電力電子半導(dǎo)體器件(1-2)

電力電子半導(dǎo)體器件(1-2)第一頁，共47頁。第一章緒論§1.1電力電子技術(shù)(PowerElectronics)----以電力為對象的一門新興高新技術(shù)學(xué)科。一、定義按美國電氣和電子工程協(xié)會（IEEE）電子學(xué)會的定義：有效地使用電力半導(dǎo)體器件、應(yīng)用電路和設(shè)計理論及分析開發(fā)工具，實現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術(shù)，它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換。第二頁，共47頁。二、組成1.電力電子器件2.變流電路3.控制電路----以電力電子器件制造技術(shù)為核心----以電力電子器件為核心的主電路----以控制理論為核心的電子線路電力電子學(xué)電子電路器件靜止電力旋轉(zhuǎn)模擬數(shù)字控制第三頁，共47頁。三、電力電子技術(shù)的發(fā)展

1956年，第一個晶閘管（SCR）的發(fā)明，標志電力電子技術(shù)的誕生。1、傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段（1957-----1980年）1947年，第一只晶體管誕生，半導(dǎo)體電子學(xué)應(yīng)運而生。1956年，晶閘管問世，半導(dǎo)體電子學(xué)產(chǎn)生兩個分支。①兩個分支分支一：以晶體管集成電路為核心形成對信息處理的微電子技術(shù)。特點：集成度越來越高，規(guī)模越來越大，功能越來越全。--------1971年，第一臺微處理器問世。第四頁，共47頁。分支二：以晶閘管為核心，對電力進行處理的電力電子技術(shù)

（整流順變時代）特點：派生器件越來越多，功率越來越大，性能越來越好。例如：普通晶閘管、快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）雙向晶閘管（TRIAC）、不對稱晶閘管（ASCR）等。應(yīng)用：直流傳動，電化學(xué)電源，電力機車牽引，直流輸電等。各類SCR電壓、電流、dv/dt、di/dt參數(shù)有很大提高，性能越來越好。（普通SCR達到12KV，1KA；4KV，3KA）SCR器件和應(yīng)用理論上都發(fā)展到了成熟階段，從器件發(fā)展上來看，電壓、電流還有提高的可能。但是，實際上它的發(fā)展卻受到了制約。第五頁，共47頁。②制約傳統(tǒng)電力電子技術(shù)發(fā)展的因素控制功能上欠缺：半控型器件，關(guān)斷必須用電感、電容和輔助電源組成強迫換相電路，使整機體積大、重量增加、效率低、可靠性下降。b.立足于分立式結(jié)構(gòu)，工作頻率難以提高（小于400Hz)，應(yīng)用范圍窄。c.控制方式采用移相控制，使電網(wǎng)及負載上諧波嚴重，整機功率因數(shù)低，電網(wǎng)“公害”大。第六頁，共47頁。2、現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段（1980年-----現(xiàn)在）①發(fā)展：70年代末期，結(jié)合微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，產(chǎn)生了新一代高頻化，全控型的功率集成器件，標志現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段的開始。例如：可關(guān)斷晶閘管（GTO）9KV，1KA；4.5KV,4.5KA電力晶體管（GTR）單管:1KV,200A；模塊:1.2KV,800A;1.8KV,100A功率場控晶體管（功率MOSFET）1KV,38A絕緣柵雙極型晶體管（IGT、IGBT）1.2KV,400A;3.3KV,1200A靜電感應(yīng)晶體管（SIT）fT:30—50MHz,200A,1.2KV

靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）1KA/2.5KV;2.2KA/450V;400A/4.5KVMOS晶閘管（MCT）1KV,100A第七頁，共47頁。②特點:a.全控化；避免了關(guān)斷時的強迫換相電路，結(jié)構(gòu)大大簡化。b.集成化：與傳統(tǒng)電力電子器件不同，不采用分立方式；由許多單元胞器件并聯(lián)而成，子器件集成。如：1000A的GTO含有近千個單元GTO；40A功率MOSFET由上萬個單元并聯(lián)；300A的SITH含有近5萬個子器件。c.高頻化：由于器件集成化，工作速度大大提高。如：GTO達1—2KHZ，GTR：2—5KHZ，功率MOSFET：幾百KHZ，SIT：10MHZ以上。d.多功能化：除開關(guān)功能外，增加保護、檢測、驅(qū)動等功能，有些器件具有放大、調(diào)制、振蕩和邏輯運算的功能，使用范圍拓寬，電路簡化。e.電路弱電化：控制技術(shù)數(shù)字化，如：PWM控制技術(shù)，諧振變換電路，高頻斬波電路成為主要電路形式。第八頁，共47頁?！?.2電力半導(dǎo)體器件分類

