電力電子器件53769PPT課件

1、1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述第1頁(yè)/共118頁(yè)1 1）概念）概念: :電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（主電路（Main Power CircuitMain 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）分類: : 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅）仍然電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征第2頁(yè)/共118頁(yè)能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電

2、子器件。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)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。3 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(yè)/共118頁(yè)通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗第4頁(yè)/共118頁(yè)電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。圖1-1 電

3、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(cè)電路驅(qū)動(dòng)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)正常可靠運(yùn)行應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路第5頁(yè)/共118頁(yè)半控型器件（半控型器件（ThyristorThyristor） 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET)IGBT,MOSFET) 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件不可控器件(Power Diode)(Power Diode) 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)

4、動(dòng)電路。電力電子器件的分類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(yè)/共118頁(yè)電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：第7頁(yè)/共118頁(yè)本章內(nèi)容本章內(nèi)容: :介紹各種器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串保護(hù)和串、并聯(lián)并聯(lián)使用使用這三個(gè)問(wèn)題

5、。學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn): :最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握電力電子器件的型號(hào)命名法命名法，以及其參數(shù)和參數(shù)和特性曲線的使用方法特性曲線的使用方法?？赡軙?huì)主電路的其它電路元件有特殊的要求特殊的要求。本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)第8頁(yè)/共118頁(yè)1.2 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管第9頁(yè)/共118頁(yè) Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。快恢復(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(chǎng)合，具有不可替代的地位。1.2 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言整流二極管及模塊第

6、10頁(yè)/共118頁(yè)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1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK第11頁(yè)/共118頁(yè) 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 PN結(jié)的狀態(tài)第12頁(yè)/共118頁(yè)

7、PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容電容效應(yīng)效應(yīng)，稱為結(jié)電容結(jié)電容CJ，又稱為微分電容微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘勢(shì)壘電容電容CB和擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 PN結(jié)的電容效應(yīng)：第13頁(yè)/共118頁(yè)主要指其伏安特性伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流I IF F開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向正向電壓降電壓降U UF F 。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1) 1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU

8、第14頁(yè)/共118頁(yè)2) 2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 二極管的電壓二極管的電壓- -電流特性電流特性隨時(shí)隨時(shí) 間變化的間變化的 結(jié)電容的存在結(jié)電容的存在b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)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 /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。第15頁(yè)/共118頁(yè)正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖U UFPFP，經(jīng)

9、過(guò)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，U UFPFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程： 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程須經(jīng)過(guò)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(guò)沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過(guò)程第16頁(yè)/共118頁(yè)額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。I IF(AV)F(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等

10、的原則有效值相等的原則來(lái)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)電力二極管的主要參數(shù)1)1) 正向平均電流正向平均電流I IF(AV)F(AV)第17頁(yè)/共118頁(yè)在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3 3） 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓U URRMRRM對(duì)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 4）反向恢復(fù)時(shí)間）反向恢復(fù)時(shí)間t trrrr trr= td+ tf2 2）正向壓降正向壓降U UF F第18頁(yè)/共118頁(yè)結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。T TJMJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高

11、平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。6) 6) 浪涌電流浪涌電流I IFSMFSM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(guò)電流。 5 5）最高工作結(jié)溫）最高工作結(jié)溫T TJMJM第19頁(yè)/共118頁(yè)1) 1) 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開(kāi)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(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高按照正向壓降、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電力二極管的主要類型第20頁(yè)/共118頁(yè) 簡(jiǎn)稱快速二極管快恢復(fù)

12、外延二極管快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial 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(jí)。前者t trrrr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。2) 2) 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）第21頁(yè)/共118頁(yè)肖特基二極管的弱點(diǎn)弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)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)優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）

13、。正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。3. 3. 肖特基二極管肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。第22頁(yè)/共118頁(yè)1.3 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管第23頁(yè)/共118頁(yè)1.3 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開(kāi)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

14、代以來(lái)，開(kāi)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(chǎng)合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）第24頁(yè)/共118頁(yè)圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(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。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)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25頁(yè)/共118頁(yè)

