電力電子技術(shù)器件的分類

不可控器件電力二極管功率二極管是開通與關(guān)斷均不可控的半導(dǎo)體開關(guān)器件，其電壓、電流定額較大，也稱為半導(dǎo)體電力二極管。功率二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通二極管相比，工作原理和特性相似，具有單向?qū)щ娦?。在面積較大的PN結(jié)上加裝引線以及封裝形成，主要有螺栓式和平板式。功率二極管的基本特征1）靜態(tài)特性主要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與lF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2）動態(tài)特性功率二極管通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。二極管正向偏置形成內(nèi)部PN結(jié)的擴(kuò)散電容。此時(shí)突加反向電壓，二極管并不能立即關(guān)斷。當(dāng)結(jié)電容上的電荷復(fù)合掉以后，二極管才能恢復(fù)反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。二極管處于反向偏置狀態(tài)突加正向電壓時(shí)，也需要一定的時(shí)間，才會有正向電流流過，稱為正向恢復(fù)時(shí)間。功率二極管的主要參數(shù)額定正向平均電流IFAV――在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，功率二極管長期運(yùn)行時(shí)允許流過的最大（工）頻正弦半波電流的平均值。反向重復(fù)峰值電壓URRM――功率二極管反向所能承受的重復(fù)施加的最高峰值電壓。正向管壓降UF――功率二極管在規(guī)定的殼溫和正向電流下工作對應(yīng)的正向?qū)▔航?。最高允許結(jié)溫T.m一一結(jié)溫（7p是管芯PN結(jié)的平均溫度，最高允許結(jié)溫（丐皿）是PN結(jié)正常工作時(shí)所能承受的最高平均溫度。1.5功率二極管的主要類型

1） 普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高2） 快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode一一FRD）簡稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes FRED）,其J更短（可低于50ns）, UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。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（SchottkyBarrierDiodeSBD）。反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）多用于200V以下。2.1半控型器件晶閘管普通晶閘管也稱做硅可控整流器（SiliconControlledRectifer，SCR）。它是一種半控型開關(guān)器件，工作頻率較低，是目前電壓、電流定額最大的電力電子開關(guān)器件。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)連接端。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。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。晶閘管導(dǎo)通的原理可用晶體管模型解釋，由圖得：kkI+Ic1 c2二aI+I I II+Ic1 c2c1 1ACBO1c22KCBO2AI=I+IKAG式中叫和a2分別是晶體管V］和V2的共基極電流增益；/CBO1和ICBO2分別是V］和V2的共基極漏電流。由以上式可得：aI+I+II=2GCBO1_CBO2

