第2章 电力电子器件(5).ppt

第2章电力电子器件,2.1电力电子器件分类2.2晶闸管原理与特性2.3特殊用途晶闸管2.4常用全控型器件,第2章电力电子器件,电力电子器件是构成电力电子设备的基本元器件，是电力电子技术的基础，其原理、特性和应用方法及典型电路决定着电力电子电路及应用系统的性能、价格和可靠性。本章介绍电力电子器件的概念、分类、特点，以及各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数及其选择和使用中应注意的一些问题。本章要求掌握电力电子器件的分类、基本电力电子器件的结构、原理、特性，以及使用方法。,2.1电力电子器件分类,2.1.1按受控方式分2.1.2按载流子类型分2.1.3按控制信号性质分,2.1.1按受控方式分,1.不可控器件器件本身没有导通、关断控制能力，需要根据电路条件决定其导通、关断状态。这类器件包括普通整流二极管，肖特基Schottky整流二极管等。2.半可控器件通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断。这类器件包括普通晶闸管，快速、光控、逆导、双向晶闸管等。3.全控器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断。GTO、GTR、功率MOSFET、IGBT等均属于全控型器件。,2.1.2按载流子类型分,1.单极型器件由一种载流子参与导电的器件，称为单极型器件，如功率MOSFET、静电感应晶体管SIT等。2.双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，称为双极型器件，如PN结整流管、普通晶闸管、电力晶体管等。3.混合型器件由单极型和双极型两种器件组成的复合型器件，称为混合型器件，如IGBT、MCT等。,2.1.3按控制信号性质分,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，代表器件如晶闸管、电力晶体管等。电流控制型器件的特点是①在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，由导通转向阻断时，两种载流子在复合过程中产生热量，使器件结温升高。过高的结温限制了工作频率的提高，因此，电流控制型器件比电压控制型器件的工作频率低。②电流控制型器件具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损耗较小。③电流控制型器件的控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。2.电压控制型器件此类器件采用场控原理对其通/断状态进行控制，代表器件如功率MOSFET、IGBT等。电压控制型器件的特点是①输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。②工作频率高。③工作温度高，抗辐射能力强。,2.2晶闸管原理与特性,2.2.1晶闸管基本结构2.2.2晶闸管工作原理2.2.3晶闸管基本特性2.2.4晶闸管的主要参数,2.2.1晶闸管基本结构,a螺栓形b平板形c塑封形d集成封装形e模块形f结构g电气图形符号,图2.1晶闸管的外形、结构和电气图形符号,2.2.2晶闸管工作原理,1.导通/关断实验,,图2.2晶闸管导通/关断实验电路,2.2.2晶闸管工作原理,归纳以上实验结果，可见1晶闸管导通的条件阳极加正向电压，同时门极加合适的正向触发电压。2晶闸管关断的条件使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流或突加反向电压。3晶闸管的特点①单向导电性；②属半控型半导体器件；③属电流控制器件。,2.2.2晶闸管工作原理,2.晶闸管的基本工作原理1阻断状态分析当门极开路、给晶闸管加正向阳极电压阳极电位高于阴极电位时，则J1和J3结承受正向电压；而J2结承受反向电压、处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流，称为晶闸管的正向阻断状态。当给晶闸管加反向电压阴极电位高于阳极电位时，J1和J3结反偏，虽然J2结承受正向电压，但晶闸管也不能导通，称为反向阻断状态，也仅有极小的反向漏电流通过。当门极G开路时，无论在A、K间加正向电压还是反向电压，均至少有一个PN结处于反偏，故其不会导通正、反向均处于阻断状态，此时晶闸管具有正向和反向阻断能力。