第二章电力半导体器件2

第二章电力半导体器件本章要点：1.功率二极管2.晶闸管工作原理3.晶闸管伏安特性4.晶闸管主要技术参数5.几种全控型器件的特点6.新型器件介绍电力电子器件的基本模型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）。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。电力电子器件的基本特性（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。注：很重要，一定记住。电力电子器件的分类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。电力电子器件的分类前面已经将电力电子器件分为不可控型、半控型和全控型。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电压控制半导体器件：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。功率二极管功率二极管（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。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。基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。功率二极管a）结构b）外形c）电气图形伏安特性曲线功率二极管的开关特性（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。反向恢复时间：trr=td+tf（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。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。功率二极管的主要参数（1）额定正向平均电流IF(AV)：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。（2）反向重复峰值电压ＵRRM：指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压），此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。（3）正向压降ＵF：指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降)。（4）反向漏电流ＩRR：指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。最高工作结温ＴjM：指器件中ＰＮ结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。ＴjM通常在125～175℃范围内。功率二极管的主要类型（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0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。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。晶闸管晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。普通晶闸管面世早，应用极为广泛,在无特别说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。普通晶闸管：也称可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),简称SCR。它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域,成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。晶闸管的外形、结构和符号P1N1P2N2GKAJ1J2J3(b)(c)AKG(a)AGKAGK(a)外形；(b)结构；(c)图形符号晶闸管的工作原理IA=Ic1+Ic2+ICO=1IA+2IK+ICO（2-1）IK=IA+IG（2-2）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICO是流过J2结的反向漏电流。由以上两式可得（2-3）)(12120GCAIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的阻断状态与正向转折阻断状态：IG=0，1+2很小。正向阳极电压uAK在一定范围内可视为IA=IK=IC0。正向转折：若增大uAK电流IC0随之增加，导致1、2上升。当（1+2）≈1时，IA急剧上升，晶闸管由阻断状态转为正向导通状态，称为正向转折。晶闸管发生正向转折后，阳极电流IA决定于外电路参数，属于失控状态，应于避免。反向阳极电压uAK在一定范围内时，晶闸管处于反向阻断状态。反向阳极电压超限会导致晶闸管反向击穿，造成永久损坏。晶闸管的门极开通原理晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极G也加正向电压UG,门极电流IG经三极管V2放大后成为集电极电流IC2，IC2又是三极管V1的基极电流,放大后的集电极电流IC1进一步使IG增大且又作为V2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管V1、V2都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。此时若撤除UG,V1、V2内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。晶闸管的关断在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的方法有：将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。几点结论（非常重要）1.晶闸管具有单向导电和可控开通的开关特性。2.晶闸管由阻断状态转为导通状态时，应具备两个条件：从主电路看，晶闸管应承受正向阳极电压；从控制回路看，应有符合要求的正向门极电流。3.晶闸管导通后，只要具备维持导通的主回路条件，晶闸管就维持导通状态，门极便失去控制作用，其阳极电流由外电路决定。4.欲使晶闸管关断，必须从主电路采取措施，使晶闸管阳极电流下降至维持电流之下，通常还要施加一定时间的反向阳极电压。晶闸管的阳极伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMIG2IG1IG晶闸管的正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。晶闸管的反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。晶闸管的动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。晶闸管的关断过程反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间•在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。•实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。晶闸管的电压额定参数1）正向重复峰值电压UDRM:门极断开(Ig=0),元件处在额定结温时,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM(此电压不可连续施加)的80%所对应的电压(此电压可重复施加,其重复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms)。2）反向重复峰值电压URRM:元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压URRM的80%所对应的电压。3）晶闸管铭牌标注的额定电压Ue通常取UDRM与URRM中的最小值,选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2～3倍。即Ue=（2～3）UM（2-7）UM为晶闸管实际承受的最大重复电压。晶闸管的电流额定参数1）维持电流ＩＨ：在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH。2）掣住电流ＩL：给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。对同一晶闸管来说，掣住电流ＩL要比维持电流ＩH大2~4倍。晶闸管的电流额定参数3）通态平均电流─额定电流ITa在环境温度为40℃和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载导通角不小于170°的单相工频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。晶闸管的电流额定参数4）通态平均电流─额定电流ITa的计算方法根据平均值、有效值的定义对正弦半波电流有如下关系：从上两式有：I=1.57ITa(2-10)晶闸管电流定额可按下式选择，IVT为晶闸管实际通过电流的有效值。（2-11）mmTaIttdII0)(sin212)()sin(2102mmItdtII57.1)2~5.1(VTTaII晶闸管的动态参数通态电流临界上升率di/dt定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电