電力電子器件（電力電子技術(shù)課件）

1.1電力電子器件概述電力電子器件概述電力電子器件（PowerElectronicDevice）又稱功率半導(dǎo)體器件，應(yīng)用于電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，實現(xiàn)電能的變換和控制。它是電力電子裝置的核心。電力電子器件概述電力電子器件的特征①處理電功率的大?。ǔ惺茈妷汉碗娏鞯哪芰Γ┮话愣歼h大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)。②一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。③由信息電子電路來控制,而且需要驅(qū)動電路。④自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。電力電子器件概述電力電子器件基本模型電力電子器件的理想開關(guān)模型它有三個電極：其中A和B代表開關(guān)的兩個主電極，K是控制開關(guān)通斷的控制極；它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況：通態(tài)時其電阻為零，斷態(tài)時其電阻無窮大。電力電子器件概述電力電子器件的發(fā)展歷程第一代：普通晶閘管（通過控制極只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，半控型器件）電力電子器件概述電力電子器件的發(fā)展歷程第二代：電力晶體管GTR、門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場效應(yīng)晶體管PowerMOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT（通過控制極可控制其開通，也可控制其關(guān)斷，全控型器件）電力電子器件概述電力電子器件的發(fā)展歷程第三代：集成化（把功率器件和驅(qū)動電路、控制電路、保護電路等集于一體）電力電子器件概述電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆不可控器件?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。電力電子器件概述電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆半控型器件?通過控制端來控制器件的開通，但是不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。電力電子器件概述電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆全控型器件?通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通、關(guān)斷。?目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。電力電子器件概述電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì)◆電流驅(qū)動型?從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)器件導(dǎo)通、關(guān)斷。器件有：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管GTO電力電子器件概述電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì)◆電壓驅(qū)動型?在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號實現(xiàn)器件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。器件有：IGBT和PowerMOSFET特點：與電流驅(qū)動型比較起來，其驅(qū)動功率要小得多。電力電子器件概述電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況◆單極型器件?由一種載流子參與導(dǎo)電?！綦p極型器件?由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。◆復(fù)合型器件?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。1.2電力二極管電力二極管用于電力變換的二極管電力二極管用于電力變換的二極管電力二極管（a）基本結(jié)構(gòu)

（b）符號圖圖1-1電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和符號圖它是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相結(jié)合（稱為PN結(jié)）的兩層結(jié)構(gòu)器件，在P型半導(dǎo)體上設(shè)置正極端，在N型半導(dǎo)體上設(shè)置負極端，再用外殼加以密封，如圖1-1所示。電力二極管電力二極管的靜態(tài)特性（即伏安特性）

當電力二極管承受的正向電壓大于門檻電壓UTO時，正向電流開始明顯增加，此時電力二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

當電力二極管承受反向電壓時，只有少數(shù)載流子引起微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電力二極管電力二極管的靜態(tài)特性（即伏安特性）當反向電壓超過一定的數(shù)值時，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為擊穿現(xiàn)象，此時的反向電壓值稱為擊穿電壓。加在電力二極管兩端的電壓不能超過擊穿電壓，否則易造成器件的損壞。

