电力电子器件

1、电力电子器件第二堂课是电力电子器件和功率二极管的概述。2.1 电力电子设备概述2.1.1 电力电子的概念主电源电路 在电气设备或电力系统中直接承担转换或控制电能 任务的电路。电力电子设备 一种可直接用于主电路处理电能并实现电能转换 或控制的电子设备。广义地说，功率电子器件可以分为两类 :电子器件和半导体器件。 电动真空装置 :自 XXXX 时代以来，真空阀仅用于高功率、高频率的 高频电源 （如微波 ），而功率半导体器件已取代汞弧整流器、闸流管等 电动真空装置成为绝对主力。 因此，功率电子器件也经常被称为功率 半导体器件。硅仍然是功率半导体器件中使用的主要材料。2.1.2 电力电子设备的特性 与

2、处理信息的电子设备相比，电力电子设备的一般特征是 :1）可处理的电量，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。它处 理电力的能力小到毫瓦级， 大到兆瓦级， 大多比处理信息的电子设备 大得多。2）电力电子设备通常工作在开关状态 导通时，阻抗 （导通状态 ）非常小，接近短路，管上的电压接近零，电 流由外部电路决定。阻塞时， 关态 阻抗非常大，接近开路，电流几乎为零，管上的电压 由外部电路决定。电力电子器件的动态特性 （即开关特性 ） 和参数也是电力电子器件特 性的非常重要的方面，有时甚至上升到第一个重要问题。 在电路分析中， 理想的开关经常被用来代替电力电子设备。 为了简单 起见，电力电子设备通常

3、由信息电子电路控制。 在主电路和控制电路之间，需要一个中间电路来放大控制电路的信 号，控制电路是电力电子装置的驱动电路。4）为了确保装置不会因散热引起的温度过高而损坏，不仅在装置中 封装注重散热设计，散热器通常在工作时安装。导通时，器件上有一定的导通压降，形成导通损耗。 在阻塞期间，小漏电流流过器件，形成关断状态损耗。 在器件导通或关断的切换过程中， 会产生导通损耗和关断损耗， 统称 为开关损耗。对于某些设备，驱动电路注入的功率也是设备发热的原因之一。 通常， 电力电子器件的漏电流很小，因此导通损耗是器件功耗的主要原因 当器件的开关频率较高时， 开关损耗会增加， 并可能成为器件功率损 耗的主要

4、因素。2.1.3 使用电力电子设备的系统组成电力电子系统 :由控制电路、驱动电路和主电路组成，以电力电子器 件为核心。控制电路驱动电路 V2 主电路检测电路 V1LR 图 1 实际应用中电力电子设备的系统组成 控制电路根据系统的工作要求形成控制信号， 驱动电路控制主电路中 功率电子器件的开启或关闭，完成整个系统的功能。 一些电力电子系统也需要检测电路。 广义地说， 它通常被分类为一种 控制电路，其电路不同于主电路，例如驱动电路，因此，粗略地说， 电力电子系统由主电路和控制电路组成。 主电路中的电压和电流通常相对较大， 而控制电路的元件只能承受相 对较小的电压和电流。 因此，在主电路和控制电路之

5、间的连接路径上， 例如驱动电路和主电路之间的连接、 驱动电路和控制信号之间的连接 以及主电路和检测电路之间的连接， 通常需要电隔离， 并且信号通过 诸如光、磁等其他方式传输。 因为主电路通常具有电压和电流过冲， 并且电力电子设备通常比主电 路中的普通部件更昂贵， 但是承受过电压和过电流的能力较低， 因此， 在主电路中 为了保证电力电子设备和整个电力电子系统的正常可靠运行， 通常需 要增加一些保护电路。该装置通常有三个端子 （或极或管角 ），其中两个连接在主电路中，第 三个端子称为控制端子 （或控制极 ）。通过在其控制端子和主电路端子 之间添加特定信号来控制设备的通断， 主电路端子是驱动电路和主

6、电 路的公共端子，并且通常是主电路电流流出设备的端子。2.1.4 电力电子设备的分类 ？根据器件受控制电路信号控制的程度，可分为以下三类 :1）半控器 件，它可以被控制开启，但不能被控制信号控制关闭 晶闸管及其大部分衍生物； 器件的关断由它在主电路中接收的电压和 电流决定。2）全控制装置 - 可通过控制信号控制其开启或关闭，也称为自动关闭 装置。绝缘栅双极晶体管 -IGBT 功率 MOSFET 栅极 -关断晶闸管 -GTO3）不受控制的设备 -不可能用控制信号控制其开 / 关，因此不需要驱动 电路。功率二极管只有两个端子， 器件的开关由主电路中接收的电压和电流决定？根据 驱动电路在设备的控制端

