電力電子器件51383PPT課件

1、2.1 電力電子器件概述第1頁/共103頁1 1）概念: :電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（Main Power Circuit） 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。2 2）分類: : 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅）然 電力電子器件的概念和特征電力電子器件第2頁/共103頁能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)。一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來

2、控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。 電力電子器件的概念和特征3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：第3頁/共103頁通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗:斷態(tài)損耗:開關(guān)損耗關(guān)斷損耗: 在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗開通損耗: 在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時(shí)器件上有微

3、小的斷態(tài)漏電流流過第4頁/共103頁電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路第5頁/共103頁半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號來控制其通斷,

4、 因此也就不需要驅(qū)動電路。 電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：第6頁/共103頁電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電力電子器件的分類 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：第7頁/共103頁脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。電平控制型 必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定的電平信號來使器件維持在導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電力電子器件的分類 按照驅(qū)動信號的波形，分為兩類

5、：第8頁/共103頁單極型器件（肖特基二極管、電力MOSFET等） 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。雙極型器件（電力二極管、晶閘管、GTO、GTR等） 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 。 電力電子器件的分類 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：第9頁/共103頁本章內(nèi)容: :介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。學(xué)習(xí)要點(diǎn): :最重要的是掌握其基本特性。掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。詳細(xì)使用時(shí)查手冊、說明書?？赡軙ν恢麟娐菲渌娐吩刑厥獾囊?/p>

6、。 本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)第10頁/共103頁2.2 不可控器件電力二極管第11頁/共103頁 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。2.2 不可控器件電力二極管引言整流二極管及模塊第12頁/共103頁基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號結(jié)與電力二極管的工作原理AK

7、AKa)IKAPNJb)c)AK第13頁/共103頁N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。圖2-3 PN結(jié)的形成 擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。 空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動，即漂移運(yùn)動。 交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負(fù)電荷稱為

8、空間電荷。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場結(jié)與電力二極管的工作原理第14頁/共103頁1-15電力二極管承受高電壓、大電流的因素：垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 使得硅片中通過電流的有效面積增大，提高通流能力低摻雜N區(qū) 使得電力二極管的結(jié)構(gòu)形成P-i-N結(jié)構(gòu)，由于摻雜濃度低，可以承受很高的電壓而不被擊穿。結(jié)與電力二極管的工作原理第15頁/共103頁P(yáng)N結(jié)上流過的正向電流較小時(shí)，二極管的電阻主要是低摻雜區(qū)的電阻，其阻值較高且為常數(shù)。因而管壓降隨正向電流的上升而增加；PN結(jié)上流過的正向電流較大時(shí)，為了維持電中性的條件，電阻率下降，電導(dǎo)率大大

9、增加，即電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電力二極管在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置時(shí)表現(xiàn)為低阻態(tài)。結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：第16頁/共103頁 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài)第17頁/共103頁P(yáng)N結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD

10、。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的電容效應(yīng)：第18頁/共103頁 造成電力二極管和普通二極管區(qū)別的一些因素：正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大影響。為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。結(jié)與電力二極管的工作原理第19頁/共103頁主要指其伏安特性門檻電壓UT O，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。承受反向

11、電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖2-4 電力二極管的伏安特性 電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性IOIFUTOUFU第20頁/共103頁2) 動態(tài)特性 二極管的電壓- -電流特性隨時(shí) 間變化的 結(jié)電容的存在 電力二極管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖2-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時(shí)間：td= t1- t0, 電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間 的比值tf /t

12、d，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。第21頁/共103頁正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖2-5(b)開通過程 電力二極管的基本特性 開通過程： 關(guān)斷過程關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖2-5(b)關(guān)斷過程第22頁/共103頁額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均

13、值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流IF(AV)第23頁/共103頁在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對應(yīng)的正向壓降。3） 反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 4）反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf 電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降UF第24頁/共103頁結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。6) 浪涌電流IF

14、SM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。 電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫TJM第25頁/共103頁1) 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長（一般在5 s以上）。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。 電力二極管的主要類型第26頁/共103頁簡稱快速二極管：反向恢復(fù)過程很短（5 s以下）快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Ep

15、itaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。2) 快恢復(fù)二極管:工藝上多采用了摻金措施 （Fast Recovery DiodeFRD）第27頁/共103頁肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低

16、于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。 電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管(DATASHEET) ) 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。第28頁/共103頁2.3 半控器件晶閘管第29頁/共103頁2.3 半控器件晶閘管引言1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重

17、要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）第30頁/共103頁圖2-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端，為四層三結(jié)三端型。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3第31頁/共103頁 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)第32頁

18、/共103頁 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：圖2-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 按晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）第33頁/共103頁 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體

19、管漏電流之和。開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。第34頁/共103頁 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：第35頁/共103頁 晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管

20、都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：第36頁/共103頁 晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1） 靜態(tài)特性圖2-8 晶閘管的伏安

21、特性IG2IG1IG第37頁/共103頁 晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖2-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性第38頁/共103頁 晶閘管的基本特性1) 開通過程延遲時(shí)間td (0.52.5 s) 門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間tr (0.53 s) 陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開通時(shí)間tg t上兩者

22、之和 tgt=td+ tr （2-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2） 動態(tài)特性圖2-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第39頁/共103頁 晶閘管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr （2-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒2） 動態(tài)特性圖2-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第40頁/共103頁 晶閘管的主要參

23、數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通 常 取 晶 閘 管 的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：1）電壓定額第41頁/共103頁 晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱

24、其額定電流的參數(shù)。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。2）電流定額第42頁/共103頁01sin()2mdamIIItdt2)()sin(2102mmVTItdtII通態(tài)電流平均值1.572VTfdaIkI(1.5 2)1.57VTdaII 通常50A以下的管子分別為1、5、10、20、30、50A等級；1001000A的管子

