電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)(二版)

1、第 2 章半導(dǎo)體電力開關(guān)器件2 半導(dǎo)體電力開關(guān)器件2.1 電力二極管2.2 雙極結(jié)型電力三極管2.3 晶閘管及其派生器件2.4 門極可關(guān)斷晶閘管GTO2.5 電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET2.6 絕緣門極雙極型晶體管IGBT *2.7 *2.8 自學(xué)2.9 半導(dǎo)體電力開關(guān)模塊和功率集成電路本章小結(jié)22.1 電力二極管332.1.1 半導(dǎo)體PN結(jié)42.1.2 半導(dǎo)體二極管基本特性單向?qū)щ娦?正向接法時(shí)內(nèi)電場被削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于漂移運(yùn)動(dòng)，摻雜形成的多數(shù)載流子導(dǎo)電，等效電阻較小。反向接法時(shí)內(nèi)電場被增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，光熱激發(fā)形成的少數(shù)載流子導(dǎo)電，等效電阻很大。552.1.2 半導(dǎo)體二極管基本

2、特性單向?qū)щ娦訮N結(jié)高頻等效電路62.1.3 半導(dǎo)體電力二極管重要參數(shù) 半導(dǎo)體電力二極管的重要參數(shù)主要用來衡量二極管使用過程中：是否被過壓擊穿是否會(huì)過熱燒毀開關(guān)特性7額定電流的定義：其額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流的平均值 。 當(dāng)正弦半波電流的峰值為Im時(shí)，它可用下式計(jì)算：8當(dāng)正弦半波電流的峰值為Im時(shí)，它可用下式計(jì)算：最大允許全周期均方根正向電流的定義： 當(dāng)二極管流過半波正弦電流的平均值為IFR時(shí)，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流IFMS稱為最大允許全周期均方根正向電流。9二極管電流定額的含義如手冊上某電力二極管的額定電流為100A，說明：允許通過平均值為100A的正弦半波電流；允許通過正弦

3、半波電流的幅值為314A；允許通過任意波形的有效值為157A的電流；在以上所有情況下其功耗發(fā)熱不超過允許值。由額定電流和最大允許全周期均方根正向電流的公式，得：10選擇二極管電流定額的過程：求出電路中二極管電流的有效值IFrms ；求二極管電流定額IFR，有效值IFrms 除以1.57；將選定的定額放大1.5到2倍以保證安全。11半導(dǎo)體電力二極管的開關(guān)特性開關(guān)過程，由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)并不是立即完成，它要經(jīng)歷一個(gè)短時(shí)的過渡過程；此過程的長短、過渡過程的波形對(duì)不同性能的二極管有很大差異；理解開關(guān)過程對(duì)今后選用電力電子器件，理解電力電子電路的運(yùn)行是很有幫助的，因此應(yīng)對(duì)二極管的開關(guān)特性有較清晰的了

4、解。狀態(tài)過程導(dǎo)通、阻斷開通、關(guān)斷12半導(dǎo)體電力二極管的開關(guān)特性（續(xù)） 二極管開通及反向恢復(fù)過程13半導(dǎo)體電力二極管的開關(guān)特性（續(xù)）二極管關(guān)斷過程14半導(dǎo)體電力二極管重要參數(shù) 有關(guān)半導(dǎo)體電力二極管使用特性和準(zhǔn)則的幾個(gè)重要參數(shù)是：最大允許反向重復(fù)峰值電壓額定電流最大允許的全周期均方根正向電流最大允許非重復(fù)浪涌電流最大允許的PN結(jié)結(jié)溫和管殼溫度結(jié)殼、殼散熱器熱阻反向恢復(fù)時(shí)間152.1.4 二極管的基本應(yīng)用 整流續(xù)流162.2.1 晶體管基極電流對(duì)集電極電流的控制作用2.2.2 靜態(tài)特性 2.2.3 電力三極管使用參數(shù)和特性BJT(Bipolar Junction Transistor)或GTR(Gi

5、ant Transistor)2.2 雙極結(jié)型電力三極管172.2.1 晶體管基極電流對(duì)集電極電流的控制作用三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)182.2.1 晶體管基極電流對(duì)集電極電流的控制作用(續(xù)1)192.2.1 晶體管基極電流對(duì)集電極電流的控制作用(續(xù)2)基極電流控制集電極電流202.2.2 三極管的靜態(tài)特性三極管輸入、輸出特性212.2.3 電力三極管使用參數(shù)和特性 圖2.9 不同基極狀態(tài)時(shí)，集射極擊穿電壓 1. 集電極額定電壓2. 集電極額定電流（最大允許電流）3. 飽和壓降4. 基極電流的最大允許值5. 開通和關(guān)斷時(shí)間6. 安全工作區(qū)22電力三極管的主要特點(diǎn)是電流驅(qū)動(dòng)器件，控制基極電流就可控制電力

6、三極管的開通和關(guān)斷；開關(guān)速度較快；飽和壓降較低；有二次擊穿現(xiàn)象；能控制較大的電流和較高的電壓；電力三極管由于結(jié)構(gòu)所限其耐壓難于超過1500V，現(xiàn)今商品化的電力三極管的額定電壓、電流大都不超過1200V、800A;已經(jīng)淘汰232.3 晶閘管及其派生器件242.3.1 逆阻型晶閘管SCR兩個(gè)三極管正反饋2.3.2 逆導(dǎo)型晶閘管RCT2.3.3 光控晶閘管LCT2.3.4 雙向晶閘管TRIACIGBT2.3 晶閘管及其派生器件252.3.1 逆阻型晶閘管SCR兩個(gè)三極管正反饋晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和結(jié)構(gòu)模型26AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2i

