电力电子器件介绍

学习人数2292
课程类型 基础
课程时长0
综合评分5

更多内容关注‘点点电工科技’微信公众号

简介:

电力电子器件介绍

1.场效应管

1.1定义

场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场效应管。主要有两种类型(junction FET-JFET)和金属 氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET,简称MOS-FET)。由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高(10~10Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

场效应管(FET)是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,并以此命名。

由于它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称单极型晶体管。

1.2主要作用

1.2.1.场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。
1.2.2.场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
1.2.3.场效应管可以用作可变电阻。
1.2.4.场效应管可以方便地用作恒流源。
1.2.5.场效应管可以用作电子开关。

1.3工作原理

场效应管工作原理用一句话说,就是“漏极-源极间流经沟道的ID,用以门极与沟道间的pn结形成的反偏的门极电压控制ID”。更正确地说,ID流经通路的宽度,即沟道截面积,它是由pn结反偏的变化,产生耗尽层扩展变化控制的缘故。在VGS=0的非饱和区域,表示的过渡层的扩展因为不很大,根据漏极-源极间所加VDS的电场,源极区域的某些电子被漏极拉去,即从漏极向源极有电流ID流动。从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型,ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡,并不是电流被切断。
在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动,在理想状态下几乎具有绝缘特性,通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场,实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近,由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。其次,VGS向负的方向变化,让VGS=VGS(off),此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS的电场大部分加到过渡层上,将电子拉向漂移方向的电场,只有靠近源极的很短部分,这更使电流不能流通。

1.4电阻法侧好坏

测电阻法是用万用表测量场效应管的源极与漏极、栅极与源极、栅极与漏极、栅极G1与栅极G2之间的电阻值同场效应管手册标明的电阻值是否相符去判别管的好坏。具体方法:万用表测S量源极与漏极D之间的电阻,通常在几十欧到几千欧范围(在手册中可知,各种不同型号的管,其电阻值是各不相同的),如果测得阻值大于正常值,可能是由于内部接触不良;如果测得阻值是无穷大,可能是内部断极。然后再测栅极G1与G2之间、栅极与源极、栅极与漏极之间的电阻值,当测得其各项电阻值均为无穷大,则说明管是正常的;若测得上述各阻值太小或为通路,则说明管是坏的。要注意,若两个栅极在管内断极,可用元件代换法进行检测。


2.IGBT
2.1定义

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)FWD(而极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品;封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上;

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;随着节能环保等理念的推进

2.2结构

下图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+区称为源区,附于其上的电极称为源极(即发射极E)。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区(Subchannel region)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector),它是IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流,使IGBT导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极N-沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后,从P+基极注入到N-层的空穴(少子),对N-层进行电导调制,减小N-层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。

2.3工作特性

2.3.1静态特性

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大。它与GTR 的输出特性相似.也可分为饱和区、放大区和击穿特性部分。在截止状态下的IGBT ,正向电压由J2 结承担,反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, Id Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时,由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时,通态电压Uds(on) 可用下式表示::

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 -- JI 结的正向电压,其值为0.7 ~1V ;Udr --扩展电阻Rdr 上的压降;Roh --沟道电阻。

通态电流Ids 可用下式表示:

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos --流过MOSFET 的电流。

由于N+ 区存在电导调制效应,所以IGBT 的通态压降小,耐压1000VIGBT 通态压降为2 ~ 3V IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。

IGBT示意图

2.3.2动态特性

IGBT在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET来运行的,只是在漏源电压Uds下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间,tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1tfe2组成,如下图所示

开通时IGBT电流、电压波形

IGBT 在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后, PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间, td(off) 为关断延迟时间, trv 为电压 Uds(f) 的上升时间。  实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf 由下图中的 t(f1) 和 t(f2) 两段组成,而漏极电流的关断时间t(off)=td(off)+trv + t(f)td(off) 与 trv 之和又称为存储时间。


    关断时IGBT电流、电压波形              

3.桥堆

整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接,外用绝缘朔料封装而成,大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封,增强散热。

3.1原理

桥堆作为一种功率元器件,非常广泛。应用于各种电源设备。其内部主要是由四个二极管组成的桥路来实现把输入的交流电压转化为输出的直流电压。

在桥堆的每个工作周期内,同一时间只有两个二极管进行工作,通过二极管的单向导通功能,把交流电转换成单向的直流脉动电压。对一般常用的小功率桥堆进行解剖会发现,该全波桥堆采用塑料封装结构(大多数的小功率桥堆都是采用该封装形式)。桥内的四个主要发热元器件--二极管被分成两组分别放置在直流输出的引脚铜板上。在直流输出引脚铜板间有两块连接铜板,他们分别与输入引脚(交流输入导线)相连,形成我们在外观上看见的有四个对外连接引脚的全波桥堆。由于该系列桥堆都是采用塑料封装结构,在上述的二极管、引脚铜板、连接铜板以及连接导线的周围充满了作为绝缘、导热的骨架填充物质--环氧树脂。然而,环氧树脂的导热系数是比较低的(一般为0.35℃W/m,最高为2.5℃W/m),因此桥堆的结--壳热阻一般都比较大(通常为1.0~10℃/W)

