第二章---电力电子器件---《电力电子技术基础》笔记

第2章电力电子器件

这里要指出的是，和学习和选用晶体管和集成电路等信息电子电路器件时一样，在学习电力电子器件时，最重要的是掌握其基本特性。此外，在学习和将来选用电力电子器件时，还应该注意了解各国、各厂家对各种电力电子器件具体型号的命名方法，特别是要了解每种器件各个主要参数和特性曲线的意义，在使用时更要熟练掌握所选器件的具体参数和特性曲线，以及对这些参数和曲线进行修正的方法。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，是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。

此外，了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理，对于更好地理解和掌握这些器件的特性和使用方法很有帮助。许多电力电子器件都有其相对应的用于处理信息的电子器件。例如，电力二极管、电力品体管(Ciant Transistor，CTR)和电力场效应晶体管就分别与处理信息的二极管、双极型品体管和场效应晶体管相对应。从半导体物理结构和工作原理上来讲，这些电力电子器件与其在信息电子器件中的对应者基本是相同的:但是为了能承受高电压和大电流，这些电力电子器件又具有与其对应的信息电子器件所不同之处。而不同的电力电子器件在半导体物理结构上用来形成承受高电压和大电流能力的办法也有相同之处。这些都应该在学习电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理时加以注意。

还应该说明的是，由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其他电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求。

2.1电力电子器件概述

2.1.1电力电子器件的概念和特征

在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被称为主电路(Main Power Circuit)。电力电子器件(Power Electronic Device)是指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。同在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一样，广义上电力电子器件也可分为电真空器件和半导体器件两类。

由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件相比，它一般具有如下特征:

1. 功率大。电力电子器件所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级。
2. 一般都工作在开关状态。因为处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。
3. 要由信息电子电路来控制。在实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。由于电力电子器件所处理的电功率较大，因此普通的信息电子电路信号一般不能直接控制电力电子器件的导通或关断，需要一定的中间电路对这些信号进行适当的放大，这就是所谓的电力电子器件的驱动电路。
4. 考虑散热。尽管工作在开关状态，电力电子器件自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，因而为了保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，而且在其工作时一般都还需要安装散热器。

2.1.2应用电力电子器件的系统组成

如图2-1所示，电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

2.1.3电力电子器件的分类

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类:

1)半控型器件。通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件，这类器件主要是指晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

2)全控型器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，由于与半控型器件相比，可以由控制信号控制其关断，因此又称为自关断器件。这类器件品种很多，目前最常用的是绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT)和电力场效应晶体管(Power MOSFET，简称为电力MOSFET)。

3)不可控器件。也有不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要驱动电路，这就是电力二极管，又被称为不可控器件。这种器件只有两个端子，其基本特性与信息电子电路中的二极管一样，器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件电力二极管除外)分为电流驱动型和电压驱动型两类。如果是通过从控制端注人或者抽出电流来实现导通或者关断的控制，这类电力电子器件被称为电流驱动型电力电子器件，或者电流控制型电力电子器件。如果是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，这类电力电子器件则被称为电压驱动型电力电子器件，或者电压控制型电力电子器件。由于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的，所以电压驱动型器件又被称为场控器件，或者场效应器件。

根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间有效信号的波形，又可将电力电子器件(电力二极管除外)分为脉冲触发型和电平控制型两类。如果是通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制，一旦已进入导通或阻断状态且主电路条件不变的情况下，器件就能够维持其导通或阻断状态，而不必通过继续施加控制端信号来维持其状态，这类电力电子器件被称为脉冲触发型电力电子器件。如果必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态，或者关断并维持在阻断状态，这类电力电子器件则被称为电平控制型电力电子器件。

此外，同处理信息的电子器件类似，电力电子器件还可以按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为单极型器件、双极型器件和复合型器件三类。由一种载流子参与导电的器件称为单极型器件(也称为多子器件);由电子和空穴两种载流子参与导电的器件称为双极型器件(也称为少子器件);由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件则被称为复合型器件，也称混合型器件。

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

如图2-3所示，N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。由于N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多数载流子(多子)向另一区移动的扩散运动，到对方区内成为少数载流子(少子)，从而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、负电荷被称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，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，这就是所谓的漂移运动。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，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。

当PN结外加正向电压(正向偏置)，即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场与PN结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流称为正向电流上。当外加电压升高时，自建电场将进一步被削弱，扩散电流进一步增加。这就是PN结的正向导通状态。

当PN结外加反向电压时(反向偏置)，外加电场与PN结自建电场方向相同，使得少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变宽，而在外电路上则形成自N区流入而从P区流出的电流，称为反向电流。但是少子的浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电流L，一般仅为微安数量级，因此反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。

这就是PN结的单向导电性，二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。

PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大时，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。反向击穿按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。

PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容和扩散电容。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，势垒电容为结电容的主要成分;正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成分。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。

2.2.2电力二极管的基本特性

1.静态特性

电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，如图2-5所示。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。当电力一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。

1. 动态特性

因为结电容的存在，电力二极管在零偏置(外加电压为零)、正向偏置和反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一个过渡过程。在这些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压-电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。这个概念虽然由电力二极管引出，但可以推广至其他各种电力电子器件。图2-6a给出了电力二极管由正向偏置转换为反向偏置时其动态过程的波形。当原处于正向导通状态的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该电力二极管并不能立即关断，而是需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。这是因为正向导通时在PN结两侧储存的大量少子需要被清除掉以达到反向偏置稳态的缘故。

