电力电子技术2+电力电子器件1

第2章电力电子器件(I)丘东元2目录2.2不可控器件——电力二极管2.3半控型器件——晶闸管2.4典型全控型器件——门极可关断晶闸管32.2不可控器件—电力二极管电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中，几乎渗透到电力电子设备的所有领域不控整流电压钳位42.2.1PN结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样；以半导体PN结为基础，实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。AKAKIKAPNJAK52.2.1PN结与电力二极管的工作原理扩散运动与漂移运动形成空间电荷区（耗尽层、阻挡层或势垒区）PN结的正向导通状态外加电场与PN结自建电场方向相反PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右正向偏置的PN结表现为低阻态-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场PN结的形成外加正电场本征半导体N型半导体P型半导体（无掺杂）（多子为电子）（多子为空穴）62.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的反向截止状态外加电场与PN结自建电场方向相同反向电流仅为微安数量级PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过。PN结的单向导电性--二极管的主要特征正向导通，反向截止-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场PN结的形成外加电场7PN结的反向击穿PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流急剧增大，破坏PN结反向截止的工作状态；按照机理不同有雪崩击穿（掺杂浓度较低）和齐纳击穿（掺杂浓度较高）两种形式；反向击穿发生时，如果外电路采取措施，限制反向电流，当反向电压降低后，PN结可以恢复到原来的状态；如果反向电流未被限制，电流和电压的乘积超过PN结容许的耗散功率，会导致PN结温度上升，直至过热而烧毁—热击穿。8PN结的电容效应PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容CJdu/dt=i结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场92.2.2电力二极管的基本特性静态特性（伏安特性）当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU电力二极管的伏安特性102.2.2电力二极管的基本特性动态特性因结电容的存在，电力二极管在零偏置（外加电压为零）、正向偏置（外加电压为正）和反向偏置（外加电压为负）三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压-电流特性是随时间变化的.动态特性往往专指反映通态和断态之间的转换过程的开关特性112.2.2电力二极管的基本特性开通过程电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfrb)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt（加正向电压）零偏置转换为正向偏置12电力二极管的动态过程波形正向偏置转换为反向偏置b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt关断过程电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲（加反向电压）132.2.3电力二极管的主要参数1、正向平均电流IF(AV)--额定电流指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。()01sin()2mFAVmIIItdt0tiTIF(AV)Im14不同波形下二极管平均电流或额定电流的计算？定义：二极管平均电流的定义是根据正弦波计算矛盾：流过二极管的波形可能是任意的非正弦波形选择方法：二极管发热相等——电流的有效值具体计算方法1）计算出非正弦半波电流有效值I12）由二极管平均值计算其相应的电流有效值I23）有效值I1=有效值I2二极管平均值IF(AV)15有效值相等原则决定器件允许电流大小的是管芯的结温，结温的高低是由允许发热的条件决定的；从管芯发热的角度看，表征热效应的电流应以有效值表示。只要电流的有效值相等，其发热就是相同和等效的；在实际电路中，流过二极管的波形可能是任意的非正弦波形，不论流经二极管的电流波形如何，可以通过电流的有效值选择二极管的额定电流；也就是将非正弦半波电流的有效值折算为等效的正弦半波电流的有效值。16不同波形下二极管平均电流或额定电流的选择？设f(t)为电流时间函数，f(t)在t1~t2期间的有效值为设待选择二极管的电流平均值IF(AV)与其有效值IF的关系为Kf为正弦半波电流波形系数212211()tDtIftdttt()01sin()2mFAVmIIItdt2)(d)sin(2102mmFIttII()/21.57/mFfFAVmIIKII17确定二极管流过f(t)波形电流时的有效值所选二极管的平均电流（额定电流）为不同波形下二极管平均电流或额定电流的选择？()1.57DFFAVIII()/1.57FAVDII1818Imt/0iD思考题确定流过下面电流波形的二极管额定电流？不同波形下二极管平均电流或额定电流的选择？192.2.3电力二极管的主要参数2.正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。202.2.3电力二极管的主要参数4.最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度TJM通常在125~175C范围之内5.反向恢复时间trr关断过程中，电流下降到零起到恢复反向阻断能力止的时间6.浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt212.2.4电力二极管的主要类型1.普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）；多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中；其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要；正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上；222.2.4电力二极管的主要类型2.快恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）简称快速二极管；恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）的二极管；从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns；快恢复外延二极管----反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。232.2.4电力二极管的主要类型3.肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode—SBD）以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管；肖特基二极管的优点：反向恢复时间很短（10~40ns）；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。242.2.4电力二极管的主要类型肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。252.2.4电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，进行分类在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管262.3半控型器件—晶闸管2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件272.3半控型器件—晶闸管1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管；1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品；1958年商业化；原名为可控硅整流器（简称可控硅，SiliconControlledRectifier—SCR），后被晶闸管（Thyristor）所替代上世纪80年代以来开始被性能更好的全控型器件取代；能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位；晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型—普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。28晶闸管的应用大功率应用领域--高压直流输电（工频相控整流或有源逆变）29晶闸管的应用大功率应用领域--无功补偿302.3.1晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构312.3.1晶闸管的结构与工作原理阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。PNPN四层半导体结构导通条件阳极A、阴极K和门极G有6种施加电压的方法，但只有A+、K-和G+，才能工作，为什么呢？a)外形b)结构c)电气图形符号322.3.1晶闸管的结构与工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的等效模型：由PNP型和NPN型两个晶体管互连而成正反馈导通机理：加上阳极正向电压时，外电路向门极注入电流IG，会在晶闸管内部形成强烈的正反馈，使晶闸管导通晶闸管的双晶体管模型IGIB2IC2IB1IC1332.3.1晶闸管的结构与工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)导通状态：晶闸管导通后阳极电流由主回路负载和外加电源电压决定，此时撤掉IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈，仍然维持导通状态；晶闸管关断：只有减小阳极电压至零或使其反向，使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。晶闸管的双晶体管模型半控！晶闸管导通关断开关过程的数学描述：阳极电流表达式1）正向阻断：晶闸管虽承受正向阳极电压，且门极电流IG=0，1、2近似为零，IA≈ICBO1+ICBO2，十分小。2）正向开通：保持正向阳极电压条件，使IG0时，1、2随着发射极电流的上升而增大，最后1+2≈1，IA急剧增加，实现器件饱和导通。)(121CBO2CBO1G2AIIII2.3.1晶闸管的结构与工作原理34晶闸管导通关断开关过程的数学描述：阳极电流表达式3）导通状态：IA实际由主电路负载和外加电源电压决定，跟上式无关