电力电子技术第1章电力电子器件课件

电力电子技术电子教案第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1电力电子技术电子教案第1章电力电子器件1第第1章章电力电子器件电力电子器件（4学时）学时）1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 （POWER MOSFETPOWER MOSFET、IGBTIGBT）1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 （自学）（自学）1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 1.7 1.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用（自学）（自学）小结小结 2第1章电力电子器件（4学时）1.1电力电子器件概述2本章内容和学习要点本章内容和学习要点掌掌握握各各种种器器件件（电电力力二二极极管管、晶晶闸闸管管、IGBT和和POWER MOSFET）的的工工作作原原理理、基基本本特特性性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题；以及选择和使用中应注意的一些问题；掌掌握握电电力力电电子子器器件件的的驱驱动动、保保护护方方法法和和了了解解串串、并联使用；并联使用；了了解解电电力力电电子子器器件件的的型型号号命命名名法法，以以及及其其参参数数和和特特性性曲曲线线的的使使用用方方法法，这这是是在在实实际际中中正正确确应应用用电电力电子器件的两个基本要求；力电子器件的两个基本要求；最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。3本章内容和学习要点掌握各种器件（电力二极管、晶闸管、IGBT1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述 1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 1.1.2 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 41.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述电电力力电电子子器器件件（power electronic device）可可直直接接用用于于处处理理电电能能的的主主电电路路中中，实实现现电电能能的变换或控制的电子器件；的变换或控制的电子器件；主主电电路路（main power circuit）电电气气设设备备或或电电力力系系统统中中，直直接接承承担担电电能能的的变变换换或或控控制制任任务的电路。务的电路。广义上分为两类广义上分为两类:电电真真空空器器件件(汞汞弧弧整整流流器器、闸闸流流管管等等电电真真空空器件器件)半导体器件半导体器件(采用的主要材料仍然是硅采用的主要材料仍然是硅)1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征51.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征同同处处理理信信息息的的电电子子器器件件相相比比，电电力力电电子子器件的一般特征：器件的一般特征：(1)能能处处理理电电功功率率的的大大小小，即即承承受受电电压压和和电流电流 的能力是最重要的参数。的能力是最重要的参数。其其处处理理电电功功率率的的能能力力小小至至毫毫瓦瓦（mW）级级，大大至至兆兆瓦瓦（GW）级级,大大多多都都远远大大于于处处理理信信息息的电子器件。的电子器件。61.1.1电力电子器件的概念和特征同处理信息的电子器件相比1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征(2)电力电子器件一般都工作在开关状态电力电子器件一般都工作在开关状态导导通通时时（通通态态）阻阻抗抗很很小小，接接近近于于短短路路，管管压压降降接接近于零，而电流由外电路决定。近于零，而电流由外电路决定。阻阻断断时时（断断态态）阻阻抗抗很很大大，接接近近于于断断路路，电电流流几几乎乎为零，而管子两端电压由外电路决定。为零，而管子两端电压由外电路决定。电电力力电电子子器器件件的的动动态态特特性性（也也就就是是开开关关特特性性）和和参参数数，也也是是电电力力电电子子器器件件特特性性很很重重要要的的方方面面，有有些些时时候甚至上升为候甚至上升为第一位的重要问题第一位的重要问题。作电路分析时，为简单往往用作电路分析时，为简单往往用理想开关来代替。理想开关来代替。71.1.1电力电子器件的概念和特征(2)电力电子器件1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征(3)实实用用中中，电电力力电电子子器器件件往往往往需需要要由由信信息息电电子电路来控制。子电路来控制。在在主主电电路路和和控控制制电电路路之之间间，需需要要一一定定的的中中间间电电路路对对控控制制电电路路的的信信号号进进行行放放大大，这这就就是是电电力力电电子子器器件件的的驱动电路驱动电路。(4)为为保保证证不不致致于于因因损损耗耗产产生生的的热热量量导导致致器器件件温温度度过过高高而而损损坏坏，不不仅仅在在器器件件封封装装上上讲讲究究散散热热设计，在其工作时一般都要安装散热器。设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗通态损耗。81.1.1电力电子器件的概念和特征(3)实用中1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征阻阻断断时时器器件件上上有有微微小小的的断断态态漏漏电电流流流流过过，形形成成断断态损耗态损耗；在在器器件件开开通通或或关关断断的的转转换换过过程程中中产产生生开开通通损损耗耗和和关断损耗，总称关断损耗，总称开关损耗；开关损耗；通通常常电电力力电电子子器器件件的的断断态态漏漏电电流流极极小小，因因而而通通态态损耗是器件功率损耗的主要成因损耗是器件功率损耗的主要成因；器器件件开开关关频频率率较较高高时时，开开关关损损耗耗会会随随之之增增大大而而可可能成为器件功率损耗的主要因素；能成为器件功率损耗的主要因素；对对某某些些器器件件来来讲讲，驱驱动动电电路路向向其其注注入入的的功功率率也也是是造成器件发热的原因之一造成器件发热的原因之一。