电力电子技术(第2版十二五普通高等教育本科规划教材)

作者简介

内容简介

第一章 功率半导体器件
　　功率半导体器件是电力电子电路的基础，要想学好电力电子技术，必须掌握功率半导体器件的特性和使用方法。本章主要介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数，其中包括不可控的功率二极管、半控的晶闸管和全控型器件，如大功率双极型晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(power MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。
　　1.1 概述
　　1.1.1 功率半导体器件的定义
　　图1-1为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成。
　　图1-1 电力电子装置示意图
　　功率半导体器件的工作特点如下：
　　1) 与模拟电子电路中半导体器件工作在线性放大状态不同，通常情况下，功率半导体器件都工作在开关状态。管子导通时，通态阻抗很小，相当于短路，管压降近似为零，流过的电流由外电路决定；管子关断时，断态阻抗很大，相当于断路，漏电流近似为零，管子两端的电压也由外电路决定。由于电力电子电路处理的大多为高电压、大电流的电能，要求劝率半导体器件的导通压降低、漏电流小，这样才能保证功率半导体器件在导通和阻断时损耗小，从而避免器件的发热。通常情况下，功率半导体器件的断态漏电流很小，断态损耗不大，通态损耗占器件功率损耗的主要部分。
　　2) 在高频逆变器、高频整流器等频率较高的电力电子电路中，功率半导体器件的开通、关断频率比较高，因此必须考虑功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时在转换过程中所产生的损耗，分别称为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。开关损耗在高频电力电子电路中占总损耗（通态损耗、断态损耗和开关损耗）的主要部分，通常采用开通、关断缓冲电路来降低开关损耗。
　　3) 尽管电力电子电路所处理的电功率大至兆瓦级，小到毫瓦级，但大功率却是功率半导体器件的特点，这要求功率半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件，而且需要安装散热器，防止因损耗而散发的热量导致器件温度过高而损坏。
　　综合上面功率半导体器件的工作特点，一个理想的功率半导体器件应该是全控型器件，具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小，同时还要能承受高的di/dt和du/dt。
　　1.1.2 功率半导体器件的发展
　　功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制就开始了从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的发展经历了以下阶段。
　　大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成整流二极管(rectifier diode)、快恢复二极管(fast recovery diode，FRD)和肖特基二极管(Schottky barrier diode，SBD)三种主要类型。
　　20世纪60年代出现的晶闸管(thyristor，or silicon controlled rectifier，SCR)可以算作第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本。此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。
　　20世纪70年代出现了第二代的全控型器件，如门极可关断晶闸管(gate-turn-off thyristor，GTO)、大功率双极型晶体管(bipolar j unction transistor. BJT，or giant transistor，GTR)、功率场效应管(power metal oxide semiconductor field effect transistor，power MOSFET)等，它们的开、关均可由控制极（门极、基极、栅极）控制，开关频率相对晶闸管较高。但也有不足之处：GTR、GTO开关频率仍较低（几千赫兹）；GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、du/dt及di/dt耐量低，需要较大的吸收电路；GTR的驱动电流较大、耐浪涌电流能力差，耐压低、易受二次击穿而损坏；power MOSFET开关速度快、工作频率高（可达数百千赫兹以上），为现有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合，但其电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。
　　20世纪80年代出现了以绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT或IGT为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件，另外还有静电感应式晶体管( static induction transistor，SIT)、静电感应式晶闸管(static induction thyristor，SITH)、MOS控制晶闸管(MOS controlled thyristor，MCT)、集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor，IGCT)等。这些器件有较高的开关频率，有更高的耐压，电流容量也大，可构成大功率、高频的电力电子电路。
