1、電 力 電 子 技 術(shù),Power Electronic Technology,第一章 電力電子器件,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,主電路（Main Power Circuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 電力電子器件（Power Electronic Device）可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。,與信息電子器件相比，電力電子器件具有以下幾個(gè)特征： 1.電力電子器件處理的電功率遠(yuǎn)大于信息電子器件；故電力電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相當(dāng)于電力開(kāi)關(guān)； 2.電力電子器件需要信息電子器件和中間電路構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制； 3.需要緩沖電

2、路和保護(hù)電路； 4.由于電力電子器件功率損耗較大，為避免因損耗造成的熱量使器件損壞，通常要安裝散熱器。,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的重要參數(shù)：電壓和電流 由于電力電子器件處理的電功率較大，為減少本身?yè)p耗，電力電子器件一般工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通時(shí)阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零；阻斷時(shí)阻抗很大，接近于斷路，電流接近于零。 參數(shù)中電壓指器件在阻斷時(shí)所能承受的電壓； 參數(shù)中電流指器件在導(dǎo)通時(shí)所能通過(guò)的電流。,例如：某電力電子器件型號(hào)為SGH60N80UFD,阻斷時(shí)所能承受的電壓為600V，導(dǎo)通時(shí)額定電流為80A,2.1.1 電力電子器件

3、的概念和特征,通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。 器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。,主要損耗,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開(kāi)關(guān)損耗,關(guān)斷損耗,開(kāi)通損耗,電力電子器件的損耗,2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,圖1-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行,電氣隔離,控制電路,電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成。,2.1.3 電力電子器件的分類,半控型器件 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。 全控型器件 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷

4、，又稱自關(guān)斷器件。 不可控器件 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。,按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：,2.1.3 電力電子器件的分類,按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類： 電流驅(qū)動(dòng)型(Current Driving Type)通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 電壓驅(qū)動(dòng)型(Voltage Driving Type)僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過(guò)加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來(lái)改變流過(guò)器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱

5、為場(chǎng)控器件(Field Controlled Device)，或場(chǎng)效應(yīng)器件,2.1.3 電力電子器件的分類,按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種帶電粒子參與導(dǎo)電的情況分為三類： 單極型器件(Unipolar Device)由一種帶電粒子參與導(dǎo)電的器件 雙極型器件(Bipolar Device)由電子和空穴兩種帶電粒子參與導(dǎo)電的器件 復(fù)合型器件(Complex Device)由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件,電力電子器件的發(fā)展史,電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),電力電子器件基礎(chǔ)_PN結(jié)

6、原理,完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。在常溫下，本征半導(dǎo)體可以激發(fā)出少量的自由電子，并出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的空穴，這兩種不同極性的帶電粒子統(tǒng)稱為載流子。,用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ诒菊靼雽?dǎo)體內(nèi)摻入微量的雜質(zhì)，會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力發(fā)生顯著的變化，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。因摻入雜質(zhì)化合價(jià)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體兩類。,多子和少子 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)。 空間電荷區(qū),電力電子器件基礎(chǔ)_PN結(jié)原理,在PN結(jié)上外加電壓稱為對(duì)PN結(jié)的偏置，P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)為正偏置，反之為反偏置。 當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)受到

7、抑制，而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流。 當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，少子的漂移運(yùn)動(dòng)大于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),形成反向電流，但由于受少數(shù)載流子濃度低的限制，反向電流很小。,電力電子器件基礎(chǔ)_PN結(jié)原理,PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但如果反向電壓過(guò)大，達(dá)到反向擊穿電壓時(shí)，反向電流會(huì)急劇增加，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為反向擊穿，反向擊穿有可能造成PN結(jié)損壞。 PN結(jié)反向擊穿有三種形式：雪崩擊穿、齊納擊穿（隧道擊穿）和熱擊穿。,電力電子器件基礎(chǔ)_PN結(jié)原理,PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的單向?qū)щ娦允蛊鋵?duì)交流電有整流作用

8、，但這種作用只在交變電壓頻率不太高時(shí)才能發(fā)揮作用，在電壓頻率增高時(shí)就不能很好發(fā)揮作用，其原因就是PN結(jié)的電容。 PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容(Junction Capacitance)CJ，又稱為微分電容(Incremental Capacitance)。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容(Barrier Capacitance)CB和擴(kuò)散電容(Diffuse Capacitance)CD。,電力電子器件基礎(chǔ)_PN結(jié)原理,1）勢(shì)壘電容 由于PN結(jié)的空間電荷區(qū)無(wú)可動(dòng)電荷，猶如一層絕緣介質(zhì)，與將其夾在中間的P區(qū)和N區(qū)一起，構(gòu)成為一個(gè)電容器。由于空間電荷區(qū)是載流子

9、的勢(shì)壘區(qū)，所以該電容稱為勢(shì)壘電容。 電容的基本功能是充放電，勢(shì)壘電容的充放電是通過(guò)PN結(jié)空間電荷的變化來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，且正向電壓升高時(shí)，N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子便進(jìn)入空間電荷區(qū)并與其中部分相反極性的空間電荷中和，就如把這些載流子存放在空間電荷區(qū)一樣，這種現(xiàn)象稱為載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)。存儲(chǔ)電荷隨正偏壓的增加而增加，相當(dāng)于向勢(shì)壘電容充電。當(dāng)外加電壓降低或偏壓改變極性，則會(huì)有一部分載流子離開(kāi)空間電荷區(qū)，相當(dāng)于勢(shì)壘電容放電。勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容的作用越明顯。,電力電子器件基礎(chǔ)_PN結(jié)原理,2）擴(kuò)散電容 當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，大量空穴由P區(qū)進(jìn)入N

