【正文】 化的功率變換裝置。 87 ? 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及功率集成制造技術(shù)的日趨完善，電力電子技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。本章將詳細(xì)介紹快恢復(fù)二極管、晶閘管（ SCR）、功率場效應(yīng)晶體管（ MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）的性能、參數(shù)、工作原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 88 按器件的開關(guān)控制特性可以分為以下三類： ① 不可控器件： 器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。 如：電力二極管（ Power Diode）； ②半控型器件： 通過控制信號(hào)只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱為半控型器件。 如：晶閘管（ Thyristor）及其大部分派生器件； ③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)斷的器件，稱為全控型器件。 如：門極可關(guān)斷晶閘管（ GateTurnOff Thyristor ）、 功率場效應(yīng)管（ Power MOSFET） 絕緣柵雙極型晶體管（ InsulatedGate Bipolar Transistor）等。 89 電力電子器件按控制信號(hào)的性質(zhì)不同又可分為兩種： ① 電流控制型器件： 此類器件采用電流信號(hào)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。 如：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、 IGCT等； ② 電壓控制半導(dǎo)體器件： 這類器件采用電壓（場控原理）控制它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號(hào)，用小功率信號(hào)就可驅(qū)動(dòng)它工作。 如：代表性器件為 MOSFET和 IGBT。 90 主要電力半導(dǎo)體器件的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域 器件種類 開關(guān)功能 器件特性概略 應(yīng)用領(lǐng)域 電力 二極管 不可控 5kV/3kA— 400Hz 各種整流裝置 晶閘管 可控導(dǎo)通 6kV/6kA— 400Hz 8kV/— 光控 SCR 煉鋼廠 、 軋鋼機(jī) 、 直流輸電 、電解用整流器 可關(guān)斷 晶閘管 自關(guān)斷型 6kV/6kA—500Hz 工業(yè)逆變器 、 電力機(jī)車用逆變器 、 無功補(bǔ)償器 MOSFET 600V/70A—100kHz 開關(guān)電源 、 小功率 UPS、 小功率逆變器 IGBT 1200V/1200A—20kHz —2kHz 各種整流 /逆變器 （ UPS、 變頻器 、 家電 ） 、 電力機(jī)車用逆變器 、 中壓變頻器 91 167。 一、電力二極管 ： 電力二極管（ Power Diode）也稱為半導(dǎo)體整流器（ Semiconductor Rectifier，簡稱 SR），屬不可控電力電子器件，是20世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力電子器件。 在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合發(fā)揮著積極的作用 , 具有不可替代的地位。 92 ? 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。 ? 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。 圖 、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符 a）結(jié)構(gòu) b）外形 c）電氣圖形 二、 PN結(jié)與 電力二極管工作原理： 93 94 95 ? N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成 PN結(jié)。 ? 空間電荷 :交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為 空間電荷。 ? 內(nèi)電場 :空間電荷建立的電場 ,也稱 自建電場 ，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即 漂移運(yùn)動(dòng) 。 ? 空間電荷區(qū) :擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為 空間電荷區(qū) ，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為 耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū) 。 96 ? PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)： 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得 PN結(jié)在正向電流較大 時(shí)壓降仍然很低，維持在 1V左右，所以正 向偏置的 PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。 ? PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)： PN結(jié)有單向?qū)щ娦浴? 二極管的基本原理就在于 PN結(jié)的單 向?qū)щ娦赃@一主要特征。 ? PN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)的空間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 。 ?圖 電力二極管的伏安特性曲線 97 ? 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。 ? 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。 98 三 電力二極管的特性與參數(shù) ? 電力二極管的伏安特性 ? 電力二極管的開關(guān)特性 ? 電力二極管的主要參數(shù) 99 電力二極管的伏安特性 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 。 ?圖 電力二極管的伏安特性曲線 ? 特性曲線 : 100 電力二極管的開關(guān)特性 ? （ 1）關(guān)斷特性 ： 電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)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。 