,2.2.2晶闸管工作原理,2导通状态分析晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图2.3所示。,a双晶体管模型b工作原理,图2.3晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,2.2.2晶闸管工作原理,S闭合前IG0→Ib20→Ic20→Ib10→Ic10，三极管V1和V2均处于截止状态，晶闸管处于正向阻断状态。开关S闭合，则外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，该电流最初就是晶体管V2的基极电流Ib2，即产生集电极电流Ic2，它又是晶体管Vl的基极电流，经V1放大后产生集电极电流Ic1，而Ic1此时等于β1β2Ib2，比最初的驱动电流IG大了许多。使V2的基极电流进一步增大，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2完全进入饱和状态，即晶闸管导通。,2.2.3晶闸管基本特性,1.晶闸管静态伏安特性,图2.4晶闸管的伏安特性,2.2.3晶闸管基本特性,1正向伏安特性晶闸管在门极开路IG0的情况下，在阳极与阴极间施加一定的正向阳极电压，器件也仍处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。外加的阳极正向电压在其转折电压以下时，只要在门极注入适当的电流一般为毫安级，器件也会立即进入正向导通状态。2反向伏安特性晶闸管承受反向阳极电压时，由于J1、J3结处于反向偏置状态，晶闸管流过的电流仅由各区少数载流子形成，只有极小的反向漏电流通过，这就是器件的反向阻断状态。随着反向电压的增加，穿过J2结的少数载流子稍有增加，反向漏电流逐渐增大。,2.2.3晶闸管基本特性,3晶闸管的门极特性该门极伏安特性被划分为三个区域，一个是不触发区，一个是不可靠触发区，一个是可靠触发区。不触发区是为了使晶闸管具有一定的抗干扰能力。不可靠触发区触发电路所提供的触发信号值若在此范围时，该批晶闸管不会全部都被触发导通。可靠触发区则是为了保证晶闸管可靠安全的触发，门极触发电路应提供的触发电压、触发电流和功率及应受到限制的区域。,图2.5晶闸管门极伏安特性,2.2.3晶闸管基本特性,2.晶闸管动态特性晶闸管开通过程第一阶段延迟阶段。所需时间为延迟时间td。从门极电流iG阶跃时刻开始，到阳极电流iA上升到稳态电流的10％所需的时间。在这一期间，晶闸管的正向压降略有减小。第二阶段上升阶段。此阶段所需时间为上升时间tr。阳极电流从稳态值的10％上升到90％所需的时间。在该阶段，伴随着阳极电流迅速增加，器件两端的压降uAK也迅速下降。第三阶段扩散阶段。所需时间为扩散时间tex。它是阳极电流上升到90之后载流子在整个芯片面积上分布的过程，最终使iA上升到100稳态值，器件压降达到稳定值。,2.2.3晶闸管基本特性,图2.6晶闸管的开通和关断过程波形,2.2.3晶闸管基本特性,2晶闸管关断过程晶闸管的关断有三种情况一种是晶闸管处在正向阳极电压下，设法使流过它的电流减小到零，使其关断；另一种是使晶闸管的阳极电压减小到零，迫使流过它的电流减小到零而使其关断；第三种情况是给原来处于导通状态的晶闸管两端加一强制反偏电压，使其阳极电压突然由正向变为反向，迫使电流迅速减小到零而关断。,2.2.3晶闸管基本特性,3通态电流临界上升率di/dt①门极触发方式利用强触发来加速初期载流面积扩展速度，要求门极脉冲前沿的电流大、上升速度快。但过大的门极电流又会使门极功率超过允许值。因此对大功率晶闸管，门极信号希望具有很陡的脉冲前沿前沿上升时间≤1，并有幅值是门极电流额定值5～6倍的强触发部分。波形如图2.7所示。②工作频率工作频率越高，开通损耗影响越大，结温越高，这就限制了器件的每次开通能量。因此不仅是阳极电流幅值减小，也降低了di/dt承受能力。③开通前电压元件开通前承受的正向电压越高，开通过程中的各种损耗相应增加。这样，为了限制晶闸管结温，di/dt承受能力就必须加以限制。,2.2.3晶闸管基本特性,4断态电压临界上升率du/dt因此过高的du/dt，会产生对J2结过大的充电电流，可能造成晶闸管的误导通。,图2.8位移电流产生示意图,2.2.3晶闸管基本特性,5晶闸管的动态损耗晶闸管在低频运行时，由于主要工作于稳定阻断或导通状态，其开、关过程时间相对较短，该阶段产生的损耗可以忽略。该阶段的损耗主要是由通态压降与阳极电流，以及阻断电压和断态漏电流产生的静态损耗。这种损耗是晶闸管低频运行时结温升高的主要因素。