第一章 电力电子器件1.ppt

杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽省高等学校精品课程,电力电子技术,PowerElectronicTechnology,第1章电力电子器件,本章主要内容,1、电力电子器件概述,2、不可控器件－电力二极管（SR）,3、半控型器件－晶闸管（SCR）,4、门极可关断晶闸管（GTO）,5、电力晶体管（GTR）,6、电力场效应晶体管（MOSFET）,7、绝缘栅双极晶体管（IGBT）,8、电力电子器件驱动电路,9、电力电子器件的保护,10、电力电子器件的串并联,1.1电力电子器件概述,1.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2应用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类,电力电子器件（PowerElectronicDevice）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。,1.1.1电力电子器件的概念与特征,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。,,,1.1.1电力电子器件的概念与特征,,广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。两类中，自20世纪50年代以来，真空管（VacuumValve）仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅锗、硒、灰锡、金刚石等单元素材料；砷化镓、碳化硅等化合物）。,1.1.1电力电子器件的概念与特征,1.1.1电力电子器件的概念与特征,同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是其最重要的参数其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都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导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定电力电子器件的动态特性（开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替有时将其称之为电力电子开关或电力半导体开关。,1.1.1电力电子器件的概念与特征,电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行适当放大，这就是电力电子器件的驱动电路DrivingCircuit）,1.1.1电力电子器件的概念与特征,1.1.1电力电子器件的概念与特征,为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。,对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流（LeakageCurrent）极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因器件开关频率（SwitchingFrequency）较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素,1.1.1电力电子器件的概念与特征,1.1.1电力电子器件的概念与特征,电力电子系统由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。,1.1.2应用电力电子器件的系统组成,图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成,控,制,电,路,,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,,电气隔离,控制电路,电力电子器件有三个端子组成,,1.1.3电力电子器件的分类,1、按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类1）半控型器件Semi-controlledDevice通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件,1.1.3电力电子器件的分类,全控型器件Full-controlledDevice通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistorIGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）GTR、SIT、SITH、IGCT等,1.1.3电力电子器件的分类,不可控器件UncontrolledDevice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二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的,1.1.3电力电子器件的分类,1.1.3电力电子器件的分类,电力电子器件,可控器件,非可控器件,,,,,整流二极管,,自关断器件,非自关断器件,,,,普通晶闸管GTR,,快速晶闸管FST,双向晶闸管TRIAC,逆导晶闸管RCT,光控晶闸管LTT,,,,,,晶体管,晶闸管,,,,,双极型电力晶体管GTR,电力场效应晶体管PMOSFET,绝缘栅双极电力晶体管IGBT,静电感应型晶体管SIT,门极可关断晶闸管GTO,场控晶闸管MCT,静电感应型晶闸管SITH,,,,,,,,,,,电力电子器件分类树1,2、按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类电流驱动型CurrentDrivingType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。如GTO、GTR电压驱动型VoltageDrivingType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。又称为场控器件，或场效应器件。如MOSFET,1.1.3电力电子器件的分类,3、按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类单极型器件UnipolarDevice由一种载流子参与导电的器件（MOSFET,SIT,肖特基二极管）双极型器件BipolarDevice由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR,GTO,SITH，SR）复合型器件ComplexDevice由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（IGBT,MCT,IGCT）,1.1.3电力电子器件的分类,电力电子器件分类树2,1.1.3电力电子器件的分类,1.1.3电力电子器件的分类,电力电子器件,控制功能,可控型,不控型,开关状态可控性,半控型,全控型,控制信号性质,电流控制型,电压控制型,导电机理,PN结型,势垒型,反向恢复速度,普通型,快速及超快速型,反向电流衰减速度,硬恢复型,软恢复型,载流子类型（单极型、双极型、复合型）,芯片材料（硅型、碳化硅型）,集成度（分立型、功率模块、集成电路）,1.2、不可控器件－电力二极管,PN结与电力二极管的工作原理电力二极管的基本特性电力二极管的主要参数电力二极管的主要类型,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,半导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。