由以上特性，可將電力二極管視為一個正方向?qū)щ?、反方向阻斷電壓的靜態(tài)單向電力電子開關(guān)。電力二極管電力二極管的主要參數(shù)（1）

額定電壓VRR

電力二極管的額定電壓VRR是指它能承受的反向重復(fù)施加的最大峰值電壓。額定電壓VRR應(yīng)該小于電力二極管的反向擊穿電壓。（2）正向平均電流IF(AV)（額定電流）電力二極管長期運行，在規(guī)定的管殼溫度（即殼溫）和散熱條件下，其允許通過的最大工頻正弦半波電流的平均值，稱為正向平均電流。將此電流值取規(guī)定系列的電流等級值，即為元件的額定電流。電力二極管電力二極管的主要參數(shù)（3）正向壓降UF指電力二極管在規(guī)定溫度下，流過一定的穩(wěn)態(tài)正向電流時所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通壓降。它對電力二極管的通態(tài)損耗產(chǎn)生影響。（4）浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受的最大的、連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。電力二極管電力二極管的主要參數(shù)（5）反向恢復(fù)時間trr反向恢復(fù)時間trr通常定義為從電流下降為零至反向電流衰減至反向恢復(fù)電流峰值一定數(shù)值（一般取10%或25%）的時間。定義其中的電流下降時間tf與延遲時間td的比值為軟化系數(shù)SF（SoftnessFactor）。軟化系數(shù)越大，表明在同樣的外電路條件下，電力二極管在關(guān)斷過程中反向電流衰減緩慢，所產(chǎn)生的反向電壓尖峰也越小。電力二極管電力二極管的主要參數(shù)電力二極管電力二極管的主要參數(shù)電力二極管電力二極管的主要參數(shù)電力二極管電力二極管的主要類型（1）整流二極管整流二極管多使用在低開關(guān)頻率（1kHz以下）的整流電路中，其反向恢復(fù)時間較長，其正向額定電流和反向額定電壓較高，可達到數(shù)千安和數(shù)千伏以上。（2）快速恢復(fù)功率二極管它的恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程?？焖倩謴?fù)功率二極管的正向額定電流和反向額定電壓要低于整流二極管。（3）肖特基二極管肖特基二極管的優(yōu)點在于：反向恢復(fù)時間很短，反向恢復(fù)的過程中沒有明顯的反向電壓尖峰，允許的工作頻率高，正向壓降小，功耗低，但以上優(yōu)點只限于低耐壓（通常在200V以下）的場合。1.3晶閘管晶閘管晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。其承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。3）SL16螺栓型散熱器4）模塊散熱器2）SS11型水冷散熱器1）SF11型風冷散熱器晶閘管晶閘管晶閘管具有三個電極：陽極A、陰極K和門極G，它是一個四層（PNPN）三端器件，形成J1、J2、J3共3個PN結(jié)。晶閘管①當門極G電壓信號為零時，即使在陽極A和陰極K兩端施加正電壓，由于中間的PN結(jié)J2為反偏置，所以晶閘管不導(dǎo)通。PPNNJ1J2J3晶閘管②在陽極A和陰極K兩端施加反電壓，中間的PN結(jié)J2為正偏置，但PN結(jié)J1和J3為反偏置，呈反向阻斷狀態(tài)，所以晶閘管仍然不會導(dǎo)通。PPNNJ1J2J3晶閘管③只有當在陽極A和陰極K兩端施加正向電壓，同時在門極G和陰極K之間也施加正向觸發(fā)信號，此時晶閘管可等效為兩個互補的三極管，門極有足夠的電流IG流入時，就形成強烈的正反饋，使兩個三極管飽和導(dǎo)通，也即是晶閘管導(dǎo)通。PPNNJ1J2J3晶閘管③此工作過程可簡單表示為：UGK>0→產(chǎn)生IG

