢牢吸引住。 假使物质的某部分因外界作用而失去电子, 物质其他部分的电子也不能够前来补缺。 所以这些物质不能导电，除非外电场强大到足以将电介质击

17、穿。,大部分塑料、干燥空气等。特点是原子与其电子之间束缚力很强, 即使有外电场作用, 电子也不能挣脱原子束缚成为导电机构。,电场不为零时, 只有与空穴邻近、且是电场方向上的束缚电子填补的可能性最大, 形成空穴的定向运动 形成沿电场方向的电流(空穴携带正电荷) 。 本征激发出的自由电子携带的是负电荷, 沿电场反方向运动, 也形成沿电场方向的电流。 可见, 本征激发产生的空穴和自由电子都是半导体中的导电机构, 或者说本征半导体中存在空穴和自由电子两种载流子, 并且两种载流子数量是相等的这是半导体区别于金属导体的一个基本特点。,三.电力半导体器件基础,半导体晶体中本征激发出自由电子的同时，在电子原束

18、缚处会留下相应的空缺空穴。 空穴的产生为其临近的束缚价电子提供了填补机会。当某束缚价电子填补空穴成为该处的束缚电子时, 又在其原来所在处留下空穴, 依次延续下去, 形成相当于空穴的移动。,半导体中导电电子密度会随温度上升而指数增加, 这是半导体的一个重要特性。,电场为零时, 这种移动随机发生, 空穴的移动轨迹杂乱无章，体现不出电流流动；,半导体区别于金属导体的另一个重要特征掺杂可使半导体的导电性能大,1. 半导体,为改观。 如, 在硅单晶(族元素, 核外电子排列2, 8, 4)中掺入微量的族元素铝(核外电子排列2, 8, 3; 或硼: 核外电子排列2, 3, 等), 当铝原子代替硅单晶格中的一

19、个硅原子与邻近4个硅原子组成晶格时, 因铝原子少1个价电子, 只有7个价电子为原子束缚, 从而产生1个价电子空缺, 为这块晶格中的价电子填补运动提供了一个机会, 亦即产生一个空穴，如图所示。,该空穴的产生，是由掺杂铝原子单方面引入的，不象本征激发那样伴随自由电子的产生。,尽管掺杂只是微量，但掺杂引入的载流子密度一般比本征激发产生的载流子密度高出若干数量级(10个数量级甚至更多)，致使掺杂半导体中的空穴密度远远高于本征激发的自由电子密度这种空穴导电占优势的半导体称作P(Positive) 型半导体。空穴称多数载流子(简称多子)，电子称作少数载流子(简称少子) 。,同理，在本征半导体中掺杂价电子数

20、比硅多一个的族元素，如, 有5个价电子的磷(核外电子排列2,8,5; 或砷:核外电子排列2,8,18,5, 等)。当磷原子替代硅晶格中的一个硅原子而与邻近4个硅原子组成晶格时, 共有9个价电子，而稳定晶格只需8个价电子, 多出的1个就很容易挣脱磷原子束缚成为自由电子，从而,产生空穴,三.电力半导体器件基础,总之, 通过掺杂可使半导体的导电性能大为改观。通常将未掺杂的半导体就称作本征半导体, 掺杂的半导体称作非本征半导体或掺杂半导体。若掺杂元素为价电子数比硅少一个的族元素称作受主杂质, 因为这样的元素替代硅原子与邻近硅原子组成晶格时会“接受”一个电子。若掺杂元素为价电子数比硅多一个的族元素称作施

21、主杂质, 因为这样的元素替代硅原子与邻近硅原子组成晶格时会“施出”一个电子。,产生自由电子导电占优势的N (Negative)型半导体。这里电子为多子，空穴则为少子。,实际半导体材料不可能100%纯净, 会含数种杂质。一般而言，产生同一极性载流子的杂质(如硼和铝均是产生空穴载流子，磷和锑均是产生电子载流子)作用总效果是相加的，产生相反极性载流子的杂质作用总效果是相减的。亦即： 半导体材料中受主杂质与施主杂质的同时存在，不能象本征激发那样同时产生导电空穴和电子，只能作用相互抵消称作杂质补偿效应。利用该效应可使多数常用半导体在P、N两种导电类型之间相互转化。 若使受主与施主杂质浓度相等称作高度补偿

