4.1-4.3-典型全控型電力電子器件ppt課件(65頁P(yáng)PT)

1、全控型電力電子器件 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1. 掌握GT0、GTR、功率MOSFET、IGBT四種常見全控型電力電子器件的工作原理、特性、主要參數(shù)、驅(qū)動電路及使用中應(yīng)注意的問題。 2. 熟悉常見全控型電力電子器件各自特點(diǎn)以及適用場合。 3. 了解新型電力電子器件的概況。1第1頁，共65頁。第一節(jié) 門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) 一、GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理 1基本結(jié)構(gòu) a)芯片的實(shí)際圖形 b) GTO結(jié)構(gòu)的縱斷面 c) GTO結(jié)構(gòu)的縱斷面 d)圖形符號 圖4-1 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號2第2頁，共65頁。GTO的外形圖3第3頁，共65頁。2工作原理 圖4-2 GTO的工作原理電路 當(dāng)圖中開關(guān)S置于“1”

2、時，IG是正向觸發(fā)電流，控制GTO導(dǎo)通；S置于“2”時，則門極加反向電流，控制GTO關(guān)斷。4第4頁，共65頁。 二、GTO的特性與主要參數(shù) 1GTO的開關(guān)特性 圖4-3 GTO在開通和關(guān)斷過程中電流的波形 5第5頁，共65頁。 2GTO的主要參數(shù) GTO的基本參數(shù)與普通晶閘管大多相同。 1) 反向重復(fù)峰值電壓URRM： 不規(guī)定URRM值。 URRM值很低。 URRM略低于UDRM。 URRM = UDRM。 URRM略大于UDRM。 2）最大可關(guān)斷陽極電流IATO：GTO的最大陽極電流受發(fā)熱和飽和深度兩個因素限制。陽極電流過大，內(nèi)部晶體管飽和深度加深，使門極關(guān)斷失效。所以GTO必須規(guī)定一個最大

3、可關(guān)斷陽極電流，也就是GTO的銘牌電流。 3）關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益off。即6第6頁，共65頁。三、GTO的驅(qū)動與保護(hù) 1GTO門極驅(qū)動電路 對門極驅(qū)動電路的要求： 1）正向觸發(fā)電流iG。由于GTO是多元集成結(jié)構(gòu)，為了使內(nèi)部并聯(lián)的GTO元開通一致性好，故要求GTO門極正向驅(qū)動電流的前沿必須有足夠的幅度和陡度，正脈沖的后沿陡度應(yīng)平緩。 2）反向關(guān)斷電流iG。為了縮短關(guān)斷時間與減少關(guān)斷損耗，要求關(guān)斷門極電流前沿盡可能陡，而且持續(xù)時間要超過GTO的尾部時間。還要求關(guān)斷門極電流脈沖的后沿陡度應(yīng)盡量小。 圖4-4 較為理想的門極電壓和

4、電流波形 7第7頁，共65頁。 2GTO的驅(qū)動電路 a) b) 圖4-5 GTO門極驅(qū)動電路 a)小容量GTO門極驅(qū)動電路 b)較大容量GTO橋式門極驅(qū)動電路8第8頁，共65頁。 3GTO的保護(hù)電路 a) b) c) d)圖4-6 GTO的阻容緩沖電路 圖4-6為GTO的阻容緩沖電路。圖4-6a只能用于小電流；圖4-6b加在GTO上的初始電壓上升率大，因而在GTO電路中不推薦；圖4-6c與圖4-6d是較大容量GTO電路中常見的緩沖器，其二極管盡量使用速度快的，并使接線短，從而使緩沖器電容效果更顯著。9第9頁，共65頁。第二節(jié) 電力晶體管(GTR)一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理 1電力晶體管的結(jié)

5、構(gòu) a) b)圖4-7 NPN型電力晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) b) 電氣圖形符號10第10頁，共65頁。電力晶體管的外形圖11第11頁，共65頁。 2工作原理 在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。晶體管通常連接成共發(fā)射極電路，GTR通常工作在正偏(Ib0)時大電流導(dǎo)通；反偏(Ib0)時處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，給GTR的基吸施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動信號，它將工作于導(dǎo)通和截止的開關(guān)狀態(tài)。12第12頁，共65頁。二、電力晶體管的特性與主要參數(shù) 1. GTR的基本特性 (1)靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時，GTR的典型輸出特性如圖4-8所示，可分為三個工作區(qū)： 截止區(qū)。在截止區(qū)內(nèi)，

