第2章 电力电子器件11

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1、2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件电力二极管 2.3 半控型器件晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件,2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件电力二极管 2.3 半控型器件晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件,2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类,2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类,概念：,主电路（Main Power Circuit）,电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制 任务

2、的电路。,电力电子器件（Power Electronic Device）,可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或 控制的电子器件。,广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。,同处理信息的电子器件相比的一般特征：,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。,电力电子器件的损耗,主要损耗,通态损耗,断态损耗,开关损耗,关断损耗,开通损耗,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，开关损耗可能成为器件功率损耗

3、 的主要因素。,2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类,电力电子系统-由控制电路、驱动电路、保护电路 和以 电力电子器件为核心的主电路组成。,电力电子器件在实际应用中的系统组成,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。,电气隔离,控制电路,2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类,分类,按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的 程度，分为以下三类：,不可控器件不能用控制信号来控制其通断的 电力电子器件，因此也就不需要驱动

4、电路。,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。,半控型器件通过控制信号可以控制其导通而 不能控制其关断的电力电子器件。,器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。,晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。,全控型器件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。,IGBT、电力MOSFET、门极可关断晶闸管GTO。,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号 的性质，分为以下两类：,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。,电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施 加一定的电

5、压信号就可实现导通或者关断的控制。,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间有效信 号的波形，分为以下两类：,脉冲触发型通过在控制端施加一个电压或电流 的脉冲信号来实现器件的开通或关断。,电平控制型通过持续在控制端和公共端施加一 定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通 状态，或关断并维持在阻断状态。,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的 情况，分为以下三类：,单极型器件由一种载流子参与导电的器件。,双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导 电的器件。,复合型器件由单极型器件和双极型器件组成 的复合型器件。,本章内容,按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型 器件的顺序，分

6、别介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特 性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。,学习要点,最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的 使用方法。 了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。,2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件电力二极管 2.3 半控型器件晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型,Power Diode结构和原理

7、简单，工作可靠，自20世纪50年代 初期就获得应用。,整流二极管及模块,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。,电力二极管(Power Diode)，也称半导体整流器SR (Semiconductor Rectifier),结构和工作原理,图2-2 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,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。,PN结的状态,二极管的基本原理PN结的单向导电性,当PN结

8、外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成 自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN 结的正向导通状态。,当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结 表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。,PN结的反向击穿（两种形式),PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向 电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向 偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。,按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。,反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在 一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。,否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。,PN结的电容效应：,PN结的电

9、荷量随外加电压而变化，呈现电容效应， 称为结电容CJ，又称为微分电容。,势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高， 势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势 垒电容为主。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电 容为结电容主要成分。,结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB 和扩散电容CD。,结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速 开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚 至不能工作。,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型,基本特性,静态特性

10、,图2-5 电力二极管的伏安特性,主要指其伏安特性。,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。,承受反向电压时，只有微小而 数值恒定的反向漏电流。,与IF对应的电力二极管两端的 电压即为其正向电压降UF。,图2-6 电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置,动态特性 因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。由正向偏置转换为反向偏置。,a),t0:正向电流降为零的时刻,t1:反向电流达最大值的时刻,t2:电流变化率接近于零的时刻,电力

11、二极管并不能立即关断，而是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。 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： tf /td，或称恢复系 数，用Sr表示。,（1）开通特性,图2-6 快速整流二极管的正向恢复特性,由零偏置转换为正向偏置 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 出现电压过冲的原因:电导调 制效应起作用所需的大量少子 需要一定的时间来储存，在达 到稳态导通之前管压降较大；

12、 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）关断特性,图2-6 反向恢复过程中电流和电压波形,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。 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。,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型,正向平均电流IF(AV),指电力二极管长期运行时，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。 IF(AV)是按照电流的发热效

13、应来定义的，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。,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。,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。 使用时，应当留有两倍的裕量。,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。 TJM通常在125175C范围之内。,反向恢复时间trr,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。,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二

14、极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型,(1) 普通二极管（Conventional Diode）,又称整流二极管(Rectifier Diode)。 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，介绍几种常用的电 力二极管。,(2) 快恢复二极管(Fast Recovery DiodeFRD),恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般 在5s以下） 。 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitax

15、ial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N结构 ，其反 向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低 （0.9V左右）。 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 Diode-SBD)。,肖特基二极管的缺点 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 反向恢复时间很短（1040ns）。 正向恢复

16、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。,2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件电力二极管 2.3 半控型器件晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件,晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作 可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 以前被简称为可控硅。,1956年美国贝尔实验室(Bell Laboratories)发明了 晶闸管，到1957年美国通用电气公司(General Electric) 开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使 其商业化。,