1、1,第1章 电力电子器件,1.1 电力电子器件概述1.2 电力二极管1.3 晶闸管及其派生器件1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管 1.8 其他新型电力电子器件 本章小结,2,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 电力电子器件的应用领域,3,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,1.概念主电路（Power Circuit） 在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件（Power Electron
2、ic Device) 直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。,4,电力电子器件是功率半导体器件。 1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电 子器件。2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损 耗、提高效率，一般都工作在开关状态。3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器 件封装上考虑散热设计，而且在其工
3、作时一般都还需 要设计安装散热器。,2 .特征,5,1.1.2 电力电子器件的基本类型,1.按照电力电子器件的可控程度,半控型器件,全控型器件,通过控制信号可控制其导通而不能控制其关断,晶闸管及其派生器件,关 断,主电路,电流,电压,通过控制信号即可控制其导通又能控制其关断,绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管门极可关断晶闸管,自关断器件,门极可关断晶闸管,处理兆瓦级大功率电能,6,不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路,电力二极管,不控型器件,主电路,通 断,电流,电压,只有两个端子,2. 按照驱动电路加在电力电子器件上驱动信号的性质,电流驱动型,电压驱动型,控制端,通 断,注入电流,抽出电流
4、,电压信号,公共端,控制端,7,3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况,单极型器件,由一种载流子参与导电的器件,双极型器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,复合型器件,单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,8,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,电力电子器件 最初是单管结构、分立器件,电力电子设备 电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路,结构松散、体积大、可靠性差、成本高,电力电子器件的模块化与集成化 结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低,9,功率模块,由若干功率开关器件与快速二极管组合而成,单片集成式模块,功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片,智能功率模块,将
5、具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再度与电力电子器件集成,10,表1-1 电力电子器件,以上各种类型器件的特点为：,11,1.1.4 电力电子器件的应用领域,电力电子器件 应用广泛,电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域,12,1.2 电力二极管,结构和原理简单工作可靠,现在仍大量应用于许多电气设备,电力二极管（半导体整流管）,20世纪50年代初获得应用,应用,快恢复二极管肖特基二极管,斩波、逆变高频低压仪表、开关电源,13,1.2 电力二极管,1.2.1 PN结的工作原理1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要
6、类型,14,1.2.1 PN结的工作原理,电力二极管在本质上是一个PN节，只是加上电极引线、管壳封装。PN节的工作原理已经在模拟电子技术课程中涉及，不再展开讨论。,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,15,PN结的单向导电性：承受正向电压导通，承受反向电压截止,PN结的正向导通状态 PN结在正向电流很大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻状态。,PN结的反向截止状态 微弱的反向电流。,16,PN结反向击穿,施加PN结反向电压过大,反向电流急剧增大,破坏PN结的反向截止状态,PN结反向击穿,反向电流急剧增大,17
7、,18,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.静态特性,图1-4 电力二极管的伏安特性,电力二极管静态特性,伏安特性,正向电压为零，电流为零。,正向电压较小，正向电流很小，几乎为零。,正向电压升高至UTO，正向电流明显增加。门槛、阈值电压,正向电压大于UTO，正向电流线性增长。,19,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.静态特性,图1-4 电力二极管的伏安特性,电力二极管静态特性,伏安特性,值定一到大压电向正,承受反向电压时,只有微小而数值恒定的反向漏电流。,正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。,20,过渡过程中，其电压电流关系随时间而变化,2.动态特性,电
