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1、电力电子技术 Power Electronics Technology,Spring 2006,电 气 工 程 学 院 陈 洛 忠 C 51687064-601(o),第二章 电力电子器件的原理与特性,本章内容,2.1 电力电子器件概述 2.2 电力（功率）二极管 2.3 晶闸管（SCR） 2.4 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 2.5 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,要求及重点,要求： 了解电力电子器件（Power electronic device） 的发展、分类与应用 理解和掌握功率二极管、SCR、MOSFET和IGBT 等常用器件的工作原理、电气特性和主要参数 重点： 各种电力电
2、子器件原理、性能上的不同点，各 自应用的场合,2. 1 电力电子器件概述,电子技术采用电子器件，包括晶体管和集成电路 电力电子技术采用电力电子器件,主电路（main power circuit）：电力电子系统 中，直接承担电能的变换或控制任务的电路 电力电子器件（power electronic device）： 可直接用于电力电子主电路中、实现电能变换或 控制的电子器件,与电子器件相比，电力电子器件的一般特征： 处理电功率的能力强, 一般远大于处理信息的电 子器件所能处理的电功率，即承受电压和电流 的能力，是最重要的参数 一般都工作在开关状态 驱动功率较大 工作时能耗较大,主要损耗 通态损耗
3、：导通（相当于普通晶体管饱和导通）时器件上有一定的通态压降 断态损耗：阻断（相当于普通晶体管管截止）时器件上有微小的断态漏电流流过 开关损耗 开通损耗：在器件开通（阻断开通）过程中产生的损耗 关断损耗：在器件关断（开通阻断）过程中产生的损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是造成器件功率损耗的主要原因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素,电力电子器件的特征（与普通半导体器件相比） 功率远大于信息电子器件，从mWMW，因此电压和电流等级是其最重要的参数 工作在开关状态（相当于普通晶
4、体管的饱和与截止状态），因而开关特性也是很重要的参数，有时甚至是最重要的参数 需要用驱动电路驱动 需要装散热器散热,电力电子器件的发展,第一代电力电子器件 无关断能力的SCR 第二代电力电子器件 有关断能力的GTO、GTR等 第三代电力电子器件 性能优异的复合型器件如IGBT和智能器件 IPM (Intelligent Power Module) 等,电力电子器件的发展目标和评价标准,70年代 大容量（电压、电流） 80年代 高频化（功率、频率） 90年代 高性能化 （大容量、高频率、易驱动、低损耗） 评价标准：功率容量、开关速度、通态压降、 驱动功率、驱动信号 现在 集成化、模块化、智能化,
5、电力电子器件的分类,按其开关控制性能分类： 不控型器件:无控制极，器件的导通与关断完全由其在主电路中承受的电压和电流决定，正偏置导通、反偏置关断。如电力二极管(Power Diode) 半控型器件：控制极（门极）只能控制器件导通而不能控制其关断，器件的关断完全由其在主电路中承受的电压和电流决定。如晶闸管（Thyristor） 全控型器件：通过控制极（门极或基极或柵极）是否施加驱动信号、既能控制管子导通又能控制管子关断。如 如GTO、GTR、 MOSFET 、 IGBT 、IGCT、IPM,电力电子器件的分类,按器件内部载流子参与导电的种类分类： 单极型器件：只有一种载流子参与导电，如 MOSF
6、ET、SIT等 双极型器件：有电子和空穴两种载流子参与导 电，如SCR、GTO、GTR等 复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成， 如由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成，构成IGBT等,单极型器件： 开关时间短、输入阻抗高（电压控制型） 电流具有负的温度特性，二次击穿的可能性很小 通态压降高、电压和电流定额较小 双极型器件： 通态压降较低、阻断电压高、电流容量大 复合型器件： 既有电流密度高、导通压降低的优点，又有输入 阻抗高、响应速度快的优点,按驱动电路加在器件控制端和公共端信号的性质分类：,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。如晶闸 管、GTO、GTR、I
7、GCT、SITH等 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。如MOSFET、 IGBT、IPM、SIT、MCT等,电力电子器件的分类,电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压、在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场，来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件、或场效应器件。特性：,驱动功率远小于电流控制型器件 驱动电路简单 功率器件工作频率高,电力电子器件的应用,决定应用场合的基本因素 输出容量 工作频率 应用举例 高压输电 电力牵引 开关电源,2. 2 功率二极管,工作原理（基本与普通二极管相同） PN结：正向导通 反向截止
8、电流到零关断,外形与符号 有螺栓型和平板型 两种封装,电力二极管承受的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 当电力二极管承受反向电压时，有微小的反向漏电流,基本特性 静态特性（伏安特性）,理想伏安特性1,以后电路分析中，我们均采用前一种来简化二极管,理想伏安特性2,主要参数: 正向平均电流 ：在指定壳温和散热条件下，允许流过的最大工 频正弦半波电流的平均值 正向压降：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 ：能重复施加的反向最高峰值电压 最高工作结温 ：
