太原理工大學(xué)

1、第8章現(xiàn)代電力電子器件及其應(yīng)用本章要求 了解常用電力電子器件晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極型晶體管等 全控型器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)及其應(yīng)用。本章內(nèi)容 電力電子技術(shù)是電力、電子、控制三大領(lǐng)域的交叉學(xué)科。晶閘管已成為 目前半導(dǎo)體器件從弱電領(lǐng)域進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域中制造技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最廣泛的器件之 一。它主要用于整流器（把交流電壓變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的直流電壓）、逆變器（把直流電壓變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的交流電壓）、斬波器（把固定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的直流電壓）、 交流調(diào)壓器（把固定的交流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的交流電壓）等方面。隨著高速晶閘管、功率 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET ）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等

2、全控型器件的問世，晶閘 管的應(yīng)用日益廣泛。電子技術(shù)也由傳統(tǒng)的電力電子階段進(jìn)入現(xiàn)代電力電子階段，現(xiàn)代電 力電子技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家電子工業(yè)和電力工業(yè)是否現(xiàn)代化的主要標(biāo)志之一。是現(xiàn)代電子技術(shù)中不可或缺的內(nèi)容。本章介紹一些常用的電力半導(dǎo)體器件和應(yīng)用本章學(xué)時(shí) 4學(xué)時(shí)8.1晶閘管本節(jié)學(xué)時(shí) 1學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn) 1、晶閘管的工作原理；2、伏安特性及主要參數(shù)：教學(xué)方法 首先簡(jiǎn)單介紹晶閘管的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析其工作原理，使學(xué)生了解晶閘管的 半控性。教學(xué)手段 以電子課件與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握 更多的相關(guān)知識(shí)。j A* * A（a）示意圖（b）符號(hào)教學(xué)內(nèi)容& 1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)晶閘管

3、與二極管相比，它的單向?qū)щ娔芰€受到控制極上的信號(hào)控制。晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-1 (a),它由PNPN四層半導(dǎo)體交替疊合而成，中間 形成三個(gè)PN結(jié)。陽(yáng)極A從上端P區(qū)引出，陰極K從下端N區(qū)引出，又在中間P區(qū)上 引出控制極(或稱門極)G。圖8-1 (b)是晶閘管的符號(hào)。晶閘管中通過陽(yáng)極的電流比 控制極中的電流大得多，所以一般晶閘管控制極的導(dǎo)線比陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)線要細(xì)。& 1.2晶閘管的工作原理1 晶閘管導(dǎo)通的條件是在陽(yáng)極和陰極之間加正向電壓，同時(shí)控制極和陰極之間加適當(dāng)?shù)恼螂妷?實(shí)際工作中，控制極加正觸發(fā)脈沖信號(hào))。2導(dǎo)通以后的晶閘管，關(guān)斷的方法是在陽(yáng)極上加反向電壓或?qū)㈥?yáng)極電流減小到足夠小的程

4、度(維持電流Ih以下)。PNOGPNIkA|AT2(PNP)Ti(NPN)ii gQ A(a)結(jié)構(gòu)分解示意圖圖晶閘管工作原理(b)結(jié)構(gòu)原理圖& 1.3晶閘管的伏安特性晶閘管的陽(yáng)極電壓U與陽(yáng)極電流Ia之間的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性曲線,如圖8-4所示。在無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，如果在陽(yáng)極和陰極之間加 上額定的正向電壓，則在晶閘管內(nèi)只有很小的正向 漏電流通過，它對(duì)應(yīng)特性曲線的 oa段，以后逐漸b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極增大陽(yáng)極電壓到b點(diǎn)，此時(shí)晶閘管會(huì)從阻斷狀態(tài)突然轉(zhuǎn)向?qū)顟B(tài)電壓稱為無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)的正向轉(zhuǎn)折電壓（或稱硬開通”電壓），用UBO表示。晶閘管導(dǎo)通后，陽(yáng)極電流IA的大小就由電路中的陽(yáng)極電壓 UA和負(fù)載電阻來

5、決定。晶閘管導(dǎo)通后，減小陽(yáng)極電流IA,并使IAi,a dV接上電源，經(jīng)過 a角度后，在晶閘管的控制極上， 加上觸發(fā)電壓ug,如圖8-5(b)所示。晶閘管T被觸發(fā)導(dǎo)通, 負(fù)載電阻中開始有電流通過，在負(fù)載兩端出現(xiàn)電壓u。.電路與波形見圖8-5(b)。在T導(dǎo)通期間，晶閘管壓降近似為零。在第二個(gè)周期出現(xiàn)時(shí)，重復(fù)以上過程。晶閘管導(dǎo)通的角度稱為導(dǎo)通角，用B表示。由 8-5(b)可知 0=n a3輸出平均電壓Uo.； - 21 亠 cos:.2U 2 sin td(，t) U 2 (1 cost) =0.45U 20 2- 2根據(jù)歐姆定律，負(fù)載電阻Rl中的直流平均電流為I。二土 =0.45土 匕竺RlRl