8、力二极管的动态状态,反映通态和断态之间转换过程的开关特性,21,电力二极管的关断在tF时刻外加电压突然反向。经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。,td= t1-t0延迟时间tf= t2-t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间普通： 5几十微秒快速： 几百纳秒肖特基：几十纳秒,在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。,22,注意：电流、电压反向问题 过冲正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的开通时间很短；但在关断时，它需要一个反向恢复时间（reverser-recovery time）。影响二极管开关速度的主要因素是
9、反向恢复时间。,23,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定的裕量。,正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。,24,1.2.3 电力二极管的主要参数,浪涌电流,最高工作结温,反向恢复时间,反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。23倍裕量。,25,1.2.4 电力二极管的主要类型,26,快恢复二极管,恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（
10、5s以下，数百ns）的二极管，简称快速二极管 。,27,肖特基二极管,导通压降只有0.30.6V ，反向恢复时间短，1040ns。缺点：漏电流很大、耐压低。,28,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 晶闸管的结构及工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件,29,1.3.1晶闸管的结构与工作原理,图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号,a),c),b),30,晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等效为可控的单向导电开关。,反向承受一定电压，处于阻断（截止）状态。,正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高阻抗的
11、阻断工作状态和低阻抗的导通工作状态。,31,图1-7 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),产生注入门极的触发电流IG的电路,触发,门极触发电路,对晶闸管的驱动,反向截止,正向阻断,32,晶闸管工作原理如以下方程所示,Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1),Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2),IK = IA + IG (1-3),IA = IC1 + IC2 (1-4),a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1-1）式（1-4）得：,(1-5),33,晶体管的特性是：在
12、低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,34,晶闸管的开通、关断规律：,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管均不导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。即使去除门极触发信号，仍然维持导通。自锁、掣住要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。维持
13、电流,35,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,1.阳极伏安特性及静态参数,IG2IG1 IG,第象限是正向特性第象限是反向特性,36,IG=0时，器件两端施加正向电压，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UDB，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。,37,晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处
14、于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管反向击穿、损坏。,38,39,晶闸管的静态参数,UDB、URB 正向转折电压和反向击穿电压；UDSM、 UDRM 正向断态不重复峰值电压和重复峰值电压；URSM、 URRM 反向不重复峰值电压和重复峰值电压；不重复峰值电压是指不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一般不允许多次施加。重复电压是指晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的最大瞬时电压。取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向重复峰值电压。取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电
15、压。,40,晶闸管的静态参数,取晶闸管的UDRM和URRM中较小者作为额定电压。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的23倍。,正向通态电压 指晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压降，也称管压降，该参数直接反映了器件的通态损耗特性。若通过晶闸管的电流为通态平均电流，则电压降为通态平均管压降。,41,额定电流、通态平均电流IT(AV) 晶闸管在环境温度为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。,晶闸管的额定电流以工作波形的平均值定义。选择晶闸管时根据有效值相等的原则，在选择晶闸管定额电流时，通常需要根据电流波
