电力电子器件的基本特性.pptx

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1、第第2 2章章 电力半导体器件的基本特性电力半导体器件的基本特性 2.1 2.1 电力半导体器件的种类及应用电力半导体器件的种类及应用 2.2 2.2 半导体整流管半导体整流管 2.3 2.3 晶闸管和可关断晶闸管晶闸管和可关断晶闸管 2.4 2.4 功率场效应管和绝缘栅双极型晶体功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管管 2.5 2.5 电力半导体器件的功率损耗和冷却电力半导体器件的功率损耗和冷却第1页/共48页 电力电子器件的基本模型和分类 电力电子器件指标和特性 应用电力电子器件系统的组成 电力电子器件的驱动和保护类型及原理 第2页/共48页2.1 2.1 电力半导体器件的种类及应用电力半导体器

2、件的种类及应用 电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。 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，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。第3页/共48页不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管（Power Diode）；半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（T

3、hyristor）及其大部分派生器件等；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的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：第4页/共48页二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种：分为两种： 电流控制型器件： 此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。 如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGC

4、T等； 电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。 如：MOSFET管和IGBT管。电力电子器件的种类 第5页/共48页q附表2.1:2.1:主要电力半导体器件的特性及其应用领域器件种类器件种类开关开关功能功能器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域电力电力二极管二极管不可不可控控5kV/3kA5kV/3kA400Hz400Hz各种整流装置各种整流装置晶闸管晶闸管可控可控导通导通6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR炼钢厂、轧钢机、直流输

5、电、炼钢厂、轧钢机、直流输电、电解用整流器电解用整流器可关断可关断晶闸管晶闸管自关自关断型断型6kV/6kA500Hz工业逆变器、电力机车用逆变工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器器、无功补偿器MOSFET600V/70A100kHz开关电源、小功率开关电源、小功率UPSUPS、小功、小功率逆变器率逆变器IGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各种整流各种整流/ /逆变器（逆变器（UPSUPS、变频、变频器、家电）、电力机车用逆变器、家电）、电力机车用逆变器、中压变频器器、中压变频器第6页/共48页2.2 2.2 半导体整流管半导体整流管 结型整流管

6、结型整流管 其它类型的整流管其它类型的整流管第7页/共48页2.2 2.2 半导体整流管半导体整流管 结型整流管结型整流管 Power Diode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。整流二极管及模块第8页/共48页 PN结的状态第9页/共48页其它类型的整流管其它类型的整流管 除了PN结型的整流管外，还有肖特基整流管、快恢复二极管和同步整流管等。 肖特基整流管：肖特基整流管：导通压降的典型值为0.40.6V（而PN结型整流管的通态压降典型值为1V左右），而且它的反向恢复时

7、间为几十纳秒。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。 快恢复二极管：快恢复二极管：它的容量可达1200V/200A的水平，反向恢复时间为10纳秒数量级，常应用于三相380V高频PWM整流/逆变电路中，作为电力半导体器件缓冲吸收回路中的快恢复二极管。 同步整流管：同步整流管：利用VDMOS管的栅极驱动信号与电源电压同步而构成的具有低导通电阻、低反向恢复时间等优良特性的一种整流器件，已经成功用于48VDC以下电压等级的开关电源的输出整流部分，用来提高高频整流电路的效率，估计可提高效率7%。 第10页/共48页2.3 2.3 晶闸管和可关断晶闸管晶闸管和可关断晶闸管 晶闸管（晶闸管（SCR

8、SCR） 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO） 第11页/共48页晶闸管（晶闸管（SCRSCR） 晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别说明的情况下，本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交

9、流调压、直流变换等领域, 成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。第12页/共48页1 1、晶闸管及其工作原理、晶闸管及其工作原理 （1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A以上), 分别由图、(b)、(c)、(d)所示。 （2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A, 阴极K和门极(或称栅极)G, 它的电气符号如图所示。 l图晶闸管的外型及符号第13页/共48页 常用大功率晶闸管实物外形螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第14页/共48页晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 晶闸管的内部结构和等效电路导通条件： 在A-KA

