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第二章電力電子器件 本章要點 常用電力電子器件的結構和工作原理 常用電力電子器件的應用特點 智能電力模塊及其應用 技能目標 會分析常用電力電子器件的特性曲線 掌握常用電力電子器件的測試方法 會利用相關設備做電力電子器件的試驗 2 1電力二極管電力二極管 PowerDiode PD 是指可以承受高電壓 大電流 具有較大耗散功率的二極管 它與其他電力電子器件相配合 作為整流 續(xù)流 電壓隔離 鉗位或保護元件 在各種變流電路中發(fā)揮著重要作用 2 1 1結構與伏安特性1 結構電力二極管的內部結構也是一個PN結 其面積較大 電力二極管引出兩個極 分別稱為陽極A和陰極K 如圖2 1所示 圖2 1 2 伏安特性電力二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關系稱為伏安特性 如圖2 2所示 當從零逐漸增大二極管的正向電壓時 開始陽極電流很小 這 一段特性曲線很靠近橫坐標軸 當正向電壓大于0 5V時 正向陽極電流急劇上升 管子正向導通 如果電路中不接限流元件 二極管將被燒毀 圖2 2 2 1 2主要參數1 額定電流 正向平均電流 IF2 反向重復峰值電壓URRM3 正向平均電壓UF4 最高工作結溫TJM2 1 3電力二極管的參數選擇及使用注意事項1 參數選擇 1 額定正向平均電流IF的選擇原則 2 額定電壓URRM的選擇原則 2 電力二極管使用注意事項 1 必須保證規(guī)定的冷卻條件 如強迫風冷 如不能滿足規(guī)定的冷卻條件 必須降低使用的容量 如規(guī)定風冷元件使用在自冷條件時 只允許用到額定電流的1 3左右 2 平板形元件的散熱器一般不應自行拆裝 3 嚴禁用兆歐表檢查元件的絕緣情況 如需檢查整機的耐壓 應將元件短接 2 2晶閘管 晶閘管 SilliconControlled SCR 是硅晶體管的簡稱 包括普通晶閘管 雙向晶閘管 可關斷晶閘管 逆導晶閘管和快速晶閘管等 2 2 1晶閘管的圖像符號 圖2 3晶閘管的圖形符號 晶閘管的種類很多 從外形上看主要有螺栓形和平板形 3個引出端分別叫做陽極A 陰極K和門極G 2 2 2晶閘管的工作原理晶閘管是四層 P1 N1 P2 N2 3端器件 有J1 J2 J3三個PN結 如圖2 4所示 晶閘管具有單向導電特性和正向導通的可控性 需要導通時必須同時具備以下兩個條件 圖2 4晶閘管的內部工作過程 1 晶閘管的陽極 陰極之間加正向電壓 2 晶閘管的門極 陰極之間加正向觸發(fā)電壓 且有足夠的門極電流 晶閘管承受正向陽極電壓時 為使晶閘管從關斷變?yōu)閷?必須使承受反向電壓的PN結失去阻斷作用 每個晶體管的集電極電流是另一個晶體管的基極電流 兩個晶體管相互復合 當有足夠的門極電流Ig時 就會形成強烈的正反饋 即 兩個晶體管迅速飽和導通 即晶閘管飽和導通 晶閘管一旦導通 門極即失去控制作用 因此門極所加的觸發(fā)電壓一般為脈沖電壓 晶閘管從阻斷變?yōu)閷ǖ倪^程稱為觸發(fā)導通 要使導通的晶閘管阻斷 必須將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下 2 2 3晶閘管的陽極伏安特性晶閘管的陽極與陰極之間的電壓和電流之間的關系 稱為陽極伏安特性 其伏安特性曲線如圖2 5所示 圖2 5晶閘管的陽極伏安特性曲線 2 2 4晶閘管的參數1 額定電壓UTN選擇時應注意留有充分的裕量 一般應按工作電路中可承受到的最大瞬時值電壓UTM的2 3倍來選擇晶閘管的額定電壓 即 2 額定電流IT AV 由于晶閘管的過載能力差 在實際應用時額定電流一般取1 5 2倍的安全裕量 即 式中 IT為正弦半波電流的有效值 3 通態(tài)平均電壓UT AV 4 其他參數 1 維持電流IH 2 擎住電流IL 3 通態(tài)浪涌電流ITSM 4 斷態(tài)電壓臨界上升率du dt 5 通態(tài)電流臨界上升率du dt 2 2 5晶閘管的門極伏安特性及主要參數1 門極伏安特性 圖2 6晶閘管門極伏安特性 2 門極主要參數 1 門極不觸發(fā)電壓UGD和門極不觸發(fā)電流IGD 2 門極觸發(fā)電壓UGT和門極觸發(fā)電流IGT 3 門極正向峰值電壓UGM 門極正向峰值電IGM 和門極峰值功率PGM 