第1章电力电子器件概述

1-1第第11章章电力电子器件电力电子器件1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.21.2不可控器件不可控器件————二极管二极管1.31.3半控型器件半控型器件————晶闸管晶闸管1.41.4典型全控型器件典型全控型器件1.51.5其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.61.6电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动1.71.7电力电子器件的保护电力电子器件的保护1.81.8电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用本章小结及作业本章小结及作业（C）1-2第第11章章电力电子器件电力电子器件··引言引言电子技术的基础———电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的基础———电力电子器件本章主要内容概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍常用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问题。（C）1-3电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。电真空器件(汞弧整流器、闸流管)半导体器件(采用的主要材料硅）1.1.11.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件（C）1)概念2)分类1-41.1.11.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子电路中实现电能的变换和控制的半导体电子器件。本课程只涉及半导体器件而不涉及电真空器件。半导体器件的制造属于半导体物理等学科和专业研究的内容，本课程只讲述其工作原理，而不涉及其制造技术和工艺。电力电子器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。对电力电子器件的深入了解是进行电力电子电路分析和设计的基本前提。（A）电力电子器件1-5能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。（数字电路中器件的开关状态表示不同的信息。）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。3)同处理信息的电子器件相比的一般特征1.1.11.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征（B）1-6通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1.11.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗（C）1-71.1.11.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征性能方面提高器件的电流、电压等级提高工作频率降低器件功耗减小驱动功率多功能化结构方面应用大规模集成电路技术发展复合型器件模块化电力电子器件的发展方向（A）1-8电力电子系统：由控制电路、驱动电路、检测电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.21.1.2应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成（B）请注意三端电力电子器件的控制端和功率端的连接方式。在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行。电气隔离控制电路控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路1-91.1.21.1.2应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电气隔离主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路或保护电路的连接处，一般需要进行电气隔离，以提高系统的安全性、可靠性和电磁兼容性能。现实际应用中一般采用光(光耦合器等)和磁(互感器、变压器等)的电气隔离方式来传递信号。（A）1-10半控型器件（Thyristor）——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET）——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件（PowerDiode）——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。其导通和关断由外电路的电压或电流决定。1.1.31.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为三类（B）1-11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。亦称为场控(电场控制)型器件。电压驱动型器件的驱动亦消耗一定的功率，但比起电流驱动型器件的驱动功率要小得多。1.1.31.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类（B）按照驱动电路信号的性质，分为两类1-121.1.31.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，分为三类单极型器件双极型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（A）半导体器件的通断过程需要一定的时间。单极型器件的开关速度最快。1-131.1.31.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类20世纪80年代后期开始，出现了几种全新结构、更方便应用的复合结构的电力电子器件，且还在不断丰富完善中。复合型器件：以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表。IGBT是MOSFET和GTR的复合。它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR的通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管(MCT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。（A）1-141.1.31.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类IGBT=MOSFET+GTRMCT=MOSFET+GTOIGCT=MOSFET+GTOIPM=IGBT+驱动、保护等复合(混合)型器件（A）1-151.1.31.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类不可控器件——二极管：普通整流二极管(ZP)*、快速恢复整流二极管(ZK)、肖特基整流二极管SBD可控器件非自关断器件：普通晶闸管SCR(KP)、快速晶闸管FST(KK)、双向晶闸管TRIAC(KS)、逆导晶闸管RCT(KN)、光控晶闸管LTT自关断器件功率模块与功率集成电路*:()内字母为相应国产器件型号的分类标识。熟悉这些器件的目的是为了正确地选择合适的器件组成电路。（A）本课程涉及的电力半导体器件晶体管:双极电力晶体管GTR、电力场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT、静电感应晶体管SIT晶闸管:门极可关断晶闸管GTO(KG)、MOS控制晶闸管MCT、静电感应晶闸管SITH、集成门极换流晶闸管IGCT1-161.1.31.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类功率模块(PM)：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。功率集成电路(PIC)：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向。智能功率模块(IPM)：是在PIC的基础上扩展功能、增大容量与改进结构而构成的模块式的电路单元。有望采用积木式结构即可组成电路或系统。现正在迅速发展中。（A）1-17本章内容介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串并联使用这三个问题。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，其参数和特性曲线的使用方法，以及实际应用的具体要求和方法。可能会对主电路的其它电路元件有特殊的要求。1.1.41.1.4本章学习内容与学习要点本章学习内容与学习要点（B）1-18PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.21.2不可控器件不可控器件————电力二极管电力二极管••引言引言整流二极管及模块（C）1-19AKAKa)IKAPNJb)c)AK基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同。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，主要有螺栓型、平板型、模块式和标准单管封装等多种形式。图1-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号1.2.11.2.1PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理（B）1-201.2.11.2.1PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理图1-3PN结的形成PN结的电气特性（双极型器件的共有特性）（PN结中的浓度差产生扩散运动，电场力产生漂移运动。）N型半导体：掺5价元素(磷、砷、锑)。P型半导体：掺3价元素(硼、铝、镓、铟)。（A）（空间电荷区亦称势垒区、耗尽层或阻挡层。）正向导通状态反向截止状态反向击穿电容效应电导调制效应温度的影响1-21状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。正向导通：主要为扩散电流；反向截止：主要为漂移电流。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿1.2.11.2.1PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的状态（B）1-221.2.11.2.1PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理雪崩击穿电力电子器件中承受电压的结大多是PN－结或NP－结，该结易发生雪崩击穿。所以对雪崩击穿更应关注。对于PN－结或NP－结，外加反压时，势垒宽度会较宽，势垒区中的载流子在强电场作用下，具有较大的漂移速度和能量。当具有一定能量的载流子与晶格原子碰撞时，可能产生原子电离，从而产生新的电子空穴对。若外加反压足够高，PN结的电场强到一定程度，上述碰撞作用会多次发生，载流子象“雪崩”似的增多(称为雪崩倍增效应)，电流突然增大，引起器件击穿。载流子的漂移速度随温度上升而下降，提高PN结的反压才能增大漂移，因而雪崩击穿电压是正温度系数。器件在使用时，应严格避免其PN结出现反向击穿。（A）1-23PN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。CB：外电压变化时起主要作用。工作频率高时，CB的作用明显。CD：正偏时起主要作用。正偏强时，CD为CJ的主要部分。电容影响PN结的工作频率，尤其是在高速的开关状态。1.2.11.2.1PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应（B）1-241.2.11.2.1PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理半导体硅片的电阻率随流过电流的变化而明显改变(表现为PN结正向伏安特性曲线各点斜率不同)。在半导体N区注入大电流时，空穴浓度将大大超过原始N型基片的多子浓度，为了维持半导体中电中性条件，多子浓度也要相应大幅度增加，表现为其实际电阻率大大下降(电导率大大增加)。这种现象称为电导调制效应。结果是：无论通过电流大小(不超过允许值)，正向偏置的PN结始终保持1V左右的压降，处于低阻态。在GTR、SCR、IGBT和GTO等双极型和复合型器件中都存在电导调制效应，因此它们导通后的压降都很低。电导调制效应的完成需要一定的时间。（A）电导调制效应1-251.2.11.2.1PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应的作用突出。引