3.2好坏判断

万用表打到通断档位

红表笔放在桥堆的输出负极,并保持不动,黑表笔分别测量两个AC脚,表盘应该显示几百的数据(视桥堆型号不同而不同)。显示数据很小 或者为桥堆不好

黑表笔放在桥堆的输出正极,并保持不动,红表笔分别测量两个AC脚,表盘应该显示几百的数据(视桥堆型号不同而不同)。显示数据很小 或者为桥堆不好

4.晶闸管

晶闸管是晶体闸流管的简称,又被称做可控硅整流器,以前被简称为可控硅;1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品,并于1958年将其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极,阴极和控制极; 晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

4.1结构

它是由一个P-N-P-N四层 (4 layers) 半导体构成的,中间形成了三个PN结。

A为阳极,K为阴极,G为门极,J1J2J3为三个PN

4.2工作原理

晶闸管在工作过程中,它的阳极(A)和阴极(K)与电源和负载连接,组成晶闸管的主电路,晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接,组成晶闸管的控制电路。

晶闸管为半控型电力电子器件,它的工作条件如下:

1. 晶闸管承受反向阳极电压时,不管门极承受何种电压,晶闸管都处于反向阻断状态。

2. 晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态,这就是晶闸管的闸流特性,即可控特性。

3. 晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,不论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。门极只起触发作用。

4. 晶闸管在导通情况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断。

晶闸管是四层三端器件,它有J1J2J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,则晶闸管可以看作由P1N1P2N1P2N2构成的两个晶体管V1V2组合而成,如下图所示。如果外电路向门极注入电流IG,也就是注入驱动电流,则IG流入晶体管V2的基极,即产生集电极电流IC2,它构成晶体管V1的基极电流,放大成集电极电流IC1,又进一步增大V2的基极电流,如此形成强烈的正反馈,最后V1V2进入完全饱和状态,即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流IG,晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。而若要晶闸管关断,必须去掉阳极所加的正向电压,或者给阳极施加反压,或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下,晶闸管才能关断。

4.3晶闸管特性

4.3.1伏安特性

晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系,称为晶闸管的伏安特性,如图所示。晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时,在晶闸管控制极开路(Ig=0)情况下,开始元件中有很小的电流(称为正向漏电流)流过,晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻,处于截止状态(称为正向阻断状态),简称断态。

当阳极电压上升到某一数值时,晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态,简称通态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压(UDSM),或称正向转折电压(UBO)

导通后,元件中流过较大的电流,其值主要由限流电阻(使用时由负载)决定。在减小阳极电源电压或增加负载电阻时,阳极电流随之减小,当阳极电流小于维持电流IH时,晶闸管便从导通状态转化为阻断状态。由下图可看出,当晶闸管控制极流过正向电流Ig时,晶闸管的正向转折电压降低, Ig越大,转折电压越小,当Ig足够大时,晶闸管正向转折电压很小,一加上正向阳极电压,晶闸管就导通。实际规定,当晶闸管元件阳极与阴极之间加上6V直流电压时,能使元件导通的控制极最小电流(电压)称为触发电流(电压)

在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时,开始晶闸管处于反向阻断状态,只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时,反向漏电流急剧增大,这时,所对应的电压称为反向不重复峰值电压(URSM),或称反向转折(击穿)电压(UBR)

4.3.2开通过程

晶闸管的开通过程就是载流子不断扩散的过程。对于晶闸管的开通过程主要关注的是晶闸管的开通时间 ton

由于晶闸管内部的正反馈过程以及外电路电感的限制,晶闸管受到触发后,其阳极电流只能逐渐上升。从门极触发电流上升到额定值的 10%开始,到阳极电流上升到稳态值的 10%(对于阻性负载相当于阳极电压降到额定值的 90%),这段时间称为触发延迟时间 td。阳极电流从 10%上升到稳态值的 90%所需要的时间(对于阻性负载相当于阳极电压由 90%降到 10%)称为上升时间 tr,开通时间 ton定义为两者之和,即t on = t d +tr

通常晶闸管的开通时间与触发脉冲的上升时间,脉冲峰值以及加在晶闸管两极之间的正向电压有关。

4.3.3关断过程

处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时,由于外电路电感的存在,其阳极电流在衰减时存在过渡过程。阳极电流将逐步衰减到零,并在反方向流过反向恢复电流,经过最大值 IRM后,再反方向衰减。同时,在恢复电流快速衰减时,由于外电路电感的作用,会在晶闸管两端引起反向的尖峰电压 URRM。从正向电流降为零,到反向恢复电流衰减至接近于零的时间,就是晶闸管的反向阻断恢复时间 trr[2]

反向恢复过程结束后,由于载流子复合过程比较慢,晶闸管要恢复其对反向电压的阻断能力还需要一段时间,这叫做反向阻断恢复时间 tgr。在反向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压,晶闸管会重新正向导通,而不受门极电流控制而导通。所以在实际应用中,需对晶闸管施加足够长时间的反压,使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力,电路才能可靠工作。晶闸管的电路换向关断时间 toff定义为 trr与 tgr之和,即toff= trr+ tgr