→T2導(dǎo)通→產(chǎn)生IC2

→T1導(dǎo)通→IC1↗→IC2

↗→出現(xiàn)強烈的正反饋此時即使將IG調(diào)整為0也不能解除正反饋，晶閘管會繼續(xù)導(dǎo)通，即G極失去控制作用。PPNNJ1J2J3正向轉(zhuǎn)折導(dǎo)通：陽極電壓UAK升高至相當高的數(shù)值，陽極電流iA增加，直至晶閘管轉(zhuǎn)入導(dǎo)通。du/dt導(dǎo)通：陽極電壓上升率du/dt過高(相當于陽極電流增加)；溫度導(dǎo)通：結(jié)溫較高（流過J2的反偏漏電流增加）；其他幾種可能導(dǎo)通的情況：非正常控制晶閘管只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段！晶閘管的靜態(tài)伏安特性門極電流IG為0時，在器件的陽極A和陰極K兩端施加正向電壓，晶閘管呈現(xiàn)正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。晶閘管的靜態(tài)伏安特性正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo時，漏電流急劇增大，特性從高阻區(qū)（阻斷狀態(tài)）經(jīng)負阻區(qū)（虛線）到達低阻區(qū)（導(dǎo)通狀態(tài)）。在正常工作時，不允許在IG為0時把正向陽極電壓加到轉(zhuǎn)折電壓Ubo。高阻區(qū)低阻區(qū)晶閘管的靜態(tài)伏安特性隨著門極電流IG幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性類似。導(dǎo)通期間，如果門極電流IG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。晶閘管的靜態(tài)伏安特性晶閘管施加反向電壓時，其伏安特性類似二極管的反向特性。在這種情況下，無論門極是否有觸發(fā)電流IG，晶閘管總是處于反向阻斷狀態(tài)，只有極小的反相漏電流流過。晶閘管的靜態(tài)伏安特性當反向電壓超過一定限度到反向擊穿電壓時，外電路若沒有限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管的動態(tài)特性晶閘管只有導(dǎo)通和阻斷這兩種穩(wěn)定狀態(tài)，不能作為波形放大使用。晶閘管的動態(tài)特性在坐標軸原點時刻，施加理想的門極觸發(fā)信號，由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間，同時有外電路中電感的限制，陽極電流不能瞬時增加。晶閘管的動態(tài)特性延遲時間td上升時間tr開通時間即為td和tr兩者之和。普通晶閘管的延遲時間td為0.5~1.5μs，上升時間tr為0.5~3μs晶閘管的動態(tài)特性在某一時刻，外加的陽極電壓突然反向，此時門極沒有觸發(fā)信號，由于外電路中電感的存在，陽極電流的衰減也存在著過渡過程。陽極電流逐漸衰減到零，在反方向流過反向恢復(fù)電流，到達最大值IRM后，再反方向衰減。晶閘管的動態(tài)特性在恢復(fù)電流快速衰減的同時，由于外電路中電感的作用，會在晶閘管兩端引起反向的尖峰電壓URRM，其大小與外電路電感有密切關(guān)系。晶閘管的動態(tài)特性反向阻斷恢復(fù)時間trr正向阻斷恢復(fù)時間tgr關(guān)斷時間tq=trr+tgr關(guān)斷時間約幾百微秒。晶閘管的動態(tài)特性在正向阻斷恢復(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)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。在實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM晶閘管處于額定結(jié)溫且門極開路時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。此電壓規(guī)定為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。晶閘管的主要參數(shù)反向重復(fù)峰值電壓URRM晶閘管處于額定結(jié)溫且門極開路時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。此電壓規(guī)定為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬時電壓）URSM的90%。晶閘管的主要參數(shù)額定電壓通常取晶閘管的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓，并按標準電壓等級取整數(shù)。實際選用時，額定電壓一般取正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍作為安全裕量。晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流IT(AV)

在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許連續(xù)流過的最大單相工頻正弦半波電流的平均值，定義為通態(tài)平均電流。

晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，若流過晶閘管的陽極電流下降，能保持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小陽極電流稱為維持電流IH，一般為幾十到幾百毫安。它的大小與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則維持電流IH越小。維持電流越大的晶閘管更容易關(guān)斷。晶閘管的主要參數(shù)擎住電流IL晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)即移除觸發(fā)信號，在這種情況下能維持晶閘管導(dǎo)通所需的最小陽極電流，稱為擎住電流IL。對同一晶閘管來說，通常擎住電流比維持電流大。

為什么？晶閘管的主要參數(shù)

晶閘管的主要參數(shù)

門極觸發(fā)電流雙向晶閘管可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。由于雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。補充：

晶閘管常見型號（KP型）認識

KP

□－□□表示晶閘管普通反向阻斷型額定通態(tài)平均電流正反向重復(fù)峰值電壓等級通態(tài)平均電壓組別思考題型號為KP100-3，維持電流IH=4mA的晶閘管使用在下圖中電路里，問是否合理？為什么?（暫不考慮電壓電流裕量）思考題1.4全控型器件電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）電力MOSFET電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管又稱電力MOSFET，是一種全控型電力電子器件。它顯著的特點是用柵極電壓來控制漏極電流，因此所需驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單；又由于是靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子導(dǎo)電所需的存儲時間，開關(guān)速度快，工作頻率高。但器件的電流容量小、耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。電力場效應(yīng)晶體管G為柵極，S為源極，D為漏極柵極（Gate——G，也叫做門極）源極(Source——S)

