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： 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。 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。 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： 输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。 工作频率高。 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 单向导电性； 属半控型半导体器件； 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： IG=0 Ib2=0 Ic2=0 Ib1=0 Ic1=0 ，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 12Ib2，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 (IG=0)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/dt 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。 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。 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。UDRM=0.9UDSM。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。 URRM=0.9URSM。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 IT(AV) 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，