22、，相当于净杂质浓度为零，可使半导体“重新恢复”两种载流子密度相等状况。但此时半导体的导电性将不如本征半导体，因为掺杂会降低载流子的迁移率，且掺杂浓度越高影响越大。,2. PN结,掺杂的方法主要有合金法、扩散法、离子注入法等。,2. PN结,PN结P型与N型半导体的结合部，是电力半导体器件的基本构成要素。,通常PN结处不应有晶体结构的改变，即，原子的周期性和规则性排列在PN结处必须连续。 一块P型与一块N型半导体的机械接触难以实现这种原子之间的连接，一般通过掺杂或外延生长方法形成PN结。,(1) PN结生成方法,合金法先在N型(或P型)单晶硅片上淀积一层异型掺杂物，施加适当温度，使两者在界面处形

23、成共融体，再逐步降温使两者析离，借以形成具有连续晶体结构的异型掺杂层。以N型硅片上掺杂铝为例:,Al,N型硅上放置 薄铝片,合金法形成的PN结，杂质浓度改变具有突变性：在N型硅单晶中的原有施主杂质浓度近似均匀分布，再结晶形成的P型区中的净受主杂质浓度则突变,三.电力半导体器件基础,扩散法 先在N (或P)型单晶硅片上热生长一层二氧化硅(SiO2) 薄膜，利用光刻在二氧化硅薄膜上刻蚀一个窗口，将其置于P (或N)型掺杂剂环境中，在高温下让杂质原子从窗口的单晶硅表面向硅片体内缓慢扩展，从而形成PN结。过程如图所示。,为浓度较高的均匀分布称突变结, 如图所示。,SiO2,N型硅片上生长 SiO2薄膜

24、,扩散法形成的PN结出现在扩散杂质与硅片体内原有杂质浓度相等的高度补偿处，且杂质浓度分布的改变比较平缓，从P型到N型的转变是渐进的称缓变结。若结深Xj处的杂质浓度分布可用该处的切线近似表示线性缓变结。若结深Xj较小、掺杂浓度又较高，则Xj处浓度梯度很大可简化为单边突变结。,突变结,合金法因杂质浓度和掺杂层厚度不易精确控制，早期较为多用，现不多用。,杂质扩散,三.电力半导体器件基础,缓变结,单边突变结,离子注入法 离化掺杂原子，令其瞄准硅片加速、穿透硅片表面、渗入体内一定深度以形成PN结。 此法掺杂均匀性好、精确、重复性高，是较为理想的掺杂方法。但掺杂离子穿透硅片表面前需加速到具有数十keV(k

25、eV: 一个带有1.61019库仑电量的电子经过1kV电场加速所获动能)的动能，所需设备复杂、初期投资成本高。,大功率电力半导体器件多采用扩散法形成PN结。,外延生长法 在高温下(如, 11000C) ，使含有掺杂的硅气体(气相外延)或液体(液相外延)化合物流过表面精细加工过的N型(或P型)硅晶衬底(基片)，化合物中热分解出的硅原子和微量杂质原子会沉积在硅晶基片表面，并按照硅单晶的原子排列规则延续成新结晶层(薄膜)。,不同的掺杂化合物延续成不同类型的结晶薄膜。若结晶薄膜与基片是异型的，就形成PN结。若掺杂薄膜与基片是同型的，就形成浓度不同的NN结或PP结称高低结(号表示高浓度掺杂) 在制造功率

26、器件时可采用此方法改善器件某些性能，如，功率二极管采用PNN或PPNN结构以改善耐压能力和正向特性。,2. PN结,外延生长结晶中的杂质含量可由掺杂化合物中的掺杂浓度以及其他工艺参数精确控制，容易形成掺杂浓度分布均匀的理想突变结。但是生长层越厚，结晶晶体的完美性越难保证，对衬底基片的要求越高，故在高耐压电力电子器件制造工艺中较少采用，而在功率集成电路和一些新型电力电子器件制造工艺中普遍采用。,(2) PN结形成及其单向导电机理,P型与N型半导体在物理上接触一起时，交界两侧存在电子与空穴的浓度差异(浓度梯度)。在无规则的热运动中，首先从界面两侧附近开始，N区的电子将向P区扩散，留下带正电荷的杂质

