第二讲 电力电子器件
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第2章 电力电子器件54526-文档资料
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2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
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2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。 ■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
整流二极管及模块 13/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■电力二极管是以半 导体PN结为基础的, 实际上是由一个面积 较大的PN结和两端引 线以及封装组成的。 从外形上看，可以有 螺栓型、平板型等多 种封装。
A
Байду номын сангаас
K A I P N J b) K
K
A a)
A
c)
K
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
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2.2 不可控器件——电力二极管
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型
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2.2 不可控器件——电力二极管·引言
■电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得 应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二 极管仍然大量应用于许多电气设备当中。 ■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基 二极管，具有不可替代的地位。
第2章电力电子器件0810
当：IG =0时 1和2很小 IA=IK≈IC0 正向阻断 当UAK↑→ IC0 ↑→ 1、2↑→IA↑ 当1+2 ≈1 时 IA急剧增大 当UAK达到某一电压，使晶闸管由阻断状态转为导
通状态，称为正向转折现象
晶闸管的工作原理
➢ 晶闸管的关断
由式：
当： 1+2«1，晶闸管便可恢复关断。
通常规定：能维持晶闸管导通的最小电流 称为维持电流 IH
A
G
KK
A A G
a)
P1
N1
J1
G
P2 N2
J2 J3
K b)
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
K G
A c)
2.晶闸管的工作原理
➢门级控制开通原理 A
当S闭和，形成门级电流
IG →Ib2→IC2=Ib1→IC1 G
↑------------↓
P1
N1 N1
➢ 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件
通➢过控器件制的信关号断可由以其在控主制电其路导中通承受而的不电能压控和制电流其决关定断。 2) 全控型器件
➢ 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT）
通➢ 过电控力制场信效号应晶既体可管控（制Po其we导r-M通O又SF可ET控）制其关断。
➢ 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管，广义上 讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
1.晶闸管外型、结构及符号
➢ 外形有塑封式、螺栓型和平板型三种封装形式 ➢ 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端 ➢ 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且
通状态，称为正向转折现象
晶闸管的工作原理
➢ 晶闸管的关断
由式：
当： 1+2«1，晶闸管便可恢复关断。
通常规定：能维持晶闸管导通的最小电流 称为维持电流 IH
A
G
KK
A A G
a)
P1
N1
J1
G
P2 N2
J2 J3
K b)
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
K G
A c)
2.晶闸管的工作原理
➢门级控制开通原理 A
当S闭和，形成门级电流
IG →Ib2→IC2=Ib1→IC1 G
↑------------↓
P1
N1 N1
➢ 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件
通➢过控器件制的信关号断可由以其在控主制电其路导中通承受而的不电能压控和制电流其决关定断。 2) 全控型器件
➢ 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT）
通➢ 过电控力制场信效号应晶既体可管控（制Po其we导r-M通O又SF可ET控）制其关断。
➢ 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管，广义上 讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
1.晶闸管外型、结构及符号
➢ 外形有塑封式、螺栓型和平板型三种封装形式 ➢ 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端 ➢ 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且
电力电子技术第二章电力电子器件课件
2.2.3 晶闸管基本特性
1. 晶闸管静态伏安特性
图2.4 晶闸管的伏安特性
2.2.3 晶闸管基本特性
1) 正向伏安特性 晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳极与阴极间施加 一定的正向阳极电压，器件也仍处于正向阻断状态，只有 很小的正向漏电流流过。 外加的阳极正向电压在其转折电压以下时，只要在门极注 入适当的电流(一般为毫安级)，器件也会立即进入正向导 通状态 。
图2.5 晶闸管门极伏安特性
2.2.3 晶闸管基本特性
2. 晶闸管动态特性 1) 晶闸管开通过程
第一阶段：延迟阶段。所需时间为延迟时间td。从门极 电流iG阶跃时刻开始，到阳极电流iA上升到稳态电流的 10％所需的时间。在这一期间，晶闸管的正向压降略有 减小。 第二阶段：上升阶段。此阶段所需时间为上升时间tr。 阳极电流从稳态值的10％上升到90％所需的时间。在该 阶段，伴随着阳极电流迅速增加，器件两端的压降uAK 也迅速下降。 第三阶段：扩散阶段。所需时间为扩散时间tex。它是阳 极电流上升到90%之后载流子在整个芯片面积上分布的 过程，最终使iA上升到100%稳态值，器件压降达到稳 定值。
