第2章電力電子器件概述

第二章電力電子器件概述2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

2.2二極管2.3晶閘管

2.4可控開關(guān)的理想特征

2.5雙極結(jié)晶體管和達(dá)林頓管

2.1簡(jiǎn)介2.7門極可關(guān)斷晶閘管2.8絕緣柵雙極晶體管2.9MOS控制晶閘管2.10可控開關(guān)的比較2.11驅(qū)動(dòng)和緩沖電路

首頁2.12半導(dǎo)體功率器件的選擇

下頁返回電力電子器件概述電力電子器件的類型電力電子器件的外部特性電力電子器件的電壓、電流和開關(guān)速度能力本章重點(diǎn)電力電子器件概述2.1簡(jiǎn)介功率半導(dǎo)體器件理想開關(guān)看作電力二極管：導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)由電路潮流決定。晶閘管：器件承受正向電壓時(shí)，由控制信號(hào)控制器件的導(dǎo)通，關(guān)斷狀態(tài)由電路潮流決定?？煽亻_關(guān)：由控制信號(hào)控制器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。功率半導(dǎo)體器件類型：下頁上頁返回下頁上頁返回電力電子器件概述雙極結(jié)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)管門極可關(guān)斷晶閘管絕緣柵雙極晶體管絕緣柵門極換流晶閘管全控型電力電子器件

功率半導(dǎo)體器件又可分為不可控型、半可控型和全控型電力電子器件。下頁上頁返回電力電子器件概述2.2二極管反向截至區(qū)iDUD0iDUP（I）Urated

理想化的伏安特性用來分析變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很有用，但不能應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)。AK+UD

-iDQrrtrrIRMtiD下頁上頁返回電力電子器件概述

二極管處于通態(tài)時(shí)，開通速度很快，可當(dāng)作理想開關(guān)。二極管處于斷態(tài)時(shí)，在電流下降到零之前，有一個(gè)電流反向恢復(fù)時(shí)間trr，在此時(shí)間內(nèi)的電流反方向流動(dòng)。反向電流不會(huì)影響換流器的輸入輸出特性。因此，仍然認(rèn)為二極管是理想關(guān)斷的。

下頁上頁返回電力電子器件概述幾種常用的電力二極管:肖特基二極管：多用于正向壓降較低(一般是0.3V)的低壓輸出電路?？旎謴?fù)二極管：多用于帶有可控開關(guān)且反向恢復(fù)時(shí)間較短的高頻電路中。線頻二極管：用于阻斷電壓額定值是幾千伏，阻斷電流額定值是幾千安的電路中，也可以通過級(jí)聯(lián)和并聯(lián)滿足不同的電壓和電流的需要。2.3晶閘管下頁上頁返回電力電子器件概述AK+UAK

-iGiAG反向擊穿區(qū)反向截止區(qū)反向截止電壓正向截止電壓截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)UAKiAiA導(dǎo)通狀態(tài)反向截止正向截止0UAK從截止到導(dǎo)通下頁上頁返回電力電子器件概述晶閘管一旦開始導(dǎo)通，門極就失去控制作用。不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。通過外電路使陽極電流反向，并且降到接近于零的某一數(shù)值,使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，門極觸發(fā)電流在某個(gè)時(shí)間再次控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通。下頁上頁返回電力電子器件概述

反向偏壓低于反向擊穿電壓時(shí)，只有極小的漏電流流過晶閘管。晶閘管的正反向阻斷電壓額定值是相等。晶閘管的電流額定值，根據(jù)用途的不同，分為最大值和平均值兩種。分析變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，同二極管相似。下頁上頁返回電力電子器件概述R+UAK

-iGiA+US

-tT0T2USUAKiAtrrtqUAKiAt00t電路換向恢復(fù)時(shí)間下頁上頁返回電力電子器件概述1．相控晶閘管（換流晶閘管）主要用于線頻電壓和電流整流?？沙惺茌^高的電壓和電流，且通態(tài)壓降較小。幾種常用的晶閘管:2．逆變晶閘管通態(tài)電壓較低，且關(guān)斷時(shí)間tq較短。3．光控晶閘管通過一定的波長的光照信號(hào)來觸發(fā)晶閘管，主要用于高壓線路中下頁上頁返回電力電子器件概述2.4可控開關(guān)的理想特性

