第2章 電力電子器件的基本特性

1、教案編寫： 肖強暉 廖無限,授課教師： 肖強暉,現(xiàn)代電力電子技術 Modern Power Electronics,第2章 電力半導體器件的基本特性,2.1 電力半導體器件的種類及應用 2.2 半導體整流管 2.3 晶閘管和可關斷晶閘管 2.4 功率場效應管和絕緣柵雙極型晶體管 2.5 電力半導體器件的功率損耗和冷卻,重點和難點,電力電子器件的基本模型和分類 電力電子器件指標和特性 應用電力電子器件系統(tǒng)的組成 電力電子器件的驅(qū)動和保護類型及原理,2.1 電力半導體器件的種類及應用,電力半導體器件是電力電子技術及其應用系統(tǒng)的基礎。電力電子技術的發(fā)展取決于電力電子器件的研制與應用。 定義：電力電子

2、電路中能實現(xiàn)電能的變換和控制的半導體電子器件稱為電力電子器件（Power Electronic Device）。 廣義上，電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，本書涉及的器件都是指半導體電力電子器件。,不可控器件：器件本身沒有導通、關斷控制功能，而需要根據(jù)電路條件決定其導通、關斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。如：電力二極管（Power Diode）； 半控型器件：通過控制信號只能控制其導通，不能控制其關斷的電力電子器件稱為半控型器件。 如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等； 全控型器件：通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷的器件，稱為全控型器件。 如：門極可關斷晶閘管（

3、Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率場效應管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。,一、按器件的開關控制特性可以分為以下三類：,二、電力電子器件按控制信號的性質(zhì)不同又可分為兩種：,電流控制型器件： 此類器件采用電流信號來實現(xiàn)導通或關斷控制。 如：晶閘管、門極可關斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等；,電壓控制半導體器件： 這類器件采用電壓控制（場控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號，用小功率信號就可驅(qū)動它工作。 如：MOSFET管和IGBT管。,2.1.2 電力電子器件的

4、種類,附表2.1:主要電力半導體器件的特性及其應用領域,2.2 半導體整流管,2.2.1 PN結型整流管 2.2.2 其它類型的整流管,2.2 半導體整流管,2.2.1 PN結型整流管,Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用。 快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。,整流二極管及模塊,PN結的狀態(tài),2.2.2 其它類型的整流管,除了PN結型的整流管外，還有肖特基整流管、快恢復二極管和同步整流管等。 肖特基整流管：導通壓降的典型值為0.40.6V（而PN結型整流管的通態(tài)壓降典型值為1V左右），而

5、且它的反向恢復時間為幾十納秒。它常被用于高頻低壓開關電路或高頻低壓整流電路中。 快恢復二極管：它的容量可達1200V/200A的水平，反向恢復時間為10納秒數(shù)量級，常應用于三相380V高頻PWM整流/逆變電路中，作為電力半導體器件緩沖吸收回路中的快恢復二極管。 同步整流管：利用VDMOS管的柵極驅(qū)動信號與電源電壓同步而構成的具有低導通電阻、低反向恢復時間等優(yōu)良特性的一種整流器件，已經(jīng)成功用于48VDC以下電壓等級的開關電源的輸出整流部分，用來提高高頻整流電路的效率，估計可提高效率7%。,2.3 晶閘管和可關斷晶閘管,2.3.1 晶閘管（SCR） 2.3.2 門極可關斷晶閘管（GTO）,2.3.

6、1 晶閘管（SCR）,晶閘管(Thirsted)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導晶閘管(RCT) 、可關斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。 由于普通晶閘管面世早，應用極為廣泛, 因此在無特別說明的情況下，本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。 普通晶閘管：也稱可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 簡稱SCR。 由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領域, 成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。,1、晶閘管

7、及其工作原理,（1）外形封裝形式:可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上), 分別由圖2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。 （2）晶閘管有三個電極, 它們是陽極A, 陰極K和門極(或稱柵極)G, 它的電氣符號如圖2.3.1(e)所示。,圖2.3.1 晶閘管的外型及符號,常用大功率晶閘管實物外形,螺栓型晶閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結構,晶閘管的工作原理,晶閘管的內(nèi)部結構和等效電路,導通條件： 在A-K兩端施加正向電壓； 同時在門極和陰極之間也施加正向觸發(fā)（電壓）信號時，門極有電流IG流通。 這時，即使去掉觸發(fā)信號，這時晶閘管仍然能