2.2.3 晶闸管基本特性
4) 断态电压临界上升率du/dt 因此过高的du/dt，会产生对J2结过大的充 电电流，可能造成晶闸管的误导通。
图2.8 位移电流产生示意图
2.2.3 晶闸管基本特性
5) 晶闸管的动态损耗 晶闸管在低频运行时，由于主要工作于稳定阻断 或导通状态，其开、关过程时间相对较短，该阶 段产生的损耗可以忽略。该阶段的损耗主要是由 通态压降与阳极电流，以及阻断电压和断态漏电 流产生的静态损耗。这种损耗是晶闸管低频运行 时结温升高的主要因素。 然而，晶闸管在高频运行时，晶闸管开关过程时 间占了很大成分，开关过程中晶闸管的压降和电 流值都较大，产生的损耗更是不容忽略的，这部 分损耗称作动态损耗。
第2章__电力电子器件
混 合 IGBT 型
（
MCT
双 极
SITH
功率MOSFET 单 功率SIT 极 肖特基势垒二极管 型
电力电子器件分类树
图1-42
（
复 合 型
GTR
T TO RC G 型 晶闸管 TR LT IA T 电力二极管 C
2.2 不可控器件—电力二极管
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数
在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对 应的正向压降。
3） 反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。
4）反向恢复时间trr
trr= td+ tf
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。
TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
之后， 迅速增大。
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
（2.4）
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来
1.阻断状态：IG=0， 1+2 很小。流过晶闸管的漏电流稍 大于两个晶体管漏电流之和。 2.开通状态：加正向阳极电压，且注入触发电流使晶体管
正向电流的上升会因器件自身的 电感而产生较大压降。电流上升 率越大，UFP越高
2.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流——在指定的管壳温度和散热 条件下，其允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。
若流过二极管的电流 不是正弦半波，如 何选取二极管？
第二章 电力电子器件
第1章
二、 PN结与电力二极管工作原理(续)
PN结的正向导通状态：
电导调制效应使得PN结在正向电流较大 时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正 向偏置的PN结表现为低阻态。
PN结的反向截止状态：
PN结有单向导电性。 二极管的基本原理就在于PN结的单 向导电性这一主要特征。
PN结的反向击穿：
第1章
附表1.1.1:主要电力半导体器件 的特性及其应用领域
开关 功能 不可 控
器件种类 电力 二极管 晶闸管 可关断 晶闸管 MOSFET IGBT
器件特性概略 5kV/3kA—400Hz 6kV/6kA—400Hz 8kV/3.5kA—光 控SCR 6kV/6kA— 500Hz
600V/70A— 100kHz
第1章
3、电力二极管的主要参数（续）
（2）反向重复峰值电压ＵRRM：
指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压） 此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。
（ 3 ）
正向压降ＵF：
指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端 的正向平均电压(又称管压降)。
（4） 反向漏电流ＩRR：
指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。
第1章
1.2 电力二极管
• 1.2.1 电力二极管及其工作原理 • 1.2.2 电力二极管的特性与参数
第1章
1.2.2
电力二极管的特性与参数
• 1、电力二极管的伏安特性 • 2、电力二极管的开关特性 • 3、电力二极管的主要参数
第1章
1、电力二极管的伏安特性
特性曲线:
当电力二极管承受的 正向电压大到一定值（门 槛电压UTO），正向电流才 开始明显增加，处于稳定 导通状态。与正向电流IF对 应的电力二极管两端的电 压UF即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向 电压时，只有少子引起的 微小而数值恒定的反向漏 电流。
第二章 电力电子器件PPT课件
或者关断的控制，这类电力电子器件被称为电压控制型电力电子器件或者电 压驱动型电力电子器件。
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的使用特点 从使用角度出发，主要可从以下五个方面考察电力电子器件的性能特点。 (1)导通压降。电力电子器件工作在饱和导通状态时仍产生一定的管耗，管耗 与器件导通压降成正比。 (2)运行频率。受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开关时间越短， 器件可运行的频率越高。 (3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。 (4)耐冲击能力。这主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半控型器件的 耐冲击能力远高于全控型器件。 (5)可靠性。这主要是指器件防止误导通的能力。
不可控型、半控型和全控型器件 双极型、单极型和混合型器件 电流控制型和电压控制型器件
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2.1 电力电子器件概述
1. 不可控型、半控型和全控型器件
1) 不可控型器件：电力二极管
不可控型器件是指不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。这种
器件只有两个端子，导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的现状和发展趋势 目前电力电子器件的种类和发展历史如图2.2所示。电力电子器件的主要
性能指标为电压、电流和工作频率三个参数，通过对这三项参数的比较即可 明白每种器件的应用范围。
图2.2 电力电子器件的种类和发展历史
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2.1 电力电子器件概述