91.1.1电力电子器件的概念和特征阻断时器件上有微小的断态1.1.2 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电电力力电电子子系系统统：由由控控制制电电路路、驱驱动动电电路路和和以电力电子器件为核心的以电力电子器件为核心的主电路主电路组成组成n图图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成101.1.2应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电111.1.2 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成控控制制电电路路：按按系系统统的的工工作作要要求求形形成成控控制制信信号号，通通过过驱驱动动电电路路去去控控制制主主电电路路中中电电力力电电子器件的通或断，来完成整个系统的功能；子器件的通或断，来完成整个系统的功能；检测电路检测电路：电压传感器电压传感器PT、电流传感器电流传感器CT；电气隔离电气隔离：通过光、磁等来传递信号；通过光、磁等来传递信号；保护电路：保护电路：过压保护、过流保护；过压保护、过流保护；11111.1.2应用电力电子器件的系统组成控制电路：按系统的电力电子装置结构图（正面内部）电力电子装置结构图（正面内部）12电力电子装置结构图（正面内部）12电力电子装置结构图（背面内部）电力电子装置结构图（背面内部）13电力电子装置结构图（背面内部）13电力电子装置结构图（控制部分）电力电子装置结构图（控制部分）14电力电子装置结构图（控制部分）14电力电子装置结构图（主回路部分）电力电子装置结构图（主回路部分）15电力电子装置结构图（主回路部分）15电力电子装置结构图（驱动与保护部分）电力电子装置结构图（驱动与保护部分）16电力电子装置结构图（驱动与保护部分）16电力电子装置结构图（变压器部分）电力电子装置结构图（变压器部分）17电力电子装置结构图（变压器部分）17开关磁阻电动机（开关磁阻电动机（SRM）定子、转子结构图）定子、转子结构图18开关磁阻电动机（SRM）定子、转子结构图186/4极SRM剖面示意图8/6极SRM剖面示意图SRM磁场变化示意图196/4极SRM剖面示意图8/6极SRM剖面示意图SRM磁场变SRM控制系统原理图控制系统原理图SRM控制系统结构图控制系统结构图20SRM控制系统原理图SRM控制系统结构图20SRM控制系统主电路结构图控制系统主电路结构图SRM控制系统主电路通断过程图控制系统主电路通断过程图SRM运行中振动示意图运行中振动示意图21SRM控制系统主电路结构图SRM控制系统主电路通断过程图SRSRM运行示意图运行示意图22SRM运行示意图221.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1)半控型器件半控型器件绝 缘 栅 双 极 晶 体 管（Insulated-Gate BipolarTransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3)不可控器件不可控器件电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。按照器件能够被控制电路信号所控制的按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：程度，分为以下三类：231.1.3电力电子器件的分类半控型器件绝缘栅双极晶体管（I 1)电流驱动型电流驱动型 1)单极型器件单极型器件2)电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制电压信号就可实现导通或者关断的控制2)双极型器件双极型器件3)复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件的器件按照驱动电路加在器件控制端和公共端按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：之间信号的性质，分为两类：按照器件内部电子和空穴两种载流子参按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：与导电的情况分为三类：241)电流驱动型1)单极型器1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型251.2不可控器件电力二极管1.2.1PN结与电力Power Power DiodeDiode结结构构和和原原理理简简单单，工工作作可可靠靠，自自2020世纪世纪5050年代初期就获得应用。年代初期就获得应用。快快恢恢复复二二极极管管和和肖肖特特基基二二极极管管，分分别别 在在中中、高高频频整整流流和和逆逆变变，以以及及低低压压高高频频整整流流的的场场合合，具有不可替代的地位。具有不可替代的地位。不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.226PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪1.2.11.2.1 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体以半导体PNPN结为基础结为基础由一个面积较大的由一个面积较大的PNPN结和两端引线以及封装组成的结和两端引线以及封装组成的从外形上看，主要有从外形上看，主要有螺栓型和平板型螺栓型和平板型两种封装两种封装图图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号271.2.1PN结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理N N型半导体和型半导体和P P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PNPN结。