电力电子技术复习笔记1（简要版）

按照《电力电子技术》-王兆安版章节顺序整理,共八章。

 

 

第一章：绪论

要求：掌握电力电子技术的含义：包括电力变换的种类、与信息电子的联系和区别。

    电力电子技术也叫半导体变流技术。在过去，老一辈的电气人喜欢叫晶闸管为可控硅，它的发明开启电力电子技术时代的标志。晶闸管由半导体材料制成，属于半控型器件、相控方式。具体细节我们会在第二章电力电子元件中介绍，这里可以简单的把半控理解为只能通过门级使其导通而不能通过门级关断，相控是通过相位控制晶闸管电路导通。

至于变流技术，现在更加精确的定义是：电力电子技术就是使用电力电子器件，对点能进行变换和控制的技术。电力变换共四种：

输入 输出	交流（AC）	直流（DC）
直流（DC）	整流	直流斩波
交流（AC）	交流电力控制 变频、变相	逆变

 

电力电子技术是连接强电与弱点的纽带，由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。可以简单的说，电力电子技术是应用在电力（强电）领域的电子技术。注：信息电子器件有放大和开关两个功能，电力电子器件通常只有开关功能，而且要控制开关能耗。开关技术在第八章涉及。

电力电子技术的发展脉络是依据各种电力电子器件的诞生而来，刚开始的器件还不具备很强的可控性，以晶闸管为首的器件由于其优越的电气性能和控制性能，应用范围迅速扩大。随后的器件具备越来越强的可控性，一大批全控型器件诞生了：门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，下一章将会逐个讲解。全控型器件主要控制方式为脉冲宽度调制(PWM)方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式，斩波技术和pwm都会在后面介绍。未来的主流元器件将会是绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件，它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。

 

第二章：电力电子器件

要求： 电力电子器件组成的典型系统器件的分类（单极/多级，电流驱动/电压驱动）；

掌握电力二极管/三极管、晶闸管、GTO、P-Mosfet、IGBT的定义、符号、基本特征（ 静态、动态性能不要求）。

注：1） 关于"基本特征"，即最本质特征，包括开通关断条件、承压耐流能力、特殊性。例如：2.2 电力二极管的特性原因（单向导电、结构、掺杂）

2）主要参数仅了解，掌握有效值、平均值的计算公式

    

    2.1电力电子器件的概念和分类

    概念：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。

    所能处理电功率的大小（其承受电压和电流的能力）一般都远大于信息电子器件。为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。由信息电子电路来控制, 而且需要驱动电路。自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。 电力电子器件的功率损耗主要有通态损耗（大电流、微压降），断态损耗（大压降、漏电流），开关损耗（频繁通断）。

    分类：主要有三种分类方法——按照被控程度，按照驱动信号性质以及按照载流子参与导电情况。

    按照被控程度可以分为半控型：晶闸管，全控型：IGBT、Power MOSFET，不可控型：电力二极管。一般来说，全控型可以通过控制信号导通/关断电路，不可控型只能通过所在电路的电流和电压决定通断。

    按照驱动信号类型可以分为电流驱动型和电压驱动型，区别在于控制端是注入/抽出电流还是在控制端与公共端施加正/反向电压控制通断。也可以通过脉冲触发/电平触发来区分。

    按照载流子参与导电情况可以分为单极型器件：一种载流子参与导电，如肖特基二极管、电力MOSFET和SIT等；双极型：电子和空穴都参与导电，如基于PN结的电力二极管、晶闸管、GTO和 GTR等；复合型：单极型和双极型器件集成混合，如IGBT、SITH和MCT等。单极型和复合型属于电压驱动型器件输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。双极型器件 (如GTR)属于电流驱动，通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。

    接下来我们主要按照被控程度分类方法，从不可控器件，到半控器件再到全控型器件依此分析。

 

    2.2不可控器件 —— 电力二极管

    电力二极管，我的理解就是用在强电环境下的二极管。电力二极管其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。

    电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。老师上课的时候拿来了一个晶闸管，结构和螺栓型电力二极管非常相似，只是在AK两端中间多了一个小"辫子"，那里就是晶闸管的控制端。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

电力二极管和二极管原理都是PN结的单向导电性。两者区别在于：电力二极管采用"垂直导电结构"（电流在硅片内的流动总体方向垂直于硅片表面）。而信息二极管一般是横向导电结构。即：垂直导电结构使得硅片中通过电流的有效面积增大，可显著提高二极管的通流能力。P区和N区之间加入了"低掺杂N区"，由近似纯半导体材料组成，可承受很高电压不被击穿。越厚越承压。这些都是为了应对大电流、高电压的强电环境。

按照反向恢复特性（反向偏置，过渡时间）可分为普通二极管：多用于开关频率不高（1kHz）的整流电路，反向恢复时间长，其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高（kA和kV）；快恢复二极管：恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下） 。快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED） ，采用外延型P-i-N结构 ，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。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20~30ns。更进一步的是肖特基二极管（Schottky Barrier Diode——SBD）属于多子器件(单极性)，优点在于：反向恢复时间很短（10~40ns），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；因此，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。弱点在于：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

晶闸管又称可控硅整流器（SCR），其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中"最高"的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管和GTO一样属于双极型脉冲触发电流驱动器件

从外形上看主要分为螺栓型和平板型，螺栓型比电力二极管多出来一个"小辫子"是门极G，使用开关电路连接G与K（阴极）就可以对其控制导通。其内部是PNPN四层半导体结构。

 

 