时在门极施加正向电压。正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。 (4) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管门极只能控制其导通，
而不能使已导通的晶闸管关断。 (5) 要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的使用特点 从使用角度出发，主要可从以下五个方面考察电力电子器件的性能特点。 (1)导通压降。电力电子器件工作在饱和导通状态时仍产生一定的管耗，管耗 与器件导通压降成正比。 (2)运行频率。受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开关时间越短， 器件可运行的频率越高。 (3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。 (4)耐冲击能力。这主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半控型器件的 耐冲击能力远高于全控型器件。 (5)可靠性。这主要是指器件防止误导通的能力。
不可控型、半控型和全控型器件 双极型、单极型和混合型器件 电流控制型和电压控制型器件
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2.1 电力电子器件概述
1. 不可控型、半控型和全控型器件
1) 不可控型器件：电力二极管
不可控型器件是指不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。这种
器件只有两个端子，导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的现状和发展趋势 目前电力电子器件的种类和发展历史如图2.2所示。电力电子器件的主要
性能指标为电压、电流和工作频率三个参数，通过对这三项参数的比较即可 明白每种器件的应用范围。
图2.2 电力电子器件的种类和发展历史
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2.1 电力电子器件概述
时在门极施加正向电压。正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。 (4) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管门极只能控制其导通，
而不能使已导通的晶闸管关断。 (5) 要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者
电力电子技术2
（2）电力二极管的开关特性：也称动态特性
指电力二极管工作状态在通态和断态之间转换时的特性。
1）关断特性：
关断：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的关断须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止
状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过 冲（由于外电路电感存在）。
②断态损耗：阻断时，器件电阻并非无穷大，而使它有 微小的断态漏电流流过，形成断态损耗。
③开关损耗：器件在开通或关断的转换过程中产生的开 通功率损耗和关断功率损耗。
通常：断态损耗很小，因而通态损耗成为器件功率 损耗的主要原因。但当器件开关频率较高时，开关损 耗随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。
④为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。
2 电力二极管的特性 主要是指其伏安特性和开关特性。
（1）电力二极管的伏安特性： 其伏安特性曲线如图所示。
IF ：正向平均电流 UF ：对应IF时的正向压降 UTO ：门槛电压，
为0.6～0.7V以上 IRR ：反向漏电流 UB ：反向击穿电压
当电力二极管承受的正向电
如：MOSFET管、IGBT管等。 电压控制型器件的特点是： a输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。 b工作频率高。 c工作温度高，抗辐射能力强。
主要电力电子器件的特性及其具有代表性的应用领域，详见下表。
器件种类 电力二极管
晶闸管
可关断 晶闸管 MOSFET
IGBT
开关功能 不可控 可控 导通
自 关 断 型
——PN结的反向击穿：当反向电压增大到某一值（反向击穿电压） 时，反向电流急剧增大，PN结内部产生雪崩击穿，导致二极管损 坏。
④PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称
电力电子技术-第二章 电力电子器件2.12.2
第二章电力电子器件电子技术（模拟电子电路和数字电子电路）*电力电子技术就是实现电能的变换和控制*一般电路分为一次电路和二次电路，一次电路是主电路，二次电路是控制电路，电力电子器件通常在一次电路/主电路中。
*电真空器件：晶闸管问世前的水银整流器（汞弧整流器）都属于此类→基本淘汰了半导体器件：现在使用的，基本都是半导体器件，所以通常把电力电子器件也叫电力半导体器件。
（如手机里的芯片，也是用硅制作的集成电路）*信息电路的电子器件，能处理各种不同的信息，能放大、变换，但处理电功率的能力都不大，流过的电流，承受的电压都比较小，主要用来处理信息（微弱的信号），而一般电力电子器件，处理电功率的能力远大于信息的电子器件。
*处理信息的电子器件，有很多器件在模拟电路中，可能工作在放大状态，而电力电子器件，一般都是开关状态，若放大状态，管子承受的电压比较高，电流比较大，损耗比较大，发热会损坏。
所以，一般要么电压高，电流很小；要么电流大，而通态压降低，损耗不会太大。
*电力电子器件一般都有一个门极或控制极，通过信息电路来控制。
（电力电子器件的驱动，需要控制电路来控制，所以。
）*电力电子器件即使不工作在放大状态，损耗相对来说也比较大，会发热，所以要安装散热器，防止器件烧坏。
（书P11）损耗的组成：●通态损耗：管子处于导通时的损耗，管子有管压降，流过比较大的电流，例：100A的电流流过管子，有1V的管压降，100W的损耗就会发热，就要安装散热器。
●断态损耗：断开时的损耗，理想情况下，断开时，应该是没有电流流过，没有损耗，但实际上，存在漏电流，漏电流一般比较小，所以断态损耗所占比例比较小。
（任何情况下，所占比重都不大）●开关损耗：开通或关断过程中的损耗，任何电力电子开关，开通或断开都不是瞬时完成，有一个过程，例：从断到通，电压从高到低，电流从小到大，在这个过程中，电流和电压都不高也不低，两个想乘，数值也不小，所以开关损耗的功率比较大，时间非常短。
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highest power-handling capability.
