电力电子技术基础1—器件

1、Fundamentals of Power Electronics Technology 电力电子技术基础电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 6 6 1.1 功率二极管 基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 一样。 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，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。 A K AK a) I KA PN J b) c) AK 电力二极管的结构和工作原理电力二极管的结构和工作原理 Power Diode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 状态 参数 正向导通反向截止反向击穿 电流正向大几乎为零反向大 电压

2、维持1V反向大反向大 阻态低阻态高阻态 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。 PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿 PN结的状 态 主要指其伏安特性伏安特性 门槛电压门槛电压UTO，当电力二 极管承受的正向电压大到一定 值（ UTO ），正向电流IF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 降正 向 电 压 降 UF ,0.71.2V。 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Is。 反向击穿电压 图1-3a 电力二极管的伏安特性 I O IF U TO U F

3、U 静态特性静态特性 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 主要反映电力二极管通态和断态之间转 换过程的开关特性 开关特性：PN结上存储有空间电荷和两种载流子，形成电荷 存储效应及结电容，直接影响着二极管的动态开关特性 原处于正向导通状态的二极管的外加电压突然从正向变为反 向时，二极管不能立即关断，而是经过短暂的时间才能重新 获得反向阻断能力，进入截止状态。 动态特性动态特性 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 I F U F t rr t d t f t U RP I RP 动态特性参数动态特性参数 反向电流延迟时间：td , 反向电流下降时间：tf 反向恢复时间：trr= td+

4、 tf I F U F t rr t d t f t U RP I RP 电力电子技术基础 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 电力电子技术基础 PD的分类的分类 1. 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 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 电力电子技术基础 PD的分类的分类 2. 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD） 恢

5、复过程很短特别是反向恢复过程很短（1 s以 下）的二极管，也简称快速二极管 适用频率：20100kHz 电力电子技术基础 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 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2030ns。 PD的分类的分类 3. 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（Schottky Barrier Diode SBD），简称为肖特基二极管 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 肖特基二极管的弱点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，

6、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 电力电子技术基础 PD的分类的分类 肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns） 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 适用频率：1MHz 电力电子技术基础 1.2 普通晶闸管（SCR） 能承受的电压和电流容量是目前电力电子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的场合具有重要地 位。 晶闸管晶闸管（Thyristor）：是晶体闸流管的简称，又 称作可控硅整流器（Silicon Controlle

7、d RectifierSCR），简称可控硅。 SCR的的 外形和符号外形和符号 电力电子技术基础 外形有螺栓型和平板型、模块等封装 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 A A G G K K b)c)a) A G K K G A P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 常用晶闸管的结构 螺栓型晶闸管晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 SCR的结构和工作原理的结构和工作原理 晶闸管的四层半导体结构：P1、N1、P2、N2四个区，

8、形成J1、 J2、J3三个结。 P1区引出阳极A， N2区引出阴极K， P2区引 出门极G。 外加正向电压（A接正，K接负）：J2反向偏置，A、K之间 处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。 外加反向电压（A接负，K接正）：J1和J3反向偏置，器件 也处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。 SCR的结构和工作原理的结构和工作原理 图1-5 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理 晶体管的触发导通晶体管的触发导通正反馈正反馈原理原理 ：V1实际上为V2构成了正反馈电路， 在A-K间加正向电压情况下，若外电路向门极注入电流IG： IG IB2 IC2 (IB1 ) IC1

9、 IB2 如此不断地对电流放大，形 成强烈的正反馈，很快使 V1、V2进入饱和导通状态， 即晶闸管导通，A-K间压降约1V 左右。此过程称作门极触发。 此时若撤掉外加门极电流IG，由于内部已形成了正反馈，并且反馈电 流IC1IG，V1、V2可以相互维持导通。 SCR的结构和工作原理的结构和工作原理 SCR为半控器件：通过门极只能使SCR触发导通，而不能控 制其关断。 如何使SCR关断：设法使阳极电流IA减小到小于维持电流IH （接近于零的某一数值），解除正反馈；A-K间施加反压。 SCR的结构和工作原理的结构和工作原理 电力电子技术基础 承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导

10、通 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下 晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下： 电力电子技术基础 阳-阴极（A-K）之间加有正向电压； 门-阴极(G-K)之间加正向电压和电流（触 发脉冲）。 晶闸管导通要具备两个条件：晶闸管导通要具备两个条件： SCR的特性的特性 晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性 该特性表示阳阴极之间的电压UAK与阳极电流IA之间的关系。 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性 IG2IG1IG IG=0时，器件

11、两端施加正向电压，正向阻断状态， 只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限 即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在1V左右 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接 近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断 状态。IH称为维持电流。（伏安特性图伏安特性图） （1）正向特性正向特性 位于第III象限，反向特性类似 二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的 反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压 后（雪崩击穿），外电路如无 限制措施，则反向漏电流急

12、剧 增大，可能导致晶闸管发热损 坏。 图1-6 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA - U A -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM （2）反向特性反向特性 晶闸管的门极触发信号是作用于G-K之间的， 触发电流是从门极流入，从阴极流出的。阴极是晶闸管主电路 与控制电路的公共端。从晶闸管的结构图可以看出，门极和阴 极之间是一个PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。该特性 表示门极电压UGK与门极电流IG之间的关系。为保证可靠、安 全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在 器件所要求的范围内。

13、晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极伏安特性 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 晶闸管的开通和关断波形 晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA1) 开通过程开通过程 SCR内部的正反馈导通过程总 需要一定时间（阳极电流在iG 作用后经过循环放大而建 立）。 开通过程（开通过程（特性图特性图) 延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极 电流上升到稳态值的10%的时间 上升时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的 90%所需的时间

