第二章电力半导体器件

第2章电力半导体器件电力电子技术——电力半导体器件2电力半导体器件2.1概述2.2电力二极管2.3晶闸管及其派生器件2.4双极结型电力三极管2.5半导体电力开关模块和功率集成电路小结电力电子技术——电力半导体器件2电力半导体器件2.1概述2.2电力二极管2.3晶闸管及其派生器件2.4双极结型电力三极管2.5电力场效应晶体管2.6绝缘门极双极型晶体管IGBT2.7其它功率场控器件2.8电力电子器件的驱动保护电路小结电力电子技术——电力半导体器件2.1概述本章讲述电力电子变换电路常用的半导体电力开关器件的概念、分类、基本工作原理、外特性和使用参数。电力半导体器件在电力电子变换器中主要做开关使用，了解和掌握电力半导体器件的基本特性和使用方法是学好电力电子学的基础。电力电子技术——电力半导体器件1）概念: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。2）分类: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）仍然2.1.1电力电子器件的概念、分类电力电子技术——电力半导体器件双极结型电力三极管（BJT）可关断晶闸管（GTO）电力场效应晶体管MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBTMOS控制晶闸管MCT集成门极换流晶闸管IGCT静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管SITH半导体电力开关模块和功率集成电路PIC不可控器件：半导体功率二极管（PowerDiode）或半导体整流器（SemiconductorRectifier，SR）半控器件：晶闸管（Thyristor）或可控硅（SiliconControlledRectifier，SCR）⑴按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：全控器件：电力电子技术——电力半导体器件半控型器件（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。电力电子技术——电力半导体器件电流驱动型——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。⑵按照驱动电路信号的性质，分为两类：电力电子技术——电力半导体器件⑶全控型按器件内部载流子参与导电的种类分类全控型的电力半导体器件也被称做现代电力电子器件，根据器件内部载流子参与导电的种类不同，又可分为①单极型、②双极型和③复合型三类。只有一种载流子参与导电的称为单极型，如PowerMOSFET；器件内有电子和空穴两种载流子导电的称为双极型器件，如GTR和GTO等；由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件称为复合型器件，如IGBT等。电力电子技术——电力半导体器件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。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。2.1.2同处理信息的电子器件相比的一般特征电力电子技术——电力半导体器件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电力电子器件的损耗电力电子技术——电力半导体器件自然界中的物质按其导电性能可分为三大类：1.导体2.绝缘体3.半导体(硅、锗、硒、金刚石、砷化稼、碳化硅等)指其导电能力明显依赖于内外状态的一类特殊物质。(1)当半导体受到外界光和热的激发时，其导电能力发生显著的变化。(2)在纯净的结构完整的半导体（被称为本征半导体）中加入微量的杂质后其导电能力会显著增强。现已广泛应用的半导体材料大都是掺入了微量杂质的硅元素（或锗元素）材料研制得到的。2.2不可控器件—电力二极管(PowerDiode)电力电子技术——电力半导体器件2.2.1什么是PN结将P型半导体与N型半导体通过物理化学方法有机的结合为一体后，就形成了PN结，PN结具有非线性电阻的特性，可以制成二极管作整流器件，PN结是构成多种半导体器件的基础++++++++++++------------P区N区空间电荷区内电场Ei正离子电子空穴负离子（c）+N型半导体（a）-P型半导体（b）四价硅五价砷四价硅三价硼多子多子电力电子技术——电力半导体器件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。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PN结的状态电力电子技术——电力半导体器件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。PN结的电容效应：电力电子技术——电力半导体器件PN结高频等效电路RCK(N)A(P)电力电子技术——电力半导体器件功率二极管（PowerDiode）也称为半导体整流器（SemiconductorRectifier，简称SR），不可控电力电子器件，结构和原理简单，工作可靠，是20世纪最早(50年代)获得应用的电力电子器件，直到现在它在高、中频整流、逆变等领域仍然发挥着积极的作用。功率二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，现在也有做成模块式结构的，如下图。整流二极管及模块2.2.2功率二级管电力电子技术——电力半导体器件由于功率二极管流过很大的电流，其中引线、焊接电阻压降等都有明显影响；同时为了提高耐压，掺杂浓度也造成压降较大。功率二极管一般工作在大电流、高电压场合。因此二极管本身耗散功率大、发热多，使用时必须配备良好的散热器，以使器件的温度不超过规定值，确保运行安全电力电子技术——电力半导体器件基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。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，主要有螺栓型和平板型两种封装。