第一章 电力半导体器件l1.0 电力电子器件 概述l1.1 功率二极管 l1.2 晶闸管 l1.3可关断晶闸管(GTO)、电力晶闸管(GTR) l1.4 功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管 l1.5 电力电子器件散热、串并联及缓冲保护 1.0 电力电子器件 概述1.0.1 电力电子器件电力电子器件l 概念、分类、特征、损耗1.0.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成1.0.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.0.1 电力电子器件电力电子器件 概念、分类、特征、损耗概念、分类、特征、损耗1）概念）概念:主电路主电路（Main Power Circuit） 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。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。图1-1 电力电子装置示意图 1.0.1 电力电子器件电力电子器件 概念、分类、特征、损耗概念、分类、特征、损耗l2）分类分类:l电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)l半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）l目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）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。l主要损耗 1.0.1 电力电子器件电力电子器件 概念、分类、特征、损耗概念、分类、特征、损耗通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗通态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，开关损耗开关损耗可能成为 器件功率损耗的主要因素。控制极损耗1.0.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 图 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子系统电力电子系统由控制电路、驱由控制电路、驱动电路、动电路、 保护电保护电路路和以电力电子器电力电子器件为核心的件为核心的主电主电路路组成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导通导通主电路中主电路中电力电子器件电力电子器件关断关断检测电路、驱动电路以外的电路检测电路、驱动电路以外的电路控制电路控制电路由信息电路组成由信息电路组成控制电控制电路路主电路主电路电力电子系统电力电子系统检测电路检测电路检测主电路或应用现场信号检测主电路或应用现场信号通过驱动电路通过驱动电路控制控制主电路主电路驱动电路驱动电路检测电路检测电路控制电路控制电路 控制信号控制信号电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离保护电路保护电路 保证电力电子器件和整个电保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行力电子系统正常可靠运行图 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主电路端子主电路端子之间信号之间信号导通导通关断关断电力电子器件电力电子器件控制端控制端主电流端子（公共端）主电流端子（公共端）驱动电路和主电路，驱动电路和主电路，是主电路电流流出电力电子器件的端子是主电路电流流出电力电子器件的端子控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路电力半导体器件l是构成电力电子设备的核心，电力电子技术的基础。l作为开关元件的要求要求：l 开关速度快、承受电流/电压能力大，工作损耗小。l理想：理想：截止时能承受高电压且漏电流要小；l 导通时能流过大电流和很低的管压降；l在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dt和du/dt上升率，以及具有全控功能。 1.0.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1. 按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分为以下三类程度分为以下三类 半控型器件（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。普通晶通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。普通晶闸管闸管SCR全控型器件（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。器件。 GTO、BJT、功率、功率MOSFET、IGBT等等不可控器件不可控器件(Power Diode ) ) 不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。因此也就不需要驱动电路。二极管二极管VD2. 2.按照按照按照按照门极门极( (栅极栅极) )驱动电路信号的性质，分为两类：驱动电路信号的性质，分为两类：驱动电路信号的性质，分为两类：驱动电路信号的性质，分为两类：电流驱动型电流驱动型 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。该类器件驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。如SCR、 GTO、GTR 、BJT电压驱动型电压驱动型 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。该类器件驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。如IGBT、 P-MOSFET3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导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：电的情况分为三类：单极型器件单极型器件由一种载流子参与导电的器件，由一种载流子参与导电的器件，如功率MOSFET 双极型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，如由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如二极管、SCR、GTO、BJT复合型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，单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，如如IGBT，是电力电子器件发展方向。l另外，电力电子器件中：l电压，电流额定值从高往低的器件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率MOSFET。l工作频率从高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO和SCR。1.1 功率二极管1.1.1 PN PN结与功率二极管的工作原理结与功率二极管的工作原理1.1.2 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性1.1.3 功率功率二极管的主要参数二极管的主要参数1.1.4 功率功率二极管的二极管的型号及选择原则型号及选择原则1.1.5 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型功率二极管(Power Diode) ,也常叫整流二极管，其结构和原理简单，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。1.1 功率二极管二极管不可控器件不可控器件功率二极管及模块功率二极管及模块功率二极管及模块功率二极管及模块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。