1、教案編寫： 肖強(qiáng)暉 廖無(wú)限,授課教師： 肖強(qiáng)暉,現(xiàn)代電力電子技術(shù) Modern Power Electronics,第2章 電力半導(dǎo)體器件的基本特性,2.1 電力半導(dǎo)體器件的種類及應(yīng)用 2.2 半導(dǎo)體整流管 2.3 晶閘管和可關(guān)斷晶閘管 2.4 功率場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵雙極型晶體管 2.5 電力半導(dǎo)體器件的功率損耗和冷卻,重點(diǎn)和難點(diǎn),電力電子器件的基本模型和分類 電力電子器件指標(biāo)和特性 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)的組成 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)類型及原理,2.1 電力半導(dǎo)體器件的種類及應(yīng)用,電力半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)的發(fā)展取決于電力電子器件的研制與應(yīng)用。 定義：電力電子

2、電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的半導(dǎo)體電子器件稱為電力電子器件（Power Electronic Device）。 廣義上，電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，本書涉及的器件都是指半導(dǎo)體電力電子器件。,不可控器件：器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。如：電力二極管（Power Diode）； 半控型器件：通過控制信號(hào)只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱為半控型器件。 如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等； 全控型器件：通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷的器件，稱為全控型器件。 如：門極可關(guān)斷晶閘管（

3、Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。,一、按器件的開關(guān)控制特性可以分為以下三類：,二、電力電子器件按控制信號(hào)的性質(zhì)不同又可分為兩種：,電流控制型器件： 此類器件采用電流信號(hào)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。 如：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等；,電壓控制半導(dǎo)體器件： 這類器件采用電壓控制（場(chǎng)控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號(hào)，用小功率信號(hào)就可驅(qū)動(dòng)它工作。 如：MOSFET管和IGBT管。,2.1.2 電力電子器件的

4、種類,附表2.1:主要電力半導(dǎo)體器件的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域,2.2 半導(dǎo)體整流管,2.2.1 PN結(jié)型整流管 2.2.2 其它類型的整流管,2.2 半導(dǎo)體整流管,2.2.1 PN結(jié)型整流管,Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。 快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位。,整流二極管及模塊,PN結(jié)的狀態(tài),2.2.2 其它類型的整流管,除了PN結(jié)型的整流管外，還有肖特基整流管、快恢復(fù)二極管和同步整流管等。 肖特基整流管：導(dǎo)通壓降的典型值為0.40.6V（而PN結(jié)型整流管的通態(tài)壓降典型值為1V左右），而

5、且它的反向恢復(fù)時(shí)間為幾十納秒。它常被用于高頻低壓開關(guān)電路或高頻低壓整流電路中。 快恢復(fù)二極管：它的容量可達(dá)1200V/200A的水平，反向恢復(fù)時(shí)間為10納秒數(shù)量級(jí)，常應(yīng)用于三相380V高頻PWM整流/逆變電路中，作為電力半導(dǎo)體器件緩沖吸收回路中的快恢復(fù)二極管。 同步整流管：利用VDMOS管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與電源電壓同步而構(gòu)成的具有低導(dǎo)通電阻、低反向恢復(fù)時(shí)間等優(yōu)良特性的一種整流器件，已經(jīng)成功用于48VDC以下電壓等級(jí)的開關(guān)電源的輸出整流部分，用來提高高頻整流電路的效率，估計(jì)可提高效率7%。,2.3 晶閘管和可關(guān)斷晶閘管,2.3.1 晶閘管（SCR） 2.3.2 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）,2.3.

6、1 晶閘管（SCR）,晶閘管(Thirsted)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT) 、可關(guān)斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。 由于普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛, 因此在無(wú)特別說明的情況下，本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。 普通晶閘管：也稱可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 簡(jiǎn)稱SCR。 由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域, 成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。,1、晶閘管

7、及其工作原理,（1）外形封裝形式:可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上), 分別由圖2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。 （2）晶閘管有三個(gè)電極, 它們是陽(yáng)極A, 陰極K和門極(或稱柵極)G, 它的電氣符號(hào)如圖2.3.1(e)所示。,圖2.3.1 晶閘管的外型及符號(hào),常用大功率晶閘管實(shí)物外形,螺栓型晶閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu),晶閘管的工作原理,晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路,導(dǎo)通條件： 在A-K兩端施加正向電壓； 同時(shí)在門極和陰極之間也施加正向觸發(fā)（電壓）信號(hào)時(shí)，門極有電流IG流通。 這時(shí)，即使去掉觸發(fā)信號(hào)，這時(shí)晶閘管仍然能

