第2章电力电子器件与变换电路1.ppt

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1、1,电力电子与现代生活 Power Electronics Technology and Modern Life,电力电子与现代生活,第 2 章 电力电子器件与变换电路,3,第一部分 电子器件与电力电子器件,2.1 半导体基本知识 2.2 半导体二极管及电力二极管 2.3 半导体三极管及电力三极管 2.4 半控型器件晶闸管 2.5 门极可关断晶闸管GTO 2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ） 2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT,第2章 电力电子器件与变换电路,4,概述,概述： 由前一章我们知道，电力电子器件又称为电力电子开关、功率开关、或开关器件，那么它与我们常见的电力开关有什么不同呢？

2、 电力开关： 构成材料：金属（铜等）、机械结构 工作原理：借助外力或电磁力，使触头接通或断开。 工作频率：不能频繁操作，无法用频率描述（0.01Hz） 应用场合：用于电路的接通或断开，不能改变电能的性质。 特 点： 接通后，接通电阻为零，无电压降落； 断开后，电阻为无穷大，没有漏电流。,5,电力开关类型：,概述,6,概述,7,概述,8,电磁接触器,概述,9,电力电子开关： 构成材料：半导体材料，有内阻，集成结构。 工作原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。 工作频率：能频繁操作，不同的器件，工作频率不同，如： 晶闸管：50Hz 几kHz IGBT: 5kHz 50kHz MOSFET:

3、几kHz 几MHz 应用场合：电路的接通或断开，或电能变换。 特点： 接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落； 断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。,概述,10,2.1.1 导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：有的物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。,2.1

4、半导体的基本知识,11,2.1 半导体的基本知识,在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电,用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。,2.1.2 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键结构,束缚电子,12,2.1 半导体的基本知识,2.1.3 N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）而形成，也称为 电子型半导体。,半导体掺杂 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大增加。,13,2.1 半导体的基本知识,掺入五价元素

5、后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体 或 N型半导体。 掺杂浓度越大，自由电子数目越多，导电能力越强。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,14,2.1 半导体的基本知识,2.1.4 P 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元 素，如硼(或铟)而形成，也称为 空穴型半导体。,15,2.1 半导体的基本知识,掺入三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,16,2.1.5 PN结,形成空间电荷区,扩散的结果使空间电荷区

6、变宽。,内电场,内电场越强，漂移运动越强，扩散运动越弱,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,1 . PN结的形成,17,2.1.5 PN结,18,2.1.5 PN结,19,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。 二极管主要特点：单向导电性。 主要分为：电子学上的小功率半导体二极管； 电力电子学上的功率型电力二极管。 2.2.1 二极管的主要结构： (a) 点接触型: 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波等高频电路。 (b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。 (c) 平面型 用

7、于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,20,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管的结构示意图,21,2 .2 半导体二极管及电力二极管,电力二极管的结构示意图,图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号,22,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管的外形：,2.2.2 二极管的伏安特性：,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V 锗

8、0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,24,2.2.3 二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 处于反向截止状态，反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性，二极管损坏。,25,2.2.3 二极管的单向导电性,RL,ui,uo,二极管的应用举例1：二极管半波整流,26,二极管的应用举例2：二极管桥式整流,2.2.4 特殊二极管 稳压二极管,1. 符号,2. 伏安特性,

9、稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,28,2.2.4 特殊二极管发光二极管,发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，它包含了可见光、不可见光、激光等类型。,可见光发光二极管也称为LED，符号如图所示。发光颜色目前有红色、绿色、橙色、黄色、白色等。发光二极管的电特性与普通二极管一样，伏安特性曲线也类似，同样具有单向导电性。但正向导通电压比普通二极管高，红色的导通电压在1.61.8V间，绿色的为2V左右。,符号,29,2.2.4 特殊二极管光电二极管,光电二极管是一种将光能转换为电能的

10、半导体器件。也有可见光和不可见光（如远红外光）之分。其外形与发光管类似。,光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。当有光照时, 产生的反向电流称为光电流。照度E越强，光电流也越大。光电流很小, 一般只有几十微安, 应用时必须放大。,符号：,光耦合器,30,2.3 半导体三极管及电力三极管,2.4. 1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,31,基区：厚度最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,2.3.2 三极管的结构特点：,集电区： 面积最大,基极,发射极,集电