然而，晶闸管在高频运行时，晶闸管开关过程时间占了很大成分，开关过程中晶闸管的压降和电流值都较大，产生的损耗更是不容忽略的，这部分损耗称作动态损耗。,2.2.4晶闸管的主要参数,1.晶闸管的电压参数1断态不重复峰值电压UDSM晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。它是一个不能重复且每次持续时间不大于10ms的断态最大峰值电压。UDSM值小于正向转折电压Ubo，所留裕量大小由生产厂家自行规定。2断态重复峰值电压UDRM晶闸管在门极开路及额定结温下，允许每秒50次，每次持续时间不大于10ms，重复加在晶闸管上的正向峰值电压。UDRM0.9UDSM。3反向不重复峰值电压URSM晶闸管门极开路、晶闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧弯曲处的反向峰值电压值。它是一个不能重复施加且持续时间不大于10ms的反向最大峰值电压。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定。,2.2.4晶闸管的主要参数,4反向重复峰值电压URRM晶闸管门极开路及额定结温下，允许每秒50次，每次持续时间不大于10ms，重复加在晶闸管上的反向最大峰值电压。URRM0.9URSM。5额定电压将断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该晶闸管的额定电压值。选用晶闸管时，应考虑瞬时过电压等因素的影响，额定电压要留有一定的安全裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍。6通态峰值电压UTM通态峰值电压是晶闸管通过某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。,2.2.4晶闸管的主要参数,2.晶闸管的电流参数1额定通态平均电流ITAV在环境温度为40C和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取整数值，称为该晶闸管的通态平均电流，并定义为该元件的额定电流。2维持电流IH维持电流是指在规定室温和门极开路条件下，使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流，一般为几十到几百毫安。IH与结温有关，结温越高，则IH越小。3擎住电流IL擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍。4浪涌电流ITSM浪涌电流是指在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的不重复性最大正向过载峰值电流。,2.2.4晶闸管的主要参数,3.门极参数1门极触发电压UGT在规定室温下，正向阳极电压为6V，能使晶闸管由断态转为通态所需的最小门极电压。2门极触发电流IGT在上述条件下，门极触发电压UGT所对应的门极电流。4.动态参数1断态电压临界上升率du/dt这是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。使用中实际电压上升率必须低于此临界值。2通态电流临界上升率di/dt这是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。,2.2.4晶闸管的主要参数,5.晶闸管的型号表示,,2.3特殊用途晶闸管,2.3.1快速晶闸管2.3.2逆导晶闸管2.3.3双向晶闸管2.3.4光控晶闸管,2.3.1快速晶闸管,快速晶闸管指所有专为快速应用而设计的晶闸管，包括常规工作在400Hz左右的快速晶闸管和工作在10kHz左右或更高频率的高频晶闸管，主要应用于斩波或逆变电路中。由于快速性的要求，其管心结构和制造工艺都与普通晶闸管有所不同，使得快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐受能力都有了明显的提高。以关断时间为例，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10左右。但快速晶闸管的电压和电流定额受快速性指标和制造工艺的限制，仍与普通晶闸管有很大差距。由上节对普通晶闸管的分析可知，当工作频率较高时，开关损耗是晶闸管发热的主要因素。所以，快速晶闸管开关损耗的发热效应对其通态平均电流的计算有着很大的影响。