第二章：电力电子器件ppt课件

1、 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 简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等本章主要内容：本章主要内容： 电力电子器件电力电子器件电力电子技术的基础电力电子技术的基础电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路 电力电子器件电力电子器件 电力电子器件的特征电力电子器件的特征 电真空器件电真空器件 ( (汞弧整流器、闸流管等汞弧整流器、闸流管等电真空器件电真空器件) ) 半导体器件半导体器件 ( (采用的主要材料仍然是采用的主要材料仍然是硅硅) )能处理的电功率大，即器件承受电压和电流的能力大。

2、电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 电力电子器件的特征电力电子器件的特征主主要要损损耗耗通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开关损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损

3、耗 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗 是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，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 控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成半控型器件半控型器件绝缘栅双极晶体管Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管电力MOSFET）门极可关断晶闸管GTO）3不可控器件不可控器件功率二极管Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断。晶闸管Thyristor及其

4、大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：情况分为三类： 1) 电流驱动型电流驱动型 1) 单极型器件单极型器件2) 电压驱动型电压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 2) 双极型器件双极型器件3) 复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与

5、导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 AKAKa)IKAPNJb)c)图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 构造 c) 电气图形符号IOIFUTOUFU图2-3 功率二极管的伏安特性 当功率二极管承受的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。与正向电流IF对应的功率二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当功率二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。恢复过程很短特别是反向恢复过程很短5s以下的二极管，也简称快速二极管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

6、，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 工艺上多采用了掺金措施、改进的PiN结构等 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3图2-4 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 构造 c) 电气图形符号RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-5 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2. 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理是晶体管V1和V2的电流增益； Ic0 是漏电流。由以上式1-1）（1-4可得 （1-5）图2-6 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体

7、管模型 b) 工作原理2 GC0A121 ()III 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理2GC0A121 ()III晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理IG Ib2IC2=Ib1IC1 形成正反馈工作过程，很快使两个晶体管都转为饱和导通状态，晶闸管开通。当S闭和，形成门级电流2GC0A121 ()III正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图2-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM闸管发热

8、损坏。闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形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。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。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般

9、取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。 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。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。1 ) 断 态 重 复 峰 值 电 压断 态 重 复 峰 值 电 压UDRM2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM3) 通态峰值电压通态峰值电压UTM指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从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。断态到通态转换的外加电压最大上升率。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

10、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) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。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 。 (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： 如何选择晶闸管？(2 3)()(23)mUUUm式中，为晶闸管实际承受的 断态或反向 重复最大电压；为安全裕量 晶闸管电流定额可按下式计算选择： 在实际应用中

11、，选择晶闸管时，应从额定电压和额定电流两方面共同计算选择。 由于晶闸管承受瞬间过电压能力较差，因此选择晶闸管额定电压时，应留有充分的安全裕量，可按下式计算选择：(1.5 2)1.57(1.5 2)VTTaTaVTIIII式中，为晶闸管通态平均电流；为安全裕量；为晶闸管实际通过电流的有效值由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。其开关损耗的发热效应。双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性电气图形符号 伏安特性a)b)IOUIG= 0GT1T2 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第II

12、I象限 有对称的伏安特性。 与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流 调压电路、固态继电器SSR和交流电机调速等领域应用较多。 通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。b)a)UOIKGAIG=0 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性电气图形符号 伏安特性 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联 二极管的电流。光强度强弱b)AGKa)OUAKIA图 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性 又称

13、光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二 极管或半导体激光器。 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。2.4c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号代晶闸管，但目前又大多被代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力和电力MOSFET取代。取代。2.4.2 电力晶体管电力晶体管图

14、1 - 1 5a)基 极 bP 基 区N 漂 移 区N+衬 底基 极 b 发 射 极 c集 电 极 cP+P+N+b )bec空 穴 流电子流c)EbEcibic=ibie= (1 + ib GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动电力晶体管电力晶体管与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 。图1-17ibIb1Ib2Icsic0090% I

15、b110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图 GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管电力晶体管GTR的开关时间在几微的开关时间在几微秒 以 内 ， 比 晶 闸 管 和秒 以 内 ， 比 晶 闸 管 和GTO都短很多都短很多 。图1-17ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管电力晶体管常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变明显衰变 。电力

16、晶体管电力晶体管2.4.3 功率场效应管功率场效应管 特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。导电沟道电力导电沟道电力MOSFET主要是主要是N沟道增沟道增强型强型功率场效应管功率场效应管功率场效应管功率场效应管导通时只有一种极性的载流子多子参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 国际整流器公司International Rectifier的HEXFET采用

17、了六边形单元 西门子公司Siemens的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司Motorola的TMOS采用了矩形单元按“品字形排列 N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19功率MOSFET的结构和电气图形符号功率场效应管功率场效应管关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。大。功率场效应管功率场效应管EGCN

18、+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极 栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图2-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号(1) 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时， 开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。(3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4) 输入阻抗高，输入特性与MO