27、离子(这些杂质离子在晶体点阵中有其固定位置，不能随意移动，故不能参与导电)，形成一层正电荷区域。同理，P区的空穴将向 N区扩散，留下带负电荷的杂质离子，形成一层负电荷区域，从而在界面两侧形成一个由N区指向P区的电场 称内电场或自建电场，如图所示。,N型区,P型区,空间电荷区,内电场方向将阻止扩散的持续进行，并会使电子与空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，削弱内电场。扩散与漂移相互联系又相互矛盾，二者在一定温度下达到动态平衡时，形成一个总量不变、稳定的由空间电荷构成的“空间电荷区”。,三.电力半导体器件基础,在整个空间电荷区范围，正负电荷数量相等，整体保持电中性 称PN结。,空间电荷区又称耗尽

28、层，因为该区域中的多子已经扩散到对方被复合掉，该区域中的多子浓度与P区和N区的多子浓度相比低得多，如同被耗尽一样。空间电荷区 也称阻挡层，因为它削弱载流子的扩散能力，阻止扩散运动的持续进行。空间电荷区 还称势垒区，因为内电场存在使得N区电位高于P区电位接触电位差，这是由于电子的势能变化引起， N区电子向P区扩散必须越过这个能量高坡势垒。,接触电位差是PN结的重要特性参数之一，其大小与温度T、P区的受主杂质浓度Na、N区的施主杂质浓度Nd等有关。对于突变结，接触电位差U0可近似为：,式中q为电子的电量(q=1.6021019库仑)，k=1.38 1019焦耳/K(Kailvon,绝对温度) 玻尔

29、兹曼常数。nT 温度为T时的本征载流子密度，一般T nT 。常温下可计算出硅PN结的U00.7V。,若在PN结上外加正向电压VF，即P区接VF正端， N区接VF负端，外加电场与内电场方向相反，如图所示，则使内电场削弱，打破扩散运动与漂移运动的原有平衡，使扩散运动得到增强，产生N区电子流向P区以及P区空穴流向N区,2. PN结,的扩散电流。 N区电子通过空间电荷区进入P区成为P区少子，P区空穴通过空间电荷区进入N区成为N区少子 称少子注入效应。由于注入的少子与被注入区多子的复合原因，少子注入并不会在PN结边界处形成积累而反过来增强内建电场。从而在外电路作用下会形成稳定的、源源不断的扩散电流。若外

30、加正向电压VF升高，则会进一步削弱内电,若在PN结上施加反向电压VF，即P区接VF负端， N区接VF正端，外加电场与内电场方向相同，则使空间电荷区电场增强，进一步强化载流子的漂移运动和对扩散运动的抑制 PN结边界处P区一侧的少子(电子)将被空间电荷区的强电场扫向N区，N区一侧的少子(空穴)也会被空间电荷区的强电场扫向P区，这些少子被强电场扫走之后中性区的少子通过扩散流向PN结边界处，在外电路作用下形成源源不断的反向电流 称少子抽取效应。,场、增大扩散电流。故正向偏置的PN结呈现为一个很小的电阻，流过较大的正向电流。,由于少子浓度在一定温度下是一个常值，且一般远远低于多子浓度，因此PN结的反向电

31、流是一个几乎与外加反向电压无关的很小的“饱和”电流，一般为微安数量级。亦即，反向偏置的PN结呈现为一个很大的电阻，对反向电流具有阻断能力，只会流过很小的反向“漏电流”，这就是PN结的单向导电性。,三.电力半导体器件基础,Is 反向饱和电流; V 外加电压; T 绝对温度; q 电子电荷量; K 玻尔兹曼常数; VT 温度的电压当量(常温时约0.026V),分析该式可知，若外加正向偏置电压V远大于VT ，式中指数项则远大于1，正向偏置电流随V的增加呈指数规律上升。而反向偏置时，外加电压V为负值，式中指数项随V绝对值的增加很快衰减到零，I反向饱和电流(Is), 为一个常数，不随外加电压变化。,(3

32、) PN结的反向穿通与反向击穿,反向偏置的PN结具有一定的反向耐压能力。但反向电压过大，超过一定限度，反向电流就会急剧增大，破坏PN结的反向阻断能力反向穿通或击穿。,根据理论分析，PN结的电流电压关系可用下式近似表示：,反向耐压很高、正向导通电流容量又很大的PN结容易出现反向穿通问题。,2. PN结,雪崩击穿：反向电压增大空间电荷区的电场强度增大从中性区漂移进入空间电荷区的载流子被加速，获取很高动能这些高能量、高速载流子撞击晶体点阵原子使其电离(碰撞电离) ，产生新的电子空穴对新产生的载流子也被加速获取能量，产生新的碰撞电离，使载流子迅速成倍增加 即雪崩倍增效应，导致载流子浓度迅速增加，反向电