,2.3.2逆导晶闸管,图2.11逆导晶闸管及图形符号,图2.12逆导晶闸管的优安特性,2.3.3双向晶闸管,a电气图形符号b伏安特性,图2.13双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性,2.3.3双向晶闸管,双向晶闸管的工作模式,2.3.4光控晶闸管,a图形符号b伏安特性图2.14光控晶闸管的图形符号和伏安特性,2.4常用全控型器件,2.4.1功率晶体管GTR2.4.2门极可关断晶闸管GTO2.4.3功率场效应晶体管P-MOSFET2.4.4绝缘栅双极型晶体管IGBT2.4.5功率集成电路PIC,2.4常用全控型器件,当晶闸管问世后不久，具有全控能力的门极可关断晶闸管就已经出现。之后，随着电力电子应用技术的要求和半导体制造技术的发展，相继出现了一批又一批、一代又一代全控型、高频化、采用集成电路制造工艺的电力电子器件。尤其是全控型器件的出现和发展，给电力电子技术的发展开创出一个又一个新的空间。目前，常见的全控型电力电子器件主要有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、智能功率模块等。,2.4.1功率晶体管GTR,GTR的结构和基本工作原理1单管GTR,a内部结构断面示意图b图形符号c内部载流子的流动图2.15GTR的结构、图形符号和内部载流子的流动,2.4.1功率晶体管GTR,2达林顿GTR,图2.16达林顿结构GTR,2.4.1功率晶体管GTR,3GTR模块为方便现场应用，尤其是作为大功率开关应用，生产厂商常根据不同用途将几个达林顿单元电路组装在一起构成GTR模块。或将上述单元电路集成制作在同一硅片上，大大提高了器件的集成度，减少了GTR之间的连线，使其体积减小、重量减轻，提高了运行可靠性，性能/价格比大大提高。,2.4.1功率晶体管GTR,2.GTR的基本特性1静态特性,,图2.17共发射极接法时GTR的输出特性,2.4.1功率晶体管GTR,2动态特性,a试验电路b基极和集电极电流波形图2.18GTR动态特性实验电路与开通和关断过程电流波形,2.4.1功率晶体管GTR,3.GTR的主要参数1最高工作电压额定值,图2.19GTR的不同接线方式及其最高集电极电压额定值,2.4.1功率晶体管GTR,2最大集电极电流额定值ICM通常规定直流电流放大系数hFE下降到规定值的1/2～1/3时，所对应的IC为集电极最大允许电流。实际使用时要留有较大裕量，只能用到ICM的一半或稍多一点。3集电极最大耗散功率PCM集电极最大耗散功率指GTR在最高允许结温下对应的耗散功率。其值一般都会在手册上给出。4最高结温TJMGTR的最高结温是指在正常工作时不损坏器件所允许的最高结温。,2.4.1功率晶体管GTR,5饱和压降UCES工作于深饱和区的集-射极电压称为饱和压降。6共射极直流电流增益hFEGTR产品目录中通常只给出直流电流增益hFE，它为直流工作时的IC/IB。,图2.20饱和压降特性曲线,2.4.2门极可关断晶闸管GTO,1.GTO的结构和工作原理1GTO的结构,图2.21GTO的结构、等效电路和图形符号,2.4.2门极可关断晶闸管GTO,2GTO的工作原理GTO的工作原理与普通晶闸管相似，也可以用双晶体管等效模型进行分析。其导通过程与普通晶闸管基本相同，有同样的正反馈过程，只不过导通时饱和程度较浅。GTO的关断过程与普通晶闸管不同。GTO的关断电路与关断过程波形如图2.22所示。关断GTO时，给门极加负脉冲，产生门极电流-IG，此电流使得V1管的集电极电流ICl被分流，V2管的基极电流IB2减小，从而使IC2和IK减小，IC2的减小进一步引起IA和IC1减小，又进一步使V2的基极电流减小，形成内部强烈的正反馈，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下，GTO由通态转入断态。,2.4.2门极可关断晶闸管GTO,图2.22GTO的关断电路与关断过程波形,2.4.2门极可关断晶闸管GTO,2.GTO的特性,图2.23GTO的阳极伏安特性,图2.24GTO开通和关断过程中门极电流iE和阳极电流iA的电流波形,2.4.2门极可关断晶闸管GTO,3.GTO的主要参数1最大可关断阳极电流IATO它是GTO的额定电流参数。而普通晶闸管是用通态平均电流作为额定电流的。2电流关断增益βoff最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM的绝对值之比称为电流关断增益。3开通时间ton开通时间指延迟时间与上升时间之和。