电力电子器件大全及使用方法详解.docx

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电力电子器件大全及使用方法详解

第1章电力电子器件

主要内容：

各种二极管、半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件：

GTO、电力MOSFET、IGBT，功率集成电路和智能功率模块，电力电子器件的串并联、电力电子器件的保护，电力电子器件的驱动电路。

重点：

晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件。

难点：

晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。

基本要求：

掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则，掌握典型全控型器件，了解电力电子器件的串并联，了解电力电子器件的保护。

1电力电子器件概述

（1）电力电子器件的概念和特征

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；

电力电子器件（powerelectronicdevice）--可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件；

广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。

两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（MercuryArcRectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。

因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。

电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。

同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

a.能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数；

其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理信息的电子器件。

b.电力电子器件一般都工作在开关状态；

导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；

阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；

电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。

作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替

c.实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。

在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。

d.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。

导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗

阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗

在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗

对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一

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

（2）应用电力电子器件的系统组成

电力电子系统：

由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。

控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。

有的电力电子系统中，还需要有检测电路。

广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。

主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。

由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。

器件一般有三个端子（或称极），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。

器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。

（3）电力电子器件的分类

按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：

a.半控型器件--通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件

器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定

b.全控型器件--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

是绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor--IGBT）

电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor--GTO）

c.不可控器件--不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路

电力二极管（PowerDiode）

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

按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，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

电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件

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：

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--由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件

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）PN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

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，主要有螺栓型和平板型两种封装

图1-1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结的反向截止状态，PN结的单向导电性；

PN结的反向击穿：

有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，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

势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。

势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比

而扩散电容仅在正向偏置时起作用。

在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分

结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。

造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：

正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略

引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响

承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响

为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大

（2）电力二极管的基本特性

a静态特性

主要指其伏安特性

当电力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对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。

当电力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。

b动态特性

动态特性--因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压-电流特性是随时间变化的

开关特性--反映通态和断态之间的转换过程

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

在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

（3）电力二极管的主要参数

a.正向平均电流IF（AV）

额定电流

--在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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

正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。

当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略

当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小

b.正向压降UF

指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降

有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降

c.反向重复峰值电压URRM

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压

通常是其雪崩击穿电压UB的2/3

使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定

d.最高工作结温TJM

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示

最高工作结温是指在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125~175ºC范围之内

e.反向恢复时间trr

trr=td+tf，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间

f.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。

（4）电力二极管的主要类型

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

在应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的电力二极管

性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的

a.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）的整流电路中

其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要

正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上

b.快恢复二极管（FastRecoveryDiode--FRD）

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

工艺上多采用了掺金措施

有的采用PN结型结构

有的采用改进的PiN结构

采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes--FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下

从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。

前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。

c.肖特基二极管

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），简称为肖特基二极管

20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用

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；

在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；

其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

肖特基二极管的弱点：

当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下；

反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

3半控型器件--晶闸管

基本要求：

掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则。

重点：

晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则。

难点：

晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。

晶闸管（Thyristor）：

晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier--SCR）

1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管

1957年美国通用电气公司（GeneralElectricCompany）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，开始被性能更好的全控型器件取代

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

晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管

广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件

（1）晶闸管的结构与工作原理

外形有螺栓型和平板型两种封装

引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端

对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便

平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间

Ic1=β1IA+ICBO1（1-1）

Ic2=β2IK+ICBO2（1-2）

IK=IA+IG（1-3）

IA=IC1+IC2（1-4）

式中β1和β2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。

晶体管的特性是：

在低发射极电流下α是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。

阻断状态：

IG=0，α1+α2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α1+α2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。

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

光直接照射硅片，即光触发

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之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor--LTT）

只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段

（2）晶闸管的基本特性

a.静态特性：

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。

晶闸管的伏安特性：

第I象限的是正向特性；

第III象限的是反向特性；

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；

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。

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。

晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，

阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端，。

门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。

晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。

为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。

b.动态特性

1）开通过程

延迟时间td：

门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间；

上升时间tr：

阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间；

开通时间tgt：

以上两者之和，tgt=td+tr（1-6）

普通晶闸管延迟时间为0.5-1.5μs，上升时间为0.5-3μs。

2）关断过程

反向阻断恢复时间trr：

正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；

正向阻断恢复时间tgr：

晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间；

在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通；

实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。

关断时间tq：

trr与tgr之和，即tq=trr+tgr（1-7）

普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

（3）晶闸管的主要参数

a.电压定额

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）通态（峰值）电压UTM

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。

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的2~3倍，

b.电流定额

1）通态平均电流IT（AV）（额定电流）

晶闸管在环境温度为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。

使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管

应留一定的裕量，一般取1.5-2倍

正弦半波电流平均值IT（AV）、电流有效值IT和电流最大值Im三者的关系为：

（1.1）

（1.2）

各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I与平均值Id之比，称为这个电流的波形系数，用Kf表示。

因此，在正弦半波情况下电流波形系数为：

（1.3）

所以，晶闸管在流过任意波形电流并考虑了安全裕量情况下的额定电流IT（AV）的计算公式为：

（1.4）

在使用中还应注意，当晶闸管散热条件不满足规定要求时，则元件的额定电流应立即降低使用，否则元件会由于结温超过允许值而损坏。

2）维持电流IH

使晶闸管维持导通所必需的最小电流

一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小

3）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

4）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

c.动态参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：

a.）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

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

b.）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，则晶闸管刚一开通，便会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

（4）晶闸管的派生器件

a.快速晶闸管（FastSwitchingThyristor--FST）

包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管

管芯结构和制造工艺进行了改进，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10μs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，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应

b.双向晶闸管（TriodeACSwitch--TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）

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

正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III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（SolidStateRelay--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。

c.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor--RCT）

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

d.光控晶闸管（LightTriggeredThyristor--LTT）

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

小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子

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。

4典型全控型器件

基本要求：

掌握典型全控型器件

重点：

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，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代

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）门极可关断晶闸管

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor——GTO）

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

（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，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

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；

a.GTR的结构和工作原理

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

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）

（——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=βib+Iceo（1-10）

产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。

一般可认为β≈βhFE