晶闸管的工作原理可以将其等效成一个PNP三极管和一个NPN三极管的双晶体管模型。如下图，开关S闭合，对G施加正向电压使V2导通，导通后形成V1的基极电流Ic2，此时V1导通并使集电流Ic1放大。放大了的Ic1流入Ig又使得V2基极电流增大，形成正反馈。当V1.V2完全饱和，整个晶闸管导通，此时不能通过向G门注入负电流使晶闸管关断，想关断只能通过去除阳极正向电压或AK两端施加反压，这就半控器件。下图式中a₁和a₂分别是晶体管V₁和V₂的共基极电流增益；I_CBO1和I_CBO2分别是V₁和V₂的共基极漏电流。

除了使用门极触发外，还有几种意外情况导致晶闸管导通： 阳极电压过高，造成雪崩效应 ；阳极电压上升率du/dt过高 ；结温较高；光触发。

对于经典的单向晶闸管可以用经验判断其各极，螺栓型通常螺栓是A，细扣是K，辫子是G。平板型平放正面朝上，则从左到右K-A-G。若需进一步确认（如片子好坏），则借助万用表：1）原则：G(门极)-K（阴极）之间仅有一个PN结，正向电阻几百欧。2）中间A（阳极）已肯定。万用表置于"R×100''挡。用二极管极性判别法可判断。

晶闸管的派生器件有快速晶闸管（开关时间以及du/dt和di/dt的耐量改善）和高频晶闸管（关断时间比快速晶闸管更短，10微秒），高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。双向晶闸管，一对反并联连接的晶闸管。双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。逆导晶闸管，晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT） ，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。

 

 

 

 

 

 

 

思考题：1.使晶闸管导通的条件是什么：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK>0且uGK>0 。

2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断：维持晶闸管导通的条件：使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断： 可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 （或者在晶闸管两端施加一个反偏压 ）

3. 图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。注："平均值=积分求平均"， "有效值=均方根"

 

 

    2.4 典型的全控器件 —— GTO, GTR, Power Mosfet, IGBT

    刚才说到晶闸管是半控器件，只能开不能关，所以人们对其稍加改进就变成了新的派生器件：门极可关断晶闸管（GTO）。GTO可以通过对门极施加负脉冲电流使其关断，属于全控器件。GTO也是PNPN四层半导体结构，是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出3个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门 极则在器件内部并联在一起。GTO是脉冲触发型电流驱动的双极型器件。

    GTO门极可关断晶闸管的工作原理依然可以通过双晶体管模型分析。需要用到一个概念：V₁、V₂的共基极电流增益分别是a₁、a₂。a₁+a₂=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。我们来分析一下为什么GTO可以通过给门机抽出电流（施加负脉冲）而关断：GTO工作在临界饱和附近，将V2的共基极电流增益a₂调整的较大，导通时a₁+a₂更接近1，导通时接近临界饱和，饱和程度较浅有利门极控制关断。当两个晶体管发射极电流I_A和I_K减小使a1+a2<1时，器件退出饱和而关断。所以GTO的关断方式有两个，一个是通过门机，一个是和SCR一样通过AK。

    GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强，同时由于工作在临界饱和状态，最大可关断阳极电流I_ATO与门极负脉冲电流最大值I_GM之比b_off一般很小，只有5左右，耐压程度不如晶闸管，这是GTO的一个主要缺点。

 

    电力晶体管（Giant Transistor——GTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar JunctionTransistor——BJT） (电力三极管)。GTR的工作原理和普通的晶体管是一样的，主要特性是耐高压，电流大、开关特性好(区别于信息三极管的放大、频响特性)。

    GTR的结构和电力二极管类似，不过在PN结加入低摻杂区N-漂移区，采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成（多元）。 GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。（达林顿接法：1）前面的发射极+后面的集极 2）放大倍数为两者之积）。可以看到空穴和电子都参与导电，是双极型电平触发电流驱动器件，又由于和三极管结构类似，也是全控器件。

 

    

    电力场效应晶体管：Power MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有：驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。

MOSFET只有一种载流子导电，利用电场效应控制电流的三极管，是单极型电压驱动器件，输入电阻高，工艺简单。是单极型晶体管（多子导电）。 结构上与小功率MOS管有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，而目前电力MOSFET大都采用了垂直导电结构（P30页最后一段解释），所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），这大大提高了MOSFET器件耐压和耐电流能力。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET（Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 电力MOSFET也是多元集成结构。（类似于GTO）

    Power MOSFET的特点是单极性（只有多子导电），不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常迅速的。开关时间在10~100ns之间，工作频率达100kHz以上，为主流电力电子器件中最高。在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

 

    绝缘栅双晶体管（IGBT）

    IGBT可以说是现在电力电子器件中的主角，属于复合型器件。刚才说的GTO和GTR都属于双极型电压驱动器件，通流能力强但是开关速度低，而且驱动电路复杂。而单极型电流驱动的Power MOSFET的开关速度快，输入阻抗高热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。所以IGBT综合了GTR和Power MOSFET的优点。

    IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT比VDMOSFET多一层P⁺注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流 能力。 简化等效电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件(Mosfet驱动BJT)，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压U_GE决定的。当U_GE为正且大于开启电压U_GE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。 当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。电导调制效应使得电阻R_N减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

    IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。输入阻抗，其输入特性与电力MOSFET类似。 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。IGBT存在擎住效应，此时栅极失去对 集电极电流的控制作用，电流失控，也成为自锁。引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），dU_CE/dt过大（动态擎住效应），或温度升高。