　　20世纪80年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓扑结构，将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。现在使用的第四代电力电子器件——集成功率半导体器件( power integrated circuit，PIC)，它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应用前景。目前经常使用的智能功率模块(intelligent power module，IPM)就是典型的例子，IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身不受损坏。
　　值得指出的是，新一代器件的出现并不意味着老器件被淘汰，世界上SCR产量仍占全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。
　　1.1.3 功率半导体器件的分类
　　功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。
　　1. 按可控性分类
　　根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不可控型器件、半控型器件、全控型器件三种。
　　(1) 不可控型器件
　　不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件称为不可控型器件，如大功率二极管。此类器件的开通和关断完全由其在主电路中承受的电压、电流决定。对大功率二极管来说，加正向阳极电压，二极管导通；加反向阳极电压，二极管关断。
　　(2) 半控型器件
　　能利用控制信号控制其开通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件。晶闸管及其大多数派生器件（GTO除外）都为半控型器件，它们的开通由来自触发电路的触发脉冲来控制，而关断则只能由其在主电路中承受的电压、电流或其他辅助换流电路来完成。
　　(3) 全控型器件
　　能利用控制信号控制其开通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件。GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT等都是全控型器件。
　　2. 按驱动信号类型分类
　　(1) 电流驱动型
　　通过在控制端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器件。GTO、GTR为电流驱动型功率半导体器件。
　　(2) 电压驱动型
　　通过在控制端和另一公共端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压驱动型功率半导体器件。P-MOSFET、IGBT为电压驱动型功率半导体器件。
　　1.2 大功率二极管
　　在电力电子装置中，常使用不可控的大功率二极管。这种电力电子器件常被用于为不可控整流、电感性负载回路的续流、电压源型逆变电路提供无功路径以及电流源型逆变电路换流电容与反电势负载的隔离等场合。由于大功率二极管的基本工作原理和特性与一般电子线路中使用的二极管相同. 本节着重在大功率、快恢复等特点上进行阐述。
　　1.2.1 大功率二极管的结构
　　大功率二极管的内部结构是一个具有P型及N型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图1-2(a)所示。
　　从外部构成看，可分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯会因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式(图1-2(b))，200A以上则采用平板式(图1-2(c))。
　　图1-2 大功率二极管
　　1.2.2 大功率二极管特性
　　1. 大功率二极管的伏安特性
　　二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图1-3所示。第1象限为正向特性区，表现为正向导通状态。当加上小于0.5V的正向阳极电压时，二极管只流过微小的正向电流。当正向阳极电压超过0.5V时，正向电流急剧增加，曲线呈现与纵轴平行趋势。此时阳极电流的大小完全由外电路决定，二极管只承受一个很小的管压降UF=0.4～1.2V。
　　图1-3 大功率二极管的伏安特性
　　第Ⅲ象限为反向特性区，表现为反向阻断状态。当二极管加上反向阳极电压时，开始只有极小的反向漏电流，特性平行横轴。随着电压增加，反向电流有所增大。当反向电压增加到一定程度时，漏电流就开始急剧增加，此时必须对反向电压加以限制，否则二极管将因反向电压击穿而损坏。由于大功率二极管的通态压降和反向漏电流数值都很小，忽略通态压降和反向漏电流后的大功率二极管的理想伏安特性如图1-3(b)所示。
　　2. 大功率二极管的开通、关断特性
　　大功率二极管的工作原理和一般二极管一样都是基于PN结的单向导电性，即加上正向阳极电压时，PN结正向偏置，二极管导通，呈现较小的正向电阻；加上反向阳极电压时，PN结反向偏置，二极 阻断，呈现极大的反向电阻。半导体变流装置就是利用了大功率二极管的这种单向导电性。大功率二极管有别于普通二极管的地方是具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。
　　(1) 大功率二极管的开通过程
　　大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。上述现象表明大功率二极管在开通初期呈现出明显的电感效应，无法立即响应正向电流的变化。图1-4为大功率二极管开通过程中的管压降“D和正向电流ZD的变化曲线。由图1-4可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压UDM比稳态管压降高得多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。
　　大功率二极管开通时呈现的电感效应与器件内部机理、引线长度、器件封装所采用的磁性材料有关。在高频电路中作为快速开关器件使用时，应考虑大功率二极管的正向恢复时间等因素。
　　(2) 大功率二极管的关断过程
　　图1-5为大功率二极管关断过程电压、电流波形。t1时刻二极管电流IF，开始下降，t2时刻下降至零，此后反向增长，这个时间段内