10、區(qū)，電子由N區(qū)進(jìn)入P區(qū)，這部分載流子在進(jìn)行中和的同時(shí)，作為其中的少數(shù)載流子根據(jù)濃度梯度向縱深擴(kuò)散，與空間電荷區(qū)接近的地方少數(shù)載流子濃度偏高，即在這些地方有注入載流子受擴(kuò)散速度的限制而形成的積累。正偏壓越大，載流子注入量越大，積累越多。這種發(fā)生在空間電荷區(qū)外并與注入載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)有關(guān)的電容效應(yīng)稱為擴(kuò)散電容。擴(kuò)散電容是由正偏壓造成的，只在正向偏置時(shí)存在。 綜上所述，PN結(jié)電容的兩種成分在不同外加電壓條件下所占的份額不同。在正向偏置時(shí)，當(dāng)電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容占主要成分；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，使擴(kuò)散電容按指數(shù)規(guī)律上升，成為PN結(jié)電容的主要成分。在反向偏置時(shí)，PN結(jié)電容以勢(shì)壘電容為主。,電力電

11、子器件基礎(chǔ)_封裝,同樣的封裝形式能用于不同的電力電子器件,2.2.1 電力二極管的工作原理,電力二極管（Power Diode）基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ) 由一個(gè)面積較大的PN結(jié)（PNjunction）和兩端引線以及封裝組成的 從外形上看，大功率電力二極管主要有螺栓型和平板型兩種封裝,圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),為了提高PN結(jié)二極管承受反向電壓的阻斷能力，需要增加硅片的厚度來(lái)提高耐壓，但厚度的增加會(huì)使二極管導(dǎo)通壓降增加。由于PIN結(jié)構(gòu)可以用很薄的硅片厚度得到PN結(jié)構(gòu)在硅片很厚時(shí)才能獲得的高反

12、壓阻斷能力，故結(jié)型功率二極管多采用PIN結(jié)構(gòu)。PIN功率二極管在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾有一層摻有輕微雜質(zhì)的高阻抗N-區(qū)域，該區(qū)域由于摻雜濃度低而接近于純半導(dǎo)體。,2.2.1 電力二極管的工作原理,其他常見(jiàn)封裝形式,2.2.1 電力二極管的工作原理,二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。,PN結(jié)的狀態(tài),概念：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 當(dāng)PN結(jié)上流過(guò)的正向電流較小時(shí)，二極管的電阻值較高且為常量，管壓降隨正向電流上升而增加；當(dāng)流過(guò)的正向電流較大時(shí)，注入N-區(qū)的少子空穴濃度變大，為維持半導(dǎo)體中性條件，其多子濃度也相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，即電導(dǎo)率大大增加。,2.2.2 電力二極管

13、的基本特性,靜態(tài)特性（Static State Characteristic ） 主要指其伏安特性(Volt-ampere Characteristic),門檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。 與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。 承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,圖1-4 電力二極管的伏安特性,2.2.2 電力二極管的基本特性,動(dòng)態(tài)特性(Dynamic Characteristic),延遲時(shí)間：td= t1- t0, 電流下降時(shí)間：tf= t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf 恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf /

14、td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示,開(kāi)關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程 關(guān)斷過(guò)程： 須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖,電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形_正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置,2.2.2 電力二極管的基本特性,零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,開(kāi)通過(guò)程： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大 正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高,2.2

15、.3 電力二極管的主要參數(shù),正向平均電流 (Average Rectifier Forward Current) IF(AV) 額定電流(Rating Current)在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值 額定電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗(Switching Losses)造成的發(fā)熱往往不能忽略 當(dāng)采用反向漏電流(Reverse Leakage Current)較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗(Off-state Losses)造成的

16、發(fā)熱效應(yīng)也不小,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),二極管的通態(tài)平均電流,定義電流的波形系數(shù)Kf=IT/IT(AV)；則正弦半波電流的波形系數(shù)：,這說(shuō)明額定平均電流IT(AV)100A的二極管，其允許的電流有效值為IT=KfIT(AV)=157A。 在選用二極管時(shí)，要根據(jù)二極管的額定電流平均值求出其允許流過(guò)的最大有效電流。不論流過(guò)二極管的電流波形如何，只要流過(guò)元件的實(shí)際電流最大有效值小于或等于管子的額定有效值且散熱冷卻在規(guī)定的條件下，管芯的發(fā)熱就能限制在允許范圍內(nèi)。實(shí)際使用時(shí)，對(duì)二極管額定平均電流IT(AV)選擇應(yīng)至少留1倍以上的余量。,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),正向壓降 (Forwar

17、d Voltage) UF 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降 有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降 反向重復(fù)峰值電壓(Peak Repetitive Reverse Voltage)URRM 指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3 使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),最高工作結(jié)溫(Maximum Operation Junction Temperature)TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示 最高

18、工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度 TJM通常在125175C范圍之內(nèi) 反向恢復(fù)時(shí)間(Reverse Recovery Time)trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)間 浪涌電流(Non)Repetitive Peak Surge CurrentIFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。,2.2.4 電力二極管的主要類型,按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同 在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類型的電力二極管 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的,2.2.4 電力二極管的主要類型,普通結(jié)型二極管（General Purpose Diode） 普通結(jié)型二極管又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上,2.2.4 電力二極管的主要類型,快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管,提高結(jié)型電力二極管開(kāi)關(guān)速度的措施 1）在硅材料摻入金或鉑等雜質(zhì)可有效提高少