结。图图1-3 PN1-3 PN结的形成结的形成扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层耗尽层、阻挡层阻挡层或势垒区势垒区。空间电荷建立的电场被称为内电场内电场或自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷空间电荷。1.2.11.2.1 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理28N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。图1-3PN结的PNPN结的正向导通状态结的正向导通状态 电电导导调调制制效效应应使使得得PNPN结结在在正正向向电电流流较较大大时时压压降降仍仍然然很很低低，维维持持在在1V1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PNPN结表现为低阻态。结表现为低阻态。PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 PNPN结的单向导电性。结的单向导电性。二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PNPN结的单向导电性这一主要特征。结的单向导电性这一主要特征。PNPN结的反向击穿结的反向击穿 有有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。两种形式，可能导致热击穿。PNPN结的电容效应：结的电容效应：PNPN结结的的电电荷荷量量随随外外加加电电压压而而变变化化，呈呈现现电电容容效效应应，称称为为结结电电容容C CJ J，又称为，又称为微分电容微分电容。结结电电容容按按其其产产生生机机制制和和作作用用的的差差别别分分为为势势垒垒电电容容C CB B和和扩扩散散电电容容C CD D。1.2.11.2.1 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理29PN结的正向导通状态1.2.1PN结与电力二极管的工作原理势势垒垒电电容容只只在在外外加加电电压压变变化化时时才才起起作作用用。外外加加电电压压频频率率越越高高，势势垒垒电电容容作作用用越越明明显显。势势垒垒电电容容的的大大小小与与PNPN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩扩散散电电容容仅仅在在正正向向偏偏置置时时起起作作用用。在在正正向向偏偏置置时时，当当正正向向电电压压较较低低时时，势势垒垒电电容容为为主主；正正向向电电压压较较高高时时，扩散电容为结电容主要成分。扩散电容为结电容主要成分。结结电电容容影影响响PN结结的的工工作作频频率率，特特别别是是在在高高速速开开关关的的状状态态下下，可可能能使使其其单单向向导导电电性性变变差差，甚甚至至不不能能工工作作，应应用时应加以注意。用时应加以注意。1.2.11.2.1 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理30势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电造造成成电电力力二二极极管管和和信信息息电电子子电电路路中中的的普普通通二二极极管管区别区别的一些因素：的一些因素：正正向向导导通通时时要要流流过过很很大大的的电电流流，其其电电流流密密度度较较大大，因因而而额额外外载载流流子子的的注注入入水水平平较较高高，电电导导调调制制效效应应不不能忽略。能忽略。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。承承受受的的电电流流变变化化率率d di i/d/dt t较较大大，因因而而其其引引线线和和器器件件自身的电感效应也会有较大影响。自身的电感效应也会有较大影响。为为了了提提高高反反向向耐耐压压，其其掺掺杂杂浓浓度度低低也也造造成成正正向向压压降降较大。较大。1.2.11.2.1 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理31造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：11.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.静态特性静态特性主要指其伏安特性主要指其伏安特性图图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性当电力二极管承受的正向当电力二极管承受的正向电压大到一定值（电压大到一定值（门槛电压门槛电压U UTOTO），正向电流才开始明显增加，），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电处于稳定导通状态。与正向电流流I IF F对应的电力二极管两端的对应的电力二极管两端的电压电压U UF F即为其正向电压降。即为其正向电压降。当电力二极管承受反向当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。而数值恒定的反向漏电流。321.2.2电力二极管的基本特性1.静态特性图1-4电2.动态特性动态特性关断过程关断过程开关特性开关特性须须经经过过一一段段短短暂暂的的时时间间才才能能重重新新获获得得反反向向阻阻断断能能力力，进入截止状态。进入截止状态。在在关关断断之之前前有有较较大大的的反反向向电电流流出出现现，并并伴伴随随有有明明显显的的反向电压过冲反向电压过冲。反映通态和断态之间的转换过程反映通态和断态之间的转换过程因结电容的存在，电力二极管在因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和零偏置、正向偏置和反向偏置反向偏置三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压过程中的电压电流特性是随时间变化的。