理论教学>>第一章 功率半...

第一节 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,要求功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路电子电路中,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,分别称之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环。

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。同时能承受高的di/dt和du/dt以及具有全控功能。

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)等3种主要类型。

晶闸管(Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier—SCR)可以算作是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方式问题,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、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。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年代出现了称之为第二代的自关断器件,如门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor—GTO),大功率双极型晶体管(Bipolar Junction 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,可达(几~几百)kHz。但也有不足之处:GTR、GTO开关频率仍较低(几kHZ);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100kHz以上),为所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极双极型晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor—IGBT, or 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。这些器件有很高的开关频率,(几十~几百)kHz,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朴结构,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。现已经出现了第四代电力电子器件—集成功率半导体器件(Power Integrated Circuit—PID),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。

值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰,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控型器件、半控型器件、全控型器件等3种。

(1)不控型器件

不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件,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,则二极管关断。

(2)半控型器件

能利用控制信号控制其导通,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、电流或其它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导通,也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件,通常也称为自关断器件。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得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。

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