25、分別為100、200、300、400、500、600、800、1000A等級。有效值：（1.52）為安全系數(shù)。第43頁/共103頁例：某電路輸入的電流波形如圖所示，流經(jīng)額例：某電路輸入的電流波形如圖所示，流經(jīng)額定電流為定電流為100A100A的晶閘管，求其允許電流的平的晶閘管，求其允許電流的平均值。均值。21sin()22mdamIIItdt221(sin)()22 2mVTmIIItdt()()1.57157T VTT daIIA1574442 2mVTmIIAIAAIImda7 .702故允許電流的平均值第44頁/共103頁2、在實(shí)際電路中，當(dāng)需要晶閘管能承受最大平均值為100A的工頻矩形

26、半波電流，則晶閘管的額定電流應(yīng)選擇多大？1、一個(gè)額定電流為100A的晶閘管能承受工頻矩形半波的最大平均電流為多少？01()22mdamIII dt201()22mVTmIIIdt第45頁/共103頁 晶閘管的主要參數(shù) 除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3）動態(tài)參數(shù)第46頁/共

27、103頁晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)第47頁/共103頁國產(chǎn)晶閘管的型號命名方法 國產(chǎn)晶閘管的型號命名（JB1144-75部頒發(fā)標(biāo)準(zhǔn)）主要由四部分組成。KP100-3 重復(fù)峰值電壓等級重復(fù)峰值電壓等級（1 1、100V100V，2 2、200V200V等）等） 額定通態(tài)電流值額定

28、通態(tài)電流值（1 1、1A1A，5 5、5A5A等）等） 晶閘管的類別晶閘管的類別（P P：普通反向阻斷型、：普通反向阻斷型、 K K：快速反向阻斷型、：快速反向阻斷型、 S S：雙向型）：雙向型）晶閘管晶閘管第48頁/共103頁晶閘管的派生器件2 2）雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）圖2-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。不用

29、平均值而用有效值來表示其額定電流值。在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。第49頁/共103頁晶閘管的派生器件3) 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖2-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流。第50頁/共103頁晶閘管的派生器件4) 光 控 晶 閘 管 （ L i g h t

30、T r i g g e r e d ThyristorLTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖2-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場合。第51頁/共103頁2.4 典型全控型器件第52頁/共103頁2.4 典型全控型器件引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力

31、晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。第53頁/共103頁2.4 典型全控型器件引言常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊第54頁/共103頁 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）第55頁/共103頁 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖2

32、-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK第56頁/共103頁 門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖2-7所示的雙晶體管模型來分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1

33、和 2 2 。第57頁/共103頁 門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖2-7 晶閘管的工作原理第58頁/共103頁 門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能

34、力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：第59頁/共103頁 門極可關(guān)斷晶閘管開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間tt 殘存載流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖2-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形2) GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性第60頁/共103頁 門極可關(guān)斷晶閘管3) GTO的主要參數(shù) 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。

35、 一般指儲存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時(shí)間toff（1）開通時(shí)間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。第61頁/共103頁 門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（2-8）GMATOoffII第62頁

36、/共103頁電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。耐 高 電 壓 、 大 電 流 的 雙 極 結(jié) 型 晶 體 管 （ B i p o l a r J u n c t i o n TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT。 應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術(shù)語用法術(shù)語用法：第63頁/共103頁與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成

37、 。電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動第64頁/共103頁電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（2-9） GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo （2-10）單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib

38、1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理第65頁/共103頁電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)第68頁/共103頁電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對應(yīng)的Ic 。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。 3) 集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的

39、耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流IcM第69頁/共103頁電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安 全 工 作 區(qū) （ S a f e Operating AreaSOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-18 GTR的安全工作區(qū)4) GTR

40、的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)第70頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通 常 主 要 指 絕 緣 柵 型 中 的 M O SM O S 型 （ M e t a l Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。電力場效

41、應(yīng)晶體管第71頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理第72頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖2-19 電力MOS

42、FET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號第73頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷ｋ娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)第74頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流

43、過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖2-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力MOSFET的工作原理第75頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截

44、止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖2-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2）電力MOSFET的基本特性第76頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。圖2-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出

45、特性MOSFET的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A第77頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管開通過程開通延遲時(shí)間td(on) 上升時(shí)間tr開通時(shí)間to n開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間to f f關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(o

46、ff)tf圖2-21 電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動態(tài)特性第78頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)速度第

47、79頁/共103頁電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管3) 電力MOSFET的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額(1) 漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓UGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容CGS、CGD和CDS第80頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r T

48、ransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場，是中大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。第81頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC

49、+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖2-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號第82頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管圖2-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1

50、IDRonb)GCc)圖2-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT的結(jié)構(gòu)第83頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 IGBT的原理第84頁/共103頁a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻

51、斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性圖2-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th)輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。第85頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖2-24 IGBT的開關(guān)過程IGBT的開通過程

52、 與MOSFET的相似開通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間tr 開通時(shí)間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tf v 1 I G B T 中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。 (2) IGBTIGBT的動態(tài)特性第86頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管圖2-24 IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）電流下降時(shí)間 關(guān)斷時(shí)間toff電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tf i 2 I G B T 內(nèi) 部 的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。

53、 IGBT的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第87頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓UCES第88頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時(shí)

54、，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 第89頁/共103頁 絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGB

55、T電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。第90頁/共103頁2.5 其他新型電力電子器件第91頁/共103頁 MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合第92頁/共103頁靜電感應(yīng)晶體管SITSIT多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)：柵極不加信號時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。SIT（Static In