电工学第2章 电力电子器件

第 2章 电力电子器件2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件 电力二极管2.3 半控型器件 晶闸管2.4 典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结1引言 模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容： 对电力电子器件的 概念 、 特点 和 分类 等问题作了简要概述 。 分别介绍各种常用电力电子器件的 工作原理、 基本特性 、 主要参数 以及选择和使用中应注意的一些问题。 22.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征2.1.2 应用电力电子器件的系统组成2.1.3 电力电子器件的分类2.1.4 本章内容和学习要点32.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念 电力电子器件（ Power Electronic Device）是指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 。 主电路：在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。 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，目前往往专指电力半导体器件。 42.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件同信息电子器件相比，具有如下特征的特征： 所能处理 电功率 的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在 开关状态 。 电力电子器件往往由信息电子电路来控制 ,而且需要 驱动电路 。 自身的 功率损耗 通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装 散热器 。 52.1.1 电力电子器件的概念和特征 通态损耗 是电力电子器件功率损耗的主要成因。 当器件的开关频率较高时， 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。 通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗 电力电子器件的功率损耗在器件关断的转换过程中产生的损耗导通时器件上有一定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流流过在器件开通的转换过程中产生的损耗62.1.2 应用电力电子器件的系统组成 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。电气隔离图 2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成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驱动电路 主电路控制电路7控制电路 按系统的工作要求形成 控制信号 通过 驱动电路 去控制 主电路 中电力电子器件的 通或断 来完成整个系统的功能。控制电路由信息电子电路组成。图 1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路控制电路2.1.2 应用电力电子器件的系统组成8有的电力电子系统中，还需要有 检测电路 。广义上往往其和驱动电路这些主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路控制电路2.1.2 应用电力电子器件的系统组成9主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行 电气隔离 ，通过其它手段如光、磁等来传递信号。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路电气隔离控制电路2.1.2 应用电力电子器件的系统组成10由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护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控制电路2.1.2 应用电力电子器件的系统组成11电力电子器件一般有三个端子，其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件的导通或关断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。 控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路2.1.2 应用电力电子器件的系统组成122.1.3 电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件 主要是指 晶闸管（ Thyristor） 及其大部分派生器件。 其特征是：控制极只能控制器件导通，不能控制关断。器件的关断完全是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 IGBT和 Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件 电力二极管（ Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。132.1.3 电力电子器件的分类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 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。 电平控制型 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。 142.1.3 电力电子器件的分类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。 152.1.4 本章内容和学习要点本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理 、 基本特性 、 主要参数 以及选择和使用中应注意的一些问题。学习要点 最重要的是掌握其 基本特性 。 掌握电力电子器件的 型号命名法 ，以及其 参数 和 特性曲线 的使用方法。 了解电力电子器件的 半导体物理结构 和 基本工作原理 。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。162.2 不可控器件 电力二极管2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型172.2 不可控器件 电力二极管 引言电力二极管（ Power Diode） 自 20世纪 50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的 快恢复二极管 和 肖特基二极管 ，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块18AKA Ka)IKA P NJb)c)A K2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 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 2-2 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19二极管的基本原理 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。状 态参数 正向 导 通 反向截止电 流 正向大 几乎 为 零电压 维 持 1V 反向大阻 态 低阻 态 高阻 态这就是二极管的单向导电性，二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征 。20 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，只要外电路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 。21电力二极管的结构 不同于信息电子电路二极管的特征： 垂直导电结构 漂移区 (p-i-n 二极管 ) 电导调制效应250m此厚度决定击穿电压10 m-阳极阴极（漂移区）（衬底）22正向偏置时的电力二极管电导调制效应少子注入23反向偏置时的电力二极管低掺杂浓度242.2.1 PN结与电力二极管的工作原理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。252.2.2 电力二极管的基本特性静态特性 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 。IOIFUTOUF U图 2-5 电力二极管的伏安特性26静态特性 具有单向导电性 正偏时：二极管导通，通态压降 1V左右。 通态损耗： （表现形式为发热） 反偏时：在达到击穿电压前，仅有很小的反向漏电流流过。在达到击穿电压后，反向电流急剧增加。2.2.2 电力二极管的基本特性27动态特性 因为结电容的存在，开与关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，这就是电力二极管的动态特性。动态特性（开关特性）反映通态和断态之间的转换过程。 说明：功率二极管开通时间很短，一般可以忽略不计，但二极管的关断过程较复杂，对电路的影响不能忽视。 2.2.2 电力二极管的基本特性282.2.2 电力二极管的基本特性a)IFUFtF t0trrtd tft1 t2 tURURPIR PdiFdtdiRdtub)UFPi iFuFtfr t02V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 动态特性 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。 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恢复特性的软度 ： tf /td，或称恢复系 数，用 Sr表示。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 关断损耗：一个开关周期内