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1、1,第二章 电力电子器件 Chapter 1 Power Electronic Devices,2,本章主要内容,电力电子器件的概念，特点和分类常用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问题电力二极管 晶闸管 全控型器件了解各种器件的结构和工作原理重点掌握各种器件的动态特性、主要参数以及如何选择,电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电路 电力电子电路的基础 电力电子器件,3,2.1 电力电子器件概述 Introductory overview of power electronic devies,4,The concept of power electronic
2、devices,电力电子器件：用于处理电能的主电路中实现电能的变换或控制的器件。,Power electronic devicesare the electronic devices that can be directly used in the powerprocessing circuits to convert or control electric power.,5,The concept of power electronic devices,电力电子器件 Power electronic devices电真空器件 Vacuum devices汞弧整流器 Mercury arc r
3、ectifier 闸流管 thyratron, etc. Seldom in use today半导体器件Semiconductor devices major power electronic devices Very often: Power electronic devices = Power semiconductor devices Major material used in power semiconductor devicesSilicon,6,电力电子器件的特征,Features of power electronic devices,电力电子器件直接用于处理电能，有特征：
4、处理功率能力远大于处理信息类器件处理功率的能力，可从毫瓦级到兆瓦级； 工作在开关状态处理功率大，减小本身的损耗； 需信息电子电路控制，中间加驱动放大电路； 器件损耗大，器件设计和封装方面必须考虑散热，工作时还必须考虑散热器。,7,理想电力电子开关,开关处于关断状态Off-state时能承受高的端电压，并且漏电流为零。 开关处于导通状态On-state时能流过大电流，且端电压（导通压降）为零。 导通、关断切换时所需开关时间为零。 小信号也能导通、关断，对信号的延迟时间为零。 反复开关不老化。,8,电力电子器件的损耗,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
5、损耗的主要因素。,主要损耗,通态损耗 on-state loss,断态损耗 off-state loss,开关损耗 Switching loss,关断损耗 turn-off loss,开通损耗 turn-on loss,Power losses on power semiconductor devices,9,应用电力电子器件的系统组成,电力电子系统：由控制电路(control circuit)、驱动电路(drive circuit)、保护电路 (protection circuit)和以电力电子器件为核心的主电路(power circuit)组成。,图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组
6、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Electric isolation,控制电路,10,电力电子器件的分类,按照电力电子器件的开关控制能力分 不可控器件(Uncontrollable device) 半控型器件(Half-controllable device) 全控型器件(Fully-controllable device),Classification of power electronic devices,11,不可控器件(Uncontrollable device),不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。 两个端子，器件通断由它在
7、主电路中承受的电压和电流决定。 单向导电。 典型器件：功率二极管（Power Diode）。,only two terminals and can not be controlled by control signal.The on and off states of the device are determined by the power circuit.,12,半控型器件(Half-controllable device),可控制器件开通但不能控制关断，控制端在器件导通后失去控制能力，即无法通过控制端来关断器件，器件关断决定于外部条件，即器件在主电路中承受的电压和电流。 Half-co
8、ntrolled device is turned-on by a control signal and turned-off by the power circuit三端器件。典型器件：晶闸管（Thyristor）及派生器件。,13,全控型器件(Full-controllable device),既能控制开通，又能控制关断，又叫自关断器件。 The on and off states of the device are controlled by control signals.常用的有功率场效应管（Power MOSFET）绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）门极可关断晶闸管（GTO）等 。,