6、iB0，uBE0，uBC0，集電極只有漏電流流過。 放大區(qū)。iB 0，uBE0，uBC0，iC =iB。 飽和區(qū)。 ，uBE0，uBC0，iCS是集電極飽和電流，其值由外電路決定。13第13頁，共65頁。 (2)動態(tài)特性 圖4-8 GTR共發(fā)射極接法的輸出特性 圖4-9 GTR開關(guān)特性 14第14頁，共65頁。2GTR的參數(shù) (1)最高工作電壓 BUCBO：射極開路時，集-基極間的反向擊穿電壓。 BUCEO：基極開路時，集-射極之間的擊穿電壓。 BUCER：GTR的射極和基極之間接有電阻R。 BUCES：發(fā)射極和基極短路，集-射極之間的擊穿電壓。 BUCEX：發(fā)射結(jié)反向偏置時，集-射極之間的擊

7、穿電壓。其中BUCBO BUCES BUCES BUCER BUCEO，實(shí)際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUCEO低得多。 (2)集電極最大允許電流ICM (3)集電極最大允許耗散功率PCM (4)最高工作結(jié)溫TJM 15第15頁，共65頁。3二次擊穿和安全工作區(qū) (1)二次擊穿 二次擊穿是由于集電極電壓升高到一定值(未達(dá)到極限值)時，發(fā)生雪崩效應(yīng)造成的。一般情況下，只要功耗不超過極限，GTR是可以承受的，但是在實(shí)際使用中，會出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，使iE進(jìn)一步劇增。由于GTR結(jié)面的缺陷、結(jié)構(gòu)參數(shù)的不均勻，使局部電流密度劇增，形成惡性循環(huán)，使GTR損壞。 (2)安全工作區(qū) 以直流極限參數(shù)ICM、

8、PCM、UCEM構(gòu)成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，如圖4-10所示。 16第16頁，共65頁。圖4-10 GTR安全工作區(qū) 17第17頁，共65頁。三、電力晶體管的驅(qū)動與保護(hù) 1GTR基極驅(qū)動電路 (1)對基極驅(qū)動電路的要求 由于GTR主電路電壓較高，控制電路電壓較低，所以應(yīng)實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。 在使GTR導(dǎo)通時，基極正向驅(qū)動電流應(yīng)有足夠陡的前沿，并有一定幅度的強(qiáng)制電流，以加速開通過程，減小開通損耗，如圖4-11所示。 GTR導(dǎo)通期間，在任何負(fù)載下，基極電流都應(yīng)使GTR處在臨界飽和狀態(tài)，這樣既可降低導(dǎo)通飽和壓降，又可縮短關(guān)斷時間。 在使GTR關(guān)斷時，應(yīng)向基極提供足夠大的反向基極電流(如

9、圖4-11波形所示)，以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗。 應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，并有一定的保護(hù)功能。 圖4-11 GTR基極驅(qū)動電流波形 18第18頁，共65頁。(2)基極驅(qū)動電路 圖4-12 實(shí)用的GTR驅(qū)動電路 19第19頁，共65頁。 3GTR的保護(hù)電路 a) b) c) 圖4-13 GTR的緩沖電路 圖4-13a所示RC緩沖電路簡單，對關(guān)斷時集電極發(fā)射極間電壓上升有抑制作用。這種電路只適用于小容量的GTR(電流10 A以下)。 圖4-13b所示充放電型R、C、VD緩沖電路增加了緩沖二極管VD2，可以用于大容量的GTR。但它的損耗(在緩沖電路的電阻上產(chǎn)生的)較大，不適合用于高頻開關(guān)電路。 圖

10、4-13c所示阻止放電型R、C、VD緩沖電路，較常用于大容量GTR和高頻開關(guān)電路，其最大優(yōu)點(diǎn)是緩沖產(chǎn)生的損耗小。20第20頁，共65頁。第三節(jié) 電力場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET) 一、電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 電力MOSFET采取兩次擴(kuò)散工藝，并將漏極D移到芯片的另一側(cè)表面上，使從漏極到源極的電流垂直于芯片表面流過，這樣有利于減小芯片面積和提高電流密度。 a) b) 圖4-14 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號 a) MOSFET元組成剖面圖 b) 圖形符號21第21頁，共65頁。電力MOSFET的外形圖22第22頁，共65頁。2電力MOSFET的工作原理 當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負(fù)極