6、2此電流即為通過晶閘管的平均電流。例8-1在單相半波可控整流電路中，負(fù)載電阻為8Q,交流電壓有效值U2=220V，控制角a的調(diào)節(jié)范圍為6O01800，求:(1)直流輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。(2)晶閘管中最大的平均電流。 晶閘管兩端出現(xiàn)的最大反向電壓。解：控制角為60時(shí)，由式(8-1)得出直流輸出電壓最大值Uo =0.45U2 1 S2J+cos60、/= 0.45 22074.25V2控制角為1800時(shí)得直流輸出電壓為零。所以控制角a在601800范圍變化時(shí)，相對(duì)應(yīng)的直流輸出電壓在74.25V0V之間調(diào)節(jié)。晶閘管最大的平均電流與負(fù)載電阻中最大的平均電流相等，由式(8-2)得If =1 o 二土 =

7、 74.25 7.4 2 ARl10晶閘管兩端出現(xiàn)的最大反向電壓為變壓器次級(jí)電壓的最大值Ufm 二Urm = 2U2 =，2220 =311V再考慮到安全系數(shù)23倍，所以選擇額定電壓為600V以上的晶閘管822單相橋式半控整流電路uoio8.3.2功率MOSFET的主要特性1.電路組成(b)波(a)電路圖形圖圖單相橋式半控整流電路與波形2.工作原理其工作原理同上，輸出電壓平均值比單相半波可控整流大一倍。即U。=0.9U2根據(jù)歐姆定律，負(fù)載電阻 Rl中的直流平均電流為1 cos：Rl2晶閘管和二極管承受的最高反向電壓均為2U2 O綜上所述，可控整流電路是通過改變控制角的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓大小的

8、目的, 因此，也稱為相控制整流電路。8.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)本節(jié)學(xué)時(shí) 1學(xué)時(shí)2、功率MOSFET的主要特性教學(xué)方法首先了解功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而了解其主要特性。教學(xué)手段 以電子課件與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握 更多的相關(guān)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容8.3.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理功率MOSFET根據(jù)導(dǎo)電時(shí)載流子的種類可分為 P溝道和N溝道兩種類型，其電路符號(hào)如圖8-9所示，它有三個(gè)電極：柵極G、源極S和漏極D功率MOSFET的工作原理與傳統(tǒng)的MOS器件基本相同，當(dāng)柵極和漏極之間加正向77/7-NFp飛N +溝道PNNG|S(c )圖

9、8-9功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的符號(hào)和結(jié)構(gòu)(a )N-MOSFET電路符號(hào)(b)P-MOSFET電路符號(hào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)電 壓 時(shí)(Ugs0)，MOSFET內(nèi)溝 道出現(xiàn)，在漏極 和源極之間加 有電壓時(shí)，就有 漏極電流Id形成，器件導(dǎo)通；反之當(dāng)柵極和源極之間加反向電壓時(shí)(Ugs0),溝道消失，器件關(guān)斷。1輸出特性指在柵源電壓Ugs 定的情況下，漏極電流Id與漏源電壓Uds關(guān)系的曲線族，女口 圖8-10( a)所示。它分為三個(gè)區(qū)：(1) 可調(diào)電阻區(qū)I當(dāng)Ugs一定時(shí)，漏極電流Id與漏極電壓Ugs幾乎呈線性關(guān)系。 當(dāng)作為開關(guān)器件應(yīng)用時(shí)，工作在此區(qū)內(nèi)。(2) 線性放大區(qū)II在該區(qū)中，當(dāng)Ugs不變時(shí)，Id幾乎不隨Uds的

10、增加而加大，Id 近似為一常數(shù)。當(dāng)用于線性放大時(shí)工作在此區(qū)內(nèi)(3) 擊穿區(qū)川當(dāng)漏極電壓Uds過高時(shí)，漏極電流Id會(huì)急劇增加。在使用器件時(shí)應(yīng) 避免出現(xiàn)此種情況，否則會(huì)使器件損壞2. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 是以漏、源極電壓 Uds為參變量，反映柵、源電壓 Ugs與漏極電流Id 之間的關(guān)系，如圖8-10 ( b)所示。3. 開關(guān)特性功率MOSFET是單極性電壓控制器件，依靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子的 存儲(chǔ)效應(yīng)，與關(guān)斷時(shí)間相聯(lián)系的存儲(chǔ)時(shí)間大大減小，因而具有開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)。1.通態(tài)電阻Ron8.3.3功率MOSFET的主要參數(shù)d等于1mA時(shí)的柵極電壓定義為開啟電壓。Ut具有負(fù)溫度系數(shù)2跨導(dǎo)gm跨導(dǎo)g