15、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26頁(yè)/共118頁(yè)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1-7 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晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）第27頁(yè)/共118頁(yè)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(lái)之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0，

16、1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通狀態(tài)開(kāi)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(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。第28頁(yè)/共118頁(yè)陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光觸發(fā)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

17、：第29頁(yè)/共118頁(yè)晶閘管的基本特性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，晶閘管都不會(huì)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(kāi)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：晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：第30頁(yè)/共118頁(yè)（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(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)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

18、-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG第31頁(yè)/共118頁(yè)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(guò)。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1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2 2）反向特性反向特性第32頁(yè)/共118頁(yè)1) 開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間延遲時(shí)間t td d (0.51.5(0.51.5 s)s)上升時(shí)間上升時(shí)間t tr r (0.

19、53(0.53 s)s)開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間t tgtgt以上兩者之和，以上兩者之和， t tgtgt= =t td d+ + t tr r （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間t trrrr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間t tgrgr關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t tq q以上兩者之和以上兩者之和t tq q= =t trrrr+ +t tgrgr （1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒百微秒2 2） 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形第33頁(yè)/共118頁(yè) 晶閘管的主要參

20、數(shù)晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U UDRMDRM 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)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓U URRMRRM 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）電壓通態(tài)（峰值）電壓U UT T 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：使用注意：1 1）電壓定額電壓定額第34頁(yè)/共118頁(yè)通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 I IT(A

21、VT(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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。維持電流維持電流 I IH H 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 I IL L 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常通常I IL L約為約為I IH H的的2424倍倍。浪涌電流浪涌電流I ITSMTSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。2 2）電流

22、定額電流定額第35頁(yè)/共118頁(yè) 除開(kāi)通時(shí)間t tgtgt和關(guān)斷時(shí)間t tq q外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率d du u/d/dt t 指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)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(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率d di i/d/dt t 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)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(guò)熱而使晶閘管損壞。3 3）動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)第36頁(yè)/共118頁(yè)晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt

23、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(kāi)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 ThyristorFast Switching Thyristor FST)FST)第37頁(yè)/共118頁(yè)2 2）雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTriode AC SwitchT R I A CT R I A C 或或 B i d i r e c t i o n a l t r i o d e B i d i r e

24、 c t i o n a l t r i o d e thyristorthyristor）圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對(duì)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(duì)稱的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值來(lái)表示其額定電流值。第38頁(yè)/共118頁(yè)3 3）逆導(dǎo)晶閘管（）逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Reverse Conducting ThyristorThyristorRCTRCT）a)KGAb)UOIIG

25、=0圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) 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)。第39頁(yè)/共118頁(yè)4 4 ） 光 控 晶 閘 管 （） 光 控 晶 閘 管 （ L i g h t T r i g g e r e d L i g h t T r i g g e r e d ThyristorThyristorLTTLTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)

26、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(chǎng)合。第40頁(yè)/共118頁(yè)1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件第41頁(yè)/共118頁(yè)1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，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、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。第42頁(yè)/共118頁(yè)常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊第43頁(yè)/共118頁(yè)門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件。可以通過(guò)在門極施加

27、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(jí)以上的大功率場(chǎng)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44頁(yè)/共118頁(yè)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件,由多個(gè)小GTO元組成，這些小GTO元的陰極和門級(jí)在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元

28、結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)1 1）GTOGTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理第45頁(yè)/共118頁(yè)工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。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和 2 2 。第46頁(yè)/共118頁(yè)GTO能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V

29、2控 制靈敏， 使得GTO易于關(guān)斷。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1-7 晶閘管的工作原理第47頁(yè)/共118頁(yè)GTO導(dǎo)通過(guò)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(guò)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(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：第48頁(yè)/共118頁(yè)開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同