現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展與電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展密不可分，隨新型控制器件的誕生，新型變換電路也相應(yīng)有所突破。工業(yè)領(lǐng)域變流裝置的變化過程旋轉(zhuǎn)方式晶閘管出現(xiàn)前電動機—直流發(fā)電機順變方式晶閘管出現(xiàn)后可控硅整流裝置，電路效率高，體積縮小，重量輕，節(jié)省原材料，延長壽命，消除噪音，便于維護。

逆變方式現(xiàn)代電力電子器件GTO，GTR，MOSFET，IGBT等出現(xiàn)，各種逆變器的產(chǎn)生，效率更高，體積更小，重量更輕，工作頻率更高。靜止方式第九頁，共47頁。一、分類電力電子器件非可控器件整流二極管普通整流二極管快恢復(fù)二極管肖特基二極管可控器件半控型普通晶閘管SCR快速晶閘管FST雙向晶閘管TRIAC逆導(dǎo)晶閘管RCT光控晶閘管LATT全控型雙極型電力晶體管GTR可關(guān)斷晶閘管GTO靜電感應(yīng)晶閘管SITH單極型功率MOSFET靜電感應(yīng)晶體管SIT混合型絕緣柵雙極型晶體管IGBTMOS晶閘管MCT功率集成電路PIC高壓集成電路HVIC智能功率集成電路SPIC第十頁，共47頁。二、全控型器件的特點1、雙極型器件：通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、電流容量大；用于中、大容量變換裝置。①電力晶體管GTR（巨型晶體管）GiantTransistor類型：單管達林頓管GTR模塊第十一頁，共47頁。特點：控制方便，開關(guān)時間短，高頻特性好，通態(tài)壓降低。容量：400A/1200V，工作頻率：5KHz常用于500KW以下的變流裝置。缺點：耐壓難以提高（小于1500V），存在二次擊穿問題。②可關(guān)斷晶閘管GTO(GateTurn-offThyristor)四層半導(dǎo)體雙極型器件AP1N1P2N2GK結(jié)構(gòu)AGK等效電路AGK符號第十二頁，共47頁。類型：螺栓型、平板型、GTO模塊特點：耐壓最高，電流容量最大，有充分的發(fā)展余地。4500V/4500A，9000V/1000A，工作頻率：1—2KHZ。具有自關(guān)斷能力（省去強迫換流電路，體積減小，重量減輕，效率高，可靠性增加）用于200KW以上的中、大容量設(shè)備中。如：電力機車牽引，交流電機調(diào)速，UPS電源，直流斬波。第十三頁，共47頁。缺點：關(guān)斷增益較小，關(guān)斷電流較大。關(guān)斷需緩沖電路來限制dv/dt。種類：逆阻GTO，逆導(dǎo)GTO，無反壓GTO，掩埋門極GTO，放大門極GTO，MOS—GTO。③靜電感應(yīng)晶閘管SITH（StaticInductionThyristor)場控晶閘管常開型和常閉型兩種，常開型在柵極上加反向偏壓時，阻斷狀態(tài)。無反向偏壓時，導(dǎo)通狀態(tài)。AKG符號特點：通態(tài)電阻小，電壓低，開關(guān)速度快損耗小，關(guān)斷電流增益大。容量：1000A/2500V，2200A/450V，400A/4500V工作頻率：100KHz以上，用于高頻加熱電源。（取代電子管）第十四頁，共47頁。2、單極型器件：只有一種載流子參與導(dǎo)電。①功率場控晶體管（PowerMOSFET)N溝道P溝道DSGDGS特點：電壓控制器件，驅(qū)動功率小，工作速度快，無二次擊穿現(xiàn)象，安全區(qū)寬。電流負溫度系數(shù)，有良好的電流自動調(diào)節(jié)能力，熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。如：1000V/200A，開關(guān)時間13ns，工作頻率幾百KHz。缺點：通態(tài)電阻大，導(dǎo)通壓降較高。電流、電壓容量提高難度大。用于中、小功率，開關(guān)頻率較高的裝置中。

