伺服系統(tǒng)第2章課件電力電子器件

電力電子器件

第2章第2章電力電子器件

2.1電力電子器件概述

2.2不可控器件——電力二極管

2.3半控型器件——晶閘管

2.4典型全控型器件

2.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的概念

◆電力電子器件：可直接用于處理電能的主電路中實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。

?主電路：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。2.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征

所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)。

為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。

由信息電子電路來控制

,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。

2.1.1電力電子器件的概念和特征?通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。

通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度◆半控型器件

?主要是指晶閘管及其大部分派生器件。?器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

◆全控型器件?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

?通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。

◆不可控器件

?電力二極管?不能用控制信號(hào)來控制其通斷。2.1.3電力電子器件的分類■按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)◆電流驅(qū)動(dòng)型

?通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。(基于PN結(jié)的電力二極管、晶閘管、GTO和GTR等。)

◆電壓驅(qū)動(dòng)型

?僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制(MOSFET，IGBT)?！霭凑镇?qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外

）◆脈沖觸發(fā)型

?通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制(晶閘管和GTO)。

◆電平控制型

?必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)(MOSFET，IGBT)。

2.1.3電力電子器件的分類■按照載流子參與導(dǎo)電的情況◆單極型器件

?由一種載流子參與導(dǎo)電。也稱為場(chǎng)效應(yīng)管.只有多子參與導(dǎo)電,少子不參與導(dǎo)電分為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(MOS管)和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(J-FET管).其中,MOS管還分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種.◆雙極型器件

?由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。BJT是雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor—BJT）的縮寫，又常稱為雙載子晶體管。

◆復(fù)合型器件

?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。

AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)肖特基勢(shì)壘二極管2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴粽驅(qū)顟B(tài)：當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF。

◆反向截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過。

◆反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)。

?按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

齊納擊穿與雪崩擊穿均為電擊穿,電擊穿是可逆的,只有在熱擊穿的情況下不可逆,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■PN結(jié)的電容效應(yīng)◆稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容◆結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?.2.2電力二極管的基本特性■靜態(tài)特性◆主要是指其伏安特性

◆正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO

），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。

◆承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5電力二極管的伏安特性2.2.3電力二極管的主要參數(shù)■正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度和散熱條件下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量?！稣驂航礥F

指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降?！龇聪蛑貜?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。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)■最高工作結(jié)溫TJM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125～175C范圍之內(nèi)。電力二極管小結(jié)正向?qū)?、反向關(guān)斷、功率大、損耗大主要參數(shù) 正向平均電流IF(AV) 正向壓降UF 反向重復(fù)峰值電壓URRM結(jié)電容影響開關(guān)頻率2.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。

■1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！鲇捎谄淠艹惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡叩模夜ぷ骺煽?，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊注意，正常工作時(shí)，晶閘管散熱器帶電，嚴(yán)禁用手觸及！

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)?！粢鲫枠OA、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端?！魞?nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)

晶閘管導(dǎo)通的條件是：1）要有適當(dāng)?shù)恼蜿枠O電壓；2）還要有適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓，且晶閘管一旦導(dǎo)通，門極將失去作用 晶閘管的關(guān)斷條件：使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值（稱為維持電流）以下。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)晶閘管承受反向陽壓時(shí)，V1、V2因反壓無法導(dǎo)通；當(dāng)晶閘管承受正向陽壓時(shí)，V1、V2才得到正確的工作電源，這時(shí)再加入門極觸發(fā)電流IG，并在管子內(nèi)部形成強(qiáng)烈的正反饋過程：從而使V1、V2迅速飽和，即晶閘管導(dǎo)通。而對(duì)于已導(dǎo)通的晶閘管，若去掉門極觸發(fā)電流，由于其內(nèi)部已完成了強(qiáng)烈的正反饋，所以它仍會(huì)維持導(dǎo)通。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況

◆陽極電壓升高至相當(dāng)高，造成雪崩效應(yīng)

◆陽極電壓上升率du/dt過高

◆結(jié)溫較高◆光觸發(fā)2.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

2.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

阻斷：當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。

強(qiáng)迫導(dǎo)通：如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性

?正向特性正常導(dǎo)通：通過增大門極電流，正向轉(zhuǎn)折電壓而降低，晶閘管導(dǎo)通。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

恢復(fù)阻斷：如果門極電流為零且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2晶閘管的基本特性?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過。

√當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結(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?！舴聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM

?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電流定額

◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH

指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，通常為幾十到幾百毫安?！羟孀‰娏鱅L 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流，約為IH的2~4倍2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)

◆開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt

在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。晶閘管小結(jié)晶閘管特性陽極A、陰極K和門極G、晶閘管符號(hào)晶閘管導(dǎo)通的條件晶閘管關(guān)斷的條件晶閘管主要參數(shù)：額定電壓、通態(tài)平均電流。斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM反向重復(fù)峰值電壓URRM2.4典型全控型器件

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO

2.4.2電力晶體管GTR

2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

2.4.4絕緣柵雙極晶體管2.4典型全控型器件·引言■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管-GTO晶閘管的一種派生器件：陽極-陰極-門極?？梢酝ㄟ^在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。屬于全控型器件。圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形

并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào)

（Gate-Turn-OffThyristor）2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管-GTO■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形

并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào)

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO?GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

2.4.2電力晶體管GTR■電力晶體管-一種耐高電壓大電流的雙極結(jié)型晶體管（BJT）

■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆原理與普通BJT相同。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。雙極型晶體管也稱晶體三極管，它是一種電流控制型器件，由輸入電流控制輸出電流，其本身具有電流放大作用。它工作時(shí)有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電過程，故稱為雙極型三極管。

2.4.2電力晶體管—GTR■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性

?在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。

?在電力電子電路中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性共發(fā)射極：輸入和輸出共用發(fā)射極2.4.3電力MOSFET

(PowerMOSFET）■電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點(diǎn)有：◆驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。

◆開關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

2.4.3電力MOSFET◆電力MOSFET

?是單極型晶體管。 ?與小功率MOS管相比，耐壓和耐電流能力大大提高。

?多元結(jié)構(gòu)漏極-D源極-S柵極-G2.4.4絕緣柵雙極晶體管-IGBT■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。Insulated-gateBipolarTransistorIGBT單極型晶體管也稱場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱FET(FieldEffectTransistor)。它是一種電壓控制型器件，由輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出電流的大小。它工作時(shí)只有一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電，故稱為單極型晶體管。2.4.4IGBT三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。IGBT綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)2.4.4IGBTIGBT的工作原理IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，IGBT關(guān)斷。

2.4.4IGBT?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

√分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。

√在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。SaturationCut-offActive

(b)圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

2.4.4IGBT的主要參數(shù)◆導(dǎo)通時(shí)間Ton（50ns）?！糇畲蠹錁O間電壓UCES（1700V）

?由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。

◆最大集電極電流Icm（800A）

◆最大集電極功耗PCM（3000w）

?在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。

◆最高工作頻率fm（150kHz）

2.4.4IGBT◆IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

?開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。?通態(tài)壓降比電力MOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。

IGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片M57959L2.6功率集成電路與集成電力電子模塊■基本概念◆20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