30、儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間t ts s，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間下降時(shí)間t tf f 尾部時(shí)間尾部時(shí)間t tt t 殘存載流子復(fù)合。通常t tf f比t ts s小得多，而t tt t比t ts s要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，t ts s越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形2)2) GTOGTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性第49頁(yè)/共118頁(yè)3 3）GTOGTO的主要參數(shù)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(yáng)極電流的增大而增大。 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括

31、尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2 2） 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t toffoff（1 1）開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間t tonon 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50頁(yè)/共118頁(yè)（3 3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流I IATOATO（4 4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 offoff 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(yáng)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

32、。（1-8）GMATOoffII第51頁(yè)/共118頁(yè)本章作業(yè)(p42：No.3,No.4)說(shuō)明：0022244254a)b)c)圖1-430md1m42m1m412sin()(1)0.2717222131(sin)()0.47672242mmIIItdtIIIItdtIm1329.35A0.4767II1m10.271789.48AdII 額定電流I T(AV) =100A的晶閘管，允許的電流有效值I =157A，由上題計(jì)算結(jié)果知 ：第52頁(yè)/共118頁(yè)電力晶體管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（Bipolar

33、 Junction TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT。 應(yīng)用應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(yǔ)用法術(shù)語(yǔ)用法：第53頁(yè)/共118頁(yè)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(kāi)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 。1 1）GTRGTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)第54頁(yè)/共118

34、頁(yè)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 GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)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+ )ib1 1）GTRGTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理第55頁(yè)/共118頁(yè) (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和飽和區(qū)飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)

35、。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)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 3）GTRGTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)第58頁(yè)/共118頁(yè)通常規(guī)定為h hFEFE下降到規(guī)定值的1/21/31/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的I Ic c 。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一點(diǎn)。 3)3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率P PcMcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說(shuō)明書中給P PcMcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2)2) 集

36、電極最大允許電流集電極最大允許電流I IcMcM第59頁(yè)/共118頁(yè)一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，I Ic迅速增大。只要I Ic c不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，I Ic c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) （安 全 工 作 區(qū) （ S a f e S a f e Operating AreaOperating AreaSOASOA）最高電壓U UceMceM、集電極最大電流I IcMcM、最大耗散功率P PcMcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPS

37、BPcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區(qū)4)4) GTRGTR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60頁(yè)/共118頁(yè)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開(kāi)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，

38、一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管第61頁(yè)/共118頁(yè)電力電力MOSFETMOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P P溝道溝道和N N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(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)型增強(qiáng)型對(duì)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 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。1 1）電力）電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理第62頁(yè)/共118頁(yè)電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)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)，

39、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1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)第63頁(yè)/共118頁(yè)小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。?力 M O S F E T 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。電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)

40、構(gòu)的結(jié)構(gòu)第64頁(yè)/共118頁(yè)截止截止：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(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電導(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1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力電力MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理第65頁(yè)/共118頁(yè) (1) (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流I ID D和柵源間電壓U UGSGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

41、移特性移特性。I ID D較大時(shí)，I ID D與與U UGSGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)G Gfsfs。為電壓控制型器件，其輸為電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非入阻抗極高，輸入電流非常小。常小。010203050402468a)10203050400b)1020 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圖1-20 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 2）電力）電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性第66頁(yè)/共118

42、頁(yè)截止區(qū)截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)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(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。圖1-20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MOSFETMOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：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=7VU

43、GS=8VID/A第67頁(yè)/共118頁(yè)開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間t td(on)d(on) 上升時(shí)間上升時(shí)間t tr r開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間t tonon開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間t td(off)d(off)下降時(shí)間下降時(shí)間t tf f關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t to f fo f f關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a) 測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up脈沖信號(hào)源，Rs信號(hào)源內(nèi)阻，RG柵極電阻，R

44、L負(fù)載電阻，RF檢測(cè)漏極電流(2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性第68頁(yè)/共118頁(yè) MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和C Cinin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動(dòng)電路內(nèi)阻R Rs s減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)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(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFETMOSFET的開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)速度第69頁(yè)/共118頁(yè)3) 3) 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額(1)(

