电力电子半导体器件(1-2).ppt

电力电子半导体器件,参考书1.电力电子器件及其应用李序葆、赵永健编著机械工业出版社2.现代电力电子技术张立、赵永健编著科学出版社3.现代电力电子电路林渭勋编著浙江大学出版社,第一章绪论,1.1电力电子技术PowerElectronics----以电力为对象的一门新兴高新技术学科。,一、定义,按美国电气和电子工程协会（IEEE）电子学会的定义有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。,二、组成1.电力电子器件2.变流电路3.控制电路,----以电力电子器件制造技术为核心----以电力电子器件为核心的主电路----以控制理论为核心的电子线路,,三、电力电子技术的发展,1956年，第一个晶闸管（SCR）的发明，标志电力电子技术的诞生。,1、传统电力电子技术阶段（1957-----1980年）1947年，第一只晶体管诞生，半导体电子学应运而生。1956年，晶闸管问世，半导体电子学产生两个分支。,,①两个分支分支一以晶体管集成电路为核心形成对信息处理的微电子技术。特点集成度越来越高，规模越来越大，功能越来越全。--------1971年，第一台微处理器问世。,分支二以晶闸管为核心，对电力进行处理的电力电子技术（整流顺变时代）特点派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。,例如普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管（RCT）双向晶闸管（TRIAC）、不对称晶闸管（ASCR）等。应用直流传动，电化学电源，电力机车牵引，直流输电等。,各类SCR电压、电流、dv/dt、di/dt参数有很大提高，性能越来越好。（普通SCR达到12KV，1KA；4KV，3KA）SCR器件和应用理论上都发展到了成熟阶段，从器件发展上来看，电压、电流还有提高的可能。但是，实际上它的发展却受到了制约。,②制约传统电力电子技术发展的因素控制功能上欠缺半控型器件，关断必须用电感、电容和辅助电源组成强迫换相电路，使整机体积大、重量增加、效率低、可靠性下降。b.立足于分立式结构，工作频率难以提高（小于400Hz，应用范围窄。c.控制方式采用移相控制，使电网及负载上谐波严重，整机功率因数低，电网“公害”大。,2、现代电力电子技术阶段（1980年-----现在）,①发展70年代末期，结合微电子技术和电力电子技术，产生了新一代高频化，全控型的功率集成器件，标志现代电力电子技术阶段的开始。例如可关断晶闸管（GTO）9KV，1KA；4.5KV,4.5KA电力晶体管（GTR）单管1KV,200A；模块1.2KV,800A;1.8KV,100A功率场控晶体管（功率MOSFET）1KV,38A绝缘栅双极型晶体管（IGT、IGBT）1.2KV,400A;3.3KV,1200A静电感应晶体管（SIT）fT3050MHz,200A,1.2KV静电感应晶闸管（SITH）1KA/2.5KV;2.2KA/450V;400A/4.5KVMOS晶闸管（MCT）1KV,100A,②特点a.全控化；避免了关断时的强迫换相电路，结构大大简化。b.集成化与传统电力电子器件不同，不采用分立方式；由许多单元胞器件并联而成，子器件集成。如1000A的GTO含有近千个单元GTO；40A功率MOSFET由上万个单元并联；300A的SITH含有近5万个子器件。c.高频化由于器件集成化，工作速度大大提高。如GTO达12KHZ，GTR25KHZ，功率MOSFET几百KHZ，SIT10MHZ以上。d.多功能化除开关功能外，增加保护、检测、驱动等功能，有些器件具有放大、调制、振荡和逻辑运算的功能，使用范围拓宽，电路简化。e.电路弱电化控制技术数字化，如PWM控制技术，谐振变换电路，高频斩波电路成为主要电路形式。,1.2电力半导体器件分类现代电力电子技术发展与电力半导体器件的发展密不可分，随新型控制器件的诞生，新型变换电路也相应有所突破。,工业领域变流装置的变化过程,旋转方式,晶闸管出现前电动机直流发电机,,顺变方式,晶闸管出现后可控硅整流装置，电路效率高，体积缩小，重量轻，节省原材料，延长寿命，消除噪音，便于维护。,,逆变方式,现代电力电子器件GTO，GTR，MOSFET，IGBT等出现，各种逆变器的产生，效率更高，体积更小，重量更轻，工作频率更高。,,静止方式,一、分类,电力电子器件,,非可控器件,,整流二极管,,普通整流二极管快恢复二极管肖特基二极管,,可控器件,,半控型,,普通晶闸管SCR快速晶闸管FST双向晶闸管TRIAC逆导晶闸管RCT光控晶闸管LATT,,全控型,,双极型,,电力晶体管GTR可关断晶闸管GTO静电感应晶闸管SITH,,单极型,,功率MOSFET静电感应晶体管SIT,,混合型,,绝缘栅双极型晶体管IGBTMOS晶闸管MCT功率集成电路PIC,,高压集成电路HVIC智能功率集成电路SPIC,二、全控型器件的特点1、双极型器件通态压降低、阻断电压高、电流容量大；用于中、大容量变换装置。