電力電子技術(shù)基礎(chǔ)1—器件

1、Fundamentals of Power Electronics Technology 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 第二部分 電力電子器件 6 6 1.1 功率二極管 基本結(jié)構(gòu)和工作 原理與信息電子 電路中的二極管 一樣。 由一個面積較大 的PN結(jié)和兩端引 線以及封裝組成 的。 從外形上看，主 要有螺栓型和平 板型兩種封裝。 A K AK a) I KA PN J b) c) AK 電力二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理電力二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠， 自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用 狀態(tài) 參數(shù) 正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸?電流正向大幾乎為零反向大 電壓

2、維持1V反向大反向大 阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài) 二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要 特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式) 雪崩擊穿 齊納擊穿 均可能導(dǎo)致熱擊穿 PN結(jié)的狀 態(tài) 主要指其伏安特性伏安特性 門檻電壓門檻電壓UTO，當(dāng)電力二 極管承受的正向電壓大到一定 值（ UTO ），正向電流IF才開 始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀 態(tài) 與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的 電 壓 即 為 其 正 向 電 壓 降正 向 電 壓 降 UF ,0.71.2V。 承受反向電壓時，只有少子引 起的微小而數(shù)值恒定的反向漏 電流Is。 反向擊穿電壓 圖1-3a 電力二極管的伏安特性 I O IF U TO U F

3、U 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 主要反映電力二極管通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn) 換過程的開關(guān)特性 開關(guān)特性：PN結(jié)上存儲有空間電荷和兩種載流子，形成電荷 存儲效應(yīng)及結(jié)電容，直接影響著二極管的動態(tài)開關(guān)特性 原處于正向?qū)顟B(tài)的二極管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉?向時，二極管不能立即關(guān)斷，而是經(jīng)過短暫的時間才能重新 獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 動態(tài)特性動態(tài)特性 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 I F U F t rr t d t f t U RP I RP 動態(tài)特性參數(shù)動態(tài)特性參數(shù) 反向電流延遲時間：td , 反向電流下降時間：tf 反向恢復(fù)時間：trr= td+

4、 tf I F U F t rr t d t f t U RP I RP 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) PD的分類的分類 1. 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復(fù)時間較長，一般在5 s以上，這在開關(guān) 頻率不高時并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分 別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) PD的分類的分類 2. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode FRD） 恢

5、復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（1 s以 下）的二極管，也簡稱快速二極管 適用頻率：20100kHz 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。 前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在 100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。 PD的分類的分類 3. 肖特基二極管肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管 稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD），簡稱為肖特基二極管 20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力 電子電路中廣泛應(yīng)用 肖特基二極管的弱點肖特基二極管的弱點 當(dāng)反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足 要求，

6、因此多用于200V以下 反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損 耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) PD的分類的分類 肖特基二極管的優(yōu)點肖特基二極管的優(yōu)點 反向恢復(fù)時間很短（1040ns） 其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極 管 其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極 管還要小，效率高 適用頻率：1MHz 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 普通晶閘管（SCR） 能承受的電壓和電流容量是目前電力電子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的場合具有重要地 位。 晶閘管晶閘管（Thyristor）：是晶體閘流管的簡稱，又 稱作可控硅整流器（Silicon Controlle

7、d RectifierSCR），簡稱可控硅。 SCR的的 外形和符號外形和符號 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 外形有螺栓型和平板型、模塊等封裝 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端 對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊 密聯(lián)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 A A G G K K b)c)a) A G K K G A P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 常用晶閘管的結(jié)構(gòu) 螺栓型晶閘管晶閘管模塊 平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu) SCR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 晶閘管的四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：P1、N1、P2、N2四個區(qū)，

8、形成J1、 J2、J3三個結(jié)。 P1區(qū)引出陽極A， N2區(qū)引出陰極K， P2區(qū)引 出門極G。 外加正向電壓（A接正，K接負(fù)）：J2反向偏置，A、K之間 處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流。 外加反向電壓（A接負(fù)，K接正）：J1和J3反向偏置，器件 也處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流。 SCR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖1-5 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 晶體管的觸發(fā)導(dǎo)通晶體管的觸發(fā)導(dǎo)通正反饋正反饋原理原理 ：V1實際上為V2構(gòu)成了正反饋電路， 在A-K間加正向電壓情況下，若外電路向門極注入電流IG： IG IB2 IC2 (IB1 ) IC1