33、流急剧增大 PN结反向击穿。,反向击穿分为雪崩击穿、齐纳击穿。,这种PN结通常是一侧为重掺杂、另一侧为轻掺杂的、电阻率较高的单边突变结，为减小正向导通时的功率损耗，轻掺杂区的厚度都尽量减小。当PN结反向偏置时，空间电荷区就会主要在轻掺杂一侧扩展，外加电压将主要由轻掺杂一侧承受。若掺杂均匀性不高，存在更低掺杂区，在高反压条件下，空间电荷区扩展就很可能突破更低掺杂区而与电极直接连通，从而直接从电极抽取载流子，使反向电流急剧增大。硅P+N型的单边突变结，穿通电压可表示为：,q电子电荷量；NN区掺杂浓度； W厚度；0 介电系数。,由于载流子获取足以电离晶体点阵原子的动能需要足够加速距离，新生载流子在进

34、入中性区之前有较多碰撞机会也需足够宽度，雪崩击穿一般发生在空间电荷区较宽、且是轻掺杂侧。,三.电力半导体器件基础,齐纳击穿：亦称隧道击穿, 一般对于重掺杂的PN结(一些特殊器件，如大电流容量)才会发生。重掺杂浓度的PN结，一般空间电荷区很窄，空间电荷区中的电场因其狭窄而很强， P区与N区之间能带间距也很小 反偏又使空间电荷区中的电场强度增加，能带间距进一步减小 空间电荷区中的晶体点阵原子直接被电场电离，从P侧价带释放出价带电子参与导电(相当于从P区价带而不是导带直接抽取电子) 使反向电流急剧增加。,NN区掺杂浓度。,假定N从1019/m3 提高到51020/m3，则UB将从大约9500V降低为

35、500V左右。,雪崩击穿电压会随轻掺杂区的掺杂浓度升高而降低，如，硅P+N型的雪崩击穿电压可表示为：,上述两种击穿形势都是可逆的，即，只要在外电路中采取适当措施，使反向电流限制在一定范围内，保证反向电压与反向电流的乘积不超过PN结允许的耗散功率，在反向电压降低后PN结仍可恢复原来状态。但是，无论是正向还是反向偏置，如果流过PN结的电流与其电压乘积超过PN结的允许耗散功率，就很可能因热量积累导致PN结温度上升，超过PN结的耐温极限，造成PN结的永久损坏。,2. PN结,(4) PN结的电容效应,PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应 称结电容。,结电容影响PN结的工作频率，尤其是在高频情

36、况下，会使其单向导电性变差，甚至无法工作。,PN结电容主要由势垒电容和扩散电容组成。,势垒电容。 PN结存在空间电荷区，由于空间电荷区中没有可动电荷，犹如一层绝缘介质。对于平面结，空间电荷区两侧的低阻N型和P型中性区如同两个可以存放电荷(载流子)的极板，与空间电荷区一起构成一个电容器。由于空间电荷区是载流子的势垒区 故称此电容为势垒电容。 电容的基本功能是充放电，势垒电容的充放电是通过空间电荷区宽度的改变来进行的。当PN结正偏、正偏电压增加以及反偏电压减小时， N区和P区的多数载流子进入阻挡层，与边界处的相反极性的空间电荷中和，使空间电荷区宽度变窄，相当于将这些载流子存放在空间电荷区充电。当P

37、N结反偏、反偏电压增加以及正偏电压减小时，空间电荷区两侧边界处产生离化，释放出部分载流子，空间电荷区变宽放电。 势垒电容大小与PN结截面积、阻挡层厚度有关。一般而言， PN结截面积越大势垒电容越大，阻挡层厚度越厚势垒电容越小。但是势垒电容不是一个,三.电力半导体器件基础,常数，其大小会随外加电压不同而改变。并且只有在外加电压变化时势垒电容才起作用，外加电压变化频率越高，势垒电容作用越显著。,扩散电容。 PN结的正向电流是由P区的空穴与N区的电子相互向对方扩散形成的。 PN结正偏时，大量电子由N区进入P区，成为P区的少子。同样大量空穴由P区进入 N区，成为N区的少子称作少子注入效应。但是这些进入