其导电能力受到外部条件（如光、热等）影响。半导体是否纯净也会影响其导电能力。本征（instinct）半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,载流子（源于金属导体），电流是电子在导体中的定向流动，而在金属导体中能够运载电流的只有其中的自由电子，他们是金属原子结合成固体时释放出来的供全体原子共有的最外层电子，即价电子，为了区别于被束缚的内层电子，人们将其称之为载流子。,自由电子,空穴,半导体载流子电子、空穴。,本征激发,N型半导体（电子型半导体）,在本征半导体中掺入五价的元素磷、砷、锑,多余电子，成为自由电子,自由电子,杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,施主杂质,P型半导体（空穴型半导体）,在本征半导体中掺入三价的元素（硼）,空穴,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,受主杂质,PN结是指半导体的P型导电区和N型导电区的结合部。,界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子，称为空间电荷。,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,N型半导体和P型半导体结合后，交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子。,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是矛盾的，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区（Barrier）。,接触电位差,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,电力二极管（PowerDiode）结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用电力二极管（PowerDiode）基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以PN结为基础由一个面积较大的PN结（PN－junction）和两端引线以及封装组成的,N-区,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,N-区的存在产生的影响1）提高器件的耐压2）造成器件通态压降的升高3）缩短器件的反向恢复时间,从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,,正向偏置,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,正向偏置,1）P区和N区多子在外电场作用下发生飘逸运动,2）P区和N区多子穿过耗尽曾，到达对方，称为少子注入，这是正偏向传到电流的根本方式,,,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,正向偏置,3）P区和N区的注入少子将产生积累和复合，这是维持正向导通的根本原因,,4）随着正向偏置电压的增加，内电场将逐渐消弱直至消失（此时对应的阳极和因极间的电压成为门槛电压），PN结导通电流迅速增大，进而完成PN结的正向导通。,,,,,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,正向偏置,5）随着P区向N-区注入空穴的增多，为了维持半导体的电中性其多子（电子）浓度也将相应增大，使其电阻率明显下降，这就是电导调制效应正向导通时体电阻减小的原因。,,,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,反向偏置,,1）空间电荷区电场增强，强化了载流子的飘逸运动，即N区边界的空穴将被空间电荷的强电场扫向P区，类似的情况也发生在P区边界,2）边界载流子被扫走之后，中性区内少子通过扩散流向边界，从而形成了反向电流,,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,反向偏置,3）这种形成反向漏电流的方式为少子抽取，不同于正偏时的少子注入，因本体少子密度有限，使得反向漏电流大小不取决于反偏电压，而取决于少子来源的丰富程度。,4）正因其在很大的电压范围内，它大小不随电压变化，因此通常将其称之为反向饱和电流。,,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,反向偏置,5）随着反偏电压的增大，会出现穿通和击穿现象，从而造成反向电流急剧上升。,穿通空间电荷区随着反偏电压的升高而展开，指导与电极接通，从而直接从电机抽取载流子，于是反向电流急剧增大，形成短路现象。,击穿雪崩击穿、齐纳击穿,,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,反向偏置,5）随着反偏电压的增大，会出现穿通和击穿现象，从而造成反向电流急剧上升。,雪崩击穿随着外加反向偏压的增加使得空间电荷区的电场超过某一临界值时，边界飘逸进入空间电荷区的载流子受电场加速获得很高的动能，高能量载流子与在空间电荷区与点阵原子碰撞使之电离，并形成新的高能载流子，进而一而二、二而四的倍增下去，反向电流如同雪崩一样增大。,,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,反向偏置,5）随着反偏电压的增大，会出现穿通和击穿现象，从而造成反向电流急剧上升。,齐纳击穿随着外加反向偏压的增加使得空间电荷区的电场超过某一临界值时，无需被电场加速的高速载流子，空间电荷区的原子直接被电离形成载流子源，使得反向电流迅速增加。,反向击穿时（雪崩、齐纳）是可恢复性的。,,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,结电容,PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称为结电容。,,因空间电荷区宽度的变化而呈现的电荷效应，称之为势垒电容（CB）。,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,结电容,PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称为结电容。,,因载流子的扩散、积累而形成的电容效应，称之为扩散电容（CD）。,,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,结电容,结电容（CJ）又称微分电容，包括势垒电容（CB）和扩散电容（CD）。,势垒电容（CB）只在外加电压变化时才起作用，且外加电压频率越高，势垒电容越明显。其大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。,,电力二极管N-区的引入有减小结电容大小的作用,扩散电容（CB）仅在正偏时才起作用。,正偏时，电压较低时势垒电容为主，电压较高时结电容为主。,1.2.1PN结与电力二极管的工作原理,电感,电感引线电感（电极电感）和器件自身（硅片电感）的电感效应。