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AKAKa)IKAPNJb)c)AK电力电子技术——电力半导体器件半导体二极管基本特性——单向导电性PNAK阴极阳极（a）符号++++++++++++------------PN外电场Ee内电场Ei（b）正向接法R+-IF++++++++++++------------PN外电场Ee内电场Ei（c）反向接法R+----+++正向接法时内电场被削弱，扩散运动强于漂移运动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。反向接法时内电场被增强，漂移运动强于扩散运动，光热激发形成的少数载流子导电，等效电阻很大。2.2.2电力二极管的基本特性电力电子技术——电力半导体器件主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU电力电子技术——电力半导体器件VFVth=0.2～0.5Ｖ0VRBRIS=5～10μAIF100A10A1A0.01A100A1000V100V2112实际理论理论实际二极管伏-安特性)1(/TVVSeII一般表达式：SRII反向时的表达式：TVVSFeII/正向时的表达式：SI：反向饱和电流电力电子技术——电力半导体器件半导体电力二极管的开关特性在半导体电力二极管开关过程中，由导通状态转为阻断状态时并不是立即完成的，它要经历一个短时的过渡过程，此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管是有很大差异的，而且，对此过程的理解对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。导通、阻断开通、关断状态过程电力电子技术——电力半导体器件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）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V开通过程开通过程：关断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。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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt关断过程电力电子技术——电力半导体器件QPN-+-IFAKIFVSFRL+VD(a)0≤t≤t1PNQ-+-IFAKIFVSRRL+-VD(b)t1≤t≤t2+-++-PN-+-IRAKIRVSRRL+-VD(c)t2≤t≤t3+IRQ+-PNQ+-IRAKIRVSRRL-VD(d)t3≤t≤t4+KBIR+-+-VDVRMt1t2t3t4t4t3t2t1IDtftdtrrIF0tt(e)电流波形(f)电压波形0IRMIsIRVSR反向恢复时间电力电子技术——电力半导体器件额定电流——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。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。2.2.3电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)电力电子技术——电力半导体器件在指定温度下，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对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。4）反向恢复时间trrtrr=td+tf1.2.3电力二极管的主要参数2）正向压降UF电力电子技术——电力半导体器件结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM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。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。2.2.3电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM电力电子技术——电力半导体器件半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量二极管使用过程中：是否被过压击穿是否会过热烧毁开关特性电力电子技术——电力半导体器件额定电流的定义：二极管的额定电流被定义为：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值。002/01)()sin(21)()sin(1)sin(1mmmTmFRItdtItdtITtdtITI当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：电力电子技术——电力半导体器件mmTmFrmsItdtIdttITI21)()(sin21)(sin10222/022若正弦半波电流的最大值为则全周期均方根正向电流为：最大允许全周期均方根正向电流的定义：当二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFMS称为最大允许全周期均方根正向电流。mI电力电子技术——电力半导体器件二极管电流定额的含义如果手册上给出某电力二极管的额定电流为100A，它说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。mmTmFrmsItdtIdttITI21)()(sin21)(sin10222/022002/01)()sin(21)()sin(1)sin(1mmmTmFRItdtItdtITtdtITIFRFRFrmsIII57.12电力电子技术——电力半导体器件求二极管电流定额；除以1.57将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。求出电路中二极管电流的有效值；选择二极管电流定额的过程：mmTmFrmsItd