11、，柵源極之間電壓為零或?yàn)樨?fù)時，P型區(qū)和N-型漂移區(qū)之間的PN結(jié)反向，漏源極之間無電流流過。如果在柵極和源極間加正向電壓UGS，由于柵極是絕緣的，不會有電流。但柵極的正電壓所形成的電場的感應(yīng)作用卻會將其下面的P 型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的P型區(qū)表面。當(dāng)uGS大于某一電壓值UGS(th)時，柵極下面的P型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型反型成N型，溝通了漏極和源極。 此時，若在漏源極之間加正向電壓，則電子將從源極橫向穿過溝道，然后垂直(即縱向)流向漏極，形成漏極電流iD。電壓UGS(th)稱為開啟電壓，uGS超過UGS(th)越多，導(dǎo)電能力就越強(qiáng)，漏極電流iD也越大。23第23頁

12、，共65頁。 二、電力MOSFET的特性 1轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性是指電力MOSFET的輸入柵源電壓uGS與輸出漏極電流iD之間的關(guān)系，如圖4-15a所示。由圖可見，當(dāng)uGS UGS(th)時，iD近似為零；當(dāng)uGSUGS(th)時，隨著uGS的增大，iD也越大。當(dāng)iD較大時，iD與uGS的關(guān)系近似為線性，曲線的斜率被定義為跨導(dǎo)gm，則有 24第24頁，共65頁。 二、電力MOSFET的特性 a) b) 圖4-15 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 25第25頁，共65頁。 2輸出特性 輸出特性是指以柵源電壓uGS為參變量，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間關(guān)系的

13、曲線，如圖4-15b所示。 截止區(qū)。uGSUGS(th)，iD=0，這和電力晶體管的截止區(qū)相對應(yīng)。 飽和區(qū)。uGSUGS(th)，uDSuGS -UGS(th)，當(dāng)uGS不變時，iD幾乎不隨uDS的增加而增加，近似為一常數(shù)，故稱為飽和區(qū)。這里的飽和區(qū)對應(yīng)電力晶體管的放大區(qū)。當(dāng)用做線性放大時，MOSFET工作在該區(qū)。 非飽和區(qū)。uGSUGS(th)，uDSuGS -UGS(th)，漏源電壓uDS和漏極電流iD之比近似為常數(shù)。該區(qū)對應(yīng)于電力晶體管的飽和區(qū)。當(dāng)MOSFET作開關(guān)應(yīng)用而導(dǎo)通時即工作在該區(qū)。26第26頁，共65頁。 3開關(guān)特性 a) b） 圖4-16 電力MOSFET的開關(guān)過程 a) 測

14、試MOSFET開關(guān)特性的電路 b) 開關(guān)特性曲線27第27頁，共65頁。 2電力MOSFET的主要參數(shù) 1）漏極電壓UDS：即電力MOSFET的額定電壓，選用時必須留有較大安全裕量。 2）漏極最大允許電流IDM：即電力MOSFET的額定電流，其大小主要受管子的溫升限制。 3）柵源電壓UGS：柵極與源極之間的絕緣層很薄，承受電壓很低，一般不得超過20 V，否則絕緣層可能被擊穿而損壞，使用中應(yīng)加以注意。 總之，為了安全可靠，在選用MOSFET時，對電壓、電流的額定等級都應(yīng)留有較大裕量。 4）極間電容：電力MOSFET極間電容包括CGS、CGD和CDS，其中CGS為柵源電容，CGD是柵漏電容，是由器

15、件結(jié)構(gòu)中的絕緣層形成的；CDS是漏源電容，是由PN結(jié)形成的。 28第28頁，共65頁。 三、電力MOSFET的驅(qū)動與保護(hù) 1電力MOSFET的驅(qū)動圖4-18 電力MOSFET的一種驅(qū)動電路 29第29頁，共65頁。 三、電力MOSFET的驅(qū)動與保護(hù) 2MOSFET的保護(hù) (1)防止靜電擊穿 在測試和接入電路之前器件應(yīng)存放在靜電包裝袋，導(dǎo)電材料或金屬容器中 。 將器件焊接時，工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時烙鐵應(yīng)斷電。 在測試器件時，測量儀器和工作臺都必須良好接地。 注意柵極電壓不要過限。 (2)防止偶然性振蕩損壞器件 (3)防止過電壓 (4)防止過電流 (5)消除寄生晶體管和二極管的影響 3

16、0第30頁，共65頁。小結(jié)是一種壓控型器件，用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小。單極型器件，開關(guān)時間短，開關(guān)速度快，工作頻率高。不存在二次擊穿電流容量小，耐壓低，通態(tài)壓降大。31第31頁，共65頁。第四節(jié) 絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 一、基本結(jié)構(gòu) a) b) c) 圖4-19 1GBT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) b)簡化等效電路 c)電氣圖形符號32第32頁，共65頁。IGBT的外形圖33第33頁，共65頁。 二、工作原理 IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件。其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓uGE決定的，當(dāng)uGE為正且大