9、 IB2 如此不斷地對電流放大，形 成強烈的正反饋，很快使 V1、V2進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)， 即晶閘管導(dǎo)通，A-K間壓降約1V 左右。此過程稱作門極觸發(fā)。 此時若撤掉外加門極電流IG，由于內(nèi)部已形成了正反饋，并且反饋電 流IC1IG，V1、V2可以相互維持導(dǎo)通。 SCR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 SCR為半控器件：通過門極只能使SCR觸發(fā)導(dǎo)通，而不能控 制其關(guān)斷。 如何使SCR關(guān)斷：設(shè)法使陽極電流IA減小到小于維持電流IH （接近于零的某一數(shù)值），解除正反饋；A-K間施加反壓。 SCR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電 流，晶閘管都不會導(dǎo)

10、通 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的 情況下晶閘管才能開通 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用 要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降 到接近于零的某一數(shù)值以下 晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下： 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 陽-陰極（A-K）之間加有正向電壓； 門-陰極(G-K)之間加正向電壓和電流（觸 發(fā)脈沖）。 晶閘管導(dǎo)通要具備兩個條件：晶閘管導(dǎo)通要具備兩個條件： SCR的特性的特性 晶閘管的陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性 該特性表示陽陰極之間的電壓UAK與陽極電流IA之間的關(guān)系。 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性 IG2IG1IG IG=0時，器件

11、兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)， 只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限 即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低 導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右 導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接 近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷 狀態(tài)。IH稱為維持電流。（伏安特性圖伏安特性圖） （1）正向特性正向特性 位于第III象限，反向特性類似 二極管的反向特性。 反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的 反相漏電流流過。 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓 后（雪崩擊穿），外電路如無 限制措施，則反向漏電流急

12、劇 增大，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損 壞。 圖1-6 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O+UA - U A -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM （2）反向特性反向特性 晶閘管的門極觸發(fā)信號是作用于G-K之間的， 觸發(fā)電流是從門極流入，從陰極流出的。陰極是晶閘管主電路 與控制電路的公共端。從晶閘管的結(jié)構(gòu)圖可以看出，門極和陰 極之間是一個PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。該特性 表示門極電壓UGK與門極電流IG之間的關(guān)系。為保證可靠、安 全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在 器件所要求的范圍內(nèi)。

13、晶閘管的門極伏安特性晶閘管的門極伏安特性 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 晶閘管的開通和關(guān)斷波形 晶閘管的開關(guān)特性晶閘管的開關(guān)特性 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA1) 開通過程開通過程 SCR內(nèi)部的正反饋導(dǎo)通過程總 需要一定時間（陽極電流在iG 作用后經(jīng)過循環(huán)放大而建 立）。 開通過程（開通過程（特性圖特性圖) 延遲時間延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極 電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間 上升時間上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的 90%所需的時間

14、 開通時間開通時間ton以上兩者之和， ton=td+ tr （1-6） 普通晶閘管延遲時間為0.51.5 s，上升時間為 0.53 s 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 2) 關(guān)斷過程（改變關(guān)斷過程（改變A-K極的電壓極性）極的電壓極性） 反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電 流衰減至接近于零的時間 正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間tgr ：由于載流子復(fù)合慢，晶閘管 要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間 在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正 向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ǘ皇荛T極電流 控制而導(dǎo)通，即誤導(dǎo)通 實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向 電壓，使晶閘管充

15、分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能 力，電路才能可靠工作 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff：trr與tgr之和，即 toff=trr+tgr （1-7) 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA SCR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1. 電壓定額電壓定額 1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在門極斷路而結(jié)溫為額定 值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。 2) 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額 定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。 規(guī)定：重復(fù)頻率為50次/s，電壓持續(xù)時間為10ms以

16、內(nèi)。 3)額定電壓額定電壓通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo) 值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時，額定電壓要留有一 定裕量裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰 值電壓23倍 4) 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù) 的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O+UA - UA -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM SCR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 2. 電流定額電流定額 1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(A V) -額定電流 允許流過的最大工頻正弦半波電流的最大工頻正弦半波電

17、流的平均值平均值。額定 電流本來應(yīng)按照正向電流造成的發(fā)熱效應(yīng)來定義。實 際選管時，需要考慮工作電流有效值（發(fā)熱損耗）是 否會超過允許的定額。 器件的發(fā)熱與有效值有關(guān)，晶閘管的通態(tài)平均電 流IT(A V)對應(yīng)著一個有效值 I。 由于整流電路的形式和帶負(fù)載性質(zhì)不同，導(dǎo)通角 不同，流過晶閘管的電流波形不一樣。 使用時應(yīng)按實際電流實際電流與通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流有效值相等 的原則來選取晶閘管的電流額定值，并留一定的 裕量，一般取1.52倍 SCR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) i Im 0 t IT(AV) )()( 2 1 )( 1 2 00 tdtidtti T I T d 電流平均值的

