電力電子器件

1、第一章 電力電子器件電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。掌握各種電力電子器件的特性和使用方法。1.1電力電子器件概述：1.1.1概念和特征概念主電路Power circuit:在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。電力電子器件Power electronic device:直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制任務(wù)的電子器件特征n 承受電流和電壓的能力是其最重要的參數(shù)n 一般工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通態(tài)阻抗很小，近于短路，管壓降近于零，電流由外電路決定。斷態(tài)阻抗很大，近于開(kāi)路，電流近于零，電壓由外電路決定。因此開(kāi)關(guān)特性和參數(shù)是重要方面n 電力電子器件由信息電子電路控制。普通信息電子

2、電路信號(hào)一般不能直接控制電力電子器件，一般需要中間電路對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。n 散熱設(shè)計(jì)。通態(tài)損耗=通態(tài)壓降*通態(tài)電流；斷態(tài)損耗=斷態(tài)壓降*斷態(tài)電流。開(kāi)關(guān)損耗，驅(qū)動(dòng)電路注入損耗1.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成n 系統(tǒng)=控制電路+檢測(cè)電路+驅(qū)動(dòng)電路+主電路 控制電路按照檢測(cè)電路的信號(hào)和系統(tǒng)的工作要求，形成控制信號(hào)。 電氣隔離 保護(hù)電路n 電力電子器件三端子：兩端連接于主電路流通主電流，第三端（控制端）與公共端之間施加觸發(fā)信號(hào)。公共端一般是電流流出端。1.1.3 電力電子器件分類(lèi)n 按可控程度： 半控，可控制開(kāi)通，不能控制關(guān)斷 全控：可控制開(kāi)通，可控制關(guān)斷 不可控n

3、 按控制信號(hào)性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型 電壓驅(qū)動(dòng)型（場(chǎng)控）n 按載流子 單級(jí)型 雙極型 復(fù)合型1.2 電力二極管n 外觀n 結(jié)構(gòu) n 符號(hào) n 電力電子器件實(shí)際上是由面積較大的PN結(jié)，兩短引線和封裝組成的n PN結(jié) n 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：有濃度高的想濃度低運(yùn)動(dòng)n 漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)n 擴(kuò)散漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)（也叫阻擋層、耗盡層、勢(shì)壘區(qū)），就是PN結(jié)。n 單向?qū)щ娦?正向偏置P+N-,外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，PN結(jié)變窄，擴(kuò)散漂移，形成擴(kuò)散電流，叫正向電流IF。正向?qū)顟B(tài)。 IF較小時(shí)，二極管電阻主要是低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，數(shù)值較高且為常量，IFUF。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：IF較

4、大時(shí)，注入并積存在低摻雜N區(qū)的空穴濃度會(huì)很高，為保持電中性，電子濃度也會(huì)大幅度增加，是電導(dǎo)率大大增加。 反向偏置：P-N+,外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，PN結(jié)加厚，漂移擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流。稱(chēng)為反向電流IR，溫度一定時(shí)，IR趨于恒定，成為反向飽和電流Is，高阻態(tài)，反向截止?fàn)顟B(tài)。n 反向擊穿：雪崩、齊納n 電容效應(yīng)：Qpn=f(Uf),Cj=勢(shì)壘Cb+擴(kuò)散Cd，Cb只在外加電壓變化時(shí)起作用，外加電壓頻率越高越明顯。像平板電容器。Cd在正偏時(shí)起作用，正向電壓較低時(shí)勢(shì)壘電容為主，正向電壓較高時(shí)擴(kuò)散電容為主。1.2.2 電力二極管的基本特性n 靜態(tài)特性 n 動(dòng)態(tài)特性 關(guān)斷過(guò)程 延遲時(shí)間：td=t1-t0

5、下降時(shí)間：tf=t2-t1 反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf 回復(fù)特性的軟度Sr=tf/td 開(kāi)通過(guò)程1.2.3 電力二極管主要參數(shù)n 正向平均電流IF(AV)：在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略。 當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。n 正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。 有時(shí)參數(shù)表中也

6、給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降。n 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3。 使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定。n 最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。n 反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)間。n 浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的

7、過(guò)電流。1.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。 在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類(lèi)型的電力二極管。 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。n 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱(chēng)整流二極管（Rectifier Diode）； 多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中； 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5ms以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要； 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。n 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode FRD） 恢

8、復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5ms以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱(chēng)快速二極管， 工藝上多采用了摻金措施， 有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)， 有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)， 采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下。 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。 n 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Ba

9、rrier DiodeSBD），簡(jiǎn)稱(chēng)為肖特基二極管。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用。 肖特基二極管的弱點(diǎn) 當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿(mǎn)足要求，因此多用于200V以下。 反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) 反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）， 正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖， 在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管， 其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高 。1.3半控型器件晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（S

10、ilicon Controlled RectifierSCR）1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝， 引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端， 對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便， 平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。工作原理：Ic1=a1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=a2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4）式中a1和a2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式（1-1）（1-4）可得 1

11、-5） 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下a 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，a 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，a1+a2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和 開(kāi)通（門(mén)極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致a1+a2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況： 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)， 陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高， 結(jié)溫較高， 光直接照射硅片，即光觸發(fā)。光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱(chēng)為光控

12、晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)： 承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通； 承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通； 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用； 要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。1.3.2 晶閘管的基本特性（1）正向特性 IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。 正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。 隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。

13、 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 反向特性類(lèi)似二極管的反向特性。 反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流流過(guò)。 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。1) 開(kāi)通過(guò)程 延遲時(shí)間td (0.51.5ms) 上升時(shí)間tr (0.53ms) 開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）2）關(guān)斷 反向阻斷回復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷回復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr(幾百微妙)1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。UdrnUbo 反向重復(fù)峰值電壓URRM， 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)

14、，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。Urrm=0.9*Ursm,Ursm BUcex BUces BUcer Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。2) 集電極最大允許電流Icm 通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic 。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。3) 集電極最大耗散功率PCm最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。4) 二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。 只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊

15、穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(單極型器件) 分為結(jié)型和絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡(jiǎn)稱(chēng)電力MOSFET（Power MOSFET） 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT）n 電力MOSFET的種類(lèi) 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOS

16、FET的結(jié)構(gòu)n 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和原理 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)為VMOSFET（Vertical MOSFET） 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 多元集成結(jié)構(gòu) 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零, P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS, 當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消

17、失，漏極和源極導(dǎo)電 。 UT稱(chēng)為開(kāi)啟電壓,UGS超過(guò)UT越多,導(dǎo)電能力越強(qiáng).n 基本特性靜態(tài) 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性 ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs=dId/dugs 截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū)） 工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。動(dòng)態(tài) Ton=tdon+tr Toff=tdoff+tfn 主要參數(shù) 跨導(dǎo)Gfs，開(kāi)啟電壓UT,tdon

18、,tr,tdoff,tf 漏極電壓Uds 漏極電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 柵源電壓UGS,絕對(duì)值小于20V 極間電容，MOSFET三個(gè)極之間分別存在極間電容CGS,CGD,CDS,手冊(cè)提供漏源極短路時(shí)的輸入電容CISS,共源極輸出電容COSS，和反向轉(zhuǎn)移電容CRSS.其關(guān)系是：CISS=CGS+CGD,CRSS=CGDCOSS=CDS+CGD輸入電容可用CISS代替。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT NOSFET+GTR復(fù)合器件n 三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件通斷由柵射極電壓uGE決定。 導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。 通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。 簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。n IGBT的基本特性 IGBT的靜態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性n 主要參數(shù) UCES I