17、于開啟電壓uGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關(guān)斷。 PNP晶體管與N溝道MOSFET組合而成的IGBT稱為N溝道IGBT，記為N-IGBT，其電氣圖形符號如圖4-19c所示。對應(yīng)的還有P溝道IGBT，記為P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT統(tǒng)稱為IGBT。由于實(shí)際應(yīng)用中以N溝道IGBT為多。34第34頁，共65頁。三、1GBT的基本特性 a) b)圖4-20 1GBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a)轉(zhuǎn)移特性 b)輸出特性35第35頁，共65頁。三、1GBT的基本特

18、性 圖4-20a為IGBT的轉(zhuǎn)移特性，它描述的是集電極電流iC與柵射電壓uGE之間的關(guān)系，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。開啟電壓uGE(th)是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。uGE(th)隨溫度升高而略有下降，溫度升高1，其值下降5 mV左右。 圖4-20b為IGBT的輸出特性，也稱為伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流iC與集射極間電壓uCE之間的關(guān)系。此特性與GTR的輸出特性相似，不同的是參考變量，IGBT為柵射電壓uGE，GTR為基極電流iB 。IGBT的輸出特性也分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。這分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。

19、此外，當(dāng)uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。36第36頁，共65頁。三、1GBT的基本特性 動態(tài)特性： 圖4-21 1GBT的開關(guān)過程 37第37頁，共65頁。四、主要參數(shù) 集電極-發(fā)射極額定電壓UCES：這個電壓值是廠家根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的，是柵極-發(fā)射極短路時IGBT能承受的耐壓值，即UCES值小于或等于雪崩擊穿電壓。 柵極-發(fā)射極額定電壓UGES：IGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，而UGES就是柵極控制信號的電壓額定值。目前，IGBT的UGES值大部分為+2

20、0 V，使用中不能超過該值。 額定集電極電流ICS：該參數(shù)給出了IGBT在導(dǎo)通時能流過管子的持續(xù)最大電流。 38第38頁，共65頁。 五、IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 在IGBT內(nèi)部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶體管。一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件功耗過高而損壞。這種電流失控的現(xiàn)象，被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過大(靜態(tài)擎住效應(yīng))，也可能是最大允許電壓上升率duCEdt過大(動態(tài)擎住效應(yīng))，溫度升高也會加重發(fā)生擎住效應(yīng)的危險。 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大

21、集電極功耗可以確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍，即正向偏置安全工作電壓(FBSOA)；根據(jù)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可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作電壓(RBSOA)。39第39頁，共65頁。 六、IGBT的驅(qū)動 (1)對驅(qū)動電路的要求 IGBT是電壓驅(qū)動的，具有2.55.0 V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓uGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡

22、量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。 驅(qū)動電路中的正偏壓應(yīng)為1215 V，負(fù)偏壓應(yīng)為210 V。 IGBT多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。 驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，具有對IGBT的自保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。 若為大電感負(fù)載，IGBT的關(guān)斷時間不宜過短，以限制didt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。40第40頁，共65頁。 六、IGBT的驅(qū)動 (2)驅(qū)動電路 在用于驅(qū)動電動機(jī)的逆變器電路中，為使IGBT能夠穩(wěn)定工作，要求IGBT的驅(qū)動電路采用正負(fù)偏壓雙電源的工作方式。為了使驅(qū)動電路與信號電隔離，應(yīng)采用抗

23、噪聲能力強(qiáng)，信號傳輸時間短的光耦合器件?；鶚O和發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短，基極驅(qū)動電路的輸入線應(yīng)為絞合線，其具體電路如圖4-22所示。 41第41頁，共65頁。 七、 IGBT保護(hù) 因?yàn)镮GBT是由MOSFET和GTR復(fù)合而成的，所以IGBT的保護(hù)可按GTR、MOSFET保護(hù)電路來考慮，主要是柵源過電壓保護(hù)、靜電保護(hù)、采用R、C、VD緩沖電路等等。另外，也應(yīng)在IGBT電控系統(tǒng)中設(shè)置過壓、欠壓、過流和過熱保護(hù)單元，以保證安全可靠工作。應(yīng)該指出，必須保證IGBT不發(fā)生擎住效應(yīng)。具體做法是使IGBT使用的最大電流不超過其額定電流。42第42頁，共65頁。第五節(jié) 其他新型電力電子器件 一、集成門極換流晶閘管