38、P区的电子并不能立刻与多子空穴复合，进入N区的空穴也不能立刻与多子电子复合，而是在靠近阻挡层的一定距离内(称扩散长度)一边继续扩散，一边复合后消失(直到消失所需平均时间称作少子寿命)。因此，在扩散长度内也积蓄有一定数量电荷，随正向电压变化也具有电容性质扩散电容。 扩散电容是由PN结正偏的少子注入效应所产生， PN结反偏没有少子注入效应问题，因此，只有在PN结正偏情况下才能明显体现出扩散电容问题。并且正偏电压越高、正向电流越大，扩散长度内积蓄电荷数量就越多，扩散电容作用越显著。扩散电容同样也不是一个常数。,综上所述，PN结电容主要由势垒电容和扩散电容组成。在PN结正偏状态下，当正向电压较低时，扩

39、散运动较弱，扩散电容相对较小，势垒电容相对占主要成份。正向电压较高时，扩散运动加剧，扩散电容近似按指数规律上升，扩散电容则成为主要成份。 PN结反偏时，扩散运动被强烈抑制，扩散,2. 电力电子器件,四. 常用电力电子器件：,1. 电力二极管(Power Diode),电容很小，PN结电容则以势垒电容为主，如图所示。,四. 常用电力电子器件：,四. 常用电力电子器件,2. 晶闸管(Thyristor),3. GTO(Gate Turn-Off Thyristor),4. MOSFET(Power Metal Oxide Semicon-ductor Field Effect Transistor

40、),5. IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor),6. IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor),导通: G1与G2同时驱动； 关断: G1先工作，部分主电流由阴极向门极幻想， 尔后G2关断，此段转换时间约1s。,7. 宽禁带半导体电力电子器件,2. 电力电子器件,自我熟悉各种电力电子器件相关内容： (1) 类型及特点； (2) 通、断过程机理； (3) 特性、主要性能参数及其意义； (4) 电路运行条件对器件性能或特性的影响； (5) 驱动及要求； (6) 使用保护(电压保护、电流保护等)。,耐高温：最高工

41、作温度有可能超过600oC; 耐高压：击穿电场强度高； 电流容量大、通态压降小：通态电阻比(器件单位面积的通态电阻)同功率 等级硅器件的1/1001/200； 工作频率高：相比同功率等级的硅MOS器件工作频率至少提高10倍以上， 等等。,一些宽禁带半导体电力电子器件已经商品化，如，1200V/20A的Sic肖特 基二极管系列产品已有出售；一些Sic-MOS器件已经投入使用等等，详细 可查看宽禁带半导体电力电子器件及应用，陈治明、李守智编著，机械 工业出版社，2009年1月。,四. 常用电力电子器件, 通、断过程机理分析,t t1, uD由反向偏置转为正向, t t2, 二极管正偏导通, iD缓

42、升。器件在导通期存在动态压降, uD可表示为：,器件导通初期，器件电阻主要是掺杂浓度较低的N区欧姆电阻(中央区电阻), 阻值较高且基本稳定, uD随iD增大而升高。iD达到一定值后，由于注入并累积在N区的空穴(少子)不断增加，使电阻率明显降低, N区电阻随iD增大反而下降电导调制效应。电导调制效应使uD在达到峰值Ufm后转为下降。, 类型：根据不同导电机理：结型(PN结型，双极型器件)、势垒型 (单极型器件)；根据不同反向恢复速度：普通型、快速及超快恢复型；根据不同反向电流衰减速度：硬恢复、软恢复型。,2. 电力电子器件,五. 电力电子器件的缓冲电路：,1. 耗能式缓冲电路,电力电子器件由断态

43、转为导通时： 可能流过较大di/dt，对开关器件造成di/dt损害； 开关S 两端电压与流过S 的电流可能同时为最大，造成较大开通损耗，如图所示 需施加开通缓冲电路。,(1) 开通缓冲,Lon: 缓冲电感; Don: 续流二极管; Ron: 耗能电阻; Lson: 饱和电感起始Lson为高阻抗 uC 下降到零 iC 最大 Lson 处于饱和开通缓冲效果更佳。,t,2. 电力电子器件,五. 电力电子器件的缓冲电路,(2) 关断缓冲,S由通态转为关断时： 可能出现过大瞬时电压尖峰(回路中电感或杂散电感引起)以及过大di/dt (易使器件误通) ，对S造成电压损害； 开关S 两端电压与流过S 的电流

