半导体电力开关器件.

第2章半导体电力开关器件1电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2半导体电力开关器件引言2.1双极结型电力三极管2.2晶闸管及其派生器件2.3半导体电力开关模块和功率集成电路小结电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）引言本章讲述电力电子变换电路常用的半导体电力开关器件的基本工作原理、外特性（部分器件的动态特性第七章讲授）和使用参数。它们是:不控器件：半导体电力二极管D半控器件：晶闸管（Thyristor）或SCR电力半导体器件在电力电子变换器中主要做开关使用，了解和掌握电力半导体器件的基本特性和使用方法是学好电力电子学的基础。3电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）全控器件：双极结型电力三极管BJT（半导体电力三极管）可关断晶闸管GTO电力场效应晶体管P-MOSFET绝缘门极双极型晶体管IGBTMOS控制晶闸管MCT集成门极换流晶闸管IGCT静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管SITH半导体电力开关模块和功率集成电路PIC4引言（续）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）三极管的结构和符号N2N1PJ1J2BEC(a)NPN管CEBP1P2NBCCEB(b)PNP管E52.2.1三极管的电流控制作用电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.2双极结型电力三极管BJT(BipolarJunctionTransistor)或GTR(GiantTransistor)2.2.1三极管的电流控制作用2.2.2三极管的静态特性2.2.3电力三极管使用参数和特性2.2.4电力三极管的主要特点电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.2双极结型电力三极管BJT(BipolarJunctionTransistor)或GTR(GiantTransistor)2.2.1三极管的电流控制作用2.2.2三极管的静态特性2.2.3电力三极管使用参数和特性2.2.4电力三极管的主要特点电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）N2N1PJ1J2BEJ2J1RCRBVBBVCCCIEICIB空穴形成的电流电子形成的电流IpE≈0InE≈IEICBO(c)电流分配关系EnEncaIaIInEnBIaI)1(EIa)1(2.2.1三极管的电流控制作用（续）三极管的结构和电流分配EnEnCIaIaIEnCnEnCIIIIaEnEnBIaIaI)1()1(BCEIIIECBOnCCBCIaIIII0)1()1(0aIIaaICBBC)1(aa0)1(CBBCIIIBCII00)1(CBCEII基极电流控制集电极电流电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.2.2三极管的静态特性CIcRcVCCVCE=0BIBVBBIBEVCE=1VVBE(b)输入特性(a)电路RBN1J1PN2J2(c)输出特性VCEVCEOABVCCVCEMiB=0iB=0.4iB=0.6iB=0.8iB=1.0DFSQWTNKMGEPR0LsCYVJHIcICM=VCC/RcX饱和区准饱和区线性放大区截止区三极管输入、输出特性9电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.2.3电力三极管使用参数和特性BVCEX反偏BVCESBVCERBVCEOR开路CBEBVcExBVcEsBVcERBVcEo图2.9不同基极状态时，集－射极击穿电压1.集电极额定电压。2.集电极额定电流（最大允许电流）。3.饱和压降。4.基极电流的最大允许值。5.开通和关断时间、6.安全工作区。10电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.2.4电力三极管的主要特点是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；开关速度较快；饱和压降较低；有二次击穿现象；能控制较大的电流和较高的电压；电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A;已经淘汰11电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.3晶闸管及其派生器件2.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈2.3.2门极可关断晶闸管GTO2.3.3电力场效应晶体管P－MOSFET2.3.4绝缘门极双极型晶体管IGBT*2.3.5MOS控制晶闸管MCT*2.3.6集成门极换流晶闸管IGCT*2.3.7静电感应晶体管SIT电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）P1N2N1J1J2AKJ3P2G(a)结构AGK(b)符号AKGN2P2N1P2N1P1(c)结构模型T1图2.10晶闸管的结构、符号、结构模型132.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）晶闸管的等值电路AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效电路可控开通关断？强迫其电流下降到维持电流以下0111CBACiIaI0222CBCCiIaI02121IIaIaIIICACCA)(12120aaIaIIgA通态时121aaAI()ACIIAgCIII142.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈（续1）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）静态伏安特性及防护(a)伏安特性DCHBMN0ERAVBRVAKIAIF反向漏电流VBFIg3Ig2Ig1Ig=0Ig3＞Ig2＞Ig1＞０P1N1P2N2AKGCRJ1J2J3充电电流J2(b)防护dtdv防护及逆阻型晶闸管伏安特性图dtdv11.2dtdv152.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈（续2）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）晶闸管在什么时候导通？正向折转导通高温导通高电压变化率导通门极触发导通光注入导通晶闸管在什么时候关断？强迫其电流减小到维持电流以下()ACII162.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈（续3）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）晶闸管的主要特性参数：(1)额定电压(2)晶闸管的额定电流(3)通态峰值电压降(4)浪涌电流(5)额定门极触发电流和触发电压(6)维持电流IH(7)掣住电流IL(8)开通时间和关断时间(9)断态电压临界上升率(10)开通电流临界上升率172.