电力半导体器件(powerpoint 98页).pptx

模拟、数字电子技术模拟、数字电子技术 电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路电力电子技术电力电子技术 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分类分类等问题介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要参数要参数以及选择和使用中应注意问题第第九九章章 电力电力半导体半导体器件器件引言引言1-21.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.2 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1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点第一节第一节 电力半导体器件的发展概况电力半导体器件的发展概况1-31 1）概念）概念: :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主电路（主电路（MainPowerCircuit）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2 2）分类）分类: : 电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力半导体器件电力半导体器件1-4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1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征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：1-5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主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗1-6电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成图1-1 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1.2 应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路1-7不可控器件不可控器件( (PowerDiode) ) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。

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，又称自关断器件1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：晶闸管晶闸管及其派生器件及其派生器件绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管处理兆瓦级处理兆瓦级大功率电能大功率电能电力二极管电力二极管只有两个端子只有两个端子1-8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1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：1-9单极型单极型有一种载流子参与导电如功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）双极型双极型电子和空穴两种载流子参与导电如功率场效应晶体管（MODFET）混合型混合型单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。

如晶闸管（SCR）1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的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：情况，分为三类：1-10PowerDiode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二、不可控器件二、不可控器件功率功率二极管二极管整流二极管及模块1-11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9.2-1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1.2.1PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK1-12 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2.1PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的状态1-13PN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2.1PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：1-14主要指其伏安特性伏安特性门门槛槛电电压压UTO，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正向向电电压降压降UF承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流图9.2-4电力二极管的伏安特性2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1)静态特性静态特性IOIFUTOUFU1-152)动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压- -电流特性随时间变化的电流特性随时间变化的 结电容的存在结电容的存在2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中电压电流特性随时间变化1-162.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图9.2-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置电流过冲最大值：IRP电压过冲最大值：URP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。

电力二极管的关断电力二极管的关断经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入截止状态在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲1-17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UFPuiiFuFtfrt02V图9.2-5(b)开通过程2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性开通过程开通过程：电压过冲原因电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子,需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大2)正向电流的上升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1-182.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 注意：电流、电压反向问题注意：电流、电压反向问题 正偏压时，正向偏压降约为正偏压时，正向偏压降约为2V2V左右；导通时，二极左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多；时过程相比要小的得多； 但在关断时，它需要一个反向恢复的时间以清除过但在关断时，它需要一个反向恢复的时间以清除过剩载流子。

剩载流子1-19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2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1)正向平均电流正向平均电流IF(AV)1-20在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降3）反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压使用时，应当留有两倍的裕量4）反向恢复时间）反向恢复时间trrtrr= td+ tf，是从二极管正向电流过零到反向电流下降到其峰值10%时的时间间隔1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向（峰值）压降正向（峰值）压降UFM1-21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6)正向浪涌电流正向浪涌电流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2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高允许结温）最高允许结温TJM1-221)普通二极管普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）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。

2.4 二极管的主要类型二极管的主要类型1-23简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UFM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2030ns2.4 二极管的主要类型二极管的主要类型2)快恢复二极管快恢复二极管 （FastRecoveryDiodeFRD）1-24肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下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反向恢复时间很短（1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3.肖特基二极管肖特基二极管 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（SchottkyBarrierDiodeSBD）1-25第三节第三节 晶闸管晶闸管3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1-26半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。

1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）1-27图9.3-1晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装有三个联接端螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间1-283.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构1-293.。