44、可能同时为最大，造成较大开通损耗，如图所示 需施加关断缓冲电路。,2. 电力电子器件,(3) 复合缓冲,将开通缓冲与关断缓冲二者结合起来，可组成如图所示 的复合缓冲电路。 S开通时， Lon缓冲电流上升率，抑制di/dt。 S关断时，C经D旁路S，吸收关断时电路中的额外能量，防止关断瞬时电压尖峰对S造成损害。 S再开通时， C经R、Lon、S放电，为吸收S再次关断时的额外能量做好准备。,2. 馈能式(无损)缓冲电路,(1)馈能式开通缓冲电路,无源馈能式开通缓冲如图所示。缓冲电路接有匝数比1:N、同名端相反的变压器。S开通时， 变压器一次侧具有一定电感，起缓冲电感作用。 S关断时，变压器中的储存

45、能量经Don回馈电源VCC。匝数比大小会影响电路工作：N越大，会降低 S的承受电压，回馈能量越快。但会使Don耐压水平提高，同时会使变压器铁芯恢复时间加大，反过来又影响能量回馈速度，使用中应综合考虑匝数比的大小设置。,无源馈能式 开通缓冲,五. 电力电子器件的缓冲电路,如图所示为有源馈能式开通缓冲电路，SMPS为开关电源电路。S关断时，Lon中的储存能量经D0转移给C0。SMPS 将C0上的较低电压转换为适合向电源回馈的较高电压。C0充电时间长短与S关断时流过Lon的电流大小有关，适当控制SMPS可使C0电压保持恒定，也可改变C0充电电流使Lon恢复时间维持恒定。,(2)馈能式关断缓冲电路,无

46、源馈能式关断缓冲如图所示。S关断时, Cs经Ds充电吸收能量。S开通时, Cs经L0、D0、C0 和S回路产生振荡，将Cs的储能转移给C0 ，极性如图中所示。 S再次关断时, Cs再次充电储能，C0经Dc向负载RL放电，使能量得到回馈。 电路参数设计的关键是：在S开通时段内，振荡回路足以保证将Cs的储能完全转移给C0。否则，Cs上形成的能量积累将严重影响Cs 在S关断时的吸收效果。,2. 电力电子器件,如图所示为有源馈能式关断缓冲电路。 S关断时, Cs经Ds充电吸收能量。S开通时, Cs经 S 、C0 、L0 和D0回路产生振荡，将Cs的储能转移给C0 ，极性如图中所示。 SMPS 将C0上

47、的较低电压转换为合适的电压向电源回馈或作他用。 与无源馈能式关断缓冲电路相类似，参数设计的关键是：在S开通时段内，振荡回路足以保证将Cs的储能完全转移给C0。,(2)无源馈能式复合缓冲电路,将无源馈能式开通缓冲与关断缓冲二者结合起来，可组成如图所示的复合缓冲电路。 L0在S开通时起抑制di/dt 作用，并且Cs经D0 、C0 、L0 和 S回路将Cs的储能转移给C0 。 S关断时， Cs经Ds充电吸收能量，并且C0 、L0 并联将存储能量经DC馈送给负载RL。,六. 电力电子器件的散热,2. 散热途径,器件流经电流 功耗发热结温升器件特性变化(影响电路工作性能) 甚至器件永久性热损坏。散热直接

48、影响器件使用寿命。 尤其功率器件芯片面积大温度分布不均，存在局部过热点规定最高工作结温 本征失效温度。散热影响器件额定电流使用(低温超导为例)。 硅器件为例: 一般商业用135150oC; 军用125 135oC; 航天及超可靠要求场合105oC。锗器件更低。,1. 散热必要性,热对流：被加热介质移动带走热量。自然对流(如, 被加热介质变轻飘升), 强迫对流(如, 依靠外界力量迫使被加热介质移动)。,A: 辐射表面有效面积； Ts: 辐射表面温度； Ta: 环境温度。,e: 辐射表面发射率(材料、表面光洁度、颜色等有关,如黑色e1,其他色e1)。,热辐射：以电磁波形式传输热能。贝叶蒂传输公式：

49、,2. 电力电子器件,六. 电力电子器件的散热,热传导：根据物质的导热特性，使热量从高温点流向低温点，介质相对位置固定。一般有：,显然：传导有效面积越大、导热系数越大，热传导效果越好。,常见材料导热系数,2. 散热途径,k: 导热系数(W/m.oC )。,2. 散热途径,热传输是多维的，关系复杂，精确计算不易。实际工程中计算误差一般在5 10oC即属正常。,由热传导公式：似乎传导距离越短，热传导越好。是否说与器件相配的散热器片越薄越好呢？请思考。,三种散热方式不是孤立的，在日常热量传递中，三种散热方式一般都是同时发生、共同发挥作用，只是侧重有所不同。如，电力电子器件散热主要热传导；高空真空中主

