【正文】 第1章 電力電子器件主要內(nèi)容：各種二極管、半控型器件晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原則，典型全控型器件：GTO、電力MOSFET、IGBT，功率集成電路和智能功率模塊，電力電子器件的串并聯(lián)、電力電子器件的保護(hù)，電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。重點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原則，典型全控型器件。難點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)。基本要求：掌握半控型器件晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，熟練掌握器件的選取原則，掌握典型全控型器件，了解電力電子器件的串并聯(lián)，了解電力電子器件的保護(hù)。1 電力電子器件概述(1) 電力電子器件的概念和特征主電路（main power circuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路；電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件；廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類。兩類中，自20世紀(jì)50年代以來，真空管僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：a. 能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)；其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。b. 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)；導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定；阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定；電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（也就是開關(guān)特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時(shí)，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替c. 實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。d. 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損耗對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素(2) 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號(hào)。由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行，也往往是非常必要的。器件一般有三個(gè)端子（或稱極），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。(3) 電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：a. 半控型器件通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定b. 全控型器件通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件是絕緣柵雙極晶體管（InsulatedGate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GateTurnOff ThyristorGTO）c. 不可控器件不能用控制信號(hào)來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管（Power Diode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應(yīng)器件按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件2 不可控器件電力二極管 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用 快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位（1） PN結(jié)與電力二極管的工作原理 基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣 以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ) 由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝圖11 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)，PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕籔N結(jié)的反向擊穿：有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。PN結(jié)的電容效應(yīng)：PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD勢壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢壘電容為主正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： 正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大（2） 電力二極管的基本特性a 靜態(tài)特性主要指其伏安特性當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。b 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時(shí)間變化的開關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程關(guān)斷過程： 須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖圖12 反向恢復(fù)過程中電流和電壓波形(3) 電力二極管的主要參數(shù)a. 正向平均電流IF(AV)額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 當(dāng)用在頻率較高的場合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小b. 正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降 有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降c. 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3 使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定d. 最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示 最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度 TJM通常在125~175186。C范圍之內(nèi)e. 反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間f. 浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。(4) 電力二極管的主要類型 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹 在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求，選擇不同類型的電力二極管 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的a. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上b. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管 工藝上多采用了摻金措施 有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu) 有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu) 采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（），但其反向耐壓多在400V以下 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則