一、定義： 反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程（ 關(guān)斷過程、開通過程 ）。 圖 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形 101 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖 UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間 tfr。 ? 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。 ? 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 。 電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過程。 圖 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形 ?（ 2）開通特性 ： 102 ? 延遲時(shí)間： td= t1 t0 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： 下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值 tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用 sr表示。 圖 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形 103 （ 1）普通二極管 ： 普通二極管又稱整流管（ Rectifier Diode），多用于開關(guān)頻率在１ KHZ以下的整流電路中， 其反向恢復(fù)時(shí)間在５ μ s以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。 （ 2）快恢復(fù)二極管： 反向恢復(fù)時(shí)間在５ μ s以下的稱為快恢復(fù)二極管（ Fast Recovery Diode簡稱 FDR）。快恢復(fù)二極管從性能上可分為 快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管 。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒以上，后者則在 100ns以下，其容量可達(dá) 1200V/200A的水平 , 多用于高頻整流和逆變電路中 。 （ 3）肖特基二極管： 肖特基二極管是一種金屬同半導(dǎo)體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為 ～，而且它的反向恢復(fù)時(shí)間短，為幾十納秒。但反向耐壓在 200Ｖ以下。 它常被用于高頻低壓開關(guān)電路或高頻低壓整流電路中 。 四、電力二極管的主要類型： 104 五、 電力二極管的主要參數(shù) ? 額定正向平均電流 —— 在指定的管殼溫（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。設(shè)該正弦半波電流的峰值為 Im, 則 ? ??????? 0)( s in21 mmAVFIttdII2)s i n(2102 mmFItdtII ?? ?? ???電流平均值電流有效值?fK)(??? ?AVFFf IIK可求出正弦半波電流的波形系數(shù) : 定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的波形系數(shù)，用 Kf表示： 額定電流有效值為 : （ 1）額定正向平均電流 IF(AV) 額定電流 (平均電流 )為 : 105 ? 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 ~2倍 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 。 106 指器件中ＰＮ結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度 。 Ｔ jM通常在 125～ 175℃ 范圍內(nèi) 。 （ 2）反向重復(fù)峰值電壓Ｕ RRM： 指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓） 此電壓通常為擊穿電壓 UＢ 的 2/3。 （ 3） 正向壓降Ｕ F： 指規(guī)定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時(shí)，器件兩端 的正向平均電壓 (又稱管壓降 )。 （ 4） 反向漏電流Ｉ RR： 指器件對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時(shí)的反向電流。 （ 5） 最高工作結(jié)溫Ｔ jM： 107 pa rt nu mber Rat ed va g curr ent V F (ty pi cal) t r (max ) Rat ed max vo lta ge Fa st r ec o v er y r ec tifie rs 1 N39 1 3 SD 4 5 3 N25 S20 PC MU R81 5 MU R15 6 0 RHRU 1 0 0 1 2 0 Ultra fa st r ec o v er y r ec tifie rs Schottky r ec tifie rs MBR6 0 3 0 L 4 4 4 CNQ04 5 3 0 CPQ1 5 0 400V 2500V 150V 600V 1200V 30V 45V 150V 30A 400A 8A 15A 100A 60A 440A 30A 1 .1 V 2 .2 V 0 .4 8 V 1 .1 9 V 0 .6 9 V 0 .9 7 5 V 2 .6 V 1 .2 V 4 0 0 ns 20 μ s 35 ns 6n s 60n s ?Examples of mercial power diodes 108 109 晶閘管 (Thyristor)包括： 普通晶閘管 (SCR)、 快速晶閘管 (FST)、 雙向晶閘管 (TRIAC)、 逆導(dǎo)晶閘管 (RCT) 、可關(guān)斷晶閘管 (GTO) 和光控晶閘管等 。 由于普通晶閘管面世早 ， 應(yīng)用極為廣泛 , 因此在無特別說明的情況下 ,本書所說的晶閘管都為普通晶閘管 。 普通晶閘管： 也稱可控硅整流管 (Silicon Controlled Rectifier), 簡稱 SCR。 由于它電流容量大 ,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平： 4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流 、 逆變 、 交流調(diào)壓 、 直流變換等領(lǐng)域 , 成為特大功率低頻 (200Hz以下 )裝置中的主要器件 。 167。 110 ? （ 1）外形封裝形式 :可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式 (額定電流在 200A以上 ), 分別由圖 (a)、 (b)、 (