A 1-（a+a）12在低發(fā)射極電流下a是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，a會迅速增大（形成強(qiáng)烈正反饋所致）。阻斷狀態(tài)：/G=0,（叫+a2）很小，屮C。,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。開通狀態(tài)：隨/G增加，晶體管的發(fā)射極電流增大，以致（叫+a2）趨近于1的話，陽極電流/A將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。/A實(shí)際由外電路決定。晶閘管的基本特性開關(guān)特性：1） 開通過程：延遲時(shí)間rd（0.5T.5ps）上升時(shí)間rr（0.5~3ps）開通時(shí)間tgt以上兩者之和。2） 關(guān)斷過程：反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒靜態(tài)特性：1） 正向特性：IG=O時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓UB0，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。2） 反向特性：反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，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，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。3．晶閘管正常工作時(shí)的特性：承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，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。晶閘管的主要參數(shù)1電壓定額：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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM――在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT――晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。電流定額:通態(tài)平均電流I——在環(huán)境溫度為40OC和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。維持電流IH——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。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)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。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。3?動態(tài)參數(shù)：除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外,還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt，通態(tài)電流臨界上升率di/d晶閘管的派生器件1?快速晶閘管：有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時(shí)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(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10ps左右。咼頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做咼。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。2?雙向晶閘管：可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極匚和T2,一個(gè)門極G。在第I和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。逆導(dǎo)晶閘管：將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。光控晶閘管：又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前用在高壓大功率的場合。3?1全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）晶閘管派生器件，采用多元集成結(jié)構(gòu)使工作頻率大大提高，可以通過門極加正脈沖信號控制開通，也可以通過門極加負(fù)脈沖信號控制關(guān)斷，屬于全控型器件。3?2門極可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通晶閘管基本相同，和普通晶閘管的不同點(diǎn)為GTO內(nèi)部是由數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元并聯(lián)而成，它們的門極和陰極分別并聯(lián)在一起，屬于多元集成器件。工作原理：GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，內(nèi)部具有正反饋過程。導(dǎo)通后，即使去掉門極觸發(fā)信號，管子仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。GTO開通后可以通過門極加負(fù)脈沖實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，這和普通晶閘管有著本質(zhì)的不同。3?3門極可關(guān)斷晶閘管的基本特性GTO的動態(tài)特性：開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf。通常tf比ts小得多，而t比ts要長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。GTO的特點(diǎn)：GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。3?4門極可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)1?最大可關(guān)斷陽極電流IATO：它受額定工作結(jié)溫的限制，用通態(tài)平均電流來定義關(guān)斷增益Boff：0off是表征GTO關(guān)斷能力的參數(shù)，其值一般為38。隨溫度升高，關(guān)斷增益下降。這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。陽極尖峰電壓UP：Up過高會導(dǎo)致GTO失效。靜態(tài)du/dt：靜態(tài)du/dt過高時(shí)，GTO中結(jié)電容流過較大的位移電流會使GTO誤導(dǎo)通。動態(tài)du/dt：過高的動態(tài)du/dt會使瞬時(shí)關(guān)斷功耗過大，可關(guān)斷陽極電流下降，嚴(yán)重時(shí)造成GTO過電壓，導(dǎo)致器件損壞。陽極電流上升率di/dt：di/dt過大會導(dǎo)致開通瞬間GTO陰極區(qū)電流局部過大，開通損耗增加，局部發(fā)熱高損壞器件。應(yīng)用時(shí)可采用串聯(lián)緩沖電路限制。電力晶體管（GTR）GTR的電流是由自由電子和空穴兩種載流子運(yùn)動形成，屬于雙極型晶體管。其特點(diǎn)為雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理由三層半導(dǎo)體材料構(gòu)成，有NPN和PNP兩種類型。結(jié)構(gòu)上可以看作是多個(gè)晶體管單元的并聯(lián)。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。GTR必須有連續(xù)的基極驅(qū)動電流才能維持導(dǎo)通，基極電流消失，管子自動關(guān)斷，屬于電流控制型的全控型開關(guān)器件。4.3電力晶體管的基本特性1．靜態(tài)特性：共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)。2?動態(tài)特性：開通過程：延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr,二者之和為開通時(shí)間ton。關(guān)斷過程：儲存時(shí)間ts和下降時(shí)間廿，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff，GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。電力晶體管的主要參數(shù)最高工作電壓：GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。集電極最大允許電流IcM：通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對應(yīng)的Ic。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。集電極最大耗散功率PcM：最高工作溫度下允許的耗散功率。5.1電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）由金屬、氧化物和半導(dǎo)體材料復(fù)合構(gòu)成，是一種單極型電壓控制器件，具有自關(guān)斷能力。開關(guān)時(shí)間在10T00ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。其優(yōu)點(diǎn)為單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。5?2電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率M0S管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。小功率M0S管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVM0SFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散M0S結(jié)構(gòu)的工作原理：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零此時(shí)是截止。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電時(shí)：在柵源極間加正電壓UGS。當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。5.3電力場效應(yīng)晶體管的基本特征1.靜態(tài)特性：輸出特性——指在以柵源電壓UGS為參考變量時(shí)，反映漏極電壓UDS和漏極電流IDS間的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)移特性——表示功率M0SFET在電壓UDS一定時(shí)，柵源電壓UGS與漏極電流ID之間的關(guān)系。飽和特性——主要體現(xiàn)在通態(tài)電阻R0N的變化上。一般器件的耐壓越高，電流越大，通態(tài)電阻越大。提高柵源控制電壓UGS，可以減小通態(tài)電阻。2.動態(tài)特性：功率MOSFET開通和關(guān)斷時(shí)間受柵源電容CGS、柵漏電容CGD、信號源內(nèi)阻、管子關(guān)斷時(shí)的負(fù)偏壓和開啟電壓UT的影響。電力場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)漏極擊穿電壓BUDS一一功率MOSFET的最高工作電壓，超過后，會引起漏極PN結(jié)的雪崩擊穿。柵源擊穿電壓BUGS一一由于功率MOSFET的柵極SiO2絕緣層很薄，柵極電阻極高，靜電感應(yīng)的電荷積累容易產(chǎn)生過高的柵極電壓使SiO2絕緣層介電擊穿。最大漏極電流IDM一一指功率MOSFET的最大脈沖電流幅值。6?1絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）由MOSFET和GTR復(fù)合而成的一種新型電力電子開關(guān)器件6.2IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：IGBT與功率MOSFET結(jié)構(gòu)很相似，不同在于多了一個(gè)襯底P+區(qū)，形成PN結(jié)J1。IGBT相當(dāng)于一個(gè)N溝道MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP型GTR。IGBT的開通和關(guān)斷由柵極電壓UGE和集一射極電壓UCE控制?？刂品绞脚c功率MOSFET相同OIGBT處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，其耐反壓能力一般較差，只有幾十伏。有些IGBT在集一射極間擴(kuò)散或寄生一只反并聯(lián)二極管，形成逆導(dǎo)型器件。IGBT按緩沖區(qū)的有