电力电子技术(19).ppt

第二章半导体电力开关器件,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基本工作原理、外特性（部分器件的动态特性第七章讲授）和使用参数。它们是不控器件半导体电力二极管D半控器件晶闸管（Thyristor）或SCR,,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。,1,全控器件双极结型电力三极管BJT（半导体电力三极管）可关断晶闸管GTO电力场效应晶体管P-MOSFET绝缘门极双极型晶体管IGBTMOS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,2,2.1电力二极管,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。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。,电力二极管由半导体PN结构成，半导体PN结是构成各类电力电子器件的基础,3,什么是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,,四价硅,,五价砷,四价硅,,三价硼,,,多子,多子,4,半导体二极管基本特性单向导电性,,,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。,5,半导体二极管基本特性单向导电性,,,一般表达式,反向时的表达式,正向时的表达式,,反向饱和电流,6,PN结高频等效电路,半导体电力二极管重要参数,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会过热烧毁是否被过压击穿开关特性,8,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。,,,,当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算,9,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。,,若正弦半波电流的最大值为则全周期均方根正向电流为,10,二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。,,11,选择二极管电流定额的过程,求出电路中二极管电流的有效值；求二极管电流定额；除1.57将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。,,,,12,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,,,,,,,,反向恢复时间,半导体电力二极管重要参数,有关半导体电力二极管使用特性和准则的几个重要参数是最大允许反向重复峰值电压。额定电流。最大允许的全周期均方根正向电流。最大允许非重复浪涌电流。最大允许的PN结结温和管壳温度。结－壳、壳－散热器热阻。反向恢复时间。,15,二极管的基本应用,图2.6二极管的整流、续流、限幅、箝位和稳压应用,16,2.2双极结型电力三极管BJTBipolarJunctionTransistor或GTRGiantTransistor,2.2.1三极管的电流控制作用,图2.7三极管的结构和符号,17,2.2.1三极管的电流控制作用基极电流控制集电极电流,图2.7三极管的结构和电流分配,,,,,,,,,,,2.2.2三极管的静态特性,19,2.2.3电力三极管使用参数和特性,,图2.9不同基极状态时，集－射极击穿电压,1.集电极额定电压。2.集电极额定电流（最大允许电流）。3.饱和压降。4.基极电流的最大允许值。5.开通和关断时间、6.安全工作区。,20,电力三极管的主要特点,是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；开关速度较快；饱和压降较低；有二次击穿现象；能控制较大的电流和较高的电压；电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A。,21,2.3晶闸管及其派生器件,2.3.1逆阻型晶闸管SCR两个三极管正反馈,22,晶闸管的等值电路,可控开通,关断,强迫其电流下降到维持电流以下,,,,,,,,,,,,,,通态时,23,静态伏安特性及防护,24,晶闸管在什么时候导通,正向折转导通高温导通高电压变化率导通,门极触发导通光注入导通,晶闸管在什么时候关断,强迫其电流减小到维持电流以下,25,晶闸管的主要特性参数,1额定电压。2晶闸管的额定电流。3通态峰值电压降。4浪涌电流。5额定门极触发电流和触发电压。6维持电流。7掣住电流。8开通时间和关断时间。9断态电压临界上升率。10开通电流临界上升率。,26,例2-1,图2-12中画斜线部分为一个周期中晶闸管的电流波形，若各波形的最大值为100A，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3。若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求。,27,逆导型晶闸管RCT、光控晶闸管LCT,图2.13逆导晶闸管等值电路和符号,图2.14光控晶闸管符号及等值电路,28,双向晶闸管TRIAC,图2.15双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性,29,晶闸管的主要特点,脉冲电流控制开通，关断靠主电路；主要应用在低频开关、主电路有关断已导通晶闸管条件的场合；饱和压降很小；电流、电压耐量最大；目前利用8KV/3.5KA的光控晶闸管所构成的300MVA容量的电力变换装置是目前最大的电力电子装置；,30,门极可关断晶闸管GTO,图2.16GTO符号及关断原理图,（GateTurn-OffThyristor）,GTO为什么能靠反向触发电流关断,T2的电流分配系数较大；T1、T2饱和深度较浅,31,门极可关断晶闸管GTO的主要特点,电流控制开通和关断，但反向关断的触发电流比较大；饱和压降中等；开关速度中等；能控制的电流、电压较大；现今额定电流电压为6KA/6KV的GTO已在10MVA以上的大型电力电子变换装置中得到应用；,32,电力场效应晶体管P－MOSFET,,P-MOSFET基本结构、符号和外接电路,33,目前流行的P-MOSFET的结构,具有垂直导电双扩散MOS结构的N沟增强型VDMOS,34,电力场效应晶体管P-MOSFET的特性曲线,P－MOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述,35,电力场效应晶体管P-MOSFET的主要特点,单极性导电，开关速度快（最快）；电压控制器件；电流电压耐量小于BJT；导通后等效为一个小电阻；导通电阻具有正温度系数，便于并联使用；自然具有反并联二极管（体二极管），但它的特性不是很好；,36,2.6绝缘门极双极型晶体管IGBT,发射极,工作原理,,37,绝缘门极双极型晶体管IGBT,图2.18IGBT符号、电路及特性,,,,I,C,V,CE,,,,,,,,,,,,,V,G,E,0,V,GE1,V,GE2,V,GE3,,,,,V,RM,0,c输出特性,正向阻断区,V,GE,增加,,,,,V,BR,,,,,,I,c,V,GE,V,GEth,d转移特性,,,,,,,,,,,,,,,符号、电路及静态特性,38,绝缘门极双极型晶体管IGBT,,什么是擎住效应,集电极电流iC过大；集电极电压过高；关断速度过快；,Rbr上的电压过大，可使T2导通，使IGBT失去关断能力。