1、,Fundamentals of Power Electronics Technology,電力電子技術基礎,第二部分 電力電子器件,6,1.1 功率二極管,基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。 由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。,電力二極管的結構和工作原理,Power Diode結構和原理簡單，工作可靠， 自20世紀50年代初期就獲得應用,二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征。 PN結的反向擊穿（兩種形式) 雪崩擊穿 齊納擊穿 均可能導致熱擊穿,PN結的狀態(tài),主要指其伏安特性 門檻電壓UTO，當電力二極管承

2、受的正向電壓大到一定值（ UTO ），正向電流IF才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài) 與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF ,0.71.2V。 承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流Is。 反向擊穿電壓,圖1-3a 電力二極管的伏安特性,靜態(tài)特性,電力二極管的基本特性,主要反映電力二極管通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性 開關特性：PN結上存儲有空間電荷和兩種載流子，形成電荷存儲效應及結電容，直接影響著二極管的動態(tài)開關特性 原處于正向導通狀態(tài)的二極管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉聪驎r，二極管不能立即關斷，而是經過短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。,動態(tài)

3、特性,電力二極管的基本特性,動態(tài)特性參數,反向電流延遲時間：td , 反向電流下降時間：tf 反向恢復時間：trr= td+ tf,電力電子技術基礎,電力二極管的主要參數,電力電子技術基礎,PD的分類,1. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關頻率不高時并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數千安和數千伏以上,電力電子技術基礎,PD的分類,2. 快恢復二極管（Fast Recovery Diode FRD） 恢復

4、過程很短特別是反向恢復過程很短（1s以下）的二極管，也簡稱快速二極管 適用頻率：20100kHz,電力電子技術基礎,從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。,PD的分類,3. 肖特基二極管 以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡稱為肖特基二極管 20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應用 肖特基二極管的弱點 當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下 反向漏電流較大且對溫度敏感，因

5、此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度,電力電子技術基礎,PD的分類,肖特基二極管的優(yōu)點 反向恢復時間很短（1040ns） 其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管 其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高 適用頻率：1MHz,電力電子技術基礎,1.2 普通晶閘管（SCR）,能承受的電壓和電流容量是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的場合具有重要地位。,晶閘管（Thyristor）：是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），簡稱可控硅。,SCR的 外形和符號,電力電子技術基礎,外形有螺栓

6、型和平板型、模塊等封裝 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯接端 對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間,a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號,常用晶閘管的結構,螺栓型晶閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結構,SCR的結構和工作原理,晶閘管的四層半導體結構：P1、N1、P2、N2四個區(qū)，形成J1、J2、J3三個結。 P1區(qū)引出陽極A， N2區(qū)引出陰極K， P2區(qū)引出門極G。 外加正向電壓（A接正，K接負）：J2反向偏置，A、K之間處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流。 外加反向電壓（A接負，K接正）：J1和J3反

7、向偏置，器件也處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流。,SCR的結構和工作原理,圖1-5 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,晶體管的觸發(fā)導通正反饋原理 ：V1實際上為V2構成了正反饋電路，在A-K間加正向電壓情況下，若外電路向門極注入電流IG： IG IB2 IC2 (IB1 ) IC1,IB2,如此不斷地對電流放大，形 成強烈的正反饋，很快使 V1、V2進入飽和導通狀態(tài)， 即晶閘管導通，A-K間壓降約1V 左右。此過程稱作門極觸發(fā)。 此時若撤掉外加門極電流IG，由于內部已形成了正反饋，并且反饋電流IC1IG，V1、V2可以相互維持導通。,SCR的結構和工作原理

8、,SCR為半控器件：通過門極只能使SCR觸發(fā)導通，而不能控制其關斷。 如何使SCR關斷：設法使陽極電流IA減小到小于維持電流IH（接近于零的某一數值），解除正反饋；A-K間施加反壓。,SCR的結構和工作原理,電力電子技術基礎,承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用 要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下,晶閘管正常工作時的特性總結如下：,電力電子技術基礎,陽-陰極（A-K）之間加有正向電壓； 門-陰極(G-K)之間加正向電壓和電流（觸發(fā)脈沖）。,晶閘管導通要具備

9、兩個條件：,SCR的特性,晶閘管的陽極伏安特性 該特性表示陽陰極之間的電壓UAK與陽極電流IA之間的關系。 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性,IG2IG1IG,IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通 隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低 導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右 導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。（伏安特性圖）,（1）正向特性,位于第III象