电流特性是随时间变化的。1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性332.动态特性关断过程开关特性须经过一段短暂的时间才能重新获开通过程开通过程：电电力力二二极极管管的的正正向向压压降降先先出出现现一一个个过过冲冲U UFPFP，经经过过一一段段时时间间才才趋趋于于接接近近稳稳态态压压降降的的某某个个值值（如如 1V1V）。这一动态过程时间被称为这一动态过程时间被称为正向恢复时间正向恢复时间t tfrfr。电电导导调调制制效效应应起起作作用用需需一一定定的的时时间间来来储储存存大大量量少少子子，达到稳态导通前管压降较大。达到稳态导通前管压降较大。正正向向电电流流的的上上升升会会因因器器件件自自身身的的电电感感而而产产生生较较大大压压降。电流上升率越大，降。电流上升率越大，U UFPFP越高越高 。2.动态特性（续）动态特性（续）1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性34开通过程：2.动态特性（续）1.2.2电力二极管的基本特延迟时间：延迟时间：t td d=t t1 1-t t0 0,电流下降时间：电流下降时间：t tf f=t t2 2-t t1 1 反向恢复时间：反向恢复时间：t trrrr=t td d+t tf f 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值t tf f/t td d，或称恢复系数，用，或称恢复系数，用S Sr r表示表示图1-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性返回返回外电压、外电感电导调制抽取N区少子外电感35延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.正向平均电流正向平均电流I IF(AV)F(AV)在在指指定定的的管管壳壳温温度度（简简称称壳壳温温，用用T TC C表表示示）和和散散热热条条件件下下，其其允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波波电电流流的的平平均值均值。正正向向平平均均电电流流是是按按照照电电流流的的发发热热效效应应来来定定义义的的，因因此此使使用用时时应应按按有有效效值值相相等等的的原原则则来来选选取取电电流流定定额，并应留有一定的裕量。额，并应留有一定的裕量。当当用用在在频频率率较较高高的的场场合合时时，开开关关损损耗耗造造成成的的发发热热往往不能忽略往往不能忽略当当采采用用反反向向漏漏电电流流较较大大的的电电力力二二极极管管时时，其其断断态态损耗造成的发热效应也不小损耗造成的发热效应也不小 361.2.3电力二极管的主要参数1.正向平均电流IF(AV电流平均值与有效值的计算电流平均值与有效值的计算1：电流平均值：电流平均值：电流有效值：电流有效值：书中书中p42 T3 p42 T3 计算方法可参照以上公式计算方法可参照以上公式37电流平均值与有效值的计算1：书中p42T3计算方法可电流平均值与有效值的计算电流平均值与有效值的计算2：在正弦半波情况下，根据通态平均电流在正弦半波情况下，根据通态平均电流IF(AV)的定义，当电流的最大值为的定义，当电流的最大值为Im时，时，而正弦半波的电流有效值为：而正弦半波的电流有效值为：可见，在正弦半波情况下，电流有效值和平可见，在正弦半波情况下，电流有效值和平均值的比值为均值的比值为1.57倍。倍。（注：书中（注：书中p14L17结论）结论）38电流平均值与有效值的计算2：在正弦半波情况下2.2.正向压降正向压降U UF F指指电电力力二二极极管管在在指指定定温温度度下下，流流过过某某一一指指定定的的稳稳态态正向电流时对应的正向压降正向电流时对应的正向压降有有时时参参数数表表中中也也给给出出在在指指定定温温度度下下流流过过某某一一瞬瞬态态正正向大电流时器件的最大瞬时正向压降向大电流时器件的最大瞬时正向压降3.3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压通常是其雪崩击穿电压U UB B的的2/32/3使使用用时时，往往往往按按照照电电路路中中电电力力二二极极管管可可能能承承受受的的反反向最高峰值电压的向最高峰值电压的两倍两倍来选定来选定1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数392.正向压降UF1.2.3电力二极管的主要参数394.最高工作结温最高工作结温T TJMJM结温是指管芯结温是指管芯PNPN结的平均温度，用结的平均温度，用T TJ J表示。表示。最最高高工工作作结结温温是是指指在在PNPN结结不不致致损损坏坏的的前前提提下下所所能能承受的最高平均温度。承受的最高平均温度。T TJMJM通常在通常在125175125175 C C范围之内。范围之内。5.5.反向恢复时间反向恢复时间t trrrrt trrrr=t td d+t tf f ，关关断断过过程程中中，电电流流降降到到零零起起到到恢恢复复反响阻断能力止的时间。反响阻断能力止的时间。6.6.浪涌电流浪涌电流I IFSMFSM指指电电力力二二极极管管所所能能承承受受最最大大的的连连续续一一个个或或几几个个工工频周期的过电流。频周期的过电流。1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数404.最高工作结温TJM1.2.3电力二极管的主要参数401.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按按照照正正向向压压降降、反反向向耐耐压压、反反向向漏漏电电流流等等性性能能，特特别是反向恢复特性的不同介绍。别是反向恢复特性的不同介绍。在在应应用用时时，应应根根据据不不同同场场合合的的不不同同要要求求选选择择不不同同类类型的电力二极管。型的电力二极管。性性能能上上的的不不同同是是由由半半导导体体物物理理结结构构和和工工艺艺上上的的差差别别造成的。造成的。1.1.