16、形，做平均值与有效值的换算。以正弦半波为例。,考虑到实际散热条件、过载现象，留有1.52倍的裕度。,42,维持电流 IH 晶闸管维持导通所必需的最小电流。若晶闸管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。掣住电流IL晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持其导通所必需的最小阳极电流。对同一晶闸管来说，通常 IL 约为 IH 的24倍。IL是晶闸管的临界开通电流，若阳极电流IA未达到IL时就去掉门极信号，晶闸管将自动返回阻断状态。在感性负载电路中，由于阳极电流上升到IL需要一定的时间，若门极信号持续时间低于此值，晶闸管则不能维持住导通状态。,43,2.动态特性及其参数,动态特性：晶闸管
17、在阻断、导通这两种状态变换过程中所体现的特性，包括开通特性和关断特性。开通特性：晶闸管在正向偏置并受到理想电流触发时的导通情况。关断特性：已导通的晶闸管在施加反向电压时的关断情况。,44,开通过程,延迟时间td 从门极电流阶跃时刻开始，阳极电流上升到额定值的10%所需时间上升时间tr阳极电流从额定值10%上到90%所需时间开通时间tgt tgt=td+tr 普通晶闸管的延迟时间为0.5us，上升时间为0.53us。其延迟时间随门极电流的增大而减小。强触发,45,关断过程,反向恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至近于零的时间。恢复对反向电压的阻断能力。门极恢复时间tgr晶闸管完全关
18、断至恢复阻断能力所需时间。恢复对正向电压的阻断能力。关断时间tq tq=trr+tgr普通晶闸管的时间约为几百微秒,46,断态电压临界上升率du/dt 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。过大，误导通通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。过大，门极局部过热,47,1.3.3 晶闸管的派生器件,快速、逆倒、双向、光控晶闸管,48,1.4 门极可关断晶闸管,晶闸管由于耐压高、电流大和相对较强的过载能力，在高压大功率领域将继续广泛应用。,半控型器件，如何关断即换流？ 必须借助外部手段使其电流小于维持电流。为此必须附加
19、强迫换流电路，使电力电子装置复杂化。,为满足现场实际的需要，在晶闸管基础之上研制成功门极可关断晶闸管，GTO。 全控型器件,电压、电流容量高于其它全控型器件，但驱动技术复杂、价位高，使其推广受到限制。,49,1.4 门极可关断晶闸管,1.4.1 结构与工作原理1.4.2 动态特性 1.4.3 主要参数,50,1.4 门极可关断晶闸管,1.4.1 GTO的结构和工作原理,结构,51,与晶闸管的相同点,PNPN四层半导体结构阳极A、阴极K、门极G,不同点,多元功率集成器件 内部包含数百个小GTO元GTO元阳极共有GTO元阴极、门极在器件内部并联阴极呈岛状结构，周围被门极所包围，以减小门极和阴极之间
20、的距离。阴极宽度越窄、门极与阴极距离越短（横向电阻小），越利于关断。,52,GTO导通过程与普通晶闸管相同，如何？只是导通时饱和程度较浅、临界饱和状态。,工作原理,导通： V1、V2饱和1+21，1+21；关断： V1、V2是不饱和的，1+21临界饱和： 1+21,晶闸管导通时 1+21.15GTO 导通时 1+21.05,53,GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则IB2减小，使IK和IC2减小，IC2的减小又使 IA和IC1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+2UT（UT为开启电压或阈值电压）时，漏极和源极导电，流过漏极电流。,67,Power E
21、lectronics,1.6.2 特性、 1.6.3 参数与MOSFET类似，不再展开讨论。,68,绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。,1.7 绝缘栅双极晶体管,IGBT,显著优点：它将MOSFET 和GTR的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好 。,中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电流容量的不断升高，有进一步取代GTO的趋势 。,69,1.7 绝缘栅双极晶体管,1.7.1 结构与工作原理1.7.2 特性 1.7.3 参数1.7.4 掣住效应与安全工作区,70,1.7.1 结构和工作原理,N沟道MOSFET
22、与双极型晶体管复合而成 ；以GTR为主导元件、N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结构。等效电路中Rdr是GTR基区内的扩展电阻。,71,IGBT的开通与关断由栅极电压控制。以N沟道IGBT为例，栅极施以正电压时，MOSFET内形成导电沟道，为PNP晶体管提供基极电流，IGBT导通。在栅极施以负压时，MOSFET内导电沟道消失，PNP晶体管无基极电流，IGBT关断。,72,1.7.2 特性,静态特性输出特性 以栅射电压UGE为参变量，反映集电极电流IC与集电极、发射极电压UCE间关系的曲线族,73,当UGEUT时，IGBT处于放大区。集电极电流IC大小几乎不随uCE而变化，其大小取决于uGE，
