02-电力电子器件之一

1、器件概述2、电力二极管3、晶闸管第2讲电力电子器件之一第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述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2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结3/892.1电力电子器件概述2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点4/892.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的概念◆电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。5/892.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的特征◆电功率◆开关状态◆控制电路，驱动电路◆功率损耗，散热器6/892.1.1电力电子器件的概念和特征☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。☞当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗☞电力电子器件的功率损耗7/892.1.2应用电力电子器件的系统组成■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电气隔离控制电路检测电路保护电路驱动电路RLV1V2主电路图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成8/892.1.3电力电子器件的分类■按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。◆全控型器件☞目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。9/892.1.3电力电子器件的分类■按照驱动信号的性质◆电流驱动型☞通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。◆电压驱动型☞仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。■按照驱动信号的波形（电力二极管除外）◆脉冲触发型☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。◆电平控制型☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。10/892.1.3电力电子器件的分类■按照载流子参与导电的情况◆单极型器件☞由一种载流子参与导电。◆双极型器件☞由电子和空穴两种载流子参与导电。◆复合型器件☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。11/892.1.4本章内容和学习要点■本章内容◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。■学习要点◆最重要的是掌握其基本特性。◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。12/892.2不可控器件——电力二极管2.2.1PN结与电力二极管的工作原理2.2.2电力二极管的基本特性2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型13/89引言■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。■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。整流二极管及模块14/89一、结构■电力二极管是以半导体PN结为基础的,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的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。a)b)c)d)电力二极管的结构、符号和外形a)结构b)符号c)螺旋式外形d)平板式外形15/321、PN结单向导电原理PN结：P区和N区中各自的多子由于扩散形成的空间电荷区（扩散与漂移）空间电荷区的内电场：N区侧带正电，P区侧带负电加正向电压时，扩散运动大于漂移运动，PN结电阻迅速减小，PN结导通加反向电压时，扩散运动小于漂移运动，PN结电阻迅速增大，PN结截止2、电力二极管内部结构低掺杂N区-----N-（漂移区）P—i—P结构：硅片内的垂直导电结构：3、电导调制效应当PN结上流过的正向电流较小时二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而线性增加。当PN结上流过的正向电流较大时由P区注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，电导率急剧增加。4、PN结的结电容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。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。二、基本特性电力二极管的阳极和阴极间的电压UAK和流过管子的电流IA之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图1-2所示。图2-5电力二极管的伏安特性1、静态（伏安）特性曲线2、动态特性曲线20/89a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V图2-6电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置■动态特性◆因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。◆由正向偏置转换为反向偏置☞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。☞延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置转换为正向偏置☞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）。☞正向恢复时间tfr☞出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。图2-6电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置2、动态特性曲线三、主要参数（1）正向平均电流IF(AV)在规定的环境温度为40℃和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140℃时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。将此电流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。（2）正向压降UF在规定环境温度+40℃和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别称为正向平均电压UF，简称管压降，一般在0.45～1V范围内。（3）反向重复峰值电压URRM在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM。将URRM值取规定的电压等级就是该元件的额定电压。（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（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。三、主要参数四、主要类型电力二极管在许多电力电子电路中有着广泛的应用。在后面的章节中我们将会看到，电力二极管可以在交流-直流变换电路中作为整流元件，也可以在电感元件的电能需要适当释放的电路中作为续流元件，还可以在各种变流电路中作为电压隔离、箝位或保护元件。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，下面介绍几种常用的电力二极管。25/89四、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。☞其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。26/89☞恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。☞快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。☞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。（2）快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）四、主要类型27/89☞属于多子器件☞优点在于：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；因此，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。☞弱点在于：当所能承受的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。（3）肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）四、主要类型五、型号与选用原则五、型号与选用原则（2）选择额定正向平均电流IF的原则（1-1）其中，IDM为最大电流有效值。选用时取相应标准系列值即可。（3）选择额定电压URRM的原则URRM=（2～3）UDM（1-2）其中，UDM为最大反向电压瞬时值。选用时取相应标准系列值。57.1)2~5.1(DMFII由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用表的R×100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向电阻，可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极管的正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。注意：严禁用兆欧表测试电力二极管。电力二极管使用时必须保证规定的冷却条件，如不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的1/3左右。六、电力二极管的测试及使用注意事项31/892.3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32/89引言■晶闸管（Thyristor）又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），简称为可控硅。■1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（GeneralElectric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。■由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块一、晶闸管的结构1.从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。2.引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。3.内部是PNPN四层半导体结构。图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号2.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的内部结构和等效电路如图1-3所示。a)b)图2-8晶闸管的内部结构和等效电路a)内部结构b)以互补三极管等效一、晶闸管的结构二、晶闸管的工作原理晶闸管的不加门极触发脉冲时-----截止导通条件：◆门极触发◆阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应◆阳