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈（续4）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）例2-1图2-12中画斜线部分为一个周期中晶闸管的电流波形，若各波形的最大值为=100A，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3。若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求。424502032(a)(b)(c)240图2.12晶闸管电流波形182.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈（续5）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）逆导型晶闸管RCT、光控晶闸管LCTGKAGKA图2.13逆导晶闸管等值电路和符号GKAAGKJ2图2.14光控晶闸管符号及等值电路192.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈（续6）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）T2T2T1T1GGG(a)符号(b)双向开关IVT1T2T2T1Ig+-T2T1GIg+-(c)伏安特性G双向晶闸管TRIAC图2.15双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性202.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈（续7）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）晶闸管的主要特点：脉冲电流控制开通，关断靠主电路；主要应用在低频开关、主电路有关断已导通晶闸管条件的场合；饱和压降很小；电流、电压耐量最大；目前利用8KV/3.5KA的光控晶闸管所构成的300MVA容量的电力变换装置是目前最大的电力电子装置；212.3.1逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈（续8）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.3.2门极可关断晶闸管GTO（GateTurn-OffThyristor）图2.16GTO符号及关断原理图GGKKAAIAIC-IgP1P2P2N1N1N2T2T1(a)符号(b)关断原理1ci2ci2biGTO为什么能靠反向触发电流关断？T2的电流分配系数较大；T1、T2饱和深度较浅22电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）门极可关断晶闸管GTO的主要特点：电流控制开通和关断，但反向关断的触发电流比较大；饱和压降中等；开关速度中等；能控制的电流、电压较大；现今额定电流电压为6KA/6KV的GTO已在10MVA以上的大型电力电子变换装置中得到应用；232.3.2门极可关断晶闸管GTO（续）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.3.3电力场效应晶体管P－MOSFETGDS导电沟道N1N2P(a)结构GDSVGSVSRLID+-VDS(b)N沟道SiO2绝缘层SiO2绝缘层DGS-VGSGDSVSGVSRL(c)P沟道P-MOSFET基本结构、符号和外接电路24电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）目前流行的P-MOSFET的结构具有垂直导电双扩散MOS结构的N沟增强型VDMOSSN+N+N-GPPN+N+N+沟道D252.3.3电力场效应晶体管P－MOSFET（续1）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）电力场效应晶体管P-MOSFET的特性曲线图2.17P-MOSFET特性曲线IDVGSVGSth(d)转移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(e)输出特性ⅠⅡⅢVBRP－MOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述：262.3.3电力场效应晶体管P－MOSFET（续2）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）电力场效应晶体管P-MOSFET的主要特点单极性导电，开关速度快（最快）；电压控制器件；电流电压耐量小于BJT；导通后等效为一个小电阻；导通电阻具有正温度系数，便于并联使用；自然具有反并联二极管（体二极管）。272.3.3电力场效应晶体管P－MOSFET（续3）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.3.4绝缘门极双极型晶体管IGBT发射极EGCN+N-PN+N+PN+N+P+栅极集电极J3J2J1工作原理GCERdrRbrT2T1AB28电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）图2.18IGBT符号、电路及特性ICVCEVGE=0VGE1VGE2VGE3VRM0(c)输出特性正向阻断区VGEVBRIcVGEVGEth(d)转移特性(a)符号ICGECGCEVgVSR(b)电路RdrRbrT2T1ICABRg符号、电路及静态特性292.3.4绝缘门极双极型晶体管IGBT（续1）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）2.3.4绝缘门极双极型晶体管IGBT（续2）GCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg什么是擎住效应：集电极电流iC过大；集电极电压过高；关断速度过快；Rbr上的电压过大，可使T2导通，使IGBT失去关断能力。产生擎住效应的原因：30电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）绝缘门极双极型晶体管IGBT主要特点电压控制开通和关断，控制功率小；双极性导电，开关速度介于MOSFET和BJT之间；电压电流耐量介于BJT和GTO之间；无二次击穿现象，有擎住效应；最近十年IGBT已得到广泛应用，3.3KV-4.5KV/1200-1800A的器件已开始实用。312.3.4绝缘门极双极型晶体管IGBT（续3）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）*2.3.5MOS控制晶闸管MCT晶闸管引入一对MOSFET构成了场控晶闸管MCT（图2.19）开通P沟道的MOS管使MCT导通开通N沟道的MOS管使MCT关断32电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）*2.