11、极,32,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,基极-发射极：,基极,发射极,33,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,基极-集电极：,基极,集电极,34,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,IE,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,最重要特性：电流放大,35,2.3.4 三极管的外形普通三极管,按功率大小分： 普通三极管 电力三极管,36,2.3.4 三极管的外形电力三极管（GTR）,37,2.3.5 电力三

12、极管（GTR）的常见结构,1达林顿GTR 达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定。如图4-2，图中：V1为驱动管、V2为输出管 。,达林顿GTR a)NPN型 b)PNP型 c)实用达林顿电路,38,2.3.5 电力三极管（GTR）的常见结构,2. GTR模块 GTR模块:它将GTR管芯、稳定电阻R1、R2，加速二极管VD1以及续流二极管VD2等构成一个单元，根据不同用途将几个单元电路组装在个外壳之内构成模块。 将上述单元电路集成制作在同一硅片上，大大提高了器件的集成度。 特点：小型轻量化、性能/价格比提高,39,2.3.5 电力三极管（GT

13、R）的常见结构,实例：几类达林顿GTR及其辅助元器件构成的模块。,40,2.3.5 电力三极管（GTR）的常见结构,GTR模块外形： 两个单元，四重达林顿,41,2.3.6 三极管的三种工作状态,三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态、饱和状态。当三极管用于不同目的时，它的工作状态是不同的。 三种状态也叫三个工作区域 即：截止区、放大区和饱和区： 截止区：当 B 极无电流时，三极管截止，C到E之间阻值无穷大，C到E之间无电流通过。 放大区：B极有电流，IC和IE都随IB改变而变化 饱和区：当集电结电流IC增大到最大时，进入饱和区。饱和时，集电极和发射之间的内阻最小，集电极和发射之间的电流最大

14、。 普通三极管：放大状态、开关状态 电力三极管：开关状态 （= 饱和状态+截止状态）,42,2.4 半控型器件晶闸管,晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管，并于1958年使其商业化。 由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的场合仍然具有比较重要的地位。,晶闸管及模块,2.4.1 引言,43,2.4.2 晶闸管的结构,2.

15、4.2 晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构 。 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体结构。,图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,44,2.4.3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,工作原理 : 1. uak0, uG=0; 3. uak0, uG0; 4. 门极作用; 5. IA=0,2.4.3 晶闸管的工作原理,关键词： 正反馈，饱和,45,2.4.3 晶闸管的工作原理, 正常工作时的特性 总结如下： 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 。

16、-截止 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 。-开通条件 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。-半控 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到零。 -关断条件,46,（1）0 t1 : 开关S未合上，晶闸管未导通；,（2）t1 t2 : uAK 0 ，由于开关S合上，使ug0，即晶闸管导通；,（3）t2 t3 : uAK 0，但 ud=0，即晶闸管关断；,（4）t3 t4 : uAK 0，这时ug 0 ，所以，晶闸管又导通；,（5）t 4 t5 ： ug = 0 ，但uAK 0 ，

17、即晶闸管仍处于导通状态；,（6）t = t5 : uAK = 0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。,实验电路如图：,2.4.3 晶闸管的工作原理,2.4.3 晶闸管的工作原理,47,2.4.4 晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性 正向特性： 正向阻断状态 导通状态 反向特性： 反向阻断状态 反向击穿,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG,48,2.4.5 晶闸管的派生器件双向晶闸管,Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象

18、限有对称的伏安特性。 双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,图2-11 双向晶闸管的电气图形 符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性, 双向晶闸管 （Triode AC SwitchTRIAC 或,49,2.4.5 晶闸管的派生器件双向晶闸管,台灯调光电路,双向晶闸管外形,台灯调光电路波形,50,2.4.5 晶闸管的派生器件光控晶闸管,a),AK,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控

19、晶闸管目前在高压大功率的场合。,图2-13 光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,51,2.4.5 晶闸管的派生器件光控晶闸管,光控晶闸管常用于路灯控制、高压直流输电等场合。,52,2.5 门极可关断晶闸管GTO,2.5.1 概述： 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 晶闸管的一种派生器件。 全控型，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，水平4500A/5000V、1000A/9000V。 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。如电力有源滤波器、直流输电、静止无功补偿