普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier DiodeRectifier Diode）多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz1kHz以下以下）的整流电路中）的整流电路中其其反反向向恢恢复复时时间间较较长长，一一般般在在5 5 s s以以上上，这这在在开开关关频率不高时并不重要。频率不高时并不重要。正正向向电电流流定定额额和和反反向向电电压压定定额额可可以以达达到到很很高高，分分别别可达可达数千安和数千伏以上数千安和数千伏以上。411.2.4电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向2.2.快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 5 s s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构 采用外延型PiN结构的的快快恢恢复复外外延延二二极极管管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns50ns），正向压降也很低（0.9V0.9V左右），但其反向耐压多在1200V1200V以下从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns100ns以下，甚至达到2030ns2030ns。1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型422.快恢复二极管（FastRecoveryDiode3.肖特基二极管肖特基二极管以以金金属属和和半半导导体体接接触触形形成成的的势势垒垒为为基基础础的的二二极极管管称称为为肖肖特特基基势势垒垒二二极管（极管（Schottky Barrier DiodeSBDSchottky Barrier DiodeSBD），简称为），简称为肖特基二极管肖特基二极管2020世世纪纪8080年年代代以以来来，由由于于工工艺艺的的发发展展得得以以在在电电力力电电子子电电路路中中广广泛泛应应用用肖特基二极管的肖特基二极管的弱点当当反反向向耐耐压压提提高高时时其其正正向向压压降降也也会会高高得得不不能能满满足足要要求求，因因此此多多用用于于200V200V以下以下反反向向漏漏电电流流较较大大且且对对温温度度敏敏感感，因因此此反反向向稳稳态态损损耗耗不不能能忽忽略略，而而且且必必须须更严格地限制其工作温度更严格地限制其工作温度肖特基二极管的肖特基二极管的优点反向恢复时间很短反向恢复时间很短（1040ns1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型433.肖特基二极管1.2.4电力二极管的主要类型431.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管 1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件441.3半控器件晶闸管1.3.1晶闸管的结构与工1.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶晶闸闸管管（ThyristorThyristor）：晶晶体体闸闸流流管管，可可控控硅硅整整流流器（器（Silicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled RectifierSCR）19561956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell LabBell Lab）发明了晶闸管）发明了晶闸管19571957年年美美国国通通用用电电气气公公司司（GEGE）开开发发出出第第一一只只晶晶闸闸管管产产品品19581958年年商商业业化化，开开辟辟了了电电力力电电子子技技术术迅迅速速发发展展和和广广泛泛应应用的崭新时代用的崭新时代2020世纪世纪8080年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能能承承受受的的电电压压和和电电流流容容量量最最高高，工工作作可可靠靠，在在大大容容量量的的场合具有重要地位场合具有重要地位晶晶闸闸管管往往往往专专指指晶晶闸闸管管的的一一种种基基本本类类型型普普通通晶晶闸闸管管，广广义义上上讲讲，晶晶闸闸管管还还包包括括其其许许多多类类型型的的派派生生器件器件451.3半控型器件晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理外外形形有有螺螺栓栓型型和和平平板型板型两种封装两种封装引引出出阳阳极极A A、阴阴极极K K和和门门极极（控控制制端端）G G三个联接端三个联接端对对于于螺螺栓栓型型封封装装，通通常常螺螺栓栓是是其其阳阳极极，能能与与散散热热器器紧紧密密联联接且安装方便接且安装方便平平板板型型封封装装的的晶晶闸闸管管可可由由两两个个散散热热器器将其夹在中间将其夹在中间图图1-6晶闸管的外形晶闸管的外形a)、结构结构b)和电气图形符号和电气图形符号c)与二极管的区别？与二极管的区别？461.3.1晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型双晶体管模型b)工作原理工作原理471.3.1晶闸管的结构与工作原理图1-7晶闸管1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.1.静态特性静态特性承承受受反反向向电电压压时时，不不论论门门极极是是否否有有触触发发电电流流，晶晶闸闸管都不会导通；管都不会导通；伏安特性类似二极管的反向特性伏安特性类似二极管的反向特性;承承受受正正向向电电压压时时，仅仅在在门门极极有有触触发发电电流流的的情情况况下下晶晶闸管才能开通，或：闸管才能开通，或：（p42 T1 p42 T1 参考答案）参考答案）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要要使使晶晶闸闸管管关关断断，只只能能使使晶晶闸闸管管的的电电流流降降到到接接近近于于零的某一数值以下。零的某一数值以下。481.3.2晶闸管的基本特性1.静态特性481.