可控開關(guān)BJTsMOSFETMCTsGTOsIGBTs通過控制端的控制信號(hào)來控制其導(dǎo)通和關(guān)斷+UT-開關(guān)打開時(shí)，沒有電流流過開關(guān)閉合時(shí)，電流只能按箭頭所指方向流過iT下頁上頁返回電力電子器件概述關(guān)斷時(shí)，不論正反向阻斷電壓有多高，都沒有電流流過該器件。導(dǎo)通時(shí)，壓降為零，此時(shí)可傳導(dǎo)任意大的電流。該器件一旦被觸發(fā)，立即從導(dǎo)通狀態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)，反之亦然。該器件只需很小的電能就能觸發(fā)。理想可控開關(guān)的特性半導(dǎo)體功率器件必然有能量損耗，要盡量控制這些器件的能量損耗。iT下頁上頁返回電力電子器件概述當(dāng)開關(guān)閉合，電流全部流過開關(guān)，二極管反向偏置。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，I0流過二極管，有一個(gè)等同與輸入電壓Ud的電壓加在二極管上。

理想二極管被認(rèn)為是零壓降ideal+UT-+-UdIo下頁上頁返回電力電子器件概述當(dāng)開關(guān)處于斷態(tài)時(shí)，正向控制信號(hào)將使其導(dǎo)通。電流上升包括較短的延遲時(shí)間td(on)和電流上升時(shí)間tri。當(dāng)電流I0全部通過開關(guān)后，二極管反向偏置，同時(shí)開關(guān)電壓在電壓下降時(shí)間tfv內(nèi)下降到較小的通態(tài)電壓Uon。tttd(on)Ud000開關(guān)控制信號(hào)I0ontoffttriUontfvTs=1/fston下頁上頁返回電力電子器件概述導(dǎo)通交叉時(shí)間段tc(on)

內(nèi)：導(dǎo)通過程中器件的能量損耗可從圖中進(jìn)行估算：開關(guān)通態(tài)能量消耗Won可近似為：tttc(on)Ud000開關(guān)控制信號(hào)I0onofftUonWc(on)WontritfvtonTs=1/fs下頁上頁返回電力電子器件概述開關(guān)關(guān)斷期間，電壓上升過程包括關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

和電壓上升時(shí)間trv。電壓達(dá)到Ud，二極管正向偏置傳導(dǎo)電流。開關(guān)電流在電流下降時(shí)間tfi內(nèi)下降到0，電流I0反向，并從二極管D中流過。td(off)trvtfittUd000開關(guān)控制信號(hào)I0onofftUonton下頁上頁返回電力電子器件概述轉(zhuǎn)換時(shí)段tc(off)內(nèi):關(guān)斷過程中的開關(guān)能量損耗可由下式表示：導(dǎo)通和關(guān)斷期間的瞬時(shí)開關(guān)能量損耗:tc(off)trvtfittUd000開關(guān)控制信號(hào)I0onofftUonTs=1/fsWc(off)tc(on)PT(t)uT,iT下頁上頁返回電力電子器件概述開關(guān)開通關(guān)斷轉(zhuǎn)換所致能量損耗可近似表示為：tc(off)trvtfittUd000開關(guān)控制信號(hào)I0onofftUonTs=1/fsWc(off)tc(on)PT(t)uT,iTfs：開關(guān)頻率fs

=1/TsTs：開關(guān)時(shí)間周期半導(dǎo)體能量損耗隨著開關(guān)頻率和開關(guān)時(shí)間增加而線性增加。下頁上頁返回電力電子器件概述開通損耗：開關(guān)的通態(tài)壓降應(yīng)盡可能小?？煽亻_關(guān)斷態(tài)時(shí)漏電流較小，可忽略實(shí)際應(yīng)用中斷態(tài)能量損耗,開關(guān)平均能量損耗為:tc(off)trvtfittUd000開關(guān)控制信號(hào)I0onofftUonTs=1/fsWc(off)tc(on)PT(t)uT,iTton下頁上頁返回電力電子器件概述可控開關(guān)的特性器件處于斷態(tài)時(shí)，漏電流很小。較低的通態(tài)壓降Uon可減少通態(tài)能量損耗。導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，能夠使器件在較高的開關(guān)頻率下工作。較好的正反向電壓阻斷能力使得不需要級(jí)聯(lián)許多器件。通態(tài)阻抗正的溫度系數(shù)能夠確保并聯(lián)元件平均分配總電流。下頁上頁返回電力電子器件概述只需要較小的電能來觸發(fā)可控開關(guān)，這將簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)。在開關(guān)時(shí)，器件可同時(shí)承受額定電壓和額定電流那么大的電壓和電流。因此不需要外部電路保護(hù)裝置?？煽亻_關(guān)可承受較大的電壓電流變化率，因此可簡(jiǎn)化外部電路保護(hù)裝置。