7、和公共端之间施加的信号的性质， 可以分为 两种类型 :1）电流驱动型，它通过从控制端注入或提取电流来实现开或 关的控制2）电压驱动型 只有在控制端和公共端之间施加一定的电压信号， 才能实现开或关控制3）电压驱动设备实际上被称为场控制设备或场效应设备， 因为施加到 控制端子的电压在设备的两个主电路端子之间产生可控电场， 以改变 流过设备的电流大小和开关状态？根据器件中电子和空穴两个载流子参与传导的情况，可以分为三 类:1）单极器件一个载流子参与传导的器件； 2）双极器件 电子 和空穴两个载流子参与传导的器件；3）复杂器件 由单极器件和双极器件集成而成的器件。MCT 混合 (IGBT 双西斯极功率

8、金属氧化物半导体场效应晶体管功率 单极性混合 (GTR 型 TRG 晶闸管肖特基势垒二极管功率二极管 ) 图 1-42 图 2 电力电子分类树2.2 不受控制的设备 -功率二极管2.2 . 1pn结和功率二极管的工作原理自 XXXX 以来，功率二极管结构简单，工作可靠 它在这一代人的早期就被应用了。快速恢复二极管和肖特基二极管分别在中高频整流和逆变、 低压整流 和高频整流中具有不可替代的地位。功率二极管的基本结构和工作原理是基于半导体 PN 结，就像信息电 子电路中的二极管一样。就外观而言，该封装由大面积 PN 结、两端引线和封装组成。主要有 两种类型的包装，螺栓型和板式，当然还有其他类型的包

9、装。 AKAIPJb)NKKAa)c)图 3 功率二极管的外形、结构和电气图形符号(a)出庭。b)结构c)电气图形符号N 型半导体和 P 型半导体结合形成一个 PN 结。界面处电子和空穴浓 度的差异导致多个离子从一个区域扩散到另一个区域， 在另一个区域 成为少数离子， 在界面两侧留下带正电荷和负电荷的杂质离子， 但不 能随意移动。这些不能移动的正电荷和负电荷称为空间电荷。 由空间电荷建立的电场称 为内部电场或自建电场，其方向是防止扩散运动，另一方面，它吸引 相反区域的少数儿童 （或该区域的多个儿童 ）向该区域移动，即偏移运 动。扩散运动和漂移运动既相互联系又相互矛盾， 最终达到动态平衡。 正负

10、空间电荷达到稳定值， 形成一个由空间电荷组成的稳定范围， 称 为空间电荷区，根据不同的强调角度， 也称为耗尽层、栅层或阻挡层。 内 部 电 场 。 -.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.p 型 区 域 -+ + n 型区域空间电荷区域 图 4pn 结的形成 PN 结的正导电状态 电导调制效应使得 PN 结的压降在正向电流较大时仍然很低，维持在 1V 左右，所以正向偏置 PN 结表现为低电阻 PN 结的反向截止状态 PN结单向导通二极管的基本原理在于 PN结反向击穿，这是pn结单 向导通的主要特征。雪崩击穿和齐纳击穿有两种形式， 可能导致热击穿 PN 结的电容效应 : PN 结

11、的电荷量随着所施加的电压而变化，并呈现出电容效应，这种 效应称为结电容， 也称为差分电容。 结电容根据其产生机理和功能的 不同分为势垒电容和扩散电容。势垒电容仅在施加的电压改变时才起作用。 施加电压的频率越高， 势 垒电容的影响越明显。势垒电容的大小与 PN 结的横截面积成正比， 与势垒层的厚度成反比。扩散电容仅在正向偏置时工作。在正向偏置中，当直流电压低时，势 垒电容占优势；当直流电压高时，扩散电容主要是结电容 点数；结电容影响 PN 结的工作频率，尤其是在高速开关状态下，这可能会 使其单向导通性变差甚至无法工作。 在应用中应注意这一点。 导致信 息电子电路中功率二极管和普通二极管不同的一些