①电力晶体管GTR（巨型晶体管）GiantTransistor类型单管达林顿管GTR模块,特点控制方便，开关时间短，高频特性好，通态压降低。容量400A/1200V，工作频率5KHz常用于500KW以下的变流装置。缺点耐压难以提高（小于1500V），存在二次击穿问题。,②可关断晶闸管GTOGateTurn-offThyristor四层半导体双极型器件,类型螺栓型、平板型、GTO模块,特点耐压最高，电流容量最大，有充分的发展余地。4500V/4500A，9000V/1000A，工作频率12KHZ。具有自关断能力（省去强迫换流电路，体积减小，重量减轻，效率高，可靠性增加）用于200KW以上的中、大容量设备中。如电力机车牵引，交流电机调速，UPS电源，直流斩波。,缺点关断增益较小，关断电流较大。关断需缓冲电路来限制dv/dt。种类逆阻GTO，逆导GTO，无反压GTO，掩埋门极GTO，放大门极GTO，MOSGTO。③静电感应晶闸管SITH（StaticInductionThyristor场控晶闸管常开型和常闭型两种，常开型在栅极上加反向偏压时，阻断状态。无反向偏压时，导通状态。,特点通态电阻小，电压低，开关速度快损耗小，关断电流增益大。容量1000A/2500V，2200A/450V，400A/4500V,工作频率100KHz以上，用于高频加热电源。（取代电子管）,2、单极型器件只有一种载流子参与导电。①功率场控晶体管（PowerMOSFETN沟道P沟道,特点电压控制器件，驱动功率小，工作速度快，无二次击穿现象，安全区宽。电流负温度系数，有良好的电流自动调节能力，热稳定性好，抗干扰能力强。如1000V/200A，开关时间13ns，工作频率几百KHz。缺点通态电阻大，导通压降较高。电流、电压容量提高难度大。用于中、小功率，开关频率较高的装置中。,②静电感应晶体管SIT（StaticInductionTransistor三层结构的半导体，也称功率结型场效应晶体管（JFET）。是一种非饱和输出特性的多子器件，为单极型器件。NSITPSIT,特点可工作于开关、放大状态，非饱和输出特性。输出功率大、失真小、输入阻抗高，开关特性好，热稳定性好，抗辐射能力强。,fT3050MHz，电流200A/1200V，耗散功率3KW以上。用于高频加热电源，音频放大器，通信设施（各种发射机、电台、电视发射机）及空间技术领域。,3、混合型器件双极MOS型器件,结构用耐压高，电流密度大，导通压降低的双极型器件（SCR、GTR、GTO）做输出单元；用输入阻抗高，响应速度快的单极型器件MOSFET做输入级。器件兼有二者的优点。,①绝缘门极晶体管（InsulatedGateBipolarTransistorIGBTIGT1982年研制，第一代于1985年生产，主要特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间0.5us，耐压500600V，电流25A。第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容量为400A/5001400V，工作频率达20KHZ。目前第三代正在发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A/4500V；命名为IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor,工作频率20KHZ应用广泛,②MOS晶闸管（MOS-ControlledThyristorMCT,特点阻断电压高，电流容量大，通态压降低，损耗小开关速度快，发展前景好。电压等级5001000V；电流等级50100A,③功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuit将功率电路，驱动电路，控制电路，保护电路集成。,,高压集成电路HVIC横向高耐压器件与控制电路集成智能功率集成电路SPIC纵向功率器件与控制电路，保护电路，传感电路集成,用于中，小功率，501000V，1100A的装置。智能化电子技术时代,1.3全控型器件的比较,比较指标电压，电流，工作频率,一、单管VA容量（逆变器每臂用一个器件，输出功率与频率关系）,二、电流与电压等级,四层结构SCR、GTO、SITH属于高电压，大电流器件，在这方面还有发展的余地。三层结构GTR、IGBT、MOSFET电压电流不如四层结构器件。GTR可增大电流，但电压小于1500V。功率MOSFET导通电阻随电压升高而增大，提高耐压有困难。目前，IGBT发展很快，电流、电压高于GTR。,三、工作频率,1.4变流电路与控制技术,一、变流电路以电力半导体器件为核心，通过不同的拓扑电路和控制方式，实现电能的转换与控制。,①ACDC整流，不可控整流（二极管），可控整流（SCR）,③DCDC斩波，将不可控直流电压变成可控直流电压。用于开关电源，直流电机调速。种类降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克斩波电路、半桥变换电路、全桥变换电路等。