电力电子器件基础-功率器件工作原理-课件.ppt

1、1电力电子器件基础电力电子器件基础2第1章第2页电力电子器件概述电力电子器件概述第一讲第一讲 功率二极管功率二极管第二讲第二讲 功率晶体管功率晶体管第三讲第三讲 晶闸管晶闸管第四讲第四讲 功率功率MOSMOS器件器件/IGBT/IGBT第五讲第五讲 半导体器件的塑料封装半导体器件的塑料封装3第1章第3页电力电子器件概述电力电子器件概述主要内容：主要内容：简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性,主主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题要参数以及选择和使用中应

2、注意的一些问题4第1章第4页1 1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2 2 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 5第1章第5页1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征主电路主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件6第1章第6页广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而 电 力 半

3、导 体 器 件 已 取 代 了 汞 弧 整 流 器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。7第1章第7页同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：(1)能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力，是最重要的参数其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都远大于处理信息的电子器件。8第1章第8页 (2)电力电子器件一般都工作在开关状态 导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定 阻断时（断态）阻抗很大，接

4、近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定 电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替9第1章第9页 (3)实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路驱动电路。(4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 10第1章第10页 阻断时器件上有微小的断态漏

5、电流流过，形成断态损耗 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素 11第1章第11页2 电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：(1)不可控器件不可控器件不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断,因此也因此也 就不需要驱动电路就不需要驱动电路功率二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承

6、受的电压和电流决定的(2)(2)半控型器件半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断其关断晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件,器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定12第1章第12页(3)全控型器件全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件关断，又称自关断器件功率晶体管(Giant Transistor)绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关

7、断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）13第1章第13页 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的 性质，性质，分为两类：分为两类：(1)电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制(2)电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件。14第1章第14页 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的按照器件内部电子和空

8、穴两种载流子参与导电的情况分为三类：情况分为三类：单极型器件由一种载流子参与导电的器件，MOS，肖特基二极管双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，晶体管，晶闸管，IGBT复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，MOS控制晶闸管等 15第1章第15页第一讲 功率二极管1.1 PN1.1 PN结与功率二极管的工作原理结与功率二极管的工作原理1.2 1.2 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性1.3 1.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数1.4 1.4 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型16第1章第16页功率二极管(Power Diode)结构主要就是PN

9、结,肖特基二极管的主要结构是金属-半导体结。原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位17第1章第17页1.1 PN结与功率二极管的工作原理功率二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型封装。近些年来，塑料封装发展很快。图1-1 功率二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)18第1章第18页 N型半导体和P型半导体结合

10、后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散扩散运动运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场内电场或自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，又被称为耗尽层耗尽层。19第1章第19页PN结的正向导通状态结的正向导通状态 正向偏

11、置时，外电路起到减小内电场的作用，载流子移动更容易。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结表现为低阻态图1-2PN结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场20第1章第20页PN结的反向截止状态结的反向截止状态反向偏置时,多数载流子向电极移动,耗尽层增加,只有极少的电流流过,呈现阻断状态 PN结的单向导电性 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结的反向击穿结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿21第1章第21页PN结的电容效应：结的

12、电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散扩散电容电容CD势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。22第1章第22页造成功率二极管和信息电子电路中的普通二极

13、管区别造成功率二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大23第1章第23页 1.2 功率二极管的基本特性图1-3 功率二极管的伏安特性IOIFUTOUFUVB24mAVRPR(a)mAVRPR(b)EE二极管伏安特性测试电路图1-3A 功率二极管的伏安特性测试电路25第1章第25页1.静态特性静态特性主要指其伏安特性

14、当功率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对应的功率二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当功率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。2.动态特性动态特性 因结电容的存在，状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。26第1章第26页开关特性开关特性反映通态和断态之间的转换过程关断过程关断过程：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 图1-4功率二极管的动态过程波形 a)正向偏置转换为反向偏置

15、 b)零偏置转换为正向偏置b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt27第1章第27页b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示正向偏置转换为反向偏置28第1章第28页开通过程开通过程：功率二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。这一动态过程时间被

16、称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态，导通前管压降较大 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，U UFPFP越高 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt零偏置转换为正向偏置29第1章第29页1.3 功率二极管的主要参数1.正向平均电流正向平均电流IF(AV)额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留

17、有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的功率二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 30第1章第30页2.正向压降正向压降UF指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定 31第1章第31页4.最高工作结温最高工作结温TJM结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温最高工作结

18、温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，功率硅二极管的TJM通常在125175C范围之内5.反向恢复时间反向恢复时间trrt trrrr=t td d+t tf f，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间6.浪涌电流浪涌电流IFSM指功率二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。32第1章第32页1.4 功率二极管的主要类型1.普通二极管普通二极管（General Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz1kHz以下）的整流电路中其反向恢

19、复时间较长，一般在5 5 s s以上，这在开关频率不高时并不重要正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上33第1章第33页2.快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 5 s s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金或辐射技术有的采用PN结型结构有的采用改进的PIN结构 34第1章第34页采用外延型PIN结构的的快恢复外延二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），

20、但其反向耐压多在400V以下从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。35第1章第35页二极管杂质分布36第1章第36页3.肖特基二极管肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 37第1章第37页肖特基二极管的弱点肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度38第1章第38页常用功率二极管特性比较常用功率二极管特性比较39第1章第39页常用功率二极管特性测试程序常用功率二极管特性测试程序40U/VI/mAOUz(a)VIZminIZ(b)阴极(接电源正极)阴极(接电源负极)IZmaxABUzIz图1-5稳压二极管的电气图形符号(a)和伏安特性(b)