第1章--电力电子器件

电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术第1章电力电子器件1.1、电力电子器件的基本模型1.2、电力二极管1.3、晶闸管1.4、可关断晶闸管1.5、电力晶体管1.6、电力场效应晶体管1.7、绝缘栅双极型晶体管1.8、其它新型电力电子器件1.9、电力电子器件的驱动与保护电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.1电力电子器件的基本模型电力半导体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。定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（PowerElectronicDevice）。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.1.1电力电子器件的基本模型与特性在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图1.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。图1.1.1电力电子器件的理想开关模型一、基本模型：电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.1.1电力电子器件的基本模型与特性二、基本特性：（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电力电子器件的开关状态由（驱动电路）外电路来控制。（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.1.2电力电子器件的种类一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管（PowerDiode）；②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）、功率场效应管（PowerMOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor）等。电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术二、按控制信号的性质不同又可分为两种：①电流控制型器件：此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；②电压控制型器件：这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。如：代表性器件为MOSFET管和IGBT管。1.1.2电力电子器件的种类电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术附表1.1.1:主要器件的特性及其应用领域器件种类开关功能器件特性概略应用领域电力二极管不可控5kV/3kA—400Hz各种整流装置晶闸管可控导通6kV/6kA—400Hz8kV/3.5kA—光控SCR炼钢厂、轧钢机、直流输电、电解用整流器可关断晶闸管自关断型6kV/6kA—500Hz工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器MOSFET600V/70A—100kHz开关电源、小功率UPS、小功率逆变器IGBT1200V/1200A—20kHz4.5kV/1.2kA—2kHz各种整流/逆变器（UPS、变频器、家电）、电力机车用逆变器、中压变频器电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术第1章电力电子器件1.1、电力电子器件的基本模型1.2、电力二极管1.3、晶闸管1.4、可关断晶闸管1.5、电力晶体管1.6、电力场效应晶体管1.7、绝缘栅双极型晶体管1.8、其它新型电力电子器件1.9、电力电子器件的驱动与保护电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.2电力二极管1.2.1电力二极管及其工作原理1.2.2电力二极管的特性与参数电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.2.1电力二极管及其工作原理一、电力二极管：1、电力二极管（PowerDiode）也称为半导体整流器（SemiconductorRectifier，简称SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用,具有不可替代的地位。电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术二、PN结与电力二极管工作原理：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。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，主要有螺栓型和平板型两种。图1.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符a）结构b）外形c）电气图形电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术二、PN结与电力二极管工作原理：N型半导体和P型半导体结合后构成PN结:内电场:空间电荷建立的电场,也称自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术二、PN结与电力二极管工作原理：PN结的正向导通状态：电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态：PN结的单向导电性。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。PN结的反向击穿：有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN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。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。图1.2.2电力二极管的伏安特性曲线电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。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，应用时应加以注意。二、PN结与电力二极管工作原理：电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.2电力二极管1.2.1电力二极管及其工作原理1.2.2电力二极管的特性与参数电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.2.2电力二极管的特性与参数1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1、电力二极管的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。图1.2.2电力二极管的伏安特性曲线特性曲线:电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.2.2电力二极管的特性与参数1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术2、电力二极管的开关特性（1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。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。定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。图1.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术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tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。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。（2）开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。图1.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形2、电力二极管的开关特性电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术2、电力二极管的开关特性：（续）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：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用sr表示。图1.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.2.2电力二极管的特性与参数（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（RectifierDiode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在５us以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复二极管（FastRecoveryDiode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平,多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.3～0.6V，反向恢复时间几十纳秒。但反向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。电力二极管的主要类型：电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术1.2.2电力二极管的特性与参数1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术3、电力二极管的主要参数额定正向平均电流——在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）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。设该正弦半波电流的峰值为Im,则额定电流(平均电流)为:（1.2.5）（1.2.4）（1.2.6）（1.2.7）2)sin(2102mmFItdtII57.12)(AVFFfIIK可求出正弦半波电流的波形系数:定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示：额定电流有效值为:（1）额定正向平均电流IF(AV)电流平均值电流有效值fK电子工程系自动化教研室PowerElectronics电力电子技术（1）额定正向平均电流IF(AV)（续）正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.5~2倍的裕量。当用在频率