山东大学电力电子技术复习

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1、第二章电力电子器件 一、电力电子器件概述1. 电力电子器件的概念：可直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换与控制2. 主电路：直接承担电能变换或控制任务的电路3分类（广义上）：电真空器件、半导体器件4同处理信息的电子器件比较：（1）处理电功率的能力远大于处理信息的电子器件（2）因为处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般工作在 开关状态（3）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制（4）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5损耗：通态损耗（功率损耗的主要成因）、断态损耗、开关损耗（开通、关断）6. 电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电

2、路、以电力电子器件为核心的主电路构成7. 电力电子器件分类：按照器件能够被控制的程度：半控：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型：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 不可控：不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。按照驱动电路信号的性质：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、场控器件、场效应器件（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）根据驱动波形：脉冲触发型、电平控制型（维持）按照内部载流子（电子、空穴）参与导电的情况：单极型、双极型、复合型二、不可控器件一电力二极管

3、基本结构与工作原理与二极管相似，以半导体PN结为基础，单向导电性 封装形式：螺栓型，平板型PN结反向击穿：雪崩、齐纳、均可能导致热击穿PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ.微分电容，分为：势垒电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态1电力二极管的基本特性：静态：门槛电压UTO正向电压降UF 承受反向电压时只有微小而数值恒定的反向漏电流动态特性：关断刚开始管压降由于电导调制效应基本不变反向过冲电压：URP电流迅速下降，电感UR：外加反向电压延迟时间：td= t1- tO,电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr

4、= td+ tf反向恢复特性软度：tf /td=Sr开通：正向压降先出现一个过冲UFP,经过一段时间才趋于接近稳态压降的（2V） 正向恢复时间tfr 产生电压过冲的原因：（1）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（2）正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大的压降2. 电力二极管的主要参数：正向平均电流IF(AV)：在指定的管売温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波 电流的平均值。有效值相等原则正向压降UF：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:对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通

5、常为雪崩 击穿UB的2/3使用时，应当留有两倍的裕量反向恢复时间trr: trr= td+ tf最高工作结温TJM：结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致 损坏的前提下所能承受的最高平均温度。125175 C浪涌电流IFSM: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。3. 电力二极管的主要类型：普通二极管、快恢复二极管、 触形成的势垒为基础)反向恢复特性的不同三、半控型器件一晶闸管/可控硅整流器SCR1.结构：PNPN四层半导体结构 2原理：夕卜电路向门极注入电流IG形成正反馈I =a I + III + Ic 11 A CBO 1c 22 KCBO 2

6、IK 二 IA + IGJ A 二 I c 1 + I c 2、a1和a2分别是晶体管V1和V2共基极电流增益ICBO1和ICBO2V1和V2的共基极漏电流”a 2 G + CBO1 + CBO21 - ( 1 + 2) 晶体管特性：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a迅速增大。 其他几种可能导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应、阳极电压上升率du/dt过 高、结温较高、光触发3晶闸管的基本特性(1) 静态特性：晶闸管正常工作时的特性总结如下： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才会导通 晶闸

7、管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，都能保持导通(IIH) 若要使已导诵的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接 近于零的某一数值一下 正向特性：IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态IA / 正 正向电压超过正向转折电压Ubo,贝U漏电流急剧增大， 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 晶闸管本身的压降很小，在1V左右 反向特性： 反向特性类似二极管的反向特性 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏(2) 动态特性： 开通过程： 延迟时间td (0.5

8、1.5s) 上升时间tr (0.53s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+ tr 关断过程：肖特基二极管(以金属和半导体接a)b)器件开通雪崩M M-IAIg_Ig2DRDSbmm o+Ua反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq tq=trr+tgr上的正向峰值电压t URR tg普通晶闸管的关断时间约几百微秒 注：在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸 管施加正向电压会重新导通，不受门极控制。4晶闸管的主要参数：Ir1）电压定额： 断态重复峰值电压UDRM：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件 反向重复峰值电压URRM： 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在

9、器件上的反向峰值电压 通态（峰值）电压UT：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展 UN:通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值 裕度：23倍2）电流定额：通态平均电流IT（AV）：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。维持电流IH :使晶闸管维持导通所必需的最小电流。JM越高，IH越小擎住电流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。 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM:指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过 载电流3）

10、动态参数：断态电压临界上升率du/dt :指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率通态电流临界上升率di/dt：指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流 上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏2J(7m sill cot) 1(就)二寸斤二SCR器件额定电流计算71 -1Zt=1.57Ztavj实际电流有效值I与实际电流平均值Id的关系通态平均电流的选择原则：有效值相等的原则1.:此时如果考虑安全裕量，IT （AV）应该除以（1 .52）倍5晶闸管的派生器件：快速晶闸管、高频晶闸管双向晶闸管（不用平均值而用有效值来表示其

11、额定电流值）逆导晶闸管（具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点）光控晶闸管（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，高压大功率） 四、全控型器件一门极可关断晶闸管（GTO）特点：可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 电压电流容量较大，适合于大功率场合1.GTO的结构及工作原理与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构 不同点：GTO是一种多元的功率集成器件 （1a1+a2=1是器件临界导通的条件GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计a2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO导通时al+a2更接近1,导通时接近临界饱和，有利门极控制关

