全控器件和其他新型器件

1、好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)河南理工大學(xué)電氣學(xué)院河南理工大學(xué)電氣學(xué)院朱藝鋒朱藝鋒Email:Email:Power Electronics Technology好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)第一章第一章 電力電子器件電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé) 內(nèi)容提要內(nèi)容提要v1.1 電力二極管（電力二極管（POWER DIODE）v1.2 晶閘管（晶閘管（THYRISTOR）v1.3 全控型電力電子器件全控型電力電子器件v1.4 其他類(lèi)型電力電子器件其他類(lèi)型電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3 典型全控型器件典型全控型器件第一章第一章 電力電子器件電力電子器件好

2、學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)v常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO)晶閘管的一種派生器件晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTOGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，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。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(mén)極可關(guān)斷晶閘管（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-T

3、urn-Off Thyristor ）1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：v與普通晶閘管的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)四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。v和普通晶閘管的和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTO是一種是一種多多GTO元并元并聯(lián)的功率集成器件聯(lián)的功率集成器件。1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO) 工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用雙晶體管與普通晶閘管一樣，可以用

4、雙晶體管 模型來(lái)分析。模型來(lái)分析。 好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖 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。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 。1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO)好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管vGTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因：能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因： 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

5、 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控控 制靈敏制靈敏，易于關(guān)斷。，易于關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) 1+ 2更接近更接近1，導(dǎo)，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門(mén)通時(shí)接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)，使得，使得P2基區(qū)基區(qū)橫向電阻很小，橫向電阻很小，能從門(mén)極抽能從門(mén)極抽出較大電流。出較大電流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件 1+ 2 1時(shí)關(guān)斷時(shí)關(guān)斷關(guān)斷正反饋關(guān)斷正反饋好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)v開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管與普通晶閘管相同；相同；

6、ton=td+trv關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程：不同于晶閘管：不同于晶閘管 儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts，抽少子使等，抽少子使等效晶體管退出飽和。效晶體管退出飽和。 下降時(shí)間下降時(shí)間tf ：由飽和轉(zhuǎn)至：由飽和轉(zhuǎn)至放大區(qū)；放大區(qū)； 尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 殘存載流子殘存載流子復(fù)合。復(fù)合。toff=ts+tfOt0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖圖 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形2. GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3.1 門(mén)極

7、可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管3. GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) （2）關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff在幾十在幾十us. （1）開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton，在幾個(gè)，在幾個(gè)us. 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，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)。以下只介紹意義不同的參數(shù)。1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO額定電流額定電流不少不少GTO都制造成逆導(dǎo)型都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管管，需承受反壓時(shí)需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。逆導(dǎo)型逆導(dǎo)型好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3.

8、1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有一般很小，只有5左右，這是左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值流最大值IGM之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益。之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益。GMATOoffII好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3.2 電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR）電力晶體管電力晶體管: （Giant Transistor巨型晶體管）

9、巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管。應(yīng)用應(yīng)用20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力和電力MOSFET取代。取代。因此不作為重點(diǎn)，只了解基本概念和思想。因此不作為重點(diǎn)，只了解基本概念和思想。1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的，多采用與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的，多采用NPN。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。達(dá)林頓接法，采用集

10、成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成達(dá)林頓接法，采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。比普通三極管增加了一個(gè)低摻雜比普通三極管增加了一個(gè)低摻雜N區(qū)，提高耐壓能力。區(qū)，提高耐壓能力。1.3.2 電力晶體管電力晶體管1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件存在電導(dǎo)調(diào)制存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而流效應(yīng)，從而流過(guò)大電流時(shí)通過(guò)大電流時(shí)通態(tài)壓降也比較態(tài)壓降也比較小，從而具有小，從而具有強(qiáng)的流通電流強(qiáng)的流通電流的能力。的能力。好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3.2 電力晶體管電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：出