8、夠自動維持導通。,要使晶閘管由關斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài)，還有三種情況均無須門極觸發(fā)信號，屬于非正常導通： 正向轉折導通：提高UAK正向電壓，陽極電流IA增加，直至晶閘管轉入通態(tài)； 溫度導通：當溫度增加時，流過PN結（J2）的反偏漏電流隨著增加，直至晶閘管轉入導通； du/dt導通：各PN結都存在著電容。在A-K兩端加正向變化的電壓時，各PN結將流過充電電流，其作用也相當于陽極電流IA增加，直至晶閘管導通。,阻斷條件：當晶閘管A 、K間承受正向電壓，而門極電流Ig=0時, 上述T1和T2之間的正反饋不能建立起來,晶閘管A 、K間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻斷狀態(tài)。,2. 晶閘管的伏安特性,圖

9、2-4 晶閘管的伏安特性,晶閘管導通時的A-K間的電壓（導通壓降）是非常小的，其典型的平均壓降為12V，因此，晶閘管導通后相當于“低阻態(tài)”。 晶閘管門極特性偏差很大，即使同一額定值的晶閘管之間其特性也有所不同，所以在設計門極觸發(fā)電路時，必須考慮這種偏差。,3. 晶閘管的開關過程,從圖2-5中可知，晶閘管的開通時間為,（td為延遲時間；tr為上升時間）,晶閘管的關斷時間為,在晶閘管關斷的時間內(nèi)，必須嚴格控制重加du/dt，避免晶閘管再次返回導通狀態(tài)，引起關斷失敗。,1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。 2) 小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。 3）大功率光控晶閘

10、管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導體激光器。 4）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。,圖2.3.8 控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,光控晶閘管(LTT),4、晶閘管的派生器件,可允許開關頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(Fast Switching Thyrister，簡稱FST)，開關頻率在10KHZ 以上的稱為高頻晶閘管。 快速晶閘管為了提高開關速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復峰值電壓

11、較低，一般在2000V以下。 快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開關頻率下的du/dt，當開關頻率升高時，du/dt 耐量會下降。,快速晶閘管(Fast Switching ThyristerFST,可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。 有兩個主電極T1和T2，一個門極G。 正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性。 與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機調(diào)速等領域應用較多。 通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。,圖2.3.6 雙向晶閘管的電

12、氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,雙向晶閘管(TRIAC),1)將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 2)與普通晶閘管相比，逆導晶閘管具有正壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點； 3)根據(jù)逆導晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；因此只能適用于反向不需承受電壓的場合； 4)逆導晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)； 5)逆導晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示；,圖2.3.7 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,逆導晶閘管 (RCT),2.3.2 門極可關斷晶閘管（GTO）,可

13、關斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor)簡稱GTO。 它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導通，在負脈沖電流觸發(fā)下關斷。,與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小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1-13 GTO的內(nèi)部結構和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號,1、GTO的基本原理,1）GTO的導通機理

14、與SCR是相同的。GTO一旦導通之后，門極信號是可以撤除的, 但在制作時采用特殊的工藝使管子導通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關斷。 2）在關斷機理上與SCR是不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導通時儲存的大量載流子)，強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。,導通過程與SCR一樣，只是導通時飽和程度較淺。需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr。,GTO的關斷特性,1）開通過程：,2、GTO的開關特性,2）關斷過程：,采用很大的負門極電流迅速地減小陽極電流，并過一段時間后此微小（陽極）電流降為零，這時GTO才真正關斷。,GTO在

15、應用中要注意以下方面的問題：, 明確門極開通和關斷波形； 驅(qū)動電路的電源選擇； 緩沖吸收回路的合理設計； 陽極電路限流電抗器的合理設計。,2.4 功率場效應管和絕緣柵雙極型晶體管,2.4.1 功率場效應管（MOSFET） 2.4.2 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,2.4.1 功率場效應管（MOSFET）,1. 功率MOSFET的基本結構,功率MOSFET的基本結構,2. 功率MOSFET的靜態(tài)輸出特性,當柵極電壓UGS10V），典型值為15VDC開通，8VDC關斷。,3. 功率MOSFET的開關特性,由于功率MOSFET沒有載流子累積現(xiàn)象，所以本質(zhì)上開關速度快，僅受各電極之間的寄生電容充放電