图2-6b给出了电力二极管由零偏置转换为正向偏置时其动态过程的波形。可以看出，在这一动态过程中，电力二极管的正向压降也会先出现一个过冲UFP​，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。出现电压过冲的原因是：

电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大。

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，UFP越高。

当电力二极管由反向偏置转换为正向偏置时，除上述时间外，势垒电容电荷的调整也需要更多时间来完成。

2.2.3电力二极管的主要参数

1.正向平均电流IF(AV)

IF(AV)​指电力二极管长期运行时，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。来选取电力二极管的电流定额，并应留有一定的裕量。如果某电力二极管的正向平均电流为IF(AV)​，即它允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值为IF(AV)​，由正弦半波波形的平均值与有效值的关系为1:1.57可知，该电力二极管允许流过的最大电流有效值为1.57IF(AV)。

2.正向压降UF​

UF​指电力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。有时候，其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电力二极管的最大瞬时正向压降。

3.反向重复峰值电压URRM​

URRM​指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压UB​的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此项参数。

4.最高工作结温TJM​

结温是指管芯PN结的平均温度，用Tj​表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，用TJM​表示。TJM​通常在125~175℃之间。

5.反向恢复时间trr​

trr​的介绍见2.2.2节。

6.浪涌电流IFSM​

IFSM​指电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

2.2.4电力二极管的主要类型

普通二极管（General Purpose Diode）：

又称整流二极管（Rectifier Diode）。

多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。

反向恢复时间较长，一般在5微秒（μs）以上，但在低开关频率下并不重要。

正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安培和数千伏以上。

快恢复二极管（Fast Recovery Diode,FRD）：

反向恢复过程很短，一般在5微秒以下。

工艺上多采用掺金措施，结构上多采用改进的PiN结构。

特别是采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes,FRED），其反向恢复时间更短（可低于50纳秒），正向压降也很低（约0.9V）。

快恢复二极管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100纳秒以下，甚至达到20~30纳秒。

肖特基二极管（Schottky Barrier Diode,SBD）：

以金属和半导体接触形成的势垒为基础。

属于多子器件，在信息电子电路中早就得到了应用，直到20世纪80年代以来，由于工艺的发展才使其得以在电力电子电路中广泛应用。

优点在于反向恢复时间很短（10~40纳秒），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。

缺点在于当所能承受的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以下的低压场合；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。

2.3半控型器件--晶闸管

一、结构与工作原理

结构
晶闸管（SCR）是四层三结（PNPN）结构，包含三个电极：

阳极（A）：连接外层P型半导体。

阴极（K）：连接内层N型半导体。

门极（G）：位于中间P型层，用于触发控制。

工作原理

双晶体管模型：等效为PNP和NPN晶体管的正反馈结构。

导通条件：

阳极加正向电压，阴极加反向电压。

门极施加足够的正向触发电流（IGT），通过正反馈使晶闸管饱和导通。

关断条件：

阳极电流降至维持电流（IH）以下，或施加反向电压。

特点：导通后门极失去控制作用，需外部电路强制关断。

二、基本特性

静态特性（伏安特性）

正向阻断区：阳极正压但门极无触发，晶闸管截止。

导通区：阳极正压且门极触发后，晶闸管导通，压降约1V。

反向阻断区：阳极负压时，晶闸管截止，仅允许极小漏电流。

动态特性

开通特性：

延迟时间（td）：门极触发到电流上升至10%的时间。

上升时间（tr）：电流从10%上升至90%的时间。

关断特性：

存储时间（ts）：电流下降至零后，结区电荷消散的时间。

下降时间（tf）：反向电压建立的时间。

临界参数：

dv/dt：断态电压临界上升率，过高会导致误导通。

di/dt：通态电流临界上升率，过高会导致局部过热。

三、主要参数

电压参数

VDRM：断态重复峰值电压（正向阻断最大值）。

VRRM：反向重复峰值电压（反向击穿前最大值）。

VTM：通态峰值压降（导通时A-K间电压）。

电流参数

IT(AV)：通态平均电流（额定电流）。

IH：维持电流（保持导通的最小电流）。

IL：擎住电流（触发后维持导通的最小电流，约为IH的2~4倍）。

门极参数

VGT：门极触发电压（典型值1.5V）。

IGT：门极触发电流（需大于此值才能导通）。

其他参数

IT(SM)：浪涌电流（短时过载能力）。

PGM：门极峰值功率（触发脉冲允许的最大功率）。

四、动态参数

时间参数

tq：关断时间（从电流过零到恢复阻断能力的时间）。

ton：导通时间（触发信号到完全导通的时间）。

tgd：门极控制延迟时间（触发信号到电压下降的时间）。

恢复特性

trr：反向恢复时间（关断后反向阻断恢复时间）。

tgr：正向恢复时间（导通后正向电压恢复时间）。

五、派生器件

快速晶闸管：适用于高频电路（>400Hz），缩短开通/关断时间。

双向晶闸管：双向导通，用于交流控制（如调光、调速）。

逆导晶闸管：内部集成晶闸管与二极管，用于高频逆变。

光控晶闸管（LTT）：通过光信号触发，实现高电压绝缘。

门极可关断晶闸管（GTO）：通过负门极脉冲关断，适用于大功率场合。

总结：晶闸管作为半控型器件，凭借高电压、大电流能力在电力电子领域占据重要地位。其结构、工作原理及参数设计直接影响其性能与应用场景，而派生器件则扩展了其在不同领域的适用性。

其他的全控型器件如电力晶体管与电力场效应管与模拟电力电子技术基础中的工作原理、结构类似，只不过承受的功率更大了。