11、m和晶體管的B相似，反映了功率MOSFET的柵、源電壓對(duì)漏極電流的控制 能力。定義為：gm 二 1 D / 丄U GS單位為西門子簡(jiǎn)稱（S）。3. 漏、源擊穿電壓Ubds4. 柵、源擊穿電壓 Ubgs5. 漏極峰值電流Idm8.4絕緣柵雙極型晶體管本節(jié)學(xué)時(shí) 1學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn) 1、絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理2、絕緣柵雙極型晶體管的主要特性及參數(shù)。教學(xué)方法首先了解絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而了解其主要特性 及其組成的功率模塊（IPM ）的應(yīng)用。教學(xué)手段 以電子課件與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握 更多的相關(guān)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容8.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理N溝

12、道IGBT的結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)如圖8-11所示。它有三個(gè)電極，即控制極 G、集電(a )Rn! I DRon(b )I極C和 發(fā)射極E。它是在功率MOSFET 的圖8-11 IGBT的符號(hào)和結(jié)構(gòu)（a ）結(jié)構(gòu)（b）內(nèi)部電路 （c）符號(hào)基礎(chǔ)上增加一個(gè)高濃度p+層，形成了四層結(jié)構(gòu)，由 PNP NPN晶體管構(gòu)成IGBT。但 是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使 NPN不起作用。所以說， IGBT的工作基本與NPN晶體管無(wú)關(guān)，可以認(rèn)為IGBT是以晶體管為主導(dǎo)元件（輸出）、 MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件（輸入）的單向達(dá)林頓管。8.4.2 IGBT的主要特性IGBT的特性可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜

13、態(tài)特性主要指IGBT的伏安特性、轉(zhuǎn)移特性，動(dòng)態(tài)特性主要指IGBT的開關(guān)特性。1. .IGBT的伏安特性當(dāng)以柵極、發(fā)射極之間的電壓 Uge為參變量時(shí)，IGBT的集電極電流Ic和集電極與 發(fā)射極之間電壓Uce的關(guān)系曲線，稱為IGBT的伏安特性，如圖8-12所示。2. .IGBT的轉(zhuǎn)移特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性是描述集電極電流與控制極、發(fā)射極電壓Uce的關(guān)系曲線，如圖8-13所示。3動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性也稱開關(guān)特性，它包括開通過程和關(guān)斷過程。IGBT的開通時(shí)間約為0.51.2 & IGBT的關(guān)斷時(shí)間約為0.551.5 S。8.4.3 IGBT 的主要參數(shù)1 控制極發(fā)射 極擊穿電壓 UGEM這個(gè)參數(shù)

14、表示了 IGBT 控制極和發(fā)射極之間的耐壓能力，其值一般為 20V 左右。2集電極 發(fā)射極最高電壓 UCEM該參數(shù)決定了 IGBT 的最高工作電壓，目前 IGBT 的最高工作電壓分為 600V、1000V、 1200V、1400V、1700V 和 3300V 幾個(gè)檔次。3開啟電壓 UGE（ th）開啟電壓是 IGBT 導(dǎo)通所需要的最低控制極電壓。這個(gè)參數(shù)隨溫度升高而下降，溫度每升高1C, Uge（th）值下降5mV左右。在常溫時(shí)的開啟電壓一般為 26V。4通態(tài)壓降 UCE（ on）IGBT的通態(tài)壓降Uce（on）約為25。5集電極最大電流 ICM該參數(shù)表征 IGBT 的電流容量。由于 IGBT 大多工作在開關(guān)狀態(tài),因而 ICM 更具有 實(shí)際意義,只要不超過額定結(jié)溫（ 1500C）, IGBT 就可以工作在 ICM 范圍內(nèi)。8.4.4 智能型器件 IPM在 IGBT 的基礎(chǔ)上,到 20世紀(jì) 90年代,具有智能型的功率模塊,即 IPM 發(fā)展起來, 使弱電和強(qiáng)電達(dá)到了完美的結(jié)合,推動(dòng)電子電力進(jìn)入智能化時(shí)代。 IPM 內(nèi)部由 PWM 控 制電路、故障檢測(cè)和各種保護(hù)電路,以及采用帶有電流傳感器的 IGBT 芯片組成。IPM 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 8- 1 4所示,它是由兩個(gè) IGBT 組成的橋路,集電極和發(fā)射極間 并有續(xù)流二極管。 IGBT 為雙發(fā)射極結(jié)構(gòu)