【正文】 第 2章 電力電子器件 電力電子器件概述 不可控器件 —— 電力二極管 半控型器件 —— 晶閘管 典型全控型器件 其他新型電力電子器件 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié) 引言 ■ 模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) —— 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) —— 電力電子器件 ■ 本章主要內(nèi)容： ◆ 對(duì)電力電子器件的 概念 、 特點(diǎn) 和 分類 等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述 。 ◆ 分別介紹各種常用電力電子器件的 工作原理 、基本特性 、 主要參數(shù) 以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) 電力電子器件的概念和特征 ■ 電力電子器件的概念 ◆ 電力電子器件（ Power Electronic Device） 是指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 。 ? 主電路：在電氣設(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。 ? 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，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 電力電子器件的概念和特征 ■ 電力電子器件的特征 ◆ 所能處理 電功率 的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 ◆ 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在 開關(guān)狀態(tài) 。 ◆ 由信息電子電路來(lái)控制 ,而且需要 驅(qū)動(dòng)電路 。 ◆ 自身的 功率損耗 通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝 散熱器 。 電力電子器件的概念和特征 ? 通態(tài)損耗 是電力電子器件功率損耗的主要成因。 ? 當(dāng)器件的開關(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。 通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 開關(guān)損耗 開通損耗 關(guān)斷損耗 ? 電力電子器件的功率損耗 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 ■ 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由 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 組成一個(gè)系統(tǒng)。 電氣隔離 控制電路檢 測(cè)電 路保 護(hù)電 路驅(qū) 動(dòng)電 路RLV1V2主 電 路圖 21 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 ■ 按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 ◆ 半控型器件 ? 主要是指 晶閘管（ Thyristor） 及其大部分派生器件。 ? 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 ◆ 全控型器件 ? 目前最常用的是 IGBT和 Power MOSFET。 ? 通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 ◆ 不可控器件 ? 電力二極管（ Power Diode） ? 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。 電力電子器件的分類 ■ 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) ◆ 電流驅(qū)動(dòng)型 ? 通過(guò)從控制端注入或者抽出 電流 來(lái)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(guò)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。 ■ 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） ◆ 脈沖觸發(fā)型 ? 通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的 脈沖 信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 ◆ 電平控制型 ? 必須通過(guò) 持續(xù) 在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開通并 維持 在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。 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。 ◆ 雙極型器件 ? 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。 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) ■ 本章內(nèi)容 ◆ 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的 工作原理 、 基本特性 、 主要參數(shù) 以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。 ■ 學(xué)習(xí)要點(diǎn) ◆ 最重要的是掌握其 基本特性 。 ◆ 掌握電力電子器件的 型號(hào)命名法 ，以及其 參數(shù) 和 特性曲線 的使用方法。 ◆ 了解電力電子器件的 半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu) 和 基本工作原理 。 ◆ 了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。 不可控器件 —— 電力二極管 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 電力二極管的基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型 不可控器件 —— 電力二極管 引言 ■ 電力二極管（ Power Diode） 自 20世紀(jì) 50年代初期就獲得 應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二 極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。 ■ 在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的 快恢復(fù)二極管 和 肖特基 二極管 ，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊 A K A K a) I K A P N J b) c) A K PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ■ 電力二極管是以半 導(dǎo)體 PN結(jié) 為基礎(chǔ)的 , 實(shí)際上是由一個(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，可以有 螺栓型 、 平板型 等多 種封裝。 圖 22 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ■ 二極管的基本原理 —— PN結(jié)的 單向?qū)щ娦? ◆ 當(dāng) PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自 P區(qū)流入而從 N區(qū)流出的電流，稱為 正向電流 IF，這就是 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 ◆ 當(dāng) PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為 高阻態(tài) ，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 ◆ PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞 PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫 反向擊穿 。 ? 按照機(jī)理不同有 雪崩擊穿 和 齊納擊穿 兩種形式 。 ? 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)， PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。 ? 否則 PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是 熱擊穿 。 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ■ PN結(jié)的電容效應(yīng) ◆ 稱為 結(jié)電容 CJ，又稱為 微分電容 ◆ 按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為 勢(shì)壘電容 CB和 擴(kuò)散電容 CD ? 勢(shì)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(shì)壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。 ? 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。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? 電力二極管的基本特性 ■ 靜態(tài)特性 ◆ 主要是指其 伏安特性 ◆ 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 IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的 電壓即為其 正向電壓降 UF。 ◆ 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 。 I O I F U TO U F U 圖 25 電力二極管的伏安特性 電力二極管的基本特性 a) IF U F t F t 0 t rr t d t f t 1 t 2 t U R U RP I R P d i F d t d i R d t u b) U FP i i F u F t fr t 0 2V 圖 26 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 ■ 動(dòng)態(tài)特性 ◆ 因?yàn)?結(jié)電容 的存在，電壓 — 電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開關(guān)特性 。 ◆ 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 ? 電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)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(guò)沖。 ? 延遲時(shí)間 ： td=t1t0 電流下降時(shí)間 ： tf =t2 t1 反向恢復(fù)時(shí)間 ： trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度 ： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用 Sr表示。 t0:正向電流降為零的時(shí)刻 t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻 t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻 電力二極管的基本特性 U FP u i i F u F t fr t 0 2V ◆ 由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 ? 先出現(xiàn)一個(gè) 過(guò)沖 UFP，經(jīng)過(guò) 一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降 的某個(gè)值（如 2V）。 ? 正向恢復(fù)時(shí)間 tfr ? 出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因 :電 導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 起作用所需的大量 少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存， 在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較 大；正向電流的上升會(huì)因器件 自身的 電感 而產(chǎn)生較大壓降。 電流上升率 越大， UFP越高。 圖 26 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 電力二極管的主要參數(shù) ■ 正向平均電流 IF(AV) ◆ 指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用 TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大 工頻正弦半波電流 的平均值。 ◆ IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按 有效值相等 的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 ■ 正向壓降 UF ◆ 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的 穩(wěn)態(tài)正向電流 時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。 ■ 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。 ◆ 使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有 兩倍 的裕量。 電力二極管的主要參數(shù) ■ 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～ 175?C范圍之內(nèi)。 ■