第二章电力电子器件

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1、电力电子器件,第2章,电力电子器件的分类,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： 1)半控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）,不可控器件,电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。,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。,晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,

2、不能用控制信号来控制其通断, 不需要驱动电路。,按加在器件控制端和公共端之间的驱动信号性质：,按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电情况：,1) 电流驱动型,1) 单极型器件,电力电子器件的分类,2) 电压驱动型,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,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,2) 双极型器件,3) 复合型器件,由一种载流子参与导电的器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成,功率电力二极管,1.1.1 工作原理及结构1.1.2 功率二极管的基本特征1.1.3 电力二极管的主要参数1.1.4 电

3、力二极管的主要类型,2.1,外形、结构图,2.1.1,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结,图1-3 PN结的形成,PN结与电力二极管的工作原理,2.1.1,扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。,空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区

4、内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。,扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,PN结外加正向电压（正偏），即正接P区，负接N区，外加电场与PN结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上形成自P区流入N区的电流，称为正向电流IF。 当外加电压升高时自建电场进一步被削弱，扩散电流进一步增加。这就是PN结的正向导通，当流过正向电流较小时，二极管的电阻主要是低掺杂N 区的欧姆电阻，其阻值

5、较高且为常数。,工作原理及结构,2.1.1,电导调制效应当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大。为了维持半导体的中性条件，其多子浓度（即电子浓度）也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，约0.71V左右。即流过二极管的电流增大时，其内阻由于电导调制效应，反而减小，从而维持端电压基本不变。 当PN 结外加反向电压时外加电场与PN结自建电场方向相同，使少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，但由于少子的浓度很低，故反向电流很小，一般只为微安数量级。故反向偏置时，PN结呈现高阻态，几

6、乎无电流流过，称为截止状态。,正向偏置反向偏置电导调制效应不符合欧姆定律 电力二极管的基本特性 1. 静态特性（伏安特性）,工作原理及结构,2.1.1,电力二极管的伏安特性,当正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。 与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。 当承受反向电压时，只有少子引起的微小的反向（漂移）漏电流。,2. 动态特性,电力二极管的基本特性,2.2.2,动态特性,开关特性,反映通态和断态之间的转换过程,因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置、反向偏置这三种状态之间的转换必然有一个过渡过程， PN结的一些区域需要一

7、定的时间调整其带电状态，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。 这就是功率二极管的动态特征。,电力二极管的基本特性,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Sr tf /td，（恢复系数）,2.2.2,a)正向偏转换为反偏,当原处于正向导通状态的电力二极管外加电压突然由正向变为反向时，并不能及时关断，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。 在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。,关断过程：,电力二极管的基本特性,开通过程：电力二极管的正向压

8、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。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会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 。,2.2.2,b) 零偏转换为正向偏置,电力二极管的主要参数,1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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正向平均电流是按照电流的发热效应来定义，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热

9、往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小,2.1.3,2. 正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3. 反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,电力二极管的主要参数,2.1.3,4. 最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJ

10、M通常在125175C范围之内。5. 反向恢复时间trrtrr= （延迟时间）td+ （电流下降时间）tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。6. 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。,电力二极管的主要参数,2.1.3,电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。普通二极管（General Purpose Diode） 如： IN4007 IN5408 又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于

11、开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。,2.1.4,2. 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）,电力二极管的主要类型,2.1.4,恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管。 如：FR107 MUR840工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构 采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于

12、50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。 如HFA25TB60从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,3. 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（Schottky Barrier DiodeSBD）20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路 中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此 多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略， 而且必须更严格地限制其工作温

13、度,电力二极管的主要类型,2.1.4,肖特基二极管的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在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 如： IPS59SB20 40V/0.5A IPS74SB23 40V/1A PBYL1025 25V/10A 1N5819 40V/1A,2.1.4,电力二极管的主要类型,电力二极管的主要类型,例1 设流过电力二级管的电流波形如图11所示，其最大值为Im，试求各流形的电流平均值Id，有效值I和波形系数KF.,2.1.4,2.1.4,Id=,I=,波形系数KF

14、=I/Id=2.22,1,2,2,2,p,w,w,p,p,p,I,td,t,I,m,m,sin,(,),=,1,2,2,2,2,2,p,w,w,p,p,(,sin,),(,),I,t,d,t,I,m,m,=,100A的二级管所能送出的平均电流 ID=,157,70,7,K,A,Fa,=,.,半控器件晶闸管,2.2.1 晶闸管的结构与工作原理 2.2.2 晶闸管的基本特性 2.2.3 晶闸管的主要参数 2.2.4 晶闸管的派生器件,2.2,半控器件晶闸管,图1-6 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,2.2,晶闸管（Thyristor）、可控硅整流器（SC

15、R）外形有螺栓型和平板型两种封装快速晶闸管，逆导晶闸管，门极可关断晶闸管，双 向晶闸管，光控晶闸管等，下面我们讨论普通晶闸 管BT151，MCR100-6.,Ic1=1 IA + ICBO1 Ic2=2 IK + ICBO2 IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2 式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理,晶闸管的结构与工作原理,2.2.1,),(,1,2,1,CBO2,CBO1,G,2,A,a,a,a,+,-,+,+,=,I,I,I,I,晶闸管可以用正反馈下的PNP和NPN晶体管表示。门极电流IG被注入晶体管T2的基极，则产生放大集电极电流IC2，IC2成为T1的基极电流，放大了IC1，从而使IB2IGIC1增大，导致IC2进一步增加，ICC1也进一步增加，形成了正反馈，最后T1和T2完全饱和，晶闸管仍能维持导通。普通晶闸管即使加负的门极电流也不能使其关断。晶闸管可以通过门极使其开通，而不能使其关断，是半控型器件。,