11、特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。在電力電子電路中在電力電子電路中GTR工工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止在開(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)，區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導(dǎo)致絕緣層擊穿將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓、開(kāi)啟電壓UT以及以及td(on)、tr、td(off)和和tf之外還有：之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和和CDS1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件(5) 通態(tài)電阻通態(tài)電阻Ron 越小越好，反

12、映損耗。越小越好，反映損耗。1.3.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3.4 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT）v絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor）GTR和和MOSFET復(fù)合復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。Bi-MOS器件器件1986年投入市場(chǎng)，是中高功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件年投入市場(chǎng)，是中高功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件仍在提高電壓和電流容量。仍在提高電壓和電流容量。 GTR和和GTO的特點(diǎn)的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)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)，

13、開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功調(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。率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度單極型，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)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。動(dòng)電路簡(jiǎn)單。1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1. 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：柵極三端器件：柵極G、集電極、集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極E圖圖1-19 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)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

14、面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào)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)E E1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT）好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)N溝道溝道MOSFET與與GTR組合組合N溝道溝道IGBT。IGBT比比VDMOSFET多一層多一層P+注入?yún)^(qū)，從而具有電導(dǎo)調(diào)注入?yún)^(qū)，從而具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，具有很強(qiáng)的通流能力。制效應(yīng)，具有很強(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)化等效電路表

15、明，簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是是GTR與與MOSFET組成的達(dá)林組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。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+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT）E好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé) 驅(qū)動(dòng)原理與電力驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵基本相同，場(chǎng)控器件，通斷

16、由柵射極電壓射極電壓uGE決定。決定。導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通導(dǎo)通(電壓電壓驅(qū)動(dòng)功率小驅(qū)動(dòng)功率小)。通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，減小，通態(tài)壓降減小通態(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)，柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。關(guān)斷。 IGBT的原理的原理1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 絕緣柵雙極晶體管（

17、絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT）好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)a)b)O有源區(qū)有源區(qū)正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)反向阻斷區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加2. IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖圖1-20 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性輸出特性1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT）與與MOS管的異同點(diǎn)。管的異同點(diǎn)。好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)ttt10%90%10%90%UC

18、EIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖圖1-21 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程的開(kāi)關(guān)過(guò)程vIGBT的開(kāi)通過(guò)程的開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tonuCE的下降過(guò)程分為的下降過(guò)程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。 tfv1IGBT中中MOS單獨(dú)單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；工作的電壓下降過(guò)程； (2) IGBTIGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件tfv2MOSFET和和PNP晶體管晶體管

19、同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。uGE在密勒平臺(tái)區(qū)快速減小在密勒平臺(tái)區(qū)快速減小好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖圖1-21 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程的開(kāi)關(guān)過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(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toff電流下降時(shí)間又可分為電流下降時(shí)間又可分為tfi1和和tfi2兩段。兩段。tfi1IGBT器件內(nèi)部的器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快。下降較快。tfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下下降較慢。降較慢。拖尾電流。拖尾電流。 IGBT的關(guān)斷過(guò)程的

20、關(guān)斷過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件uGE在密勒平臺(tái)區(qū)快速增加在密勒平臺(tái)區(qū)快速增加好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)3) 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正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗 PCM包括額定直流電流包括額定直流電流IC和和1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流 ICM由內(nèi)部由內(nèi)部P

21、NP晶體管的擊穿電壓確定。晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓 UCES1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件(4) 最大柵極電壓最大柵極電壓UGS UGS 20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 1.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)vIGBT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。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)比相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。具有耐脈沖電流沖擊能力。 通態(tài)壓降比通態(tài)壓降比VDMOSFET

22、低。低。 輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類(lèi)似。類(lèi)似。 與與MOSFET和和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)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)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，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)器件成為逆導(dǎo)器件 。 1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1. 4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件第一章第一章 電力電子器件電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1

23、.4.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCTvMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高承受極高di/dt和和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。v其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，亦未能投入實(shí)際應(yīng)用。其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，亦未能投入實(shí)際應(yīng)用。 MCT（MOS Controlled Thyristor） MOSFET與晶閘管的復(fù)合1.4 1.4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.4.2 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