10、-K两端施加正向电压； 同时在门极和阴极之间也施加正向触发（电压）信号时，门极有电流IGIG流通。 这时，即使去掉触发信号，这时晶闸管仍然能够自动维持导通。 第15页/共48页 要使晶闸管由关断状态转变成导通状态，还有要使晶闸管由关断状态转变成导通状态，还有三种情况均无须门极触发信号，属于非正常导通：三种情况均无须门极触发信号，属于非正常导通： 正向转折导通：正向转折导通：提高提高UAKUAK正向电压，阳极电流正向电压，阳极电流IAIA增加，直至晶闸管转入通态；增加，直至晶闸管转入通态； 温度导通：温度导通：当温度增加时，流过当温度增加时，流过PNPN结（结（J2J2）的）的反偏漏电流随着增加

11、，直至晶闸管转入导通；反偏漏电流随着增加，直至晶闸管转入导通； du/dtdu/dt导通：导通：各各PNPN结都存在着电容。在结都存在着电容。在A-KA-K两端两端加正向变化的电压时，各加正向变化的电压时，各PNPN结将流过充电电流，其结将流过充电电流，其作用也相当于阳极电流作用也相当于阳极电流IAIA增加，直至增加，直至晶闸管导通。晶闸管导通。 阻断条件：当晶闸管A 、K间承受正向电压，而门极电流Ig=0时, 上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管A 、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。 第16页/共48页2. 2. 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 图2-4 晶闸管的伏

12、安特性晶闸管导通时的A-K间的电压（导通压降）是非常小的，其典型的平均压降为12V，因此，晶闸管导通后相当于“低阻态”。晶闸管门极特性偏差很大，即使同一额定值的晶闸管之间其特性也有所不同，所以在设计门极触发电路时，必须考虑这种偏差。 第17页/共48页3. 3. 晶闸管的开关过晶闸管的开关过程程（b）阳极电压(UA) 和阳极电流(IA)（a）门极电流(IG)图2-5 晶闸管的开关过程波形从图2-5中可知，晶闸管的开通时间为晶闸管的开通时间为rdonttt（td为延迟时间；tr为上升时间）晶闸管的关断时间为晶闸管的关断时间为 复合tttrroff 在晶闸管关断的时间内，必须严格控制重加du/dt

13、，避免晶闸管再次返回导通状态，引起关断失败。 第18页/共48页v1)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。v2) 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。v3）大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。v4）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。 图控晶闸管的电气图形符号图控晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安伏安特性特性 光控晶闸管光控晶闸管(LTT)(LTT)4 4、

14、晶闸管的派生器件、晶闸管的派生器件 第19页/共48页 可允许开关频率在可允许开关频率在400H400HZ Z以上工作的晶闸管称为以上工作的晶闸管称为快快速晶闸管速晶闸管(Fast Switching Thyrister(Fast Switching Thyrister，简称，简称FST)FST)，开关频率在开关频率在10KHZ 10KHZ 以上的称为以上的称为高频晶闸管。高频晶闸管。 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在低，一般在2000V

15、2000V以下。以下。 快速晶闸管快速晶闸管du/dtdu/dt的耐量较差，使用时必须注意产的耐量较差，使用时必须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的品铭牌上规定的额定开关频率下的du/dtdu/dt，当开关频，当开关频率升高时，率升高时，du/dt du/dt 耐量会下降。耐量会下降。 快速晶闸管(Fast Switching Thyrister(Fast Switching ThyristerFSTFST第20页/共48页 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。 与一对反并

16、联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。 通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。a)b)IOUIG=0GT1T2图双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) a) 电气图形符号 b) b) 伏安特性 双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)第21页/共48页 1)将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 2)与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点； 3)根据逆导晶闸管的伏安特性可知，它的反向击穿电压很低；因此只能适用于反向不需承受电压的场合；

17、 4)逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流管区之间的隔离区； 5)逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管和整流管的额定电流表示；b)a)UOIKGAIG=0图逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) a) 电气图形符号 b) b) 伏安特性逆导晶闸管 (RCT)(RCT)第22页/共48页门极可关断门极可关断晶闸管（晶闸管（GTOGTO） 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。 第23页/共48页 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外

18、部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号1 1、GTOGTO的基本原理第24页/共48页 1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的, 但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处

