第一章 电力电子器件.docx
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第一章电力电子器件
第1章电力电子器件
概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。
介绍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问题。
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）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）
3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：
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。
电力电子器件的损耗
主要损耗：
通态损耗、断态损耗、开关损耗、关断损耗、开通损耗
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，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。
1.1.2应用电力电子器件系统组成
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。
控制电路
图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成
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
1.1.3电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
半控型器件（Thyristor）
——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。
全控型器件（IGBT,MOSFET）
——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。
不可控器件（PowerDiode）
——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
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。
1.1.4本章学习内容与学习要点
本章内容:
介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。
集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。
学习要点:
最重要的是掌握其基本特性。
掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。
可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。
1.2不可控器件—电力二极管
PowerDiode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。
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。
1.2.1PN结与电力二极管的工作原理
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。
K
a）外形b）结构c）电气图形符号
图1-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号
1.2.1PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
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
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结的电容效应
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。
结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。
电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。
1.2.2电力二极管的基本特性
1）静态特性（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。
U
图1-3电力二极管的伏安特性
2）动态特性
——二极管的电压-电流特性随时间变化的
——结电容的存在
t
2V
图1-4电力二极管的动态过程波形a）正向偏置转换为反向偏置b）零偏置转换为正向偏置
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
恢复特性的软度：
下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。
关断过程
须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。
关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。
开通过程：
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）。
正向恢复时间tfr。
电流上升率越大，UFP越高。
1.2.3电力二极管的主要参数
1）正向平均电流IF（AV）
额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
IF（AV）是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
2）正向压降UF
在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。
3）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。
使用时，应当留有两倍的裕量。
4）反向恢复时间trr
trr=td+tf
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。
TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。
TJM通常在125~175°C范围之内。
6）浪涌电流IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。
1.2.4电力二极管的主要类型
1）普通二极管（GeneralPurposeDiode）
又称整流二极管（RectifierDiode）
多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路
其反向恢复时间较长
正向电流定额和反向电压定额可以达到很高
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。
2）快恢复二极管
（FastRecoveryDiode——FRD）
简称快速二极管
快恢复外延二极管
（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。
从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。
前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。
3.肖特基二极管（DATASHEET）
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（SchottkyBarrierDiode——SBD）。
肖特基二极管的弱点
反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。
反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。
肖特基二极管的优点
反向恢复时间很短（10~40ns）。
正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。
反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。
效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。
1.3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。
1.3.1晶闸管的结构与工作原理
晶闸管（Thyristor）：
晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）
图1-5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
外形有螺栓型和平板型两种封装。
有三个联接端。
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。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
图1-6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
按晶体管的工作原理，得
（1-4）
式中a
1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。
由以上式可得：
（1-5）
在低发射极电流下
a是很小的，而当发射极电流建立起来之后，
a迅速增大。
阻断状态：
IG=0，a1+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。
开通状态：
注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致aa1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。
IA实际由外电路决定。
其他几种可能导通的情况
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应,阳极电压上升率du/dt过高,结温较高,光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
1.3.2晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
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。
1.3.2晶闸管的基本特性
1）静态特性
（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。
IG2>IG1>IG
（2）反向特性
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）动态特性
1）开通过程
延迟时间td（0.5~1.5m
s）
上升时间tr（0.5~3m
s）
开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr（1-6）
2）关断过程
反向阻断恢复时间trr
RSM
图1-7晶闸管的伏安特性
正向阻断恢复时间tgr
关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr（1-7）
普通晶闸管的关断时间约几百微秒
A
图1-8晶闸管的开通和关断过程波形
1.3.3晶闸管的主要参数
1）电压定额
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。
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。
通态（峰值）电压UT
——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。
使用注意
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，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。
2）电流定额
通态平均电流IT（AV）
——在环境温度为40°C和规定的冷却状态下，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。
标称其额定电流的参数。
——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
维持电流IH
——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
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电流。
对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。
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。
3）动态参数
除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：
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。
——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。
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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
1.3.4晶闸管的派生器件
1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST）
有快速晶闸管和高频晶闸管。
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10ms左右。
高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）
2
a）电气图形符号b）伏安特性
图1-9双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性
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。
1.3.4晶闸管的派生器件
3）逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）
2
a）电气图形符号b）伏安特性
图1-10逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性
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。
1.3.4晶闸管的派生器件
4）光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）
A
a）电气图形符号b）伏安特性
图1-11光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性
又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。
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。
1.4典型全控型器件
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
1.4.1门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）是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。
1）GTO的结构和工作原理
结构：
与普通晶闸管的相同点：
PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。
和普通晶闸管的不同点：
GTO是一种多元的功率集成器件。
与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益a
1和
2。
a
1+
2=1是器件临界导通的条件。
图1-12GTO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
工作原理：
GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：
设计a
2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。
导通时
1+
2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。
多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。
由上述分析我们可以得到以下结论：
GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
GTO的动态特性
开通过程：
与普通晶闸管相同
关断过程：
与普通晶闸管有所不同
储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。
下降时间tf
尾部时间tt—残存载流子复合。
通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。
门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。
6
图1-13GTO的开通和关断过程电流波形
GTO的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。
（1）开通时间ton——延迟时间与上升时间之和。
延迟时间一般约1~2ms，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
——一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。
下降时间一般小于2ms。
（2）关断时间toff
不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。
（3）最大可关断阳极电流IATO
（4）电流关断增益b
off
b
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。
——GTO额定电流。
——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。
1.4.2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。
1）GTR的结构和工作原理
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
图1-14GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动
术语用法：
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。
在应用中，GTR一般采用共发射极接法。
集电极电流ic与基极电流ib之比为
（1-9）
b
——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。
当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为
ic=b
ib+Iceo（1-10）
单管GTR的
b值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
2）GTR的基本特性
（1） 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。
ce
图1-15共发射极接法时GTR的输出特性
（2） 动态特性
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。
加快开通过程的办法。
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。
加快关断速度的办法。
GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。
3）GTR的主要参数
前已述及：
电流放大倍数b、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff（此外还有）：
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。
BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。
实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。
2） 集电极最大允许电流IcM
通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。
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。
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。
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突然急剧上升，电压陡然下降。
常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。
d
图1-16GTR的开通和关断过程电流波形
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、二次击穿临界线限定。
ceM
图1-17GTR的安全工作区
1.4.3电力场效应晶体管
电力MOSFET的种类
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）
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）
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。
电力场效应晶体管
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。
1）电力MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的结构
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
图1-18电力MOSFET的结构和电气图形符号
小功率MOS管是横向导电器件。
电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。
按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。
这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。
电力MOSFET的工作原理
截止：
漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：
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。
2）电力MOSFET的基本特性
（1）静态特性
漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。
MOSFET的漏极伏安特性：
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GTR的饱和区）
工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。
通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利
A
图1-19电力MOSFET的转移特性和输出特性
a）转移特性b）输出特性
（2） 动态特性
开通过程
开通延迟时间td（on）
上升时间tr
开通时间ton——开通延迟时间与上
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