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,1.1 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,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,1.概念 主电路 在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。 电力电子器件 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。 广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专指功率半导体器件。,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,2. 特征 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件在实际应用中的系统组成,1.1.2 电力电子器件的基本类型,1.1.2 电力电子器件的基本类型,1.1.2 电力电子器件的基本类型,单极型器件： 没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载流子的复合问题，因而工作频率很高。 双极型器件： 由于具有电导调制效应，使其导通压降低、导通损耗小。 电流型器件： 输入阻抗低，驱动功率较大，电路也较复杂。 电压型器件： 输入阻抗很高，驱动功率小，驱动电路简单。,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 最初是单管结构、分立器件，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,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,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 将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子器件集成,表1-1 电力电子器件,1.1.4 电力电子器件的应用领域,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,1.2 电力二极管,Power Diode，自20世纪50年代初期获得应用，也被称为半导体整流器； 其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能； 结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备当中。,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 电力二极管的主要类型,1.2.1 PN结的工作原理,二极管的基本原理PN结的单向导电性 正向导通状态：正向偏置时，表现为低阻态； 反向截止状态：反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流； 反向击穿：当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结的反向截止工作状态。 雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复； 热击穿，PN结因过热而烧毁。,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,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,结构： 电力二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 外形： 螺栓型、平板型等多种封装。,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,静态伏安特性： 正向电压大于门槛电压UTO 时，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。 与IF对应的电压即为其管压降UF。 承受反向电压时，只有少子引起微小的反向漏电流。,电力二极管的伏安特性,静态特性：主要指其伏安特性； 动态特性：反映开通或关断过程中电压电流随时间变化的动态特性。,电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,动态特性 ：开通和关断过程 反向恢复（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，并伴随有明显的反向电压过冲。 反向恢复时间：trr=td+ tf 延迟时间td ，电流下降时间tf,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,正向恢复过程 先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降。 正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。 电流上升率越大，UFP越高。,电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流IF 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。,1.2.3 电力二极管的主要参数,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。 反向漏电流 最高工作结温 反向恢复时间 浪涌电流,1.2.4 电力二极管的主要类型,普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode），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 。 其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。,1.2.4 电力二极管的主要类型,快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下） ，但通态压降较高。 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2030ns。,1.2.4 电力二极管的主要类型,肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 金属和半导体接触形成势垒，属于多子器件 优点：反向恢复时间很短（1040ns），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。 缺点：多用于200V以下的低压场合；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。,1.3 晶闸管及其派生器件,晶闸管的诞生： 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管； 1957年美国GE公司开发出第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。 最早称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），简称为可控硅；后来更名为晶闸管（Thyristor）。 应用： 电压和电流容量最高（8kV/6kA、12kV/1kA），且成本低、可靠性高，在大容量的应用场合仍有重要地位。,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,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,1. 结构 四层半导体结构，三个PN结； 阳极A、阴极K和门极G （控制端）三个端子。 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。,a)结构 b)电气符号,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,2. 外形:,螺栓型,模块型,平板型,散热器,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管阀,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,3. 工作原理 反向承受一定电压，J1、J3反偏，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： 高阻抗的阻断工作状态； 低阻抗的导通工作状态。,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,双晶体管模型：视为PNP型晶体管(V1)和NPN型晶体三极管(V2)互连构成 。 正反馈过程： 触发后，晶闸管内部形成了强烈的正反馈； 撤掉触发信号，晶闸管仍然能维持导通状态。,3. 工作原理,由晶闸管等效电路可得：,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。,(1-5),1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,由式（1-1）式（1-4）得：,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,IG=0 ， (12)很小，晶闸管的阳极电流 IAICBO。 从门极注入电流IG ，当 (12) 1时， IA ，晶闸管饱和导通，流过晶闸管的电流由实际电路所决定。,晶体管的电流放大系数与发射极电流的关系,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,3. 工作原理 导通条件：承受正向电压，门极有触发信号 特点：“一触即发”，具有自锁、掣住效应。 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。 关断方法：需使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流）以下，通常采取加反向电压的方法。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,1. 静态伏安特性 第象限是正向特性 第象限是反向特性,IG2IG1 IG,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,IG=0时，为正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过正向转折电压UDB时，器件非正常导通。 随着门极电流IG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，约1V左右。,正向特性：,IG2IG1,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,类似二极管的反向特性。 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URB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。,反向特性：,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,UDB/URB ：正向/反向转折电压； UDSM/URSM：正向/反向断态不重复峰值电压； UDRM /URRM ：正向/反向重复峰值电压； 不重复峰值电压：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。 重复峰值电压：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。,2. 静态参数,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,2. 静态参数 额定电压：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压。 电压裕度：一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。 正向通态电压：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，反映了器件的通态损耗特性。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,2. 静态参数 额定电流（通态平均电流）：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。 选择晶闸管的原则：有效值相等的原则，通常需要根据电流波形，做平均值与有效值的换算。 正弦半波波形系数（有效值与平均值之比）为1.57。 计算1/4正弦波和180方波的波形系数？ 电流裕度：考虑到散热条件、过载现象，取1.52倍的裕度。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,2. 静态参数 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。