2 3門極可關斷晶閘管 門極可關斷 GateTurn Off GTO 晶閘管 它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點 但它還具有自關斷能力 屬于全控器件 在質量 效率及可靠性方面有著明顯的優(yōu)勢 成為被廣泛應用的自關斷器件之一 2 3 1GTO晶閘管的結構門極可關斷晶閘管的結構與普通晶閘管相似 也為PNPN4層半導體結構 三端 陽極A 陰極K 門極G 器件 內部結構 等效電路及符號如圖2 7所示 2 3 2GTO晶閘管的工作原理當GTO晶閘管的陽極加有正向電壓 門極加有正向觸發(fā)電流IG時 通過N1P2N2晶體管的放大作用使IC2和IK增加 IC2又作為晶體管P1N1P2的基極電流 經晶體管P1N1P2放大使IC1和IA增加 IC1又作為N1P2N2晶體管的基極電流 使IC2和IK進一步增加 增強式強烈的正反饋過程 使GTO晶閘管很快飽和導通 圖2 7GTO晶閘管的內部結構 等效電路及符號 當GTO晶閘管已處于導通狀態(tài)且陽極電流為IA時 對門極加負的關斷脈沖 形成 IG 相當于將IC1的電流抽出 使N1P2N2晶體管的基極電流減少 從而使IC2和IK減少 IC2的減少又使IA減少 也使IC2減少 也是一個正反饋過程 但它是衰減式的 當IA和IK的減少使 1時 等效晶體管P1N1P2和N1P2N2退出飽和 GTO晶閘管不再滿足維持導通的條件 陽極電路很快下降到零而關斷 為了表征門極對GTO晶閘管關斷的控制作用 引入門極控制增益 可表示為 式中 IG 0時的表示關斷增益 2 3 3GTO晶閘管的特性1 陽極伏安特性GTO晶閘管的陽極伏安特性與普通晶閘管相似 如圖2 8所示 圖2 8GTO晶閘管的陽極伏安特性 2 GTO晶閘管的動態(tài)特性圖2 9給出了GTO晶閘管開通和關斷過程中門極電流和陽極電流的波形 圖2 9GTO晶閘管的開通和關斷過程電流波形 2 3 4GTO晶閘管的主要參數1 最大可關斷陽極電流IATO通常將最大可關斷陽極電流作為GTO晶閘管的額定電流 應用中 最大可關斷陽極電流還與工作頻率 門極負電流的波形 工作溫度及電路參數等因素有關 它不是一個固定不變的數值 2 關斷增益3 陽極尖峰電壓4 維持電流5 擎住電流 2 4電力晶體管 電力晶體管GTR GiantTransistor 是一種高反壓晶體管 具有自關斷能力 并有開關時間短 飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點 它被廣泛用于交直流電機調速 中頻電源等電力變流裝置中 2 4 1GTR的結構圖2 10 a 所示為GTR的結構示意圖 圖2 10 b 所示為GTR模塊的外形 圖2 10 c 所示為其等效電路 圖2 10GTR模塊 2 4 2GTR的主要參數 1 開路阻斷電壓UCEO 基極開路時 集電極 發(fā)射極間能承受的電壓值 2 集電極最大持續(xù)電流ICM 當基極正向偏置時 集電極能流入的最大電流 電流增益hFE 集電極電流與基極電流的比值稱為電流增益 也叫電流放大倍數或電流傳輸比 集電極最大耗散功率PCM 指GTR在最高允許結溫時所消耗的功率 它受結溫限制 其大小由集電結工作電壓和集電極電流的乘積決定 5 開通時間ton 包括延遲時間td和上升時間tr 6 關斷時間toff 包括存儲時間ts和下降時間tf 2 4 3二次擊穿現(xiàn)象當集電極電壓UCE逐漸增加到某一數值時 集電結的反向電流IC急劇增加 出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象 首次出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象稱為一次擊穿 這種擊穿是正常的雪崩擊穿 這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的方法加以控制 只要適當限制晶體管的電流 或功耗 流過集電結的反向電流就不會太大 如果進入擊穿區(qū)的時間不長 一般不會引起GTR的特性變壞 但是 一次擊穿后若繼續(xù)增大偏壓UCE 而外接限流電阻又不變 反向電流IC將繼續(xù)增大 此時若GTR仍在工作 GTR將迅速出現(xiàn)大電流 