24、，工作頻率與電力多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合高頻大功率場(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。頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。v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(chēng)為柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱(chēng)為正常導(dǎo)通正常導(dǎo)通型型器件，使用不太方便。器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。電子設(shè)備中得到

25、廣泛應(yīng)用。SIT（Static Induction Transistor）結(jié)型感結(jié)型感應(yīng)晶體管應(yīng)晶體管,本質(zhì)上也還是本質(zhì)上也還是MOS管。管。1.4 1.4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.4.3 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITHv可看作是可看作是SIT和和GTO的復(fù)合，工作原理和的復(fù)合，工作原理和SIT類(lèi)似。類(lèi)似。vSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效是兩種載流子導(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)。應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。v其很多特性與其很多特性與GTO類(lèi)似，但開(kāi)關(guān)速度比類(lèi)似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高

26、得多，是高得多，是大容量的快速器件大容量的快速器件。v SITH一般也是正常導(dǎo)通型。此外，一般也是正常導(dǎo)通型。此外，電流關(guān)斷增益較小，電流關(guān)斷增益較小，且工藝復(fù)雜，且工藝復(fù)雜，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。SITH（Static Induction Thyristor）場(chǎng)控晶場(chǎng)控晶閘管（閘管（Field Controlled ThyristorFCT）1.4 1.4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.4.4 集成門(mén)極換流晶閘管集成門(mén)極換流晶閘管IGCTIGCTv20世紀(jì)世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，容量與年代后期出現(xiàn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速

27、相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快度快10倍，功耗也大為降低。倍，功耗也大為降低。v可省去可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。v目前正在與目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。在大功率場(chǎng)合的位置。IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）1.4 1.4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 新半導(dǎo)體材料做成的器件：具有更好的性能。重點(diǎn)是新半導(dǎo)體材料做成的器件：具有更好的性能。重點(diǎn)是SiC，目前已有，目前已有SiC肖特基二極管產(chǎn)品。肖特基二極管產(chǎn)品。好學(xué)力

28、行河南理工大學(xué)明德任責(zé)1.5 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊v20世紀(jì)世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱(chēng)為封裝在一個(gè)模塊中，稱(chēng)為功率模塊功率模塊。v可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。v對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)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?；瘜?duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。v將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等將器件與邏輯、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(chēng)為信

29、息電子電路制作在同一芯片上，稱(chēng)為功率集成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。）?；靖拍罨靖拍畹谝徽碌谝徽?電力電子器件電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)第一章第一章 電力電子器件電力電子器件智能功率模塊智能功率模塊好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, , 因此也就不因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路（如大功率二極管）。需要驅(qū)動(dòng)電路（如大功率二極管）。半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通

30、而不能控制其關(guān)斷。（晶閘管及其派生器件，其關(guān)斷。（晶閘管及其派生器件，GTOGTO除外）除外）全控型器件（全控型器件（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)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(chēng)自關(guān)斷器件。（其他器件，如斷，又稱(chēng)自關(guān)斷器件。（其他器件，如IGBTIGBT等）等）1.6 電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件的分類(lèi)按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類(lèi)：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類(lèi)：第一章第一章 電力電子器件電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流

31、的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。(半控器件半控器件)電平控制型電平控制型 必須通過(guò)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電必須通過(guò)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形分類(lèi)（電力二極管除外）按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形分類(lèi)（電力二極管除外）第一章第一章 電力電子器件電力電子器件好學(xué)力行河南理工大學(xué)明德任責(zé)v按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況可分為三類(lèi)：的情況可分為三類(lèi)： 1) 單極型器件單極型器件 2) 雙極型器件雙極型器件3) 復(fù)合型器件復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件；（由一種載流子參與導(dǎo)電的器件；（電力電力MOSFET和和SIT） 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件（由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件（電力二極電力二極 管、晶閘管、管、晶閘管、GTO、GTR和和SITH）由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件（ I