19、于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 第25页/共48页 导通过程与SCR一样，只是导通时饱和程度较浅。需经过延迟时间td和上升时间tr。 lGTOGTO的关断特性的关断特性 1 1）开通过程：2 2、GTOGTO的开关特性2 2）关断过程：采用很大的负门极电流迅速地减小阳极电流，并过一段时间后此微小（阳极）电流降为零，这时GTOGTO才真正关断。 第26页/共48页GTOGTO在应用中要注意以下方面的问题：在应用中要注意以下方面的问

20、题： 明确门极开通和关断波形； 驱动电路的电源选择； 缓冲吸收回路的合理设计； 阳极电路限流电抗器的合理设计。 第27页/共48页2.4 2.4 功率场效应管和绝缘栅双极型晶体功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管管 功率场效应管（MOSFETMOSFET）绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT） 第28页/共48页功率场效应管（功率场效应管（MOSFETMOSFET）1 1. . 功率MOSFETMOSFET的基本结构 功率MOSFET的基本结构 第29页/共48页2. 2. 功率功率MOSFETMOSFET的静态输出特性的静态输出特性 当栅极电压UGS10V），典型值为15VDC开通，8VDC关断

21、。 第30页/共48页3. 3. 功率功率MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 由于功率MOSFET没有载流子累积现象，所以本质上开关速度快，仅受各电极之间的寄生电容充放电速度的影响，其开关时间与寄生电容的充放电时间相当。功率MOSFETMOSFET的工作频率可达100kHz100kHz1000kHz1000kHz范围。 栅极驱动电路 电阻Ron和Roff，用于调整器件的充放电时间，从而可以分别控制功率MOSFET的开通与关断时间。 第31页/共48页4 4、安全工作区正向偏置安全工作区(FBSOA)(FBSOA)：导通时间越短，最大功耗耐量越高。 开关安全工作区(SSOA)(SSOA

22、)曲线的应用条件是：结温TJTJ150150，tonton与tofftoff均小于1s1s。换向安全工作区(CSOA)(CSOA)第32页/共48页5. 5. 功率MOSFETMOSFET的特点 工作频率高，开关速度仅受寄生电容充放电的影响； 开关损耗小； 易于直接并联； 安全工作区宽； 栅极输入阻抗高，且呈容性； 输出容量较低，导通饱和压降相对较高； 导通电阻R Ronon正比于UBRUBR的2.52.5次方，因而制约了功率MOSFETMOSFET耐压不能做得太高。 第33页/共48页绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）lIGBTIGBT：绝缘栅双极型晶体管( (Ins

23、ulated Gate Bipolar Insulated Gate Bipolar TransistorTransistor) ) 。l兼具功率MOSFETMOSFET高速开关特性和GTRGTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。lIGBTIGBT于19821982年开始研制，19861986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。l目前IGBTIGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A1800A，最高电压等级达4500V4500V，工作频率达50kHZ50kHZ。l在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，IGBTIGBT取代了GTRGTR和一部分

24、MOSFETMOSFET的市场。第34页/共48页IGBTIGBT基本上是功率基本上是功率MOSFETMOSFET的漏极端追加的漏极端追加P P型半导体层型半导体层的结构，等效成的结构，等效成PNPPNP型双极性晶体管和功率型双极性晶体管和功率MOSFETMOSFET的的复合电路。复合电路。在在IGBTIGBT的栅极上施加正电压时，在栅极电极下的栅极上施加正电压时，在栅极电极下N N沟道沟道形成导通的形式。这一点是与功率形成导通的形式。这一点是与功率MOSFETMOSFET的最大区别，的最大区别，也是也是IGBTIGBT可以大电流化的原因。可以大电流化的原因。 1. IGBT1. IGBT的基

25、本结构第35页/共48页IGBTIGBT的外形第36页/共48页 IGBTIGBT也属场控器件，其驱动也属场控器件，其驱动原理与电力原理与电力MOSFETMOSFET基本相同，是基本相同，是一种由一种由栅极电压栅极电压UGEUGE控制集电极控制集电极电流的栅控自关断器件。电流的栅控自关断器件。v 导通：导通：U UGEGE大于开启电压大于开启电压U UGE(th)GE(th)时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，为晶体内形成沟道，为晶体管提供基极电流，管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。v 导通压降：导通压降：电导调制效应使电电导调制效应使电阻阻R RN N减小，使通态压降小。减

