第二章电力电子器件及应用

电力电子技术PowerElectronics电力电子技术第2章电力电子器件及应用12345晶闸管可关断晶闸管（GTO）电力晶体管6电力电子器件基础电力电子器件的特点与分类功率二极管功率场效应晶体管7绝缘栅双极型晶体管8电力电子技术910其它新型电力电子器件电力电子器件的发展趋势电力电子器件应用共性问题11总结12第2章电力电子器件及应用电力电子技术2.1电力电子器件的特点和分类1．电力电子器件的特点电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指能实现电能的变换或控制的电子器件。和信息系统中的电子器件相比，具有以下特点：目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结1）具有较大的耗散功率2）工作在开关状态3）需要专门的驱动电路来控制4）需要缓冲和保护电路因为具有较高的导通电流、阻断电压和阻断时的漏电流。电路中主要的发热源。体积较大（散热），在使用时一般都要安装散热器，以限制因损耗造成的温升。为了降低工作损耗。关断时承受一定的电压，但基本无电流流过；导通时流过一定的电流，但只有很小的导通压降。电力电子器件工作时在开通和关断之间不断切换，其动态特性（即开关特性）是器件的重要特性。电力电子器件处理的电功率较大，信息电子电路不能直接控制器件的工作状态，需要中间电路将控制信号放大，该放大电路就是驱动电路。电力电子器件开关过程中，电压和电流会发生急剧变化，为增强器件工作的可靠性，通常采用缓冲电路抑制电压和电流的变化率，降低器件的电应力；采用保护电路防止电压和电流超过器件的极限值电力电子技术■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电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子技术2.电力电子器件的分类目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结■按照能够被控制信号控制的程度◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断，由自身在电路中承受的电压和电流来决定。◆半控型器件☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。☞通过控制信号能控制其导通，关断由其在主电路中承受的电压和电流决定的。◆全控型器件☞目前最常用的是门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应管（PowerMOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。2.1电力电子器件的特点和分类电力电子技术2.1电力电子器件的特点和分类2．2．1PN结原理2.电力电子器件的分类目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结■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◆电平控制型☞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。☞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。电力电子技术2.1电力电子器件的特点和分类2．2．1PN结原理2.电力电子器件的分类目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结■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。电力电子技术2.2电力电子器件基础目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场2.2.1PN结原理PN结的单向导电性◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。◆PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。电力电子技术■PN结的电容效应◆称为结电容CJ，又称为微分电容◆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☞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。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。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。电力电子技术2．2．2电力电子器件的封装图2-2是电力电子器件几种常见的封装形式TO-220TO-247SOT-227TO-64TO-209目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2．3功率二极管功率二极管（PowerDiode）属于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，它在整流、逆变等领域都发挥着重要的作用。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术AKAKa)IKAPNJb)c)AK2．3功率二极管■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。图电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)基本结构c)电气图形符号AKa)AKKA电力电子技术2．3功率二极管目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结■常用的电力二极管。◆普通结型功率二极管（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。◆快速功率二极管☞又称快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）◆肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）电力电子技术2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理为提高PN结二极管承受反向电压的阻断能力，可增加硅片的厚度；PIN结构可以用很薄的硅片厚度得到PN结构在硅片很厚时才能获得的高反压阻断能力，故结型功率二极管多采用PIN结构。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结IKAPNJb)c)AKN-二极管的基本结构是半导体PN结，具有单向导电性，正向偏置时表现为低阻态，形成正向电流，称为正向导通；而反向偏置时表现为高阻态，几乎没有电流流过，称为反向截止。PIN功率二极管在P型半导体和N型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗N-区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导体，即本征半导体。电力电子技术2．3．2结型功率二极管的基本特性图2-4结型功率二极管的伏安特性目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结1．稳态特性◆主要是指其伏安特性◆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，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU电导调制效应使得PN结在正向电流较大时导通压降仍然很低，且不随电流的大小而变化。电力电子技术2．3．2结型功率二极管的基本特性UFPuUFtfrO2VtURURPiOtFt0trrtdtft1t2tIRP2．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。图2-5结型功率二极管的开关过程目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2．3．2结型功率二极管的基本特性a)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◆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。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☞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