50、要热传导 + 热辐射。,2. 电力电子器件,六. 电力电子器件的散热,3. 热路、热阻(Thermal resistance),以电路形式等效表示热传输 热路(热传输等效模型):,热路欧姆定律：,2. 电力电子器件,3. 热路、热阻,热阻的实际用处在于：已知电力电子器件的耗散功率、热阻以及环境温度情况下，可以计算获知器件的结温升(是否会超过允许结温) 。或者，已知电力电子器件的热组、耗散功率、允许结温以及环境温度情况下，计算获知需要配置的散热器热阻 合理设计散热器，确保器件安全使用。,出于设计裕量考虑：器件允许结温一般参照军用要求的125 oC；环境温度考虑恶劣情况: 40-60 oC；P应考

51、虑器件的最大耗散功率；器件结壳热阻RJC 大小主要取决于器件管芯大小以及封装材料结构等，可由器件产品数据查知，几种封装的典型热阻数据如下：,接触热阻RCR与器件外壳的材质、厚度、封装方式、是否带散热板以及与散热板结合紧密程度等有关。几种封装方式的典型热阻数据如下：,3. 热路、热阻,六. 电力电子器件的散热,恒定耗散功率通过器件或切断物体具有热容量，热惯性使器件温度逐渐上升、下降，升、降温均有一个瞬变过程需用瞬态热路描述。,瞬态热路、瞬态热阻抗：,瞬态热阻抗 散热器、电力电子器件的产品手册中一般有如图所示的 热阻抗曲线可供查阅。,稳态热阻反映热路处于热平衡状态的情况，即管芯发热率与散热率相等时

52、，器件达到稳定温升，结温不再升高。但电力电子器件是工作在脉冲状况，对于占空比很小且工作频率不高等情况，稳态热阻描述尚欠细致。,2. 电力电子器件,3. 热路、热阻,根据tp、 , 由热阻抗曲线查得r(tp) Z =RJC . r(tp) 计算T, 获知温升。,瞬态热阻抗的实际意义在于：器件流过恒定平均电流可用稳态热阻概念计算选配散热器；对于冲击性负载或低工作频率且占空比很小时，器件及散热器尚达不到热稳定状态应用瞬态热阻抗概念计算选配散热器，避免选配容量过大造成浪费(且增大体积、增加成本) ；对于频繁过载的负载，又要适当增大选配裕量，防止瞬态结温超过规定结温。,当耗散功率持续时间热时间常数 (=

53、RT . CT)的5倍时，应视作持续恒定负载，采用稳态热阻概念计算选配散热器。,4. 散热器,六. 电力电子器件的散热,电力电子器件使用时一般都要加装散热器增大导热面积。,散热器制作材料：导热最好银和铜，其次金、铝。但金、银昂贵目前散热片主要由铝和铜制成。其中铜比重大且价格较贵、加工工艺复杂、热容量较小、容易氧化除特殊场合使用铜铝结合(如功率集成底座铜、体身铝)甚至银(如航天)外，散热器多采用较轻的铝或铝合金制成(纯铝太软，铝合金有足够硬度且价格更低廉、重量更轻)，缺点是导热性比银和铜差 。,在保持散热器体积不变情况下，散热器形状多用翅片、表面粗糙化或螺纹等办法来增大表面积以提高散热效率。下面

54、是几种散热器常见形状：,叉指型,翅状型材,4. 散热器,2. 电力电子器件,散热器的散热效率与多种因素有关。例如，除了与材质有关外，尚有：,与有效散热面积有关。有效散热面积越大，散热效果越好。故散热器大都采用翅状以尽可能增大散热面积，只有很小功率的器件才采用光板状。,与散热器形状有关。如翅状散热器的散热能力与翅片的间距宽度(垂直于气流方向)近似为线性关系，与翅片长度(平行于气流方向)的平方根近似为线性关系。即是说，散热器宽度增加一倍，散热能力提高一倍，翅片长度增加一倍，散热能力提高约0.4倍。又如，叉指型散热器，利用“散热指”形成的“烟囱效应”，有利于热对流，相同热阻情况下，叉指型较其他形状散