8、夠自動(dòng)維持導(dǎo)通。,要使晶閘管由關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)，還有三種情況均無(wú)須門極觸發(fā)信號(hào)，屬于非正常導(dǎo)通： 正向轉(zhuǎn)折導(dǎo)通：提高UAK正向電壓，陽(yáng)極電流IA增加，直至晶閘管轉(zhuǎn)入通態(tài)； 溫度導(dǎo)通：當(dāng)溫度增加時(shí)，流過PN結(jié)（J2）的反偏漏電流隨著增加，直至晶閘管轉(zhuǎn)入導(dǎo)通； du/dt導(dǎo)通：各PN結(jié)都存在著電容。在A-K兩端加正向變化的電壓時(shí)，各PN結(jié)將流過充電電流，其作用也相當(dāng)于陽(yáng)極電流IA增加，直至晶閘管導(dǎo)通。,阻斷條件：當(dāng)晶閘管A 、K間承受正向電壓，而門極電流Ig=0時(shí), 上述T1和T2之間的正反饋不能建立起來,晶閘管A 、K間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻斷狀態(tài)。,2. 晶閘管的伏安特性,圖

9、2-4 晶閘管的伏安特性,晶閘管導(dǎo)通時(shí)的A-K間的電壓（導(dǎo)通壓降）是非常小的，其典型的平均壓降為12V，因此，晶閘管導(dǎo)通后相當(dāng)于“低阻態(tài)”。 晶閘管門極特性偏差很大，即使同一額定值的晶閘管之間其特性也有所不同，所以在設(shè)計(jì)門極觸發(fā)電路時(shí)，必須考慮這種偏差。,3. 晶閘管的開關(guān)過程,從圖2-5中可知，晶閘管的開通時(shí)間為,（td為延遲時(shí)間；tr為上升時(shí)間）,晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為,在晶閘管關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，必須嚴(yán)格控制重加du/dt，避免晶閘管再次返回導(dǎo)通狀態(tài)，引起關(guān)斷失敗。,1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 2) 小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子。 3）大功率光控晶閘

10、管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。 4）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。,圖2.3.8 控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,光控晶閘管(LTT),4、晶閘管的派生器件,可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(Fast Switching Thyrister，簡(jiǎn)稱FST)，開關(guān)頻率在10KHZ 以上的稱為高頻晶閘管。 快速晶閘管為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓

11、較低，一般在2000V以下。 快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時(shí)必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開關(guān)頻率下的du/dt，當(dāng)開關(guān)頻率升高時(shí)，du/dt 耐量會(huì)下降。,快速晶閘管(Fast Switching ThyristerFST,可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。 有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。 正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。 與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。 通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。,圖2.3.6 雙向晶閘管的電

12、氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,雙向晶閘管(TRIAC),1)將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 2)與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘管具有正壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)； 3)根據(jù)逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；因此只能適用于反向不需承受電壓的場(chǎng)合； 4)逆導(dǎo)晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)； 5)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示；,圖2.3.7 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,逆導(dǎo)晶閘管 (RCT),2.3.2 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）,可

13、關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor)簡(jiǎn)稱GTO。 它具有普通晶閘管的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時(shí)它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。,與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。,圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào),1、GTO的基本原理,1）GTO的導(dǎo)通機(jī)理

14、與SCR是相同的。GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號(hào)是可以撤除的, 但在制作時(shí)采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。 2）在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。,導(dǎo)通過程與SCR一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。需經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。,GTO的關(guān)斷特性,1）開通過程：,2、GTO的開關(guān)特性,2）關(guān)斷過程：,采用很大的負(fù)門極電流迅速地減小陽(yáng)極電流，并過一段時(shí)間后此微小（陽(yáng)極）電流降為零，這時(shí)GTO才真正關(guān)斷。,GTO在

15、應(yīng)用中要注意以下方面的問題：, 明確門極開通和關(guān)斷波形； 驅(qū)動(dòng)電路的電源選擇； 緩沖吸收回路的合理設(shè)計(jì)； 陽(yáng)極電路限流電抗器的合理設(shè)計(jì)。,2.4 功率場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵雙極型晶體管,2.4.1 功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET） 2.4.2 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,2.4.1 功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）,1. 功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu),功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu),2. 功率MOSFET的靜態(tài)輸出特性,當(dāng)柵極電壓UGS10V），典型值為15VDC開通，8VDC關(guān)斷。,3. 功率MOSFET的開關(guān)特性,由于功率MOSFET沒有載流子累積現(xiàn)象，所以本質(zhì)上開關(guān)速度快，僅受各電極之間的寄生電容充放電