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性第第I I象限的是正向特性象限的是正向特性 第第IIIIII象限的是反向特性象限的是反向特性断态重复峰值电压断态重复峰值电压 U UDRMDRM反向重复峰值电压反向重复峰值电压 U URRMRRM正向转折电压正向转折电压 U Ubobo维持电流维持电流 I IH H断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压U UDSMDSM反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压U URSMRSM图图1-8 1-8 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性I IG2G2 I IG1G1 I IG G491.3.2晶闸管的基本特性第I象限的是正向特性1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶晶闸闸管管的的门门极极触触发发电电流流从从门门极极流流入入晶晶闸闸管管，从从阴阴极流出极流出 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端门门极极触触发发电电流流也也往往往往是是通通过过触触发发电电路路在在门门极极和和阴阴极之间施加触发电压而产生的极之间施加触发电压而产生的晶晶闸闸管管的的门门极极和和阴阴极极之之间间是是PNPN结结J J3 3，其其伏伏安安特特性性称称为为门门极极伏伏安安特特性性。为为保保证证可可靠靠、安安全全的的触触发发，触触发发电电路路所所提提供供的的触触发发电电压压、电电流流和和功功率率应应限限制制在可靠触发区。在可靠触发区。501.3.2晶闸管的基本特性晶闸管的门极触发电流从门极流入1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性I IG G=0=0时时，器器件件两两端端施施加加正正向向电电压压，正正向向阻阻断断状状态态，只只有有很很小小的的正正向向漏漏电电流流流流过过，正正向向电电压压超超过过临临界界极极限限即即正正向向转折电压转折电压U Ub bo o，则漏电流急剧增大，器件开通，则漏电流急剧增大，器件开通随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V1V左右左右导导通通期期间间，如如果果门门极极电电流流为为零零，并并且且阳阳极极电电流流降降至至接接近近于于零零的的某某一一数数值值I IH H以以下下，则则晶晶闸闸管管又又回回到到正正向向阻阻断断状状态态。I IH H称为维持电流称为维持电流。（p42 T2 p42 T2 参考答案）参考答案）511.3.2晶闸管的基本特性IG=0时，器件两端施加正向电1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.动态特性动态特性图图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形延迟时间延迟时间t td d、上升时间、上升时间t tr r、开通时间、开通时间t tgt gt td+tr反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr、正向阻断恢、正向阻断恢复时间复时间t tgrgr、关断时间、关断时间t tq q（t tq q=t trrrr+t tgrgr）521.3.2晶闸管的基本特性2.动态特性延迟时间t1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1)1)开通过程开通过程延延迟迟时时间间t td d：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%10%的时间上上升升时时间间t tr r：阳极电流从10%上升到稳态值的90%90%所需的时间开通时间开通时间t tgtgt以上两者之和，tgt=td+tr （1-6）普通晶闸管延迟时间为：0.51.50.51.5 s s，上升时间为：0.530.53 s s531.3.2晶闸管的基本特性1)开通过程531.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2)2)关断过程关断过程反反向向阻阻断断恢恢复复时时间间t trrrr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正正向向阻阻断断恢恢复复时时间间t tgrgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作 关关断断时时间间t tq q：t tr rr与t tgrgr之和，即 t tq q=t trrrr+t tgrgr （1-7)）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。541.3.2晶闸管的基本特性2)关断过程541.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.1.电压定额电压定额1)1)断断态态重重复复峰峰值值电电压压U UDRMDRM在在门门极极断断路路而而结结温温为为额定值时，允许重复加在器件上的额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。正向峰值电压。2)2)反反向向重重复复峰峰值值电电压压U URRMRRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3)3)通通态态（峰峰值值）电电压压U UTMTM晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定定倍倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通通常常取取晶晶闸闸管管的的U UDRMDRM和和U URRMRRM中中较较小小的的标标值值作作为为该该器器件件的的额额定定电电压压。