并在極短的時間使器件內出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點 電流急劇增長 此現(xiàn)象便稱為二次擊穿 一旦發(fā)生二次擊穿 輕者使GTR電壓降低 特性變差 重者使集電結和發(fā)射結熔通 使晶體管被永久性損壞 2 4 4GTR的驅動電路模塊1 對驅動電路的要求 1 驅動電路應對主電路和控制電路有電氣隔離作用 2 電力晶體管開通時 驅動電流應有足夠陡的前沿 并有一定的過沖 以加速開通過程 減小損耗 3 功率晶體管導通期間 在任何負載下基極電流都應使晶體管飽和導通 為降低飽和壓降 應使晶體管過飽和 而縮短存儲時間 應使晶體管臨界飽和 兩種情況要綜合考慮 4 關斷時 應提供幅值足夠大的反向基極電流 并加反偏截止電壓 以加快關斷速度 減小關斷損耗 5 驅動電路應有較強的抗干擾能力 并有一定的保護功能 2 驅動電路的隔離主電路和控制電路之間的電氣隔離一般采用光隔離或磁隔離 常用的光隔離有普通 高速 高傳速比幾種類型 如圖2 11所示 圖2 11光隔離耦合的類型 磁隔離的元件通常是隔離變壓器 為避免脈沖較寬時鐵芯飽和 通常采用高頻調制和解調的方法 2 5電力場效應晶體管電力場效應晶體管簡稱電力MOSFET PowerMOSField EffectTransistor P MOSFET 它是對功率小的電力MOSFET的工藝結構進行改進 在功率上有所突破的單極性半導體器件 屬于電壓控制型 具有驅動功率小 控制線路簡單 工作頻率高的特點 2 5 1電力場效應管的結構與工作原理1 電力MOSFET的結構 圖2 12電力MOSFET的結構和符號 2 電力MOSFET的工作原理當漏極接電源正極 源極接電源負極 柵 源極之間的電壓為零或為負時 P型區(qū)和N 型漂移區(qū)之間的PN結反向 漏 源極之間無電流流過 如果在柵極和源極間加正向電壓UGS 由于柵極是絕緣的 不會有電流 但柵極的正電壓所形成的電場的感應作用卻會將其下面的P型區(qū)中的少數載流子電子吸引到柵極下面的P型區(qū)表面 當UGS大于某一電壓值UT時 柵極下面的P型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度 使P型反型成N型 溝通了漏極和源極 此時 若在漏極之間加正向電壓 則電子將從源極橫向穿過溝道 然后垂直 即縱向 流向漏極 形成漏極電流ID 電壓UT稱為開啟電壓 UGS超過UT越多 導電能力就越強 漏極電流ID也就越大 2 5 2電力MOSFET的特性1 轉移特性如圖2 13所示 2 輸出特性如圖2 14所示 圖2 13轉移特性圖2 14輸出特性圖 3 開關特性 如圖2 15所示 圖2 15電力MOSFET的開關特性 2 5 3電力MOSFET的主要參數1 漏源擊穿電壓BUDS2 漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM3 柵源擊穿電壓BUGS4 極間電容電力MOSFET不存在二次擊穿問題 這是它的一個優(yōu)點 漏 源間的耐壓 漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū) 在實際使用中 應注意留有適當的裕量 2 6絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 InsulatedGateBiopolarTransistor IGBT 是20世紀80年代中期發(fā)展起來的一種新型器件 它綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點 既有GTR耐高電壓 電流大的特點 又兼有單極型電壓驅動器件MOSFET輸入阻抗高 驅動功率小等優(yōu)點 目前在20kHz及以下中等容量變流裝置中得到廣泛應用 已取代了GTR和功率MOSFET的一部分市場 成為中小功率電力電子設備的主導器件 近年來 開發(fā)的第三代 第四代IGBT可使裝置工作頻率提高到50 100kHz 電壓和電流容量進一步提高 大有全面取代上述全控型器件的趨勢 2 6 1IGBT的結構與基本工作原理圖2 16所示為IGBT的結構剖面圖 其等效電路與圖形符號如圖2 17所示 圖2 16IGBT的結構剖面 2 17IGBT等效電路與圖形符號 IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同 