第十五頁，共47頁。②靜電感應(yīng)晶體管SIT（StaticInductionTransistor)三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，也稱功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）。是一種非飽和輸出特性的多子器件，為單極型器件。N—SITP—SITDSGDSG特點：可工作于開關(guān)、放大狀態(tài)，非飽和輸出特性。輸出功率大、失真小、輸入阻抗高，開關(guān)特性好，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強。fT:30—50MHz，電流200A/1200V，耗散功率3KW以上。用于高頻加熱電源，音頻放大器，通信設(shè)施（各種發(fā)射機、電臺、電視發(fā)射機）及空間技術(shù)領(lǐng)域。第十六頁，共47頁。3、混合型器件：雙極—MOS型器件結(jié)構(gòu)：用耐壓高，電流密度大，導(dǎo)通壓降低的雙極型器件（SCR、GTR、GTO）做輸出單元；用輸入阻抗高，響應(yīng)速度快的單極型器件MOSFET做輸入級。器件兼有二者的優(yōu)點。①絕緣門極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor)IGBTIGT1982年研制，第一代于1985年生產(chǎn)，主要特點是低損耗，導(dǎo)通壓降為3V，下降時間0.5us，耐壓500—600V，電流25A。第二代于1989年生產(chǎn)，有高速開關(guān)型和低通態(tài)壓降型，容量為400A/500—1400V，工作頻率達20KHZ。目前第三代正在發(fā)展，仍然分為兩個方向，一是追求損耗更低和速度更高；另一方面是發(fā)展更大容量，采用平板壓接工藝，容量達1000A/4500V；命名為IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)第十七頁，共47頁。工作頻率：20KHZ應(yīng)用廣泛第十八頁，共47頁。②MOS晶閘管（MOS-ControlledThyristor)MCT特點：阻斷電壓高，電流容量大，通態(tài)壓降低，損耗小開關(guān)速度快，發(fā)展前景好。電壓等級：500—1000V；電流等級：50—100A第十九頁，共47頁。③功率集成電路PIC（PowerIntegratedCircuit)將功率電路，驅(qū)動電路，控制電路，保護電路集成。高壓集成電路HVIC：橫向高耐壓器件與控制電路集成智能功率集成電路SPIC：縱向功率器件與控制電路，保護電路，傳感電路集成用于中，小功率，50—1000V，1—100A的裝置。——智能化電子技術(shù)時代第二十頁，共47頁。§1.3全控型器件的比較比較指標：電壓，電流，工作頻率一、單管VA容量（逆變器每臂用一個器件，輸出功率與頻率關(guān)系）P（W）f(Hz)102103104105106104103105106107108SCRGTOSITHIGBTGTRMOSFET第二十一頁，共47頁。二、電流與電壓等級V(v)I(A)11010410310210102103104GTOSITHGTRIGBTMOSFET四層結(jié)構(gòu)SCR、GTO、SITH屬于高電壓，大電流器件，在這方面還有發(fā)展的余地。三層結(jié)構(gòu)GTR、IGBT、MOSFET電壓電流不如四層結(jié)構(gòu)器件。GTR可增大電流，但電壓小于1500V。功率MOSFET導(dǎo)通電阻隨電壓升高而增大，提高耐壓有困難。目前，IGBT發(fā)展很快，電流、電壓高于GTR。第二十二頁，共47頁。三、工作頻率P(VA)f(Hz)101001K10K100K1M101001K10K100K1M10M100MSCR高壓直流輸電GTO機車UPSGTRUPS空調(diào)逆變器電機控制IGBT焊機電機控制MOSFET自動焊機、汽車、電磁爐GTR模塊、MOSFET開關(guān)電源、音頻電源第二十三頁，共47頁?！?.4變流電路與控制技術(shù)一、變流電路：以電力半導(dǎo)體器件為核心，通過不同的拓撲電路和控制方式，實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換與控制。第二十四頁，共47頁。①AC—DC：整流，不可控整流（二極管），可控整流（SCR）②DC—AC：逆變電路電壓源型逆變器電流源型逆變器諧振型逆變器輸出恒壓恒頻電路：CVCF調(diào)壓調(diào)頻電路：VVVF③DC—DC：斬波，將不可控直流電壓變成可控直流電壓。用于開關(guān)電源，直流電機調(diào)速。種類：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫克斬波電路、半橋變換電路、全橋變換電路等。④AC—AC：交流調(diào)壓電路，變頻電源。第二十五頁，共47頁。二、控制技術(shù)1．相控技術(shù)：整流、逆變、AC—AC變換適用于SCR半控型器件，但網(wǎng)側(cè)諧波嚴重。2．PWM脈寬調(diào)制技術(shù)：DC—DC、DC—AC、AC—AC變換適用于各種自關(guān)斷器件，諧波小、動態(tài)響應(yīng)好、電路性能高。種類直流PWM正弦PWM（SPWM）載波調(diào)制式按最小諧波計算開關(guān)角度式按電壓矢量控制磁通軌跡式△調(diào)制和電流跟蹤式第二十六頁，共47頁。全控型變流電路優(yōu)、缺點：優(yōu)點：①體積小、重量輕、無噪音、維護方便②功率增益高，控制靈活③控制特性好，反應(yīng)快（響應(yīng)時間μS級），動態(tài)過程短