选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2323倍倍551.3.3晶闸管的主要参数1.电压定额551.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.电流定额电流定额1)通态平均电流通态平均电流IT(AV)额定电流额定电流-晶晶闸闸管管在在环环境境温温度度为为40 C和和规规定定的的冷冷却却状状态态下下，稳稳定定结结温温不不超超过过额额定定结结温温时时所所允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半波电流的平均值。半波电流的平均值。使使用用时时应应按按实实际际电电流流与与通通态态平平均均电电流流有有效效值值相相等等的原则来选取晶闸管的原则来选取晶闸管应留一定的裕量，一般取应留一定的裕量，一般取1.52倍倍561.3.3晶闸管的主要参数2.电流定额561.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2)2)维持电流维持电流 I IH H 使晶闸管维持导通所必需的最小电流（p42 p42 T2 T2 答案）答案）一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则I IH H越小n3)3)擎住电流擎住电流 I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说，通常I IL L约为I IH H的24倍n4)4)浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过 额定结温的不重复性最大正向过载电流571.3.3晶闸管的主要参数2)维持电流IH51.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3.3.动态参数动态参数 除开通时间t tgtgt和关断时间t tq q外，还有：(1)(1)断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率 (2)(2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt t 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏581.3.3晶闸管的主要参数3.动态参数581.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件(自学）自学）1.1.快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)Fast Switching ThyristorFST)普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管1010 s s左右2.2.双双 向向 晶晶 闸闸 管管（Triode Triode AC AC SwitchTRIACSwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor）与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多3.3.逆导晶闸管逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCTReverse Conducting ThyristorRCT）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件4.4.光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTTLight Triggered ThyristorLTT）又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管,功率更大场合，3.5kA/8kV，装置最高达300MVA，容量最大591.3.4晶闸管的派生器件(自学）1.快速晶闸管（Fas1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（自学）（自学）1.4.2 1.4.2 电力晶体管电力晶体管（自学）（自学）1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管601.4典型全控型器件1.4.1门极可关断晶1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管611.4典型全控型器件20世纪80年代以来，信息电子技术与1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.1.电力电力MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 电力电力MOSFETMOSFET的种类的种类按导电沟道可分为P P沟道沟道和N N沟道沟道 耗耗尽尽型型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增增强强型型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N N沟道增强型沟道增强型621.4.3电力场效应晶体管1.电力MOSFET的结构和1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理图图1-19 电力电力MOSFET的结构和电气图形符号的结构和电气图形符号a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b)电气图形符号电气图形符号截止：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过绝缘栅绝缘栅反型层反型层P-NP-N漏极漏极源极源极栅极栅极631.