45、1) 漏極電壓漏極電壓U UDSDS (2)(2) 漏極直流電流漏極直流電流I ID D和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值I IDMDM電力MOSFET電流定額(3)(3) 柵源電壓柵源電壓U UGSGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及t td(on)d(on)、t tr r、t td(off)d(off)和tf之外還有： (4)(4) 極間電容極間電容極間電容C CGSGS、C CGDGD和C CDSDS第70頁(yè)/共118頁(yè)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(zhǎng)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

46、l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorIGBTIGBT或IGTIGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(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(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。第71頁(yè)/共118頁(yè)1) IGBT1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E

47、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+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)第72頁(yè)/共118頁(yè)圖1-22aN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(jiǎn)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(dòng)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

48、 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào) IGBT IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第73頁(yè)/共118頁(yè) 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通導(dǎo)通：u uGEGE大于開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓U UGE(th)GE(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)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)

49、的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 IGBTIGBT的原理的原理第74頁(yè)/共118頁(yè)a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2) IGBT2) IGBT的基本特性的基本特性 (1)(1) IGBTIGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23 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)移特性轉(zhuǎn)移特性I IC C與U UGEGE間的關(guān)系(開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓U UGE(th)GE(th) )輸出特性輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。第75頁(yè)/共118頁(yè)ttt10%90%10%90%UC

50、EIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程IGBTIGBT的開(kāi)通過(guò)程的開(kāi)通過(guò)程 與MOSFET的相似開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間t td(on)d(on) 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間t tr r 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間t tononu uCECE的下降過(guò)程分為t tfv1fv1和t tfv2fv2兩段。 t tfv1fv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程； t tf v 2f v 2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。 (2)(2)

51、 IGBTIGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性第76頁(yè)/共118頁(yè)圖1-24 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間t td(offd(off）電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t toffoff電流下降時(shí)間又可分為t tfi1fi1和t tfi2fi2兩段。t tfi1fi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，i iC C下降較快。t tf i 2f i 2 I G B T 內(nèi) 部 的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，i iC C下降較慢。 IGBTIGBT的關(guān)斷過(guò)程的關(guān)斷過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tf

52、i2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第77頁(yè)/共118頁(yè)3) IGBT3) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3)(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗P PCMCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流I ICP CP 。 (2)(2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓U UCESCES第78頁(yè)/共118頁(yè)IGBTIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大

53、，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(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 第79頁(yè)/共118頁(yè)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)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d du uCECE/dt/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOARBSOA）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)正偏安全工作區(qū)（FBSOAFBSOA）動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎

54、住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)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(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J J3 3結(jié)施加正偏壓，一旦J J3 3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。第80頁(yè)/共118頁(yè)1.5 1.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件第81頁(yè)/共118頁(yè)控制晶閘管控制晶閘管MCTMCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)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(wàn)計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：

55、一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)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(wèn)題沒(méi)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。MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合第82頁(yè)/共118頁(yè)靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(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(chǎng)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)缺點(diǎn)：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常正常導(dǎo)通型導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大

56、，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。SITSIT（Static Induction Transistor）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管第83頁(yè)/共118頁(yè)靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITHSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。SITHSITH（Static Induction Thyristor）場(chǎng)控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT

57、）第84頁(yè)/共118頁(yè)集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快10倍。可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）第85頁(yè)/共118頁(yè) 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊功率模塊?？煽s小裝置

58、體積，降低成本，提高可靠性。對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成功率集成電路電路（Power Integrated CircuitPICPIC）。基本概念基本概念第86頁(yè)/共118頁(yè)高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage ICHVICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路智能功率集成電路（Smart Power ICSPICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊智能功率模塊（Intelli

59、gent Power ModuleIPMIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。實(shí)際應(yīng)用電路實(shí)際應(yīng)用電路第87頁(yè)/共118頁(yè)功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開(kāi)發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀第88頁(yè)/共118頁(yè)1.6 1.6 電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)第89頁(yè)/共118頁(yè)電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電

60、力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口第90頁(yè)/共118頁(yè) 驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器ERERERa)b)c)UinUoutR