12、因素 : 正向导通时，电流大，电流密度大，所以额外载流子的注入水平高， 电导调制效应不可忽视。引线电压降和焊接电阻有明显的影响。电流变化率 di/dt 很大，因此引线和器件本身的电感效应也会受到很 大影响。为了提高反向耐受电压，低掺杂浓度也会导致大的正向偏压。2.2.2 功率二极管的基本特性1）静态特性主要指其伏安特性。当功率二极管的直流电压达到一定值（阈值电压UTO）时，正向电流开 始显著增加并处于稳定的导通状态。对应于正向电流 IF 的功率二极 管两端的电压 UF 是其直流电压降。当功率二极管受到反向电压时， 只有少数载流子引起的小但恒定的反向漏电流。IIFOUTOUFU图 5 功率二极管

13、的伏安特性2）动态特性动态特性 由于结电容的存在，三种状态之间必须有一个过渡过 程。这个过程中的电压 -电流特性随时间而变化。动态特性主要指的 是开关特性，它反映了开态和关态之间的切换过程。关断瞬变 :关断前，出现大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲 恢复反向阻断能力并进入关闭状态需要很短的时间 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恢复特性的柔软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或恢复系数，由下式确定老赛义德ifuftft 0 difdttdtrrt1 uitft2 ur t2v0b）UFPiFdiRdtuFtf

14、rtIRPURP图 6 功率二极管的动态过程波形a）正向偏置到反向偏置b）零偏置到正向偏置开启瞬变 ：功率二极管的正向压降首先出现过冲UFP,经过一段时间后，它将接近某个稳定压降值（例如2V）。这种动态过程时间称为前向恢复时间。电导调制效应需要一定的时间来存储大量的少数载流子， 并且由于器 件本身的电感， 正向电流的上升将在达到稳定导通之前产生大的电压 降。当前的增长率越高，UFP就越高功率二极管的主要参数1）平均整流器正向电流正向平均电流是中频额定电流 在规定的外壳温度 （称为外壳温 度，用温度系数表示 ）和散热条件下允许流经的最大功率频率正弦半 波电流的平均值。正向平均电流是根据电流的热效

15、应来定义的， 因此电流配额的选择应 遵循有效值相等的原则，并应保留一定的余量。例如: 在高频场合使用时， 开关损耗引起的发热不可忽视。 当使用具有大反 向泄漏电流的功率二极管时，由关断状态损耗引起的热效应不小 2） 正向电压 （UF） 指在特定温度下流经功率二极管的特定稳态正向电流所对应的正向 压降。有时，参数表还会给出当特定的瞬态正向大电流流过特定温度 时，器件的最大瞬时正向压降。3）峰值重复电压 Urrm 指可重复施加于功率二极管的反向最大峰值电压， 通常为其雪崩击穿 电压 UB 的 2/3。使用时，它通常基于电路中功率二极管可能承受的 反向最大峰值电压。a）两次选择。4）最高工作结温 T

16、JM结温是指芯片 PN 结的平均温度，用 TJ 表示最高工作结温是指在不损坏 PN结的情况下，TJM能够承受的最高平 均温度通常在125 175C的范围内5）反向恢复时间Trr= td+ tf,关断期间电流降至0和响应阻塞能力恢复之间的时间 6） 涌入电流（非）革命峰值浪涌电流 ifsm 指功率二极管在一个或几个连续的电源频率周期内能够承受的最大 过电流。 功率二极管的主要类型1）通用二极管 普通二极管也叫整流二极管。 它们大多用于开关频率较低 （1 千赫兹以 下）的整流电路，反向恢复时间较长，通常超过5 毫秒，当开关频率不高时，这一点并不重要， 正向电流配额和反向电压配额可以达到非 常高的水平，分别达到数千安培和数千伏。2）快速恢复二极管 （快速恢复二极管 FRD） 具有短恢复过程的二极管，尤其是具有短反向恢复过程 （小于 5 毫秒） 的二极管，也称为快速二极管。过程中大多采用金掺杂措施。有些采 用 PN 结结构，有些采用改进的 PiN 结构，采用外延 PiN 结构的快速 恢复外延二极管（FRED）反向恢复时间更短（可小于50ns）且正向压降 更低（约0.9V），但其反向耐压大多低于400V.性能可分为两个级别 :快速恢复和超快速恢复。前者的反向恢复时间 为数百纳秒