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的工作原理1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管导电：在栅源极间加正电压导电：在栅源极间加正电压UGS栅栅极极是是绝绝缘缘的的，所所以以不不会会有有栅栅极极电电流流流流过过。但但栅栅极极的的正正电电压压会会将将其其下下面面P P区区中中的的空空穴穴推推开开，而而将将P P区区中中的的少少子子电电子子吸吸引引到到栅栅极极下下面面的的P P区表面区表面当当U UGSGS大大于于U UT T（开开启启电电压压或或阈阈值值电电压压）时时，栅栅极极下下P P区区表表面面的的电电子子浓浓度度将将超超过过空空穴穴浓浓度度，使使P P型型半半导导体体反反型型成成N N型型而而成成为为反反型型层层，该该反反型型层层形形成成N N沟沟道道而而使使PNPN结结J J1 1消消失失，漏漏极极和和源源极极导导电电641.4.3电力场效应晶体管导电：在栅源极间加正电压UGS1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.电力电力MOSFET的基本特性的基本特性n1)静态特性静态特性图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性转移特性b)输出特性输出特性漏极电流I ID D和栅源间电压U UGSGS的关系称为MOSFET的转移特性转移特性I ID D较大时，I ID D与与U UGSGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导G Gfsfs饱和指漏源电压饱和指漏源电压增加时漏极电流增加时漏极电流不再增加不再增加651.4.3电力场效应晶体管2.电力MOSFET的基本特1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：截止区饱和区非饱和区电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利截止区截止区 非饱非饱和区和区661.4.3电力场效应晶体管MOSFET的漏极伏安特性：1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2)动态特性动态特性图图1-21电力电力MOSFET的开关过程的开关过程a)测试电路测试电路b)开关过程波形开关过程波形up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻，RG栅极电阻，栅极电阻，RL负载电阻，负载电阻，RF检测漏极电流检测漏极电流,:从开启电压从开启电压上升到上升到MOSFET进入非饱和区的栅进入非饱和区的栅压压这段时间称为上升时间这段时间称为上升时间671.4.3电力场效应晶体管2)动态特性671.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管开通过程开通过程开开通通延延迟迟时时间间t td(on)d(on)u up p前沿时刻到uGS=UT并开始出现i iD D的时刻间的时间段上上升升时时间间t tr r u uGSGS从从u uT T上升到MOSFET进入非饱和区的栅压U UGSPGSP的时间段i iD D稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定U UGSPGSP的大小和i iD D的稳态值有关U UGSGS达到U UGSPGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但i iD D已不变开通时间开通时间t tonon开通延迟时间与上升时间之和681.4.3电力场效应晶体管开通过程681.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管关断过程关断过程 关断延迟时间t td(off)d(off)u up p下降到零起，C Cinin通过R Rs s和RG放电，u uGSGS按指数曲线下降到U UGSPGSP时，i iD D开始减小止的时间段下降时间t tf u uGSGS从U UGSPGSP继续下降起，i iD D减小，到u uGSGS 20V将导致绝缘层击穿4)4)极间电容极间电容 极间电容C CGSGS、C CGDGD和C CDSDS 厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共 源极输出电容C Cossoss和反向转移电容C Crssrss711.4.3电力场效应晶体管3.电力MOSFET的主要参1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 C Cississ=C CGSGS+C CGD GD （1-141-14）C Crssrss=C CGDGD （1-151-15）C Cossoss=C CDSDS+C CGDGD （1-161-16）n输入电容可近似用Ciss代替n这些电容都是非线性的n漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区n一 般 来 说，电 力 MOSFET不 存 在 二 次 击 穿 问 题，这是它的一大优点n实际使用中仍应注意留适当的裕量721.4.3电力场效应晶体管Ciss=MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管73MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT Transistor IGBT或或IGTIGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位，制造水平2.5kV/1.8kA。741.4.4绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insula1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.IGBT1.IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图图1-22 IGBT的结构的结构a)