全控型器件還包括BJT、MOSFETs、GTO和IGBT

+UCE-UBE-ECB+iBiCuceoffoniD0下頁上頁返回電力電子器件概述2.5雙極結(jié)晶體管和達(dá)林頓管iB1iB2iB3iB4iB5iB=0uceIiD0Uce(sat)控制電路必須提供充分大的基極電流,才可使得器件完全導(dǎo)通。基極電流與集電極電流的關(guān)系：hFE：元件的直流電流增益UCE(sat)：晶體管通態(tài)電壓雙極結(jié)晶體管（BJTs）

通態(tài)時(shí)，基極電流必須持續(xù)保持。下頁上頁返回電力電子器件概述達(dá)林頓晶體管B+iB+UCE-UBE-EiCCB+iBUBE+UCE--EiCC為得到更大的大功率晶體管直流電流增益。

對(duì)電壓非常敏感，輕微的過電壓UCE(sat)將導(dǎo)致達(dá)林頓晶體管損壞，且整體開關(guān)速度較慢。下頁上頁返回電力電子器件概述2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）

+iD+UDS-UGS-DSG7V6V5V4VUDS0iDonoffuDsoffoniD0N溝道MOSFET是電壓控制型器件，當(dāng)柵-源極電壓低于門檻電壓UGS（th）時(shí)，就像一個(gè)近似斷開的開關(guān)。下頁上頁返回電力電子器件概述MOSFET需要供給柵－源極大小合適的持續(xù)電壓才能導(dǎo)通。只有當(dāng)MOSFET處在從開到關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中，或反過來從關(guān)到開的轉(zhuǎn)換過程中，在柵溝道本征電容充放電時(shí)，柵極才會(huì)出現(xiàn)電流。MOSFET的開關(guān)時(shí)間非常短，通常在幾十納秒到幾百納秒之間。MOSFET的特性下頁上頁返回電力電子器件概述正常運(yùn)行范圍內(nèi)，MOSFET的漏極和源極之間的導(dǎo)通電阻會(huì)隨著它承受的截止電壓的增加而很快增加。在每單元面積的基礎(chǔ)上，MOSFET導(dǎo)通阻抗和所承受的額定截止電壓BUDSS的關(guān)系可以表達(dá)為：K:取決于器件結(jié)構(gòu)的常數(shù)

只有較低的電壓等級(jí)器件才會(huì)有較低的導(dǎo)通阻抗和很小的傳導(dǎo)損失。低電壓時(shí)多選擇MOSFET。下頁上頁返回電力電子器件概述2.7門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

AK+UAK

-iGiAGTurn-offTurn-onOff-stateuAK0iAGTO與晶閘管相同之處：GTO能夠通過施加短期的門極脈沖電流而觸發(fā)導(dǎo)通。一旦導(dǎo)通，就能維持這種導(dǎo)通狀態(tài)而不再需要門極電流。GTO與晶閘管不同之處：GTO可通過施加負(fù)的門—陰極電壓而被關(guān)斷，并因此引起大的負(fù)門極電流。uAKoffoniA0下頁上頁返回電力電子器件概述吸收電路ADKGC門極驅(qū)動(dòng)電路

RGTO

在GTO電路中連接由電阻，電容，二極管組成的電路，使關(guān)斷時(shí)的dv/dt減小。iAuAKt0

GTO可承受高電壓和大電流，當(dāng)需要開關(guān)頻率不高，且需較高工作電壓和大電流的情況下選用GTO。下頁上頁返回電力電子器件概述2.8絕緣柵雙極晶體管（IGBT）+iD+UDS-UGS-DSGCEGuGSuDSiD0IGBT與MOSFET、BJT和GTO的某些優(yōu)點(diǎn)類似:像MOSFET一樣，輸入阻抗高，開關(guān)器件的能量很小。同BJT一樣，可承受較高電壓，但導(dǎo)通壓降很小。與GTO類似，能夠被設(shè)計(jì)承受一定的反向壓降。iDuDSoffon0下頁上頁返回電力電子器件概述2.9MOS控制晶閘管（MCT）Turn-offTurn-onuAKiAKP-MCTGAN-MCTKGAuAKoffoniA0MCT的優(yōu)點(diǎn)：比GTO的驅(qū)動(dòng)電路更簡(jiǎn)單比GTO的開關(guān)速度更快比同等級(jí)IGBT的通態(tài)壓降更低下頁上頁返回電力電子器件概述2.10可控開關(guān)的比較器件BJT/MDMOSFETGTOIGBTMCT功率容量中等低高中等中等開關(guān)速度中等快慢中等中等

可控開關(guān)器件的相關(guān)性質(zhì)比較下頁上頁返回電力電子器件概述

電力半導(dǎo)體器件性能比較下頁上頁返回