9、在PN结不损坏前提下所能承受的最高平均温度 反向恢复时间 trr：关断过程中，电流降到零起到完全恢复反向 阻断能力止的时间,主要类型: 整流二极管（ Rectifier Diode）低频(1KHz)、大容量整流电路 反向恢复时间较长（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很高，数千安和数千伏以上 快恢复二极管（ Fast Recovery Diode-FRD ）高频 恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5s以下） 肖特基二极管（ Schottky Barrier Diode-SBD） 高频、低压 反向恢复时间很短（1040ns） 正向恢复过程中不会有明显的电压
10、过冲 反向耐压低时，正向压降也很小，明显低于快恢复二极管，但反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求 开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 反向漏电流较大且对温度敏感，必须更严格地限制其工作温度,电力电子器件的特征（与普通电子器件的不同点） 电力电子器件的分类（三种分类方法） 电力电子器件的主要损耗（三种） 电力电子器件所能达到的功率等级、开关频率比较 电力二极管的工作原理、静态特性与信息二极管的 工作原理、静态特性基本相同,小 结,2. 3 晶闸管 （ Silicon Controlled Rectifier-SCR）,名称 晶闸管 （Thyristor） 可控硅 （SCR
11、） 外形与符号 有螺栓型(200A)两种 封装,SCR的工作原理,PNPN四层结构；P1区引出阳极A， P2区引出门极G， N2区引出阴极K；四个区形成三个PN结J1、J2、J3,工作原理 1、阻断状态 A、K两端承受正向电压时：J2反偏阻断； A、K两端承受反向电压时：J1、J3反偏阻断。,（1） IG iB2 IC2 IC1 (IA ) 形成正反馈 （机制） ,这表明：如果在SCR导通后撤除触发脉冲IG ，那么由于SCR内部正反馈的作用，SCR仍可能维持导通！,2、导通原理 SCR可看作是由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管T1、T2，如果外电路向门极注入驱动电流IG，则：,Ic1
12、=1 IA + ICBO1 Ic2=2 IK + ICBO2 IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2,其中： 1、2分别是晶体管T1、T2的共基极电流增益 ICBO1、ICBO2分别是晶体管T1、T2的共基极漏电流,晶体管特性： 当发射极电流较小时， 很小，反之， 迅速增大,阻断状态：IG=0，1+2很小，流过晶闸管的漏 电流稍大于两个晶体管漏电流之和 开通状态（门极触发）：注入触发电流使晶体管 发射极电流增大致1+2趋近于1时，流 过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近 无穷大，实现饱和导通。IA值由外电路 决定,SCR的特性,静态特性（伏安特性） 承受反压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管均
13、不导通 承受正压时，仅在门极有触发电流时，晶闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 若要关断晶闸管，只能将其电流降到接近于零的某一数值以下,当IG=0、器件承受正压，呈正向阻断状态，只有很小的正向漏 电流，正压超过临界值即正向转折电压Ubo，漏电流急剧增大， 器件开通 正向转折电压随着门极电流增大而减小 晶闸管导通后与二极管正向特性相仿，压降很小（约1V），而 承受反压时的伏安特性与二极管的反向特性也类似 导通期间，若门极电流为零，且阳极电流降至接近于零的某一 数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为维持电流 晶闸管门极触发电流由触发电路在门极和阴极之间施加触发电 压而产
14、生，从门极流入晶闸管、自阴极流出，阴极为晶闸管主 电路与控制电路的公共端,门极的伏安特性,SCR的特性,晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性 为保证可靠、安全地触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区,SCR的导通和关断条件,当SCR承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，SCR均处于阻断状态 当SCR承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下，SCR才能导通 SCR在导通时，只要仍然承受一定正向阳极电压，不论门极电压如何，SCR仍能导通 SCR在导通情况下，当主电路电流减少到一定程度时，SCR恢复为阻断。阻断方法是： 阳极阴极间加反向电压
15、（常用方法） 减小阳极阴极间电压、增大回路阻抗,导致SCR导通的几种情况（外部条件）： 正向转折导通：UAKJ2击穿 IA 高温导通 ：温度 ICBO1、ICBO2 IA dUAK/dt导通 ： dUAK/dt iJ IA 以上均属非正常导通，应该避免！ 门极触发导通：注入IG IA 光注入导通 ：光照 ICBO1、ICBO2 IA 以上两种情况属于正常导通,SCR的主要参数,电压定额 断态重复峰值电压 VDRM：门极断路且结温为额定值时，允许 重复加在器件上的正向峰值电压 反向重复峰值电压 VRRM ：门极断路且结温为额定值时，允许 重复加在器件上的反向峰值电压 额定电压：晶闸管的UDRM和
16、URRM中较小的标值 通态（峰值）电压 VTM ：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态 平均电流时的瞬态峰值电压 正向不重复峰值电压VDSM ： 反向不重复峰值电压VRSM： 转折电压VBO ：晶闸管开始正向 导通时的电压,SCR的主要参数,电流定额 维持电流 IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流 擎住电流 IL ：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能 维持导通所需的最小电流，通常约为24倍IH 浪涌电流 ITSM：因电路异常引起并使结温超过额定结温的不重 复性最大正向过载电流，通常为 4ITA 或更大,SCR的主要参数（续）,额定电流 ：晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数,