23、正常情况下不会进入击穿区。,75,当UGEUT，集电极电流IC与uCE成线性关系，不随uGE而变化， IGBT处于饱和区，导通压降较小。UT=26V，UGE=15V,76,1.7.2 特性,静态特性转移特性 集电极电流IC和栅射电压UGE的关系，它表征UGE对IC的控制能力。,77,当UGE小于开启电压时，IGBT处于关断状态；当UGE大于开启电压时，IGBT 开通，导通后，IC 与UGE 基本呈线性关系。,78,1.7.2 特性,动态特性 输入电压（uGE）和集电极电流（IC）、输出电压（uCE）的关系,79,延迟时间td 从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值10%时刻开始，到集电极电流iC上
24、升至其幅值的10%所需时间上升时间tr集电极电流iC从其幅值10%上升至90%所需时间开通时间ton ton=td+tr,80,集射电压uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1 MOSFET单独工作时的电压下降时间 tfv2 MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降时间只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态,81,关断延迟时间ts 从驱动电压uGE的后沿下降至其幅值90%时刻开始，到集电极电流iC下降至其幅值的90%所需时间电流下降时间tf集电极电流iC从其幅值90%下降至10%所需时间关断时间toff toff=ts+tf,82,集电极电流iC的下降过程分为tfi
25、1和tfi2两段。tfi1 对应MOSFET的关断过程 tfi2 对应PNP晶体管的关断过程，集电极电流iC下降较慢。集射电压uCE建立，功耗较大开通 tfv2,83,1.7.3 主要参数,集射极击穿电压UCES 决定器件的最高工作电压，由内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。随温度的升高而增大。,最大栅射极电压 栅射极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所限制的，为了限制故障电流、确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20V之内，其最佳值一般取15V左右 。,84,集电极连续电流IC 、集电极峰值电流ICM 表征电流容量，额定电流。集电极连续电流IC主要受结温限制。集电极峰值电流ICM为避免
26、掣住效应而定义。只要不超过额定结温，IGBT可以工作在峰值电流范围内，峰值电流大约是额定值的2倍。,最大集电极功率PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率 。,85,掣住效应（自锁效应） IGBT内部存在寄生晶闸管，若集电极电流过大 或duCE/dt过大 ，寄生晶闸管将开通，栅极就失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件损坏。这种电流失控现象被称为掣住效应或自锁效应。静态、动态。温度升高动态掣住效应比静态掣住效应所允许的集电极电流小。因此IGBT所允许的最大集电极电流实际上根据动态掣住效应确定。限制电流容量原因之一,1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区,86,1.7.4 I
27、GBT的掣住效应和安全区,正向偏置安全工作区 规范开通过程、通态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定IGBT在导通工作状态的参数极限 范围。反向偏置安全工作区 规范关断过程、断态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大允许电压上升率确定IGBT在阻断工作状态的参数极限 范围。,87,1.8 其他新型电力电子器件,1.8.1 静电感应晶体管SIT1.8.2 MOS控制晶闸管MCT1.8.3 集成门极换向型晶闸管IGCT1.8.4 电力电子器件的发展趋势,88,1.8.1 静电感应晶体管SIT,多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因
28、而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,SIT 结型场效应晶体管,89,1.8.2 MOS控制晶体管MCT,MCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。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MOSFET。其关键技术
29、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。,MCT MOSFET与晶闸管的复合,90,1.8.3 集成门极换向型晶闸管,20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）,91,1.8.4 电力电子器件的发展趋势,电力半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子技
30、术的应用范围。 电力电子器件按其控制机理不同，可分为电压控制型、电流控制型器件和功率集成电路(PIC)。 高频电力电子技术要求电力电子器件具有高开关速度和低通态损耗、高输入阻抗和高工作温度、优良的热稳定性和良好的抗辐射能力。随着电力电子装置不断向大容量、高频率、易驱动、低损耗等方向发展，可以预测，现代电力电子器件未来发展趋势是： 快速高频化； 高容量化； 多功能集成化； 小型、轻量、廉价化； 绿色化(污染小)，包括减小生产和原材料应用中的污染，尤其是指减小器件使用中的电磁干扰和射频干扰； 增加耐用度和可靠性，使用更方便。,92,本章小结,主要内容集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。,电力电子器件类型归纳单极型：电力MOSFET和SIT双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH 复合型：IGBT和MCT,93,