12、断，但导通时管压降增大 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强2. GTO的动态特性关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts：越短 下降时间tf （tfvtsvtt）尾部时间tt :残存载流子复合3. GTO的主要参数开通时间ton：延迟时间与上升时间之%和0A 关断时间toff：储存时间和下降时间之和iGt2t4使等效晶体管退出饱和，抽取储存的大量载流子，门极负脉冲电流幅值越: I-4to（不少G

13、TO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联） 最大可关断阳极电流IATO： IN额定电流关断增益off：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。很小只有5 左右（缺点） 五、全控型一电力晶体管GTR也称为巨型晶体管，耐高压，大电流的双极结型晶体管（BJT）1结构及工作原理1）与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的2）主要特性是耐压高、电流大、开关特性好3）通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构4）采用集成电路工艺将多单元并联5）多采用NPN,比普通BJT多了一个N-漂移区（低掺杂），用于承受高压6） 般采用共发射极接法= i cib单管GTR

14、的0值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大 电流增益 BUcex BUces BUcer BUceo 最高工作电压实际小于 BUceo90%臨10% Ib0集电极最大允许电流IcM:通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic集电极最大耗散功率PcM:最高工作温度下允许的耗散功率It43tIiccIts迅速增关0t290%4.GTR的二次击穿现象与安全工作区10%一次击穿：（雪崩）集电极电压升高至击穿电压时，只要Ic不超过最大允许耗散功率相对应的限度，GTR 一般不会损坏，工作特性也不变。 电压陡然下降，常常立即导致器PSB二次击穿：一次击穿发生时，Ic

15、到临界点会突然急剧上升, 件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。PSOAIcM电力mOSfet安全工作区 六、电力场效应晶体管电力MOSFET 分为结型和绝缘栅型，通常主要指绝缘栅型中的MOS型， 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管sit 特点：用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流 容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。1结构及工作原理：主要是N沟道增强型 耗尽型：栅极电压为零时，漏源之间就存在导电沟道 增强型：栅极电压大于零时，漏源之间才存在导电沟道 单极型：只有一种极性的载流子参与导电 导电

16、结构：垂直导电结构VMOSFET:利用V形槽实现导电结构VVMOSFET、具有垂直导 电双扩散MOS结构的VDMOSFET多元集成结构 工作原理：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN 结J1消失，漏极和源极导电。2基本特性：（1） 静态特性：5转移特性：跨导Gfs0MOSFET为电压控制型，输入阻抗极高、A输 漏极伏安特性：1D饱和：漏源电压增加时漏极电压不再增加 注：漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加.- 通态电

17、阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利，UceUcM eUG=8饱和 uG=7区区:电流小向电压时器)OtiDtOtRL 巨+UE0 反非u；口 号JIv5uG=4 234 S5V止 U0/ a0UG=UF3 UD/ V S VS0二00 1 截 区Ut4 6Tug/ VuRstd(off)（2）动态特性：开通过程：关断过程：开关速度：MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度不存在少子储存效应，关断过程非常迅速开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关

18、过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱 动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大3主要参数：电压定额：漏极电压UDS电流定额：漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM栅源电压UGSUGS 20V将导致绝缘层击穿极间电容：极间电容CGS、CGD和CDS不存在二次击穿问题七、绝缘栅双极晶体管IGBTGTR和GTO的特点一双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较 低，所需驱动功率大，驱动电路复杂MOSFET的优点一单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动 功率小而且驱动电路简单两类器件取长补短结合而成的复合器件一Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管：综合了 GT

19、R和MOSFET的优点，适用于中大功率1结构和工作原理：三端器件：栅极G、集电极C和发射极E(1) IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力(2) IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶 体管原理：驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定 导通：uGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流,IGBT导通通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小，RN为晶体管基区内的调制电 阻关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管

20、的基极电流被切 断，IGBT关断2.IGBT的基本特性：(1) 静态特性：UGE(th)：随温度升高而略有下降(2) 动态特性：UG uge uE90 开通过程：开通延迟时间td(on)电流上升时间tr % uCE的下降过程分为tfvl和tfv2两段。10tfvlIGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程%0 tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过 关断过程：关断延迟时间td(off)电流下降时间% M电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段10 IC 0 =tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较C$ tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC

21、下降较慢E 3主要参数 最大集射极间电压UCES：由内部PNP晶体管的击穿电压确定一工CnEtfME_ -MICv vUCEof(on最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流0ICP12最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大功耗)4特性和参数特点总结：开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 5.IGBT的擎住效应和安全工作区擎住效应或自锁效应：NPN晶体管基极与发

22、射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向 空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去 对集电极电流的控制作用，电流失控。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流 正偏安全工作区(FBSOA)：最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定 反向偏置安全工作区(RBSOA)：最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升 率duCE/dt确定 其他新型电力电子器件：MOS控制晶闸管MCT： MOSFET与晶闸管的复合静电感应晶体管SIT:结型场效应晶体管静电感应晶闸管SITH:场控晶闸管，SIT与GTO复合IGCT：集成门极换流晶闸管 GTO和电力MOSFET总结：单极型：肖特基二极管、电力MOSFET、SIT 双极型：基于PN结的电力二极管、晶闸管、GTO、GTR 复合型：IGBT、SITH、MCT