电力电子器件97728课件

1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）

——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。2）分类:

电真空器件

(汞弧整流器、闸流管)

半导体器件

(采用的主要材料硅）仍然一.电力电子器件概述能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。同处理信息的电子器件相比的一般特征：电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。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电气隔离控制电路电流驱动型

——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。

按照驱动电路信号的性质，分为两类：单极型——内部只有一种极性载流子参与导电，特点：开关速度快。（功率场效应管MOSFET）双极型——内部由电子和空穴两种载流子参与导电，特点：通态压降低，电流容量大。（晶闸管SCR）

混合型IGBT

按照内部载流单元，分为两类：电力二极管结构和原理：

PowerDiode结构简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用；快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位；基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础；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，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。

图1-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号PN结与电力二极管的工作原理

扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。

空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。

交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。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，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4电力二极管的伏安特性电力二极管的静态特性IOIFUTOUFU关断过程需经过一段短暂的时间才能获得反向阻断能力，进入截止状态：在关断之前有反向电流出现，并伴随有反向电压过冲出现。导通过程电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间TFR。动态特性三.半控器件—晶闸管1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）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

晶闸管的结构图晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号承受反向电压时，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：（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压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。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0Ubo

静态特性晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG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，可能导致晶闸管发热损坏。（2）反向特性正向导通击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0Ubo

3.电路如图所示VT承受正向门级电压，画出负载R上的电压波5.判断下列图形中何时灯亮，何时不亮？(1)u2为直流电源，上+下－，S未闭合前灯泡亮不亮？答：不亮。晶闸管虽具有上+、下－导通的条件，但没有触发电流，所以不能导通。（2）u2为直流电源，上+、下－，S闭合后灯泡亮不亮？S闭合后又断开了，灯泡亮不亮？答：S闭合后灯泡亮。S闭合后又断开了灯泡照常亮。

（3）u2为直流电源，上－、下+，S未闭合前灯泡亮不亮？S闭合后又断开了灯泡亮不亮？答：不亮。u2上－、下+，不具备导通的条件。S闭合也不会亮。2.动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形

关断特性

通常采用外加反电压的方法将已导通的晶闸管关断。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再反方向快速衰减到接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。电流过零到反向电流接近于零所经历的时间称为反向阻断恢复时间trr。由于载流子复合需要一定的时间，反向电流接近于零到晶闸管恢复正向电压阻断能力所需时间称为正向阻断恢复时间tgr。关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr。晶闸管的主要参数1.电压参数1)

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。3)

额定电压UR：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,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。4）通态平均电压UT（AV）：指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值。

晶闸管的驱动逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor，RCT）逆导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◆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。a)KGAb)UOIIG=0双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图双向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a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）四电力晶体管电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。

应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce图1-16共发射极接法时GTR的输出特性开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的开通和关断过程电流波形

动态特性GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。

GTR的主要参数：

1)

最高工作电压

GTR上电压超过规定值时会发生击穿；击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比Uceo低得多。

2)

集电极最大允许电流IcM实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3)集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。4.GTR的二次击穿现象与安全工作区◆一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。◆二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显变差。安全工作区（SafeOperatingArea，SOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线PSB限定。SOAOIcPSBPcMUceUceM图1-17GTR的安全工作区分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）

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。五.电力场效应晶体管截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。导通：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

电力MOSFET主要是N沟道增强型。

电力MOSFET的基本特性1.静态特性

电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性输出特性：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）；电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；2.动态特性图电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流3.电力MOSFET的主要参数:跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之还有：1)

漏极电压UDS

2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM：3)栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿这个特性十分重要：因为人体常常带有高压静电，所以在接触MOS型器件，包括电力MOSFET、普通MOSFET、MOS型集成电路时，可以先用手接触一下接地的导体，将身体的静电放掉，否则容易将GS间的绝缘层击穿。另外，在用烙铁焊MOS型器件时，应将烙铁加热后，拔下电源插座，再焊器件。4)

极间电容:极间电容CGS、CGD和CDS

厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss输入电容可近似用Ciss代替;输入电容Cin可以近似用Ciss代替。

5)

漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区；

6)一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点;7)实际使用中应注意留适当的裕量。GTR和GTO的特点：双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；MOSFET的优点：单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单；两类器件取长补短结合而成一些复合器件—Bi-MOS器件（如IGBT)。六.绝缘栅双极晶体管IGBT两类器件取长补短结合而成的复合器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。1.IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E

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

驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的原理2.IGBT的基本特性1)

IGBT的静态特性

IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性：IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压；UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为2~6V。输出特性（伏安特性）：以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应；uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态，不具有逆导能力。2)

IGBT的动态特性

IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的特性和参数特点：(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MOSFET类似(5)与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点其他新型电力电子器件

MOS控制晶闸管MCT

静电感应晶体管SIT

集成门极换流晶闸管IGCT

功率模块与功率集成电路MOS控制晶闸管MCTMCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点：1.MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程;2.晶闸管的高电压大电流、低导通压降;3.一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET4.MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。当前，IGBT更被看好。静电感应晶体管SIT

『大功率结型场效应管』SIT（Sta