,电力二极管引线和器件自身的电感效应是使用电力二极管时不可忽略的量。,1）提高器件的耐压2）缩短器件的反向恢复时间3）造成器件通态压降的升高,N-区的存在产生的影响,,反向击穿,结电容,,,电阻率,上次课内容回顾,1、电力电子器件的概念和特征,2、应用电力电子系统组成,上次课内容回顾,1、电力电子器件的概念和特征,2、应用电力电子系统组成,3、电力电子器件的分类（控制程度、驱动信号性质、内部载流子参与导电的情况）,4、PN结和电力二极管,1）半导体（本征半导体、N型半导体、P型半导体）,2）PN结（零偏置、正向偏置、反向偏置、电导调制效应）,3）PN结穿通和击穿,4）PN结结电容,1.2.2电力二极管的基本特性,静态特性（StaticStateCharacteristic）主要指其伏安特性Volt-AmpereCharacteristic,门槛电压,反向饱和电流（少子抽取）,正向导通电流（少子注入）,耗尽层变窄,击穿,动态特性DynamicCharacteristic动态特性因结电容的存在，零偏置、正向偏置、反向偏置等状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。动态特性主要指开关特性SwitchingCharacteristic，开关特性反映通态和断态之间的转换过程。,1.2.2电力二极管的基本特性,1.2.2电力二极管的基本特性,开通过程Turn-onTransient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）。电压过冲物理机制主要有两个a.阻性机制电导调制作用。I↑→N区的有效电阻↓→管压降也降低，形成峰值UFP。,b.感性机制正向电流→内部电感上压降，且电流变化率越高，电压过冲越大。正向恢复时间影响因素结温、开通前偏置,,,1.2.2电力二极管的基本特性,关断过程Turn-offTransient,图1-5（a）电力二极管的关断过程,,,,电导调制和器件内部电感的作用,反向偏置电压靠外部电感支撑,较远处空穴密度较低，管压降改变极性后不久就达到最大值然后，迅速衰减,,,,,,1.2.2电力二极管的基本特性,关断过程Turn-offTransient,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,图1-5（a）电力二极管的关断过程,1.2.2电力二极管的基本特性,关断过程Turn-offTransient,图1-5（a）电力二极管的关断过程,备注,延迟时间DelayTimetdt1-t0,电流下降时间CurrentFallTimetft2-t1反向恢复时间ReverseRecoveryTimetrrtdtf恢复系数Sr＝tf/td，也即恢复特性的软度（反向恢复时间、反向恢复电压）,正向平均电流IFAV正向平均电流（额定电流）在指定的管壳温度（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，在此情况下因管子正向压降损耗的结温不会超过所容许的最高结温。使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，即实际波形电流与正向平均电流有效值相等。并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小,1.2.3电力二极管的主要参数,,1.2.3电力二极管的主要参数,正向平均电流IFAV使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，即实际波形电流与正向平均电流有效值相等。并应留有一定的裕量。,,,,根据实际波形的平均值计算出其对应的有效值,将有效值除以标准正弦半波的波形系数，即得对应平均值,,正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降反向重复峰值电压URRM－额定电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选定,1.2.3电力二极管的主要参数,最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示，注意结温与管克温度不同最高工作结温是指在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范围之内反向恢复时间trrtrrtdtf，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间浪涌电流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。一般用额定正向平均电流倍数和浪涌周期（即工频周波数）来规定。,1.2.3电力二极管的主要参数,备注,1.2.3电力二极管的主要参数,1.2.4电力二极管的主要应用,电力二极管的主要应用整流利用单向导电性。最广泛的应用,1.2.4电力二极管的主要应用,电力二极管的主要应用续流,电力二极管的主要应用限幅限制输入信号电压在某个范围内钳位,1.2.4电力二极管的主要应用,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，可分成普通二极管、快恢复二极管、与肖特基二极管。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。,1.2.5电力二极管的主要类型,普通二极管普通二极管又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上,1.2.5电力二极管的主要类型,1.2.5电力二极管的主要类型,快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短5s以下的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施结构上增加N-层从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。,1.2.5电力二极管的主要类型,前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20-30ns。主要用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电路中，作为整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。,1.2.5电力二极管的主要类型,1.2.5电力二极管的主要类型,肖特基二极管,肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD），简称为肖特基二极管。,1.2.5电力二极管的主要类型,20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用,主要用铬、铂、钨、钼等金属与N型低阻硅制成,肖特基势垒二极管属于单极性器件,肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10-40ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,1.2.5电力二极管的主要类型,1.2.5电力二极管的主要类型,肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度应用开关电源、变频器、驱动器等电路中，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。,