,产生擎住效应的原因,39,绝缘门极双极型晶体管IGBT主要特点,电压控制开通和关断，控制功率小；双极性导电，开关速度介于MOSFET和BJT之间；电压电流耐量介于BJT和GTO之间；无二次击穿现象，有擎住效应；最近十年IGBT已得到广泛应用，3.3KV-4.5KV/1200-1800A的器件已开始实用。,40,*2.7MOS控制晶闸管MCT,晶闸管引入一对MOSFET构成了场控晶闸管MCT（图2.19）,,开通P沟道的MOS管使MCT导通开通N沟道的MOS管使MCT关断,41,集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT就是把GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再将其门极驱动器在外围以低电感方式连接成环状的门电极。,优点电流大、电压高，开关频率比较高,（比GTO大10倍），驱动功率小。,,IGCT广泛应用於大功率电气传动，电力系统有源滤波，补偿及直流输电等电力变换系统中。,42,*2.8静电感应晶体管SIT,,,N沟道变宽，等效电阻小，SIT开通,,N沟道夹断，等效电阻大，SIT关断,特点开关速度很快，可在100500kHz的高频开关状态下工作,SIT是一种结型场效应晶体管，控制GS之间的电压可以改变电流通道（图中N沟道）的宽窄，从而控制SIT的通断。,43,静电感应晶闸管SITH,SITH也称场控晶闸管，通断机理与SIT类似,符号见图2.20（b在SIT结构基础上增加一个PN结，在内部多形成一个三极管，两个三极管构成一个晶闸管，而成为静电感应晶闸管SITH。,,SITH导通,,SITH关断,优点功率大，开关频率高，可用于高频（100500kHz）,的大功率变换器中。,44,2.9半导体电力开关模块和功率集成电路,把同类或不同类的一个或多个开关器件按一定的拓扑结构连接并封装在一起的开关器件组合体称为电力开关模块。二极管和晶闸管模块；达林顿三极管功率模块；MOSFET功率模块；IGBT模块（AC-DC-AC变频功率模块）；功率集成电路PIC；,45,二极管和晶闸管模块,图2.21二极管和晶闸管模块,46,达林顿三极管功率模块,,图2.22达林顿三极管功率模块,47,MOSFET功率模块,48,AC-DC-AC变频功率模块,49,功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuit）,如果将电力电子开关器件与电力电子变换器控制系统中的某些信息电子电路环节（如工作状态和运行参数的检测、驱动信号的生成和处理，缓冲、故障保护和自诊断等）制作在一个整体芯片上，则称为功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuit）不同的功率集成电路PIC由于其侧重的性能、要求不同，有的被称为高压集成电路HVICHighVoltageIC智能功率集成电路SPIC（SmartPowerIC）智能功率模块IPM（IntelligentPowerModule）,50,功率集成电路PIC（续）（PowerIntegratedCircuit）,在功率集成电路PIC中，高、低压电路（主回路与控制电路）之间的绝缘或隔离问题以及开关器件模块的温升、散热问题一直是PIC发展的技术难点。现在将IGBT及其辅助器件，驱动、保护电路集成在一起的智能IGBT已在小功率电力电子变换器中得到较多的应用。较大功率的智能功率模块也已开始应用于高速列车牵引的电力传动系统的电力变换器。功率集成电路PIC,实现了电能变换和信息处理的集成化，它与高频化、数字化一样是未来电力电子变换和控制技术的发展方向。,51,小结,根据开关器件开通、关断可控性的不同，开关器件可以分为三类不可控器件仅二极管D是不可控开关器件。半控器件仅普通晶闸管SCR属于半控器件。可以控制其导通起始时刻，一旦SCR导通后，SCR仍继续处于通态。全控型器件三极管BJT、可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管P－MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT都是全控型器件，即通过门极（或基极或栅极）是否施加驱动信号既能控制其开通又能控制其关断,52,小结（续）,根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要求，开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控制型开关器件两大类SCR、BJT和GTO为电流驱动控制型器件P－MOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件三极管BJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，当基极电流为零后BJT关断。为了加速其关断，最好能提供负的脉冲电流。P－MOSFET和IGBT要求有正的持续的驱动电压使其开通并保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并保持为可靠的断态。电压型驱动器件的驱动功率都远小于电流型开关器件，驱动电路也比较简单可靠。,53,常用电力半导体开关器件性能对比,54,大趋势,最近十年电力电子器件发展的一个重要趋势是将半导体电力开关器件与其驱动、缓冲、监测、控制和保护等所有硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。PIC实现了电能与信息的集成，如果能妥善解决PIC内部的散热、隔离等技术难题，今后PIC将使电力电子技术发生革命性的变革。,55,