• Appearance and symbol of thyristor
•
Structure and equivalent circuit of thyristor
Structure A Equivalent circuit A IA P1 N1 G P2 N2 K K a) b) N1 P2 G
Very often: Power electronic devices= Power semiconductor devices Major material used in power semiconductor devices—— Silicon
Features of power electronic devices
–1958, 1st commercialized product, GE –Thyristor replaced vacuum devices in almost every power processing area. Still in use in high power situation. Thyristor till has the
1.2 Uncontrolled device Power diode
• Appearance
• PN junction
Direction of inner electric field
-
-
-
Region
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
p region
Space charge
Another name: SCR—silicon controlled rectifier
Thyristor Opened the power electronics era
–1956, invention, Bell Laboratories
–1957, development of the 1st product, GE
Rated vag current
30A 400A 8A 15A 100A 60A 440A 30A
VF(typical)
1.1V 2.2V 0.975V 1.2V 2.6V 0.48V 0.69V 1.19V
tr(max)
400ns 20μ s 35ns 6ns 60ns
1.3 Half- controlled device— Thyristor
Chapter 1 Power Electronic Devices
Outline 1.1 An introductory overview of PED
1.2 Uncontrolled device—power diode
1.3 Half- controlled device—thyristor
1.4 Typical fully- controlled devices
On-state Voltage across the device is 0 V=0 Off-state Current through the device is 0 i=0 p=vi=0 p=vi=0
c)Need to be controlled by information electronic circuits. d)Generrally, drive circuits are necessary to interface between information circuits and power circuits. e)Dissipated power loss usually larger than information electronic devices —special packaging and heat sink are necessary.
A power electronic device usually has a third terminal — —control terminal to control the states of the device
G C
A power electronic device must have at least two terminals to allow power circuit current flow through.
circuit
Protection circuit is also very often used in power electronic system especially for the expensive power semiconductors.
Terminals of a power electronic device
a) The electric power that power electronic device deals with is usually much larger than that the information electronic device does. b) Usually working in switching states to reduce power losses
Vacuum devices: Mercury arc In broad sense Power electronic devices rectifier thyratron, etc. . seldom in use today Semiconductor devices: major power electronic devices
Drive Circuit
E
Control signal from drive circuit must be connected between the control terminal and a fixed power circuit terminal (therefore called common terminal
Major topics for each device Appearance, structure, and symbol Physics of operation Specification Special issues Devices of the same family
Passive components in power electronic circuit Transformer, inductor, capacitor and resistor: these are passive components in a power electronic circuit since they can not be controlled by control signal and their characteristics are usually constant and linear. The requirements for these passive components by power electronic circuits could be very different from those by ordinary circuits.
1.5 Other new power electronic devices
1.1 An introductory overview of power electronic devices
1) The concept and features
Power electronic devices: are the electronic devices that can be directly used in the power processing circuits to convert or control electric power.
iF
2V 0
uF t fr t
• Examples of commercial power diodes
part number Rated max voltage
Fast recovery rectifiers 1N3913 400V SD453N25S20PC 2500V Ultra-fast recovery rectifiers MUR815 150V MUR1560 600V RHRU100120 1200V Schottky rectifiers MBR6030L 30V 444CNQ045 45V 30CPQ150 150V
2) Configuration of systems using power electronic devices
Power electronic system:
Electric isolation: optical, magnetic Control circuit (in a broad sense) Control circuit detection circuit drive circuit Power circuit (power stage, main circuit)
-3
Breakdown Voltage dependent
-
n substrate
Caμ m
• Features different from low-power (information electronic) diodes –Larger size –Vertically oriented structure –n drift region (p-i-n diode) –Conductivity modulation • Junction capacitor The positive and negative charge in the depletion region is variable with the changing of external voltage. variable with the changing of external voltage. —–Junction capacitor C Junction capacitor CJ .