它是一種場控器件 其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE控制的 當UGE為正且大于開啟電壓UT時 功率MOSFET內形成導電溝道 其漏源電流作為內部GTR的基極電流 從而使IGBT導通 此時從P 注入N 區(qū)的空穴對N 區(qū)進行電導調制 減小了N 區(qū)的電阻RN 使IGBT獲得低導通壓降 當柵極與發(fā)射極間不加信號或施加反向電壓時 功率MOSFET內的導電溝道消失 GTR的基極電流被切斷 IGBT隨即關斷 2 6 2IGBT的基本特性1 靜態(tài)特性 1 轉移特性用來描述IGBT集電極電流iC與柵 射電壓UGE之間的關系 如圖2 18 a 所示 2 輸出特性 如圖2 18 b 描述以柵 射電壓為參變量時 集電極電流iC與集 射極間電壓UCE之間的關系 圖2 18IGBT的靜態(tài)特性 2 動態(tài)特性IGBT的動態(tài)特性包括開通過程和關斷過程 如圖2 19所示 圖2 19IGBT的開通與關斷過程 1 開通過程IGBT的開通過程與功率MOSFET的開通過程相類似 2 關斷過程欲使IGBT關斷時 給柵極施加反向脈沖電壓 UGM 2 6 3IGBT的主要參數集 射極額定電壓UCES 2 柵 射極額定電壓UGES 柵 射極開啟電壓UGE th 4 集電極額定電流IC 5 集 射極飽和電壓UCEO 2 6 4IGBT的驅動電路1 IGBT對柵極驅動電路的特殊要求2 IGBT柵極驅動電路應滿足的條件柵極驅動條件與IGBT的特性密切相關 設計柵極驅動電路時 應特別注意開通特性 負載短路能力和引起的誤觸發(fā)等問題 柵極串聯(lián)電阻 柵極驅動電壓的上升率 下降率對IGBT的開通和關斷過程有較大的影響 2 7集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管 IntegratedGateCommutatedThysristor IGCT 是1996年問世的一種新型半導體開關器件 2 7 1IGCT的結構IGCT是將門極驅動電路與門極換流晶閘管 GCT 集成為一個整體形成的 門極換流晶閘管 GCT 是基于GTO晶閘管結構的一種新型電力半導體器件 它不僅有與GTO晶閘管相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降 而且有與IGBT相同的開關性能 即它是GTO晶閘管和IGBT相互取長補短的結果 是一種較理想的兆瓦級 中壓開關器件 非常適合用于6kV和10kV的中壓開關電路 圖2 20所示為IGCT的原理框圖和電路符號 圖2 20IGCT原理框圖和電路符號 IGCT和GTO晶閘管相比 IGCT的關斷時間降低了30 功耗降低了40 IGCT不需要吸收電路 IGCT在使用時只需將它連接到一個20V電源和一根光纖上就可以控制它的導通和關斷 2 7 2IGCT的特點IGCT具有快速開關功能 具有導電損耗低的特點 在各種高電壓 大電流應用領域中的可靠性更高 IGCT裝置中的所有元件裝在緊湊的單元中 降低了成本 IGCT采用電壓源型逆變器 與其他類型變頻器的拓撲結構相比 結構更簡單 效率更高 優(yōu)化的技術只需更少的器件 相同電壓等級的變頻器采用IGCT的數量只需低壓IGBT的1 5 并且 由于IGCT損耗很小 所需的冷卻裝置較小 因而內在的可靠性更高 更少的器件還意味著更小的體積 因此 使用IGCT的變頻器比使用IGBT的變頻器簡潔 可靠性高 盡管IGCT變頻器不需要限制的緩沖電路 但是IGCT本身不能控制du dt 這是IGCT的主要缺點 所以為了限制短路電流上升率 在實際電路中常串入適當電抗 2 8MOS控制晶閘管MOS控制晶閘管 MOSControlledThyristor MCT 是一種單極型和雙極型結合而形成的復合器件 輸入側為MOSFET結構 因而輸入阻抗高 驅動功率小 工作頻率高 而輸出側為晶閘管結構 能夠承受高電壓 通過大電流 這是一種很有發(fā)展前途的器件 2 8 1MCT的結構與工作原理MCT是在晶閘管結構基礎上又制作了兩只MOSFET 其中用于控制MCT導通的那只MOSFET稱為開通場效應晶體管 ON FET 用于控制阻斷的那只MOSFET稱為關斷場效應晶體管 OFF FET 根據開通場效應晶體管的溝道類型不同 