7、B2(d)等效電路可控開通關(guān)斷？強(qiáng)迫其電流 下降到維持電流以下通態(tài)時(shí)晶閘管的等值電路27靜態(tài)伏安特性 及 dv/dt 防護(hù)28 圖中畫斜線部分為一個(gè)2周期中晶閘管的電流波形。若各波形的最大值為Im=100A，試計(jì)算各波形電流的平均值Id1、Id2、Id3和電流有效值I1、I2、I3 。 若考慮二倍的電流安全裕量，選擇額定電流為100A的晶閘管能否滿足要求？例2-1292.3.2 逆導(dǎo)型晶閘管RCT圖2.13逆導(dǎo)晶閘管等值電路和符號(hào)302.3.3 光控晶閘管LCT圖2.14 光控晶閘管符號(hào)及等值電路31圖2.15 雙向晶閘管符號(hào)、等效電路和伏安特性2.3.4 雙向晶閘管TRIAC32圖2.16

8、GTO符號(hào)及關(guān)斷原理圖GTO （Gate Turn-Off Thyristor）為什么能靠反向觸發(fā)電流關(guān)斷？T2的電流分配系數(shù)較大；T1、T2飽和深度較淺2.4 門極可關(guān)斷晶閘管GTO 332.5 電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET P-MOSFET基本結(jié)構(gòu)、符號(hào)和外接電路342.5 電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET（續(xù)1）目前流行的結(jié)構(gòu)具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的N溝增強(qiáng)型VDMOS352.5 電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET（續(xù)2）關(guān)斷導(dǎo)通36圖2.17 P-MOSFET特性曲線IDVGSVGSth(d)轉(zhuǎn)移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(e)輸出特性VBRPMO

9、SFET的工況可用其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述： 2.5 電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET （續(xù)3）372.6 絕緣門極雙極型晶體管IGBT 工作原理GCERdrRbrT2T1AB38ICVCEVGE=0VGE1VGE2VGE3VRM0(c)輸出特性正向阻斷區(qū)VGEVBRIcVGEVGEth(d)轉(zhuǎn)移特性(a)符號(hào)ICGECGCEVgVSR(b)電路RdrRbrT2T1ICABRg符號(hào)、電路及靜態(tài)特性 2.6 絕緣門極雙極型晶體管IGBT（續(xù)1）392.6 絕緣門極雙極型晶體管IGBT（續(xù)2）GCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg什么是擎住效應(yīng)： 集電極電流iC過大； 集電極電壓過高； 關(guān)斷

10、速度過快；Rbr上的電壓過大，可使T2導(dǎo)通，使IGBT失去關(guān)斷能力。產(chǎn)生擎住效應(yīng)的原因：40二極管和晶閘管模塊2.9 半導(dǎo)體電力開關(guān)模塊和功率集成電路41達(dá)林頓三極管功率模塊2.9 半導(dǎo)體電力開關(guān)模塊和功率集成電路（續(xù)1）42MOSFET功率模塊2.9 半導(dǎo)體電力開關(guān)模塊和功率集成電路（續(xù)2）43AC-DC-AC變頻功率模塊2.9 半導(dǎo)體電力開關(guān)模塊和功率集成電路（續(xù)3）44小 結(jié)根據(jù)開關(guān)器件開通、關(guān)斷可控性的不同，開關(guān)器件可以分為三類：不可控器件：僅二極管D是不可控開關(guān)器件。半控器件： 僅普通晶閘管SCR屬于半控器件?？梢钥刂破鋵?dǎo)通起始時(shí)刻，一旦SCR導(dǎo)通后，SCR仍繼續(xù)處于通態(tài)。全控型器件

11、：三極管BJT、可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場效應(yīng)晶體管P-MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT都是全控型器件，即通過門極（或基極或柵極）是否施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)既能控制其開通又能控制其關(guān)斷45小 結(jié)（續(xù)1）根據(jù)開通和關(guān)斷所需門極（柵極）驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同要求，開關(guān)器件又可分為電流控制型開關(guān)器件和電壓控制型開關(guān)器件兩大類：SCR、BJT和GTO為電流驅(qū)動(dòng)控制型器件PMOSFET、IGBT均為電壓驅(qū)動(dòng)控制型器件三極管BJT要求有正的、持續(xù)的基極電流開通并保持為通態(tài)，當(dāng)基極電流為零后BJT關(guān)斷。為了加速其關(guān)斷，最好能提供負(fù)的脈沖電流。P-MOSFET和IGBT要求有正的持續(xù)的驅(qū)動(dòng)電壓使其開通并保持為通態(tài)，要求有負(fù)的、持續(xù)的電壓使其關(guān)斷并保持為可靠的斷態(tài)。電壓型驅(qū)動(dòng)器件的驅(qū)動(dòng)功率都遠(yuǎn)小于電流型開關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)電路也比較簡單可靠。46可控性驅(qū)動(dòng)信號(hào)額定電壓、電流工作頻率飽和壓降二極管不可控?zé)o 最大有高有低小晶閘管半控脈沖電流（開通）最大最低小GTO全控正脈沖電流開通、負(fù)脈沖電流關(guān)斷大較低中 BJT全控持續(xù)正電流開通否則斷中中小IGBT全控持續(xù)正電壓開通否則斷較大