,④ACAC交流调压电路，变频电源。,二、控制技术,1．相控技术整流、逆变、ACAC变换适用于SCR半控型器件，但网侧谐波严重。,2．PWM脉宽调制技术DCDC、DCAC、ACAC变换适用于各种自关断器件，谐波小、动态响应好、电路性能高。,种类,,直流PWM正弦PWM（SPWM）载波调制式按最小谐波计算开关角度式按电压矢量控制磁通轨迹式△调制和电流跟踪式,,全控型变流电路优、缺点优点①体积小、重量轻、无噪音、维护方便②功率增益高，控制灵活③控制特性好，反应快（响应时间μS级），动态过程短④效率高，节省能源缺点①过载能力低②某些工作状态下功率因数低③电网造成“公害”，电磁干扰（EMI）解决EMI滤波器软性PWM开关双零开关谐振电路（ZVS，ZCS）3．新型控制技术基于PWM控制技术下，数字控制代替模拟控制；计算机仿真和计算机控制。,1.5电力电子技术的应用与未来,广泛，小到家电，大到电厂输电设备。从几瓦1GW，几Hz100MHz。,1．典型应用①旋转的电动机传动装置直流传动和交流传动（变频器）②静止的各类电源和开关加热电源，UPS，开关电源，直流输电，电力机车等。,2．新应用①有源滤波器由电压源型、电流源型PWM变换器和一个基准器构成谐波发生器，产生大范围动态谐波和无功功率，修补电网波形。②能量储存设备用于电厂，调节用电量。如变速抽水储能设备③超导磁悬浮铁道系统逆变器达50100MVA④小型化开关电源高频化，高功率密度化的绿色电源⑤电子化汽车多个电动机控制，用到斩波器、逆变器⑥家用电器变频器,第二章功率二极管,2.1PN结,一、PN结形成采用合金法、扩散法、外延生长法、离子注入法在本征半导体中掺入微量杂质构成。,二、单向导电性,三、PN结反向击穿反向电压超过VBR时，可能损坏PN结1．雪崩击穿掺杂浓度较低的PN结，VBR7V2．齐纳击穿掺杂浓度较高的PN结，电场2x105V/cm3．热击穿由于发热，导致载流子数目增多，形成大电流。一般损坏管子控制结温12501750C,四、电容效应PN结中电荷量随外加电压而变化，呈电容效应。结电容Cj（微分电容）影响PN结工作频率，失去单向导电性，不能正常工作。1．势垒电容PN结正偏时，空间电荷区变窄；反偏时，增宽。随外加电压变化，空间电荷区电荷量变化，引起电容效应。,与PN结面积成正比，与阻挡层厚度成反比,2．扩散电容PN结正偏时，扩散电流是由电子和空穴复合形成，扩散长度内存储了一定数量的电荷，正向电流越大，存储电荷越多，随电压变化具有电容性质。,τ载流子的平均寿命,一般反偏时，以CB为主；正偏时，以CD为主。CjCBCD,2.2二极管特性与参数,PN结加引线，封装构成；有分立式和模块式。分为单管、半桥、全桥。一、伏安特性,VBR反向击穿电压，几伏几千伏,IS反向饱和漏电流，很小。随温度增加，VF减小，IS增大,二、开关特性,,1．反向恢复时间trrtdtftd延迟时间；PN结存储电荷耗散时间，产生反向电流-IRtf电流下降时间2．正向恢复时间ton建立正向电流所需的时间。,三、性能参数1．额定正向平均电流IF管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。定额方法在指定壳温，规定散热条件下，二极管流过工频正弦半波的平均电流。要求该电流下，管子正向压降引起的损耗使结温升高不超过最高允许结温。*正向电流以发热条件定义，应用中按有效值相等条件来选取二极管的定额。,例,①U1为正弦波SW开关断开,平均值,其中,有效值,即,一只额定IF100A的管子，允许电流有效值为157A。,②U1为脉冲波,按有效值定额相等原则，那么在脉冲波下,波形系数,即,例如,时，,说明定额为IF的管子，在脉冲波下，应降额使用。,③输出端接滤波电容（SW开关闭合）,结论选择IF时，比大23倍。,电容值越大，冲击电流越大，导通角θ越小，管子定额选择越高。,2．反向重复峰值电压URRM约为2/3UBR，是管子反向时所能施加的最高峰值电压；选择时，按电路中二极管承受的最高峰值电压2倍定额。3．最高允许结温TJMPN结不损坏时，承受的最高平均温度。1250C1750C4．反向恢复时间trr越小，开关速度越快。与结温、反向电流上升率、输入正向电流有关。5．浪涌电流IFSM连续几个工频周期的过电流。6．定额I2t二次方安秒定额。承载正向不重复最大电流的能力（T25OC）,当浪涌电流不超过一个工频周期时,由这一定额选取熔断器容量，温度增高时，减额。,2.3二极管分类与参数实例,应用整流、续流、回馈、隔离、嵌位、保护。,一、普通二极管平面型二极管，国产的ZP系列。trr≈25us，电流几十mA几千A；电压几十伏几千伏。,二、快恢复二极管开关二极管，ZKXX系列，MRXX系列trr5us，工艺为扩散法，掺金/铂控制反向恢复时间。,超快恢复二极管外延法制造，trr50ns，MURXX系列。,三、肖特基二极管（SBD）MBRXX系列。肖特基势垒二极管，面垒二极管，由金属和N型半导体构成。无扩散电容，反向恢复时间小（与di/dt无关），正向压降小，漏电流大，电压定额低。,