漏極(Drain——D)電力場效應(yīng)晶體管漏極電流ID不僅受到柵源電壓UGS的控制，而且與漏極電壓UDS也密切相關(guān)。當漏極電流ID較大時，漏極電流ID和柵源電壓UGS的關(guān)系近似為線性。電力場效應(yīng)晶體管圖1-8（b）有截止區(qū)、飽和區(qū)和非飽和區(qū)三個區(qū)域。這里的飽和是指漏源電壓UDS增加時漏極電流ID不再增加，非飽和是指漏源電壓UDS增加時漏極電流ID相應(yīng)增加。電力MOSFET工作在開、關(guān)兩種狀態(tài)，即指它在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間反復(fù)切換。電力MOSFET的動態(tài)特性電力MOSFET的動態(tài)特性開通時，由于電力MOSFET存在輸入電容，柵極電壓UGS波形呈指數(shù)規(guī)律上升。當UGS上升到開啟電壓UT時，電力MOSFET開始導(dǎo)通，漏極電流iD出現(xiàn)，且隨著UGS的上升而增加。當UGS達到使電力MOSFET進入非飽和區(qū)的柵源電壓UGSP后，電力MOSFET進入非飽和區(qū)，雖然此時UGS繼續(xù)升高，但ID已不再變化。電力MOSFET的動態(tài)特性從UGS開始上升至電力MOSFET開始導(dǎo)通，這段時間稱為開通延遲時間td(on)；UGS從UT上升到UGSP的時間段稱為上升時間tr。電力MOSFET的開通時間ton定義為開通延遲時間td(on)與上升時間tr之和。電力MOSFET的動態(tài)特性關(guān)斷時，同樣由于輸入電容的影響，UGS波形呈指數(shù)規(guī)律下降。當UGS呈低于UGSP時，漏極電流ID開始下降，直至UGS低于開啟電壓UT，ID下降到零。電力MOSFET的動態(tài)特性從UGS開始下降至電力MOSFET開始關(guān)斷的時間稱為關(guān)斷延遲時間td(off)。UGS從UGSP下降到UGS小于UT時溝道消失，ID從通態(tài)電流下降到零，這段時間稱為下降時間tf。電力MOSFET的關(guān)斷時間toff定義為關(guān)斷延遲時間td(off)

與下降時間tf之和。電力MOSFET的主要參數(shù)a）漏源擊穿電壓UDSBUDSB是指結(jié)溫在25~150℃之間漏源極的擊穿電壓。該參數(shù)決定了電力MOSFET的最高工作電壓，常用的電力MOSFET的UDSB通常在1000V以下。需要注意的是常用的電力MOSFET的漏源擊穿電壓具有正溫度系數(shù)，因此在溫度低于測試條件時，UDSB會低于產(chǎn)品手冊數(shù)據(jù)。電力MOSFET的主要參數(shù)b）漏極連續(xù)電流額定值ID和漏極脈沖電流峰值IDM

這是標稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)，一般情況下，IDM是ID的2~4倍。工作溫度對器件的漏極電流影響很大，在實際器件參數(shù)計算時，必須考慮其損耗及散熱情況得出殼溫，由此核算器件的電流定額。如在殼溫為80~90℃時，器件可用的連續(xù)工作電流只有殼溫為25℃時ID的60%~70%。電力MOSFET的主要參數(shù)c）柵源電壓UGS由于柵源之間的絕緣層很薄，當UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿，因此在焊接、驅(qū)動等方面必須注意。

電力MOSFET的主要參數(shù)d）極間電容電力MOSFET的3個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，極間電容是影響開關(guān)工作速度的主要因素。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor）簡稱為IGBT。它是一種電壓控制型器件，具有耐高電壓和大電流、工作頻率高、易于驅(qū)動、低功耗等優(yōu)點，成為當前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電力電子器件。軸控指每個逆變器獨立控制一個電機。架控指每個逆變器控制兩個以上的電機。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）柵極G、集電極C和發(fā)射極Ee=Emitter(發(fā)射極)

c=Collector(集電極)g=Gate(柵極)

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）a）轉(zhuǎn)移特性當柵射電壓UGE高于開啟電壓UGE（th）時，IGBT開始導(dǎo)通，UGE（th）的值一般為2~6V。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）b）輸出特性

與上一張圖對應(yīng)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT的開通過程與電力MOSFET十分相似。從驅(qū)動電壓UGE上升至其幅值的10%至集電極電流IC上升到穩(wěn)態(tài)值的10%，這段時間稱為開通延遲時間td(on)；IC從10%穩(wěn)態(tài)值上升至90%穩(wěn)態(tài)值，這段時間稱為上升時間