20、等。,53,2.5 门极可关断晶闸管GTO,GTO外形,54,2.5 门极可关断晶闸管GTO,2.5.2 结构 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元。,55,2.5 门极可关断晶闸管GTO,2.5.3 GTO开通原理 与普通晶闸管一样，可以用图示的双晶体管模型来分析。 当阳极加正向电压、门极加触发信号时， GTO导通，具体过程如下：正反馈过程。,器件进入饱和而开通。,56,2.5 门极可关断晶闸管GTO,2.5.4 GTO关断原理 关断过程：是开通过程的逆过程。

21、门极加负脉冲即从门极抽出电流，形成强烈正反馈 IGIb2IK、Ic2IA、Ic1 器件退出饱和而关断。,57,2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ）,2.6.1 概述 绝缘栅型电力场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）。 特点用栅极电压来控制漏极电流。 输入阻抗高，驱动电流小(功率小)，驱动电路简单； 开关速度快，工作频率高； 热稳定性好； 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。,58,2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ）,电力MOSFET 外形,59,2.6 电力场效

22、应管 （电力MOSFET ）,2.6.2 MOSFET结构 MOS 金属(M)极、氧化膜绝缘层(O) 、半导体(S)硅片。 MOSFET 只有一种载流子 (N沟道时是电子，P沟道时是空穴)，从源极(S)出发经漏极(D)流出。,金属 M,氧化物 O,半导体 S,PN结,60,2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ）,2.6.3 工作原理： 1）栅极电压为零(VGS0)时：漏-源间PN结反向偏置，即器件保持关断状态。 2）栅极加正向电压(VGS0)： P区电子被吸向硅表面，栅极下面的硅表面开始出现耗尽区（即电子与空穴复合），接着出现负电荷(电子数空穴数)，硅的表面从P型反型成N型，该反型层称作

23、沟道。,61,2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ）, 此时，沟道处两个PN结消失，在电压VDS的作用下，电子可以从源极、经过沟道、移动到漏极，形成漏极电流ID。 3）栅极加反向电压(VGS0时，则与2)情况相反，在栅极下面的硅表面上因感应而产生空穴，故没有ID电流流过。,62,2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ）,N沟道耗尽型MOSFET (SiO2绝缘层中掺入Na+、K+离子),N沟道增强型MOSFET,两种类型的MOSFET：,63,2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ）,2.6.4 MOSFET提高功率的措施 电力MOSFET在传统器件基础上进行了四项重大改革：,(

24、1) 垂直导电：在硅片底面上安装漏极，实现垂直导电，降低电阻，可获得大电流容量。 (2) 设置高电阻率N漂移区：不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并且使沟道长度稳定。,(3) 双重扩散技术：代替光刻工艺控制沟道长度，实现精确的短沟道制作，降低沟道电阻，提高工作速度。 （4）采用多元集成结构。,64,2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT,2.7.1 概述 GTR的特点双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂； 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； 绝缘栅双极晶体管（Insulated-g

25、ate Bipolar Transistor IGBT），两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件。 GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性,65,2.7 绝缘栅双极晶体管 IGBT,IGBT外形,66,2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT,2.7.2 发展简史： 1983年，美国GE公司和RCA公司研制成功。 第一代IGBT，1986年投入市场，特点：低损耗，通态压降高（3V），容量小，有擎住现象，速度低。 第二代IGBT，1989投产，高速开关型和低压降型（2V左右），速度、容量均提高，抑制擎住现像。 第三代IGBT，1995左右投产，性能进一步提高。 第四代IGBT

26、，采用沟槽技术以降低饱和压降； 智能化集成IGBTIPM，内置IGBT、驱动电路、过流过热过压保护，PWM电路等。,67,2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT,2.7.3 IGBT的结构 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,68,2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT,2.7.4 IGBT的工作原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 阻断： uCE 0时，J1结反偏，不论uGE如何，器件不导通。 uGE小于开启电压UT时，MOSFET内不能形成沟道。 导通： uGE大于开启电压UT时，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 关断：栅-射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,69,2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT,GTR是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，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。 绝缘栅双极晶体管IGBT ：综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性，是目前应用最广泛的器件。,70,71,