可分為P MCT和N MCT兩種 圖2 21為P MCT一個單細胞的等效電路及圖形符號 2 8 2MCT的主要參數 1 斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 是MCT的陽極和陰極之間的最大允許電壓 2 反向重復峰值電壓URRM 是MCT的陰極和陽極之間的最大允許電壓 3 陰極連續(xù)電流IK 在某一結溫下 器件允許連續(xù)通過的電流 4 峰值可控電流ITC 當MCT通過門極信號換向時 額定關斷的最大陰極電流 圖2 21P MCT的單細胞等效電路及圖形符號 2 9靜電感應晶體管靜電感應晶體管 StaticInductionTransistor SIT 是一種電壓型控制器件 具有工作頻率高 輸入阻抗高 輸出功率大 放大線性度好 無二次擊穿現(xiàn)象 熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點 廣泛應用于超聲波功率放大 雷達通信 開關電源和高頻感應加熱等方面 2 9 1SIT的基本結構和工作原理SIT的基本結構與電路圖形符號如圖2 22所示 圖2 22SIT的基本結構與圖形符號 2 9 2SIT的特性伏安特性是指SIT的漏 源電壓UDS與漏極電流ID之間的關系 圖2 23表示了SIT的典型伏安特性 圖2 23SIT的典型伏安特性曲線 2 9 3SIT的極限參數 1 柵 源擊穿電壓UGSO 在漏極開路時柵 源之間可承受的最高反向電壓 2 柵 漏擊穿電壓UGDO 在源極開路時柵 源之間可承受的最高反向電壓 3 最大漏極電流IDmax 是指器件工作時漏極允許通過的最大峰值電流 4 允許功耗PT 是指SIT允許的最大耗散功率 2 10智能功率模塊智能功率模塊 IntelligentPowerModule IPM 是一種混合集成電路 是IGBT智能化功率模塊的簡稱 它以IGBT為基本功率開關器件 將驅動 保護和控制電路的多個芯片通過焊絲 或銅帶 連接 封入同一模塊中 形成具有部分或完整功能的 相對獨立的單元 如構成單相或三相逆變器的專用模塊 用于電動機變頻調速裝置 圖2 24所示為內部只有一支IGBT的IPM產品的內部框圖 模塊內部主要包括欠壓保護電路 IGBT驅動電路 過流保護電路 短路保護電路 溫度傳感器及過熱保護電路 門電路和IGBT 圖2 25所示為另一種內部帶有制動電路和兩個IGBT的半橋式IPM模塊內部結構 IPM模塊內部結構大體相同 都是集功率變換 驅動及保護電路于一體 使用時 只需為各橋臂提供開關控制信號和驅動電源 特別適用于正弦波輸出的變壓變頻 VVVF 式變頻器中 圖2 24IPM系列產品的內部框圖 圖2 25IPM模塊內部結構 由于IPM模塊內部具有多種保護功能 即便是內部的IGBT元件承受過大的電流 電壓 IPM模塊也不會被損壞 所以使用IPM模塊 不但可以提高系統(tǒng)的可靠性 而且可以實現(xiàn)系統(tǒng)小型化 縮短設計時間 本章小結電力二極管 PD 的內部結構是一個PN結 加正向電壓導通 加反向電壓截止 是不可控的單向導通器件 普通晶閘管 SCR 是雙極型電流控制器件 當對晶閘管的陽極和陰極兩端加正向電壓 同時在它的門極和陰極兩端也加正向電壓時 晶閘管開通 但導通后門極便失去控制作用 不能用門極控制晶閘管的關斷 所以它是半控器件 門極可關斷 GTO 晶閘管的開通與晶閘管一樣 但門極加負電壓可使其關斷 所以它是全控器件 電力晶體管 GTR 是雙極型全控器件 工作原理與普通中 小功率晶體管相似 但主要工作在開關狀態(tài) 不用于信號放大 它承受的電壓和電流數值大 電力MOS場效應晶體管 P MOSFET 是單極型全控器件 屬于電壓控制 驅動功率小 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 是復合型全控器件 具有輸入阻抗高 工作速度快 通態(tài)電壓低 阻斷電壓高 承受電流大等優(yōu)點 是功率開關電源和逆變器的理想電力半導體器件 集成門極換流晶閘管 IGCT 是將門極驅動電路與門極換流晶閘管 GCT 集成于一個整體形成的 是較理想的兆瓦級 中壓開關器件 非常適用于6kV和10kV的中壓開關電路 智能功率模塊 IPM 將高速度 低功耗的IGBT與柵極驅動器和保護電路一體化 因此具有智能化 多功能 高可靠性 速度快 功耗小等特點