16、速度的影響，其開關時間與寄生電容的充放電時間相當。 功率MOSFET的工作頻率可達100kHz1000kHz范圍。,柵極驅(qū)動電路,電阻Ron和Roff，用于調(diào)整器件的充放電時間，從而可以分別控制功率MOSFET的開通與關斷時間。,4、安全工作區(qū),正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)：,導通時間越短，最大功耗耐量越高。,開關安全工作區(qū)(SSOA),曲線的應用條件是：結溫TJ150，ton與toff均小于1s。,換向安全工作區(qū)(CSOA),5. 功率MOSFET的特點, 工作頻率高，開關速度僅受寄生電容充放電的影響； 開關損耗?。?易于直接并聯(lián)； 安全工作區(qū)寬； 柵極輸入阻抗高，且呈容性； 輸出容量較

17、低，導通飽和壓降相對較高； 導通電阻Ron正比于UBR的2.5次方，因而制約了功率MOSFET耐壓不能做得太高。,2.4.2 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。 兼具功率MOSFET高速開關特性和GTR的低導通壓降特性兩者優(yōu)點的一種復合器件。 IGBT于1982年開始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。 目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達1800A，最高電壓等級達4500V，工作頻率達50kHZ。 在電機控制、中頻電源、各種開關電源以及其它高速低損耗的中小功率領域

18、，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場。,IGBT基本上是功率MOSFET的漏極端追加P型半導體層的結構，等效成PNP型雙極性晶體管和功率MOSFET的復合電路。 在IGBT的柵極上施加正電壓時，在柵極電極下N溝道形成導通的形式。這一點是與功率MOSFET的最大區(qū)別，也是IGBT可以大電流化的原因。,1. IGBT的基本結構,IGBT的外形,IGBT也屬場控器件，其驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關斷器件。 導通：UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。 導通壓降：電導調(diào)制效應使電

19、阻RN減小，使通態(tài)壓降小。 關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。,IGBT伏安特性,2. IGBT的靜態(tài)輸出特性,4. IGBT的特點, 工作頻率高，開關損耗??； IGBT的導通壓降（或通態(tài)壓降）比功率MOSFET低，特別是在大電流工作區(qū)段； NPT-IGBT具有導通壓降的正溫度系數(shù)特點，在并聯(lián)使用時具有電流自動調(diào)節(jié)能力，即易于直接并聯(lián)； 安全工作區(qū)寬，具有耐脈沖電流沖擊的特點； 柵極輸入阻抗高，且呈容性，與功率MOSFET相似； IGBT的耐壓、電流容量可以做得很大，同時還可保持工作頻率高的特點。,2.5電力半導體器件的功率損耗

20、和冷卻,2.5.1 電力半導體器件的功率損耗 2.5.2 緩沖吸收回路 2.5.3 電力半導體器件的結面溫度 2.5.4 為什么要對電力半導體器件進行冷卻,2.5.1 電力半導體器件的功率損耗,純電阻負載電路,電力半導體器件的功率損耗,各損耗是器件電壓和電流乘積的平均功率損耗：,PT = Pon +Poff +Psw.on +Psw.off,器件的斷態(tài)損耗可以忽略，其通態(tài)損耗,Pon= Uon Ion ,器件的開關損耗為,為電力半導體器件導通的占空比； fsw （=1/T）為器件的開關頻率。,隨著開關頻率的增加，開關損耗將成為器件損耗的主要部分。,2.5.2 緩沖吸收回路,如圖所示是一種開關器件的緩沖電路RCD緩沖吸收回路。 器件關斷過程：電流經(jīng)過C、D給無感電容器充電，使器件的UCE電壓緩慢上升，可有效地抑制過電壓的產(chǎn)生； 器件開通過程：C上的電荷再通過電阻R經(jīng)器件放電，可加速器件的導通。 作用：使器件工作在安全工作區(qū)，器件的開關損耗有一部分轉移到了緩沖吸收回路的功率電阻R上，降低了器件的損耗，并且可以降低器件的結面溫度。,兩種經(jīng)常使用的緩沖吸收回路,2.5.3 電力半導體器件的結面溫度,熱阻的概念圖,電力