GTO的延迟时间一般约1～2，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。,2.4.2门极可关断晶闸管GTO,4关断时间tofftoff为存储时间和下降时间之和。5阳极电压上升率du/dtGTO保持断态不转向通态的最大电压上升率，有静态和动态之分。6阳极电流上升率di/dt在阳极电压为额定电压1/2时，阳极电流为最大可关断电流条件下，开通过程中阳极电流从10到50％间的直线斜率。,2.4.3功率场效应晶体管P-MOSFET,1.功率MOSFET的结构和基本工作原理MOSFET种类和结构繁多，按导电沟道极性可分为N沟道和P沟道，其图形符号如图2.25所示。,aN沟道bP沟道图2.25MOSFET的图形符号,2.4.3功率场效应晶体管P-MOSFET,按垂直导电结构的差异，功率MOSFET又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFETVerticalV-grooveMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFETVerticalDouble-diffusedMOSFET。图2.26和图2.27分别示出了它们的一个单元的截面图。,图2.26VVMOSFET的结构,图2.27VDMOSFET的结构及等效电路符号,2.4.3功率场效应晶体管P-MOSFET,2.功率MOSFET的基本特性1静态特性,图2.28功率MOSFET的转移特性,图2.29功率MOSFET的输出特性,2.4.3功率场效应晶体管P-MOSFET,2动态特性,a测试电路b开关过程波形图2.30功率MOSFET的开关过程,2.4.3功率场效应晶体管P-MOSFET,3.功率MOSFET的主要参数①漏极电压UDS是标称功率MOSFET电压定额的参数。②漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM这是表征功率MOSFET电流定额的参数。③栅极击穿电压UBRGS表征栅源间能承受的最高正反向电压，一般为20V。④漏源击穿电压UBRDS用于表征功率MOSFET的耐压极限。⑤极间电容功率MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS。⑥电压上升率du/dt耐量有三种形式，即静态du/dt、动态du/dt和二极管恢复期du/dt。,2.4.4绝缘栅双极型晶体管IGBT,1.IGBT结构和基本工作原理,图2.31IGBT的结构剖面图,a等效电路b图形符号,图2.32IGBT等效电路与图形符号,2.4.4绝缘栅双极型晶体管IGBT,2.IGBT的基本特性1静态特性,a转移特性b伏安特性图2.33IGBT的静态特性,2.4.4绝缘栅双极型晶体管IGBT,2动态特性IGBT的动态特性包括开通过程和关断过程，如图2.34所示。,图2.34IGBT的开关过程,2.4.4绝缘栅双极型晶体管IGBT,3.IGBT的主要参数IGBT的主要参数包括①最大集-射极间电压UCEM由IGBT内部PNP晶体管的击穿电压确定。目前IGBT的耐压可达4500V。②最大集电极电流ICM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。③最大集电极功耗PCM在正常工作温度下允许的最大耗散功率。,2.4.5功率集成电路PIC,1.功率模块PM,图2.35二极管和晶闸管模块,2.4.5功率集成电路PIC,图2.36达林顿三极管功率模块,2.4.5功率集成电路PIC,图2.37MOSFET功率模块,2.4.5功率集成电路PIC,图2.38AC-DC-AC变频功率模块,2.4.5功率集成电路PIC,2.高压集成电路HVIC,图2.39300V全桥HVIC,2.4.5功率集成电路PIC,3.智能功率集成电路SPIC1智能功率开关,图2.40BTS-412A单片功率开关电路结构框图,2.4.5功率集成电路PIC,2单片三相逆变器,图2.41单片三相逆变器,2.4.5功率集成电路PIC,4.智能功率模块IPMIPM是一种混合集成电路，是IGBT智能化功率模块的简称。它以IGBT为基本功率开关器件，将驱动、保护和控制电路的多个芯片通过焊丝或铜带连接，封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元。如构成一相或三相逆变器的专用模块，用于电动机变频调速装置的需要。,图2.42IPM系列产品的内部框图,2.4.5功率集成电路PIC,图2.43IPM模块内部结构,