16、速度的影響，其開關(guān)時(shí)間與寄生電容的充放電時(shí)間相當(dāng)。 功率MOSFET的工作頻率可達(dá)100kHz1000kHz范圍。,柵極驅(qū)動(dòng)電路,電阻Ron和Roff，用于調(diào)整器件的充放電時(shí)間，從而可以分別控制功率MOSFET的開通與關(guān)斷時(shí)間。,4、安全工作區(qū),正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)：,導(dǎo)通時(shí)間越短，最大功耗耐量越高。,開關(guān)安全工作區(qū)(SSOA),曲線的應(yīng)用條件是：結(jié)溫TJ150，ton與toff均小于1s。,換向安全工作區(qū)(CSOA),5. 功率MOSFET的特點(diǎn), 工作頻率高，開關(guān)速度僅受寄生電容充放電的影響； 開關(guān)損耗小； 易于直接并聯(lián)； 安全工作區(qū)寬； 柵極輸入阻抗高，且呈容性； 輸出容量較

17、低，導(dǎo)通飽和壓降相對(duì)較高； 導(dǎo)通電阻Ron正比于UBR的2.5次方，因而制約了功率MOSFET耐壓不能做得太高。,2.4.2 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。 兼具功率MOSFET高速開關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性兩者優(yōu)點(diǎn)的一種復(fù)合器件。 IGBT于1982年開始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。 目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級(jí)達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。 在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其它高速低損耗的中小功率領(lǐng)域

18、，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)。,IGBT基本上是功率MOSFET的漏極端追加P型半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，等效成PNP型雙極性晶體管和功率MOSFET的復(fù)合電路。 在IGBT的柵極上施加正電壓時(shí)，在柵極電極下N溝道形成導(dǎo)通的形式。這一點(diǎn)是與功率MOSFET的最大區(qū)別，也是IGBT可以大電流化的原因。,1. IGBT的基本結(jié)構(gòu),IGBT的外形,IGBT也屬場(chǎng)控器件，其驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。 導(dǎo)通：UGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。 導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電

19、阻RN減小，使通態(tài)壓降小。 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。,IGBT伏安特性,2. IGBT的靜態(tài)輸出特性,4. IGBT的特點(diǎn), 工作頻率高，開關(guān)損耗?。?IGBT的導(dǎo)通壓降（或通態(tài)壓降）比功率MOSFET低，特別是在大電流工作區(qū)段； NPT-IGBT具有導(dǎo)通壓降的正溫度系數(shù)特點(diǎn)，在并聯(lián)使用時(shí)具有電流自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，即易于直接并聯(lián)； 安全工作區(qū)寬，具有耐脈沖電流沖擊的特點(diǎn)； 柵極輸入阻抗高，且呈容性，與功率MOSFET相似； IGBT的耐壓、電流容量可以做得很大，同時(shí)還可保持工作頻率高的特點(diǎn)。,2.5電力半導(dǎo)體器件的功率損耗

20、和冷卻,2.5.1 電力半導(dǎo)體器件的功率損耗 2.5.2 緩沖吸收回路 2.5.3 電力半導(dǎo)體器件的結(jié)面溫度 2.5.4 為什么要對(duì)電力半導(dǎo)體器件進(jìn)行冷卻,2.5.1 電力半導(dǎo)體器件的功率損耗,純電阻負(fù)載電路,電力半導(dǎo)體器件的功率損耗,各損耗是器件電壓和電流乘積的平均功率損耗：,PT = Pon +Poff +Psw.on +Psw.off,器件的斷態(tài)損耗可以忽略，其通態(tài)損耗,Pon= Uon Ion ,器件的開關(guān)損耗為,為電力半導(dǎo)體器件導(dǎo)通的占空比； fsw （=1/T）為器件的開關(guān)頻率。,隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)損耗將成為器件損耗的主要部分。,2.5.2 緩沖吸收回路,如圖所示是一種開關(guān)器件的緩沖電路RCD緩沖吸收回路。 器件關(guān)斷過程：電流經(jīng)過C、D給無(wú)感電容器充電，使器件的UCE電壓緩慢上升，可有效地抑制過電壓的產(chǎn)生； 器件開通過程：C上的電荷再通過電阻R經(jīng)器件放電，可加速器件的導(dǎo)通。 作用：使器件工作在安全工作區(qū)，器件的開關(guān)損耗有一部分轉(zhuǎn)移到了緩沖吸收回路的功率電阻R上，降低了器件的損耗，并且可以降低器件的結(jié)面溫度。,兩種經(jīng)常使用的緩沖吸收回路,2.5.3 電力半導(dǎo)體器件的結(jié)面溫度,熱阻的概念圖,電力