26、小，使通态压降小。v 关断：关断：栅射极间施加反压或不栅射极间施加反压或不加信号时，加信号时，MOSFETMOSFET内的沟道消失，内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。 IGBT IGBT伏安特性2. IGBT2. IGBT的静态输出特性 第37页/共48页4. IGBT4. IGBT的特点的特点 工作频率高，开关损耗小； IGBT的导通压降（或通态压降）比功率MOSFET低，特别是在大电流工作区段； NPT-IGBT具有导通压降的正温度系数特点，在并联使用时具有电流自动调节能力，即易于直接并联； 安全工作区宽，具有耐脉冲电流冲击的特点；

27、栅极输入阻抗高，且呈容性，与功率MOSFET相似； IGBT的耐压、电流容量可以做得很大，同时还可保持工作频率高的特点。 第38页/共48页2.52.5电力半导体器件的功率损耗和冷电力半导体器件的功率损耗和冷却却 电力半导体器件的功率损耗缓冲吸收回路电力半导体器件的结面温度为什么要对电力半导体器件进行冷却第39页/共48页电力半导体器件的功率损耗电力半导体器件的功率损耗纯电阻负载电路 电力半导体器件的功率损耗 l各损耗是器件电压和电流乘积的平均功率损耗： PT = Pon +Poff +Psw.on +Psw.off l 器件的断态损耗可以忽略，其通态损耗Pon= Uon Ion l器件的开关

28、损耗为 为电力半导体器件导通的占空比；fsw （=1/T）为器件的开关频率。 随着开关频率的增加，开关损耗将成为器件损耗的主要部分。 第40页/共48页缓冲吸收回路缓冲吸收回路第41页/共48页 如图所示是一种开关器件的缓冲电路RCD缓冲吸收回路。 器件关断过程：电流经过C、D给无感电容器充电，使器件的UCE电压缓慢上升，可有效地抑制过电压的产生； 器件开通过程：C上的电荷再通过电阻R经器件放电，可加速器件的导通。 作用：使器件工作在安全工作区，器件的开关损耗有一部分转移到了缓冲吸收回路的功率电阻R上，降低了器件的损耗，并且可以降低器件的结面温度。 两种经常使用的缓冲吸收回路 第42页/共48

29、页电力半导体器件的结面温度电力半导体器件的结面温度热阻的概念图l电力半导体器件的结面温度可以用热阻求出。和电路欧姆定律一样，如果用电流IA代替功率损耗PTW，可求出两点间的温度差T 第43页/共48页电力半导体器件的冷却说明 第44页/共48页l设A与D两点间的温度差为Td时，电力半导体结面温度Tj表示为 l当结面温度超过电力半导体器件的规定值时，可以更换热阻小的散热片，或者采用冷却效果好的冷却方式，或者选择功率损耗低的电力半导体器件，还有可以适当地降低器件的工作频率fsw。总之，必须使器件的结面温度保证在其规定值以下。例如，IGBT器件的结面温度规定值一般不超过125。 第45页/共48页为

30、什么要对电力半导体器件进行冷却为什么要对电力半导体器件进行冷却 电力半导体器件在电能变换、开关动作中会产生功率损耗，使得器件发热，结面温度上升。但是，电力半导体器件均有其安全工作区所允许的工作温度（结面温度），无论任何情况下都不允许超过其规定值。为此，必须要对电力半导体器件进行散热。l 电力半导体器件的散热，一般有三种冷却方式： 自然冷却：只适用于小功率应用场合 ； 风扇冷却：适用于中等功率应用场合，如IGBT应用电路； 水冷却：适用于大功率应用场合，如大功率GTO、IGCT及SCR等应用电路； 第46页/共48页思考与练习二思考与练习二 l2.1 请分别说明功率MOSFET和IGBT的特点。l2.2 在SCR、GTR、IGBT、GTO、MOSFET、IGCT及MCT器件中，哪些器件可以承受反向电压？哪些可以用作静态交流开关？l2.3 试说明有关功率MOSFET驱动电路的特点。l2.4 试分析线路杂散电感对自关断器件工作的影响。l2.5 晶闸管的非正常导通方式有哪几种？l2.6 请简述晶闸管的关断时间定义。l2.7 请简述光控晶闸管的有关特征。 第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页