图1-2 功率二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1.1.1 PN结与功率二极管的工作原理结与功率二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK螺旋式 平板式 VD 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。正方向单向导电、反方向阻断。 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1.1.1 PN结与结与功率功率二极管的工作原理二极管的工作原理 PN结的状态PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电电容容效效应应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势势垒垒电电容容CB和扩散电容扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。1.1.1 PN结与结与功率功率二极管的工作原理二极管的工作原理 PN结的电容效应：1.1.2 功率功率二极管的基本特性二极管的基本特性主要指其伏安特性伏安特性门门坎坎电电压压UT，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 功率二极管的伏安特性If（U）1) 静态特性静态特性正向特性反向特性反向漏电流a) 实际特性实际特性b) 理想特性理想特性2) 动态特性动态特性 二二极极管管的的电电压压- -电电流流特特性随时间变化的性随时间变化的 结电容的存在结电容的存在1.1.2 功率功率二极管的基本特性二极管的基本特性a)UFPuiiFuFtfrt02V图1-5 功率二极管的动态过程波形 a)零偏置转换为正向偏置b)正向偏置转换为反向偏置 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。b)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtI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。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程1.1.2 功率功率二极管的基本特性二极管的基本特性 关断关断过程过程： 开通开通过程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 。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5(b)关断过程额额定定电电流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，使用时应按有有效效值值相相等等的的原原则则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF的有效值为1.57IF。 1.1.3 功率功率二极管的主要参数二极管的主要参数1) 额定正向平均电流额定正向平均电流IF(AV) 二极管的额定电流IF被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降UF一般为12V。当二极管在规定的环境温度为+40和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为：l二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的最大允许的全周期均方根最大允许的全周期均方根正向电流正向电流IFrms为：在指定温度和标准的散热条件下，流过某一指定的稳态正向电流IF时对应的正向压降，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与UF有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。 3） 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反反向向不不重重复复峰值电压峰值电压URSM。反向不重复峰值电压值的80称为反反向向重重复复峰峰值值电电压压URRM。它是对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。也被定义为二极管的额定电压URR。再将URRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。使用时，应当留有两倍的裕量。 1.1.3 功率功率二极管的主要参数二极管的主要参数2）正向平均电压正向平均电压UF4）反向漏电流反向漏电流IRS和和 IRR 对应于反向不重复峰值电压URSM下的平均漏电流称为反向不重复平均电流反向不重复平均电流IRS。 对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为反反向重复平均电流向重复平均电流IRR，反向最高峰值电流。5）反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf指从二极管正向电流衰减过零开始，到反向电流下降到反向峰值电流的25（有的约定10）时的时间间隔。6）最高工作频率最高工作频率fM 主要取决于PN结电容大小电容大小，结电容愈大，允许的结电容愈大，允许的fM愈低。愈低。1.1.3 功率功率二极管的主要参数二极管的主要参数结温结温是指管芯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125175C范围之内。8) 浪涌电流浪涌电流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。 1.1.3 功率功率二极管的主要参数二极管的主要参数7）最高工作结温）最高工作结温TJM1.1.4 型号及选择原则l（1）型号规则）型号规则l普通型大功率二极管型号用ZP表示，其中Z代表整流特性，P为普通型。普通型大功率二极管型号可表示如下：lZP电流等级电流等级电压等级电压等级/100通态平均电压组别通态平均电压组别l如型号为ZP5016的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为50A，额定电压为1600V。 1.1.4 型号及选择原则l（2）额定电流IF的选择原则l（3）额定电压URRM的选择原则l（4）装夹及散热方式l 根据器件工艺安装；散热方式参照1.8节1) 普通二极管普通二极管（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DATASHEET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。1.1.5 功率功率二极管的主要类型二极管的主要类型简称快速二极管， trr约为50ns5s），主要用于高频逆变器、斩波器、高频整流器和缓冲器。 快速恢复外延二极管快速恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），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2030ns。DATASHEET1 2 31.1.5 功率功率二极管的主要类型二极管的主要类型2) 快速恢复二极管快速恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）肖特基二极管的弱点弱点 1.耐压较低，反向耐压提高时正向压降会提高，漏电流较大，多用于200V以下。 2.温度特性较差，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优点 1.反向恢复时间很短（1040ns），工作频率高。 2.正向压降小（0.30.6V），恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 3.反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 4。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小1.1.5 功率功率二极管的主要类型二极管的主要类型3. 肖特基二极管肖特基二极管(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（Schottky Barrier Diode SBD）。