④效率高，節(jié)省能源缺點：①過載能力低②某些工作狀態(tài)下功率因數(shù)低③電網(wǎng)造成“公害”，電磁干擾（EMI）解決：EMI濾波器軟性PWM開關(guān)：雙零開關(guān)諧振電路（ZVS，ZCS）3．新型控制技術(shù)：基于PWM控制技術(shù)下，數(shù)字控制代替模擬控制；計算機仿真和計算機控制。第二十七頁，共47頁。§1.5電力電子技術(shù)的應(yīng)用與未來廣泛，小到家電，大到電廠輸電設(shè)備。從幾瓦—1GW，幾Hz—100MHz。1．典型應(yīng)用①旋轉(zhuǎn)的電動機傳動裝置：直流傳動和交流傳動（變頻器）②靜止的各類電源和開關(guān)：加熱電源，UPS，開關(guān)電源，直流輸電，電力機車等。第二十八頁，共47頁。2．新應(yīng)用①有源濾波器：由電壓源型、電流源型PWM變換器和一個基準器構(gòu)成諧波發(fā)生器，產(chǎn)生大范圍動態(tài)諧波和無功功率，修補電網(wǎng)波形。②能量儲存設(shè)備：用于電廠，調(diào)節(jié)用電量。如：變速抽水儲能設(shè)備③超導(dǎo)磁懸浮鐵道系統(tǒng)：逆變器達50—100MVA④小型化開關(guān)電源：高頻化，高功率密度化的綠色電源⑤電子化汽車：多個電動機控制，用到斬波器、逆變器⑥家用電器：變頻器第二十九頁，共47頁。第二章功率二極管第三十頁，共47頁?！?.1PN結(jié)一、PN結(jié)形成采用合金法、擴散法、外延生長法、離子注入法在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)構(gòu)成。第三十一頁，共47頁。二、單向?qū)щ娦裕浩渲校喝?、PN結(jié)反向擊穿：反向電壓超過VBR時，可能損壞PN結(jié)1．雪崩擊穿：摻雜濃度較低的PN結(jié)，VBR>7V2．齊納擊穿：摻雜濃度較高的PN結(jié)，電場2x105V/cm3．熱擊穿：由于發(fā)熱，導(dǎo)致載流子數(shù)目增多，形成大電流。——一般損壞管子

控制結(jié)溫1250—1750C第三十二頁，共47頁。四、電容效應(yīng)：PN結(jié)中電荷量隨外加電壓而變化，呈電容效應(yīng)。結(jié)電容Cj（微分電容）影響PN結(jié)工作頻率，失去單向?qū)щ娦裕荒苷９ぷ鳌?．勢壘電容：PN結(jié)正偏時，空間電荷區(qū)變窄；反偏時，增寬。隨外加電壓變化，空間電荷區(qū)電荷量變化，引起電容效應(yīng)。與PN結(jié)面積成正比，與阻擋層厚度成反比2．擴散電容：PN結(jié)正偏時，擴散電流是由電子和空穴復(fù)合形成，擴散長度內(nèi)存儲了一定數(shù)量的電荷，正向電流越大，存儲電荷越多，隨電壓變化具有電容性質(zhì)。

τ：載流子的平均壽命第三十三頁，共47頁。一般：反偏時，以CB為主；正偏時，以CD為主。Cj=CB+CD第三十四頁，共47頁?！?.2二極管特性與參數(shù)PN結(jié)加引線，封裝構(gòu)成；有分立式和模塊式。分為：單管、半橋、全橋。一、伏安特性：VTO：門檻電壓硅：0.5V鍺：0.1VVF：導(dǎo)通壓降硅：0.6—0.8V鍺：0.1—0.3VVBR：反向擊穿電壓，幾伏—幾千伏VBRISIS：反向飽和漏電流，很小。隨溫度增加，VF減小，IS增大第三十五頁，共47頁。90%ton10%trr二、開關(guān)特性1．反向恢復(fù)時間：trr=td+tftd:延遲時間；PN結(jié)存儲電荷耗散時間，產(chǎn)生反向電流-IRtf：電流下降時間2．正向恢復(fù)時間：ton建立正向電流所需的時間。第三十六頁，共47頁。三、性能參數(shù)1．額定正向平均電流IF管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。定額方法：在指定殼溫，規(guī)定散熱條件下，二極管流過工頻正弦半波的平均電流。要求該電流下，管子正向壓降引起的損耗使結(jié)溫升高不超過最高允許結(jié)溫。*正向電流以發(fā)熱條件定義，應(yīng)用中按有效值相等條件來選取二極管的定額。第三十七頁，共47頁。例：iIO①U1為正弦波：(SW開關(guān)斷開)OU2π

2π

wtioπ

2π

IMIFwt平均值:其中:有效值:即:一只額定IF=100A的管子，允許電流有效值為157A。第三十八頁，共47頁。②U1為脈沖波：平均值：有效值：按