55、热器体积更小、重量更轻。,与散热器厚重与否有关。散热器越厚重，储热能力越强，越能快速将器件的发热转移给散热器。,与散热器的摆放方式有关。如，风冷散热器摆放应使翅片间的气流通路与风向一致，以减小风阻利于散热。自然冷却的散热器，翅片竖直向上较向下更有利于散热(气体受热轻杨)；垂直摆放较水平摆放更有利于气流带走热量，相应热阻降低可达15%20%，等等。,4. 散热器,六. 电力电子器件的散热,与散热器表面处理及色泽有关。散热器一般要进行电镀涂漆或黑色阳极氧化表面处理，以提高散热效率及绝缘。散热器表面粗糙较之光滑更有利于散热(粗糙: 有效散热面积增大)；表面着黑色较之其他颜色更利于热辐射。表面黑色散热

56、器较之表面光亮散热效率提高可达15%20%。,与散热器通风条件有关。通风条件对散热器的散热效率影响甚大，下表示出不同通风条件对某类散热器体积热阻典型范围 (散热器体积热阻=体积热阻，该值越大散热器越显笨重)以及所呈现热阻的影响。,5. 散热措施,2. 电力电子器件,主要有：自然冷却、风冷、液冷(水、油冷)、化学制冷、热管技术等，下表示出一些冷却方式的散热系数比较。设计者应根据功率器件的大小、工况、使用条件、成本等实际因素选用合适的散热方案。,5. 散热措施,(1) 空气自然冷却(air-cooling)：依靠空气自然对流和热辐射散热。通常用于额定电流较小(多为50 A以下)或简单装置简单、易维

57、护，散热效率最低。,(2) 风冷(wind-cooling): 外加风机强迫空气对流散热。一般用于额定电流较大(50 A500A)的装置, 风速一般小于6m/s散热效率是自然冷却的2 4倍。,风机主要有轴流风机、离心风机(也有称涡轮风机)两种。轴流风机向下吹风使用最广泛综合效果好且成本低廉；将轴流风机的方向反过来变成向上抽风的形式也称抽风机，也较常见。 两种送风形式的差别在于气流形式不同：吹风产生的是紊流，风压大却易受阻力损失(部分气流冲至散热器底面并反弹，影响散热器内的气流运动方向，使热交换效率受损) ; 抽风产生的是层流，风压小但气流较均匀稳定。理论上讲层流的换热效率比紊流要差，但对翅片过

58、于紧密的散热器，气流受翅片阻碍很大，采用抽风往往会有更好效果。 轴流风机受电机位置阻挡，气流不能流畅通过鼓风区域中部存在风力盲区。对于那些风机与散热器距离较近、散热器又位于中部的情况，散热效果大打折扣可考虑采用离心风机。,六. 电力电子器件的散热,下面就各种散热方案作一些较为详细介绍。,5. 散热措施,离心风机可以消除轴流式风机轴心部分的风力盲区，使风力更加均匀。 离心风机的叶片旋转是在垂直平面内进行, 进风口位于风机侧面, 鼓风方向上没有障碍物, 使散热器底面接收的气流分布较均匀, 各个位置几乎都有同样气流。同时其风压和风量的调节范围更大, 转速控制效果更好。 此外还有采用专门风道以强化散热

59、效果, 林林种种, 不做逐一介绍。,(3) 液冷(liquid-cooling)：液冷利用液体热容量比空气大、冷却能力比风冷大的特点，可分为浸渍冷却和强迫液冷：浸渍冷却将元件、器件连同电路板直接浸入冷却液中，利用冷却液的对流和汽化进行冷却；强迫液冷 液体在泵的带动下强制循环带走散热器热量。 液冷主要有水冷、油冷，相对水冷，油冷不结露、电气绝缘性好，高压、电力系统多用 。但油冷散热效率不如水冷，且昂贵。,风冷方式尤其要注意散热器的摆放方向使散热器翅片之间的气流通路与风向一致。并注意散热器分：风冷散热器一般给有热阻与风速关系曲线可供查用确定合适风速自冷、风冷、水冷之, 选择合适风机。 风冷实现简单，经济可靠，使用较多。但噪音大、相对自冷以外的其他散热方式，散热效率较低(只有自冷的 2 4倍) , 还受环境温度制约。,2. 电力电子器件,5. 散热措施,六. 电力电子器件的散热,水冷散热有直流式、循环式： 直流式水流过冷却物体直接排放造成水资源浪费；水中所含化学杂质排入地下污染地下水等，多为早期使用，现已逐步被循环式替代。,水冷散热