9、14,其它分类方法Other classifications,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质不同划分,电流控制型器件Current-driven (current-controlled) devices通过向控制端注入或从控制端抽出电流实现器件的开通、关断。 电压控制型器件Voltage-driven (voltage-controlled) devices(Field-controlled devices)器件的开通、关断控制是通过加在控制端与公共端之间的电压来实现的，又叫场控型器件或场效应器件。电压控制型器件需要的控制极驱动功率要小得多 。,15,其它分类方法Other
10、classifications,按照器件内部载流子的类型分类,单极型Unipolar devices Majority carrier devices双极型Bipolar devices Minority carrier devices复合型 Composite devices,16,单极型Unipolar devices,一种载流子（一般为多数载流子）参与导电的器件。如功率场效应管，静电感应晶体管（SIT）。 特点：只有多数载流子导电，无少子存储效应，开通关断时间短，典型值为20 ns。以功率场效应管为例，小容量器件工作频率可达500kH。输入阻抗很高，通常大于40 兆欧，电压控制型。电流有
11、负温度系数，不易产生局部热点，二次击穿可能性极小 。 通态压降高，电压和电流额定值比双极型器件小。适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备 。,17,双极型Bipolar devices,电子和空穴两种载流子都参与导电。如晶闸管、GTO等。 特点：通态压降较低。阻断电压高。电压和电流额定值较高，适用于大中容量的变流设备。,18,复合型 Composite devices,由单极型器件和双极型器件组合而成，如IGBT。 特点：既有晶闸管、GTO等双极型器件的电流密度高、 导通压降低等优点，又具有功率场效应管等单极型器件的输入阻抗高、响应速度快的特点，是一类综合性能较好、具有发展前途的电力电子器件
12、。,19,2.2 不可控器件(Uncontrollable device) 电力二极管Power Diode,结构和原理简单，工作可靠， 快恢复和肖特基二极管，分别在中、高频整流、逆变及低压高频整流场合，有不可替代的地位。 功率二极管主要作整流、续流和隔离等。,整流二极管及模块,20,电力二极管Power Diode,结构和原理与信息电子电路二极管一样。 一个面积较大的PN结和两端引线封装组成。 外形：螺栓型和平板型。,图1-2 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,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),c),A,K,Structure,
13、Symbol,Anode,Cathode,Appearance,21,PN Junction,PN结：N型半导体(N-type semiconductor)和P型半导体结合成 扩散(diffusion) 空间电荷建立内电场或自建电场，阻止扩散 漂移(drifting) 稳定的空间电荷区或耗尽层，阻挡层，势垒区。,22,电导调制效应Conductivity Modulation,结导通，流过较小电流时，电阻主要为基底低掺杂区的欧姆电阻，为常量，此时管压降随电流上升增加。 结流过较大电流时，注入并积累在低掺杂区的少子空穴浓度很大，为维持半导体中性，多子浓度也增大，电阻率下降，即电导调制效应。此时压
14、降左右，低阻状态。 电导调制效应的存在，可允许器件流过较大电流。,23,二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,PN结的状态,电力二极管的工作原理,24,电力二极管的工作原理,PN结电荷量随外加电压变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容(Potential barrier capacitor)CB和扩散电容(Diffusion capacitor)CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。,PN结的结电容,Junction capacitor
15、,25,电力二极管和信息二极管不同的因素： 正向导通时流过大电流，电流密度大，额外载流子注入水平高，电导调制效应明显。 引线和焊接电阻压降有明显影响。 电流变化率di/dt较大，引线和器件自身的电感效应有较大影响。 为提高反向耐压，掺杂浓度低，造成正向压降较大，1V左右，一般的为0.7V。,电力二极管的工作原理,26,电力二极管的基本特性,主要指其伏安特性I-V characteristic 门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电压即为正向压降UF 。 反向时，只有漏电流。,图1-4 电力二极管的伏安特性,静态特性Static characteristics,2
16、7,电力二极管的基本特性,动态特性Switching (dynamic) characteristics,偏值状态改变时的过渡过程。 电压电流特性随时间变化。 由于结电容的存在。,图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,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。,28,电力二极管的动态特性,关断过程 须经短暂时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 关断前有较大反向电流，并伴随明显反向电压过冲。,图1-5(b)关断过程,Turn-off transient,Reverse-recovery process: Reverse-recovery time, reverse-recovery charge, reverse-recovery peak current.,