14、 开通时间开通时间ton以上两者之和， ton=td+ tr （1-6） 普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为 0.53 s 电力电子技术基础 2) 关断过程（改变关断过程（改变A-K极的电压极性）极的电压极性） 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电 流衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr ：由于载流子复合慢，晶闸管 要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正 向电压，晶闸管会重新正向导通而不受门极电流 控制而导通，即误导通 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向 电压，使晶闸管充

15、分恢复其对正向电压的阻断能 力，电路才能可靠工作 关断时间关断时间toff：trr与tgr之和，即 toff=trr+tgr （1-7) 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA SCR的主要参数的主要参数 1. 电压定额电压定额 1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定 值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额 定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 规定：重复频率为50次/s，电压持续时间为10ms以

16、内。 3)额定电压额定电压通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标 值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，额定电压要留有一 定裕量裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰 值电压23倍 4) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定倍数 的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA - UA -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM SCR的主要参数的主要参数 2. 电流定额电流定额 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(A V) -额定电流 允许流过的最大工频正弦半波电流的最大工频正弦半波电

17、流的平均值平均值。额定 电流本来应按照正向电流造成的发热效应来定义。实 际选管时，需要考虑工作电流有效值（发热损耗）是 否会超过允许的定额。 器件的发热与有效值有关，晶闸管的通态平均电 流IT(A V)对应着一个有效值 I。 由于整流电路的形式和带负载性质不同，导通角 不同，流过晶闸管的电流波形不一样。 使用时应按实际电流实际电流与通态平均电流通态平均电流有效值相等 的原则来选取晶闸管的电流额定值，并留一定的 裕量，一般取1.52倍 SCR的主要参数的主要参数 电力电子技术基础 i Im 0 t IT(AV) )()( 2 1 )( 1 2 00 tdtidtti T I T d 电流平均值的

18、定义电流平均值的定义 )() )( 2 1 2 2 0 tdtiI 电流有效电流有效 值的定义值的定义 d f I I K 波形系数波形系数 的定义的定义 SCR的主要参数的主要参数 i Im 0 t IT(AV) 峰值为峰值为IM的正弦半波电流对应的平均值的正弦半波电流对应的平均值 /)(sin 2 1 )()( 2 1 )( 1 0 2 00 )(MM T AVT Itd tItdtidtti T I 峰值为峰值为IM的正弦半波电流对应的有效值的正弦半波电流对应的有效值 2/)()sin( 2 1 )() )( 2 1 2 0 2 2 0 MM ItdtItdtiI ()()1 (/ 2)

19、1.57(1.57 ) T AVT AVf IIIK 有效值 工频半波的波形系数 不同电流波形对应的波形系数不同，实际选管时应按照与工频半波时的不同电流波形对应的波形系数不同，实际选管时应按照与工频半波时的 有效值相等的原则进行换算，即实际波形的电流有效值等于工频半波的有效值相等的原则进行换算，即实际波形的电流有效值等于工频半波的 有效值：有效值： 2()2 1.57() fdTAVf IKIIK 有效值 为实际波形波形系数 i Im 0 t d()TAV II：实际的电流波形，流经额定电流为的晶闸管， 其允许的电流平均值。 例：求波形的电流平均值、电流有效值以及波形系数例：求波形的电流平均值

20、、电流有效值以及波形系数 i Im 0 t i Im 0 t 解：解：（1）)()( 2 1 2 0 tdtiId 2 )()sin( 2 1 2 m m I tdtI 2 22 2 0 )()sin( 2 1 )() )( 2 1 tdtItdtiI m 4 2 m I 22. 2 2 4 2 2 m m d f I I I I K 例：上题中不考虑安全裕量，例：上题中不考虑安全裕量， 额定电流额定电流IT(A V)=100A的晶闸管，的晶闸管， 能送出电流平均值各为多少？能送出电流平均值各为多少？ i Im 0 t 解：解：“额定电流为额定电流为100A的的SCR”，表示该，表示该SCR在

21、在 工频工频正弦半波正弦半波情况下可以通过的情况下可以通过的平均电流平均电流 为为100A，由于，由于正弦半波正弦半波的波形系数为的波形系数为1.57, 所以，该所以，该SCR可以通过的电流有效值为可以通过的电流有效值为 1001.57157A AI157 上题中已经求出波形的波形系数，所以上题中已经求出波形的波形系数，所以 A K I I f d 7 .70 22. 2 157 这时，100A的器件只能当70A使用。 SCR的主要参数的主要参数 2) 维持电流维持电流 IH 指在关断SCR时维持其导通所必需的最小 阳极电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结 温越高，则IH越小（针对关断过

22、程） 3) 擎住电流擎住电流 IL 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阳极电流（针对开通过程） 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍 4) 浪涌电流浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过 额定结温的不重复性最大正向过载电流 浪涌电流有L、H两级。L（低）级的数值为 I IT（ （AV)。 。比如100A定额的晶闸管，L级ITSM为1.3kA，H 级ITSM为1.9kA。ITSM在器件寿命期内仅限几次。 4 SCR的主要参数的主要参数 电力电子技术基础 3. 动态参数动态参数 除开通时间ton和关断时间toff外，还有： (1) 断态电压临界上

23、升率断态电压临界上升率du/dt 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 UAK上升率过高，会造成SCR误导通。 (2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 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 。 其他晶闸管其他晶闸管 电力电子技术基础 1. 快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST) 包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有 快速晶闸管和高频晶闸管 管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间 以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管 数十微秒，高频晶闸管10 s