18、定義電流平均值的定義 )() )( 2 1 2 2 0 tdtiI 電流有效電流有效 值的定義值的定義 d f I I K 波形系數(shù)波形系數(shù) 的定義的定義 SCR的主要參數(shù)的主要參數(shù) i Im 0 t IT(AV) 峰值為峰值為IM的正弦半波電流對應(yīng)的平均值的正弦半波電流對應(yīng)的平均值 /)(sin 2 1 )()( 2 1 )( 1 0 2 00 )(MM T AVT Itd tItdtidtti T I 峰值為峰值為IM的正弦半波電流對應(yīng)的有效值的正弦半波電流對應(yīng)的有效值 2/)()sin( 2 1 )() )( 2 1 2 0 2 2 0 MM ItdtItdtiI ()()1 (/ 2)

19、1.57(1.57 ) T AVT AVf IIIK 有效值 工頻半波的波形系數(shù) 不同電流波形對應(yīng)的波形系數(shù)不同，實際選管時應(yīng)按照與工頻半波時的不同電流波形對應(yīng)的波形系數(shù)不同，實際選管時應(yīng)按照與工頻半波時的 有效值相等的原則進(jìn)行換算，即實際波形的電流有效值等于工頻半波的有效值相等的原則進(jìn)行換算，即實際波形的電流有效值等于工頻半波的 有效值：有效值： 2()2 1.57() fdTAVf IKIIK 有效值 為實際波形波形系數(shù) i Im 0 t d()TAV II：實際的電流波形，流經(jīng)額定電流為的晶閘管， 其允許的電流平均值。 例：求波形的電流平均值、電流有效值以及波形系數(shù)例：求波形的電流平均值

20、、電流有效值以及波形系數(shù) i Im 0 t i Im 0 t 解：解：（1）)()( 2 1 2 0 tdtiId 2 )()sin( 2 1 2 m m I tdtI 2 22 2 0 )()sin( 2 1 )() )( 2 1 tdtItdtiI m 4 2 m I 22. 2 2 4 2 2 m m d f I I I I K 例：上題中不考慮安全裕量，例：上題中不考慮安全裕量， 額定電流額定電流IT(A V)=100A的晶閘管，的晶閘管， 能送出電流平均值各為多少？能送出電流平均值各為多少？ i Im 0 t 解：解：“額定電流為額定電流為100A的的SCR”，表示該，表示該SCR在

21、在 工頻工頻正弦半波正弦半波情況下可以通過的情況下可以通過的平均電流平均電流 為為100A，由于，由于正弦半波正弦半波的波形系數(shù)為的波形系數(shù)為1.57, 所以，該所以，該SCR可以通過的電流有效值為可以通過的電流有效值為 1001.57157A AI157 上題中已經(jīng)求出波形的波形系數(shù)，所以上題中已經(jīng)求出波形的波形系數(shù)，所以 A K I I f d 7 .70 22. 2 157 這時，100A的器件只能當(dāng)70A使用。 SCR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 2) 維持電流維持電流 IH 指在關(guān)斷SCR時維持其導(dǎo)通所必需的最小 陽極電流。一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié) 溫越高，則IH越?。ㄡ槍﹃P(guān)斷過

22、程） 3) 擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號 后， 能維持導(dǎo)通所需的最小陽極電流（針對開通過程） 對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍 4) 浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過 額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 浪涌電流有L、H兩級。L（低）級的數(shù)值為 I IT（ （AV)。 。比如100A定額的晶閘管，L級ITSM為1.3kA，H 級ITSM為1.9kA。ITSM在器件壽命期內(nèi)僅限幾次。 4 SCR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 3. 動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 除開通時間ton和關(guān)斷時間toff外，還有： (1) 斷態(tài)電壓臨界上

23、升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘 管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率 UAK上升率過高，會造成SCR誤導(dǎo)通。 (2) 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最 大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有 很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過 熱而使晶閘管損壞 。 其他晶閘管其他晶閘管 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 1. 快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST) 包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有 快速晶閘管和高頻晶閘管 管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)時間 以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善 普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管 數(shù)十微秒，高頻晶閘管10 s