10、限，反向特性類似二極管的反向特性。 反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。 當反向電壓達到反向擊穿電壓后（雪崩擊穿），外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，可能導致晶閘管發(fā)熱損壞。,圖1-6 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG,（2）反向特性,晶閘管的門極觸發(fā)信號是作用于G-K之間的， 觸發(fā)電流是從門極流入，從陰極流出的。陰極是晶閘管主電路 與控制電路的公共端。從晶閘管的結構圖可以看出，門極和陰 極之間是一個PN結J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。該特性 表示門極電壓UGK與門極電流IG之間的關系。為保證可靠、安 全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應限制在 器件所要求的范圍

11、內。,晶閘管的門極伏安特性,晶閘管的開通和關斷波形,晶閘管的開關特性,1) 開通過程 SCR內部的正反饋導通過程總 需要一定時間（陽極電流在iG 作用后經過循環(huán)放大而建 立）。,開通過程（特性圖) 延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間 上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間 開通時間ton以上兩者之和， ton=td+ tr （1-6） 普通晶閘管延遲時間為0.51.5s，上升時間為0.53s,電力電子技術基礎,2) 關斷過程（改變A-K極的電壓極性） 反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間 正向阻斷恢

12、復時間tgr ：由于載流子復合慢，晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間 在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通而不受門極電流控制而導通，即誤導通 實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作 關斷時間toff：trr與tgr之和，即 toff=trr+tgr （1-7) 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。,SCR的主要參數,1. 電壓定額 1) 斷態(tài)重復峰值電壓UDRM在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。 2) 反向重復峰值電壓URRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允

13、許重復加在器件上的反向峰值電壓。 規(guī)定：重復頻率為50次/s，電壓持續(xù)時間為10ms以內。 3)額定電壓通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍 4) 通態(tài)（峰值）電壓UTM晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。,SCR的主要參數,2. 電流定額 1) 通態(tài)平均電流 IT(AV) -額定電流,允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。額定 電流本來應按照正向電流造成的發(fā)熱效應來定義。實 際選管時，需要考慮工作電流有效值（發(fā)熱損耗）是 否會超過允許的定額。 器件的發(fā)熱與

14、有效值有關，晶閘管的通態(tài)平均電流IT(AV)對應著一個有效值 I。 由于整流電路的形式和帶負載性質不同，導通角不同，流過晶閘管的電流波形不一樣。 使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管的電流額定值，并留一定的裕量，一般取1.52倍,SCR的主要參數,電力電子技術基礎,電流平均值的定義,電流有效值的定義,波形系數 的定義,SCR的主要參數,峰值為IM的正弦半波電流對應的平均值,峰值為IM的正弦半波電流對應的有效值,不同電流波形對應的波形系數不同，實際選管時應按照與工頻半波時的有效值相等的原則進行換算，即實際波形的電流有效值等于工頻半波的有效值：,例：求波形的電流平均值、電流

15、有效值以及波形系數,解：（1）,例：上題中不考慮安全裕量，額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，能送出電流平均值各為多少？,解：“額定電流為100A的SCR”，表示該SCR在 工頻正弦半波情況下可以通過的平均電流 為100A，由于正弦半波的波形系數為1.57, 所以，該SCR可以通過的電流有效值為 1001.57157A,上題中已經求出波形的波形系數，所以,這時，100A的器件只能當70A使用。,SCR的主要參數,2) 維持電流 IH 指在關斷SCR時維持其導通所必需的最小陽極電流。一般為幾十到幾百毫安，與結溫有關，結溫越高，則IH越小（針對關斷過程） 3) 擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉

16、入通態(tài)并移除觸發(fā)信號 后， 能維持導通所需的最小陽極電流（針對開通過程） 對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍 4) 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結溫超過 額定結溫的不重復性最大正向過載電流 浪涌電流有L、H兩級。L（低）級的數值為 IT（AV)。比如100A定額的晶閘管，L級ITSM為1.3kA，H 級ITSM為1.9kA。ITSM在器件壽命期內僅限幾次。,SCR的主要參數,電力電子技術基礎,3. 動態(tài)參數 除開通時間ton和關斷時間toff外，還有： (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘 管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上

17、升率 UAK上升率過高，會造成SCR誤導通。,(2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞 。,其他晶閘管,電力電子技術基礎,1. 快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST) 包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管 管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善 普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，高頻晶閘管10s左右,其他晶閘管,電力電

18、子技術基礎,2. 雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,其他晶閘管,電力電子技術基礎,可認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成 有兩個主電極T1和T2，一個門極G 正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性 與一對反并聯晶閘管相比是經濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State RelaySSR）和交流電機調速等領域應用較多,其他晶閘管,3. 逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種器件不具有反向阻斷的能力，一旦承受反向電壓即