24、（IGCT） 集成門極換流晶閘管IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor) 是1996年問世的一種新型半導(dǎo)體開關(guān)器件。IGCT是將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的。門極換流晶閘管GCT是基于GTO結(jié)構(gòu)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開關(guān)性能，即它是GTO和IGBT相互取長補(bǔ)短的結(jié)果，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件，非常適合用于6kV和10kV的中壓開關(guān)電路。43第43頁，共65頁。二、MOS控制晶閘管(MCT) 1MCT的結(jié)構(gòu)與工作原理 MCT是在晶閘管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又

25、制作了兩只MOSFET，其中用于控制MCT導(dǎo)通的那只 MOSFET稱為開通場效應(yīng)晶體管(ON-FET)，用于控制阻斷的那只MOSFET稱為關(guān)斷場效應(yīng)晶體管(OFF-FET)。根據(jù)開通場效應(yīng)晶體管的溝道類型不同，可分為P-MCT和N-MCT。 a) b) 圖4-24 P-MCT 單胞的等效電路及圖形符號 44第44頁，共65頁。二、MOS控制晶閘管(MCT) 由圖4-24可見，MCT的電極和晶閘管一樣也是陽極A、陰極K和門極G，但MCT是電壓控制器件；晶閘管的控制信號加在門極與陰極兩端，而MCT控制信號是加在門極與陽極兩端。當(dāng)門極G相對于陽極A加負(fù)電壓脈沖時，ON-FET導(dǎo)通 。 當(dāng)門極相對于陽

26、極加正電壓脈沖時，OFF-FET導(dǎo)通，PNP晶體管的基極電流經(jīng)OFF-FET流向陽極，使PNP管截止，從而破壞了晶閘管的正反饋，使MCT關(guān)斷。 一般使MCT導(dǎo)通的負(fù)脈沖電壓為515V，使MCT關(guān)斷的正脈沖電壓為+10+20V。 45第45頁，共65頁。 三、靜電感應(yīng)晶體管SIT SIT器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能方便地實(shí)現(xiàn)多胞合成， SIT的單元胞結(jié)構(gòu)如圖4-26所示。 a)單元胞結(jié)構(gòu) b)電氣圖形符號圖4-26 SIT的原理結(jié)構(gòu)及其電氣圖形符號46第46頁，共65頁。靜電感應(yīng)晶體管SIT的控制 SIT的開通和關(guān)斷機(jī)理可以用溝道夾斷機(jī)理來說明。如圖4-26a所示，兩個門極區(qū)之間形成一個溝道。當(dāng)門源電壓為

27、零，也即門源極短路時，門源結(jié)形成的耗盡層不可能在溝道中心相遇，因而電子流不會被夾斷。 當(dāng)門源之間加負(fù)電壓，也即門源結(jié)處于反向偏置時，門源間PN結(jié)耗盡區(qū)的寬度增加，特別是uGS=UGS(off)時，耗盡層在溝道中心相遇，溝道中的電流即被夾斷。這就是SIT的關(guān)斷原理。UGS(off)稱為夾斷電壓。 SIT的漏極電流不但受門極電壓控制，同時也受漏極電壓的控制，這種情況與真空三極管非常相似。因此，SIT呈現(xiàn)類似真空三極管的特性。 47第47頁，共65頁。四、靜電感應(yīng)晶閘管SITH SITH是在SIT基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型電力電子器件。SITH的單元胞結(jié)構(gòu)如圖4-27所示。由圖可以看出其結(jié)構(gòu)與SIT的差別

28、僅在于將漏極的N+ 區(qū)換成了P+ 區(qū)，顯然在陽極處多了一個P+ N結(jié)。柵極的控制方式也與SIT類似，所不同的是器件通態(tài)時，在漂移區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。在開態(tài)呈現(xiàn)與整流器類似的特性，其正、反向工作時都具有阻斷能力，故又稱為場控晶閘管 。 a)單元胞結(jié)構(gòu) b)電氣圖形符號圖4-27 SITH的結(jié)構(gòu)及其電氣圖形符號48第48頁，共65頁。靜電感應(yīng)晶閘管SITH的特點(diǎn) SITH是大功率場控開關(guān)器件，與晶閘管和GTO相比，它有許多優(yōu)點(diǎn)，例如SITH的通態(tài)電阻小，通態(tài)電壓低，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，正向電壓阻斷增益高，開通和關(guān)斷的電流增益大，didt及dudt的耐壓高。近幾年SITH發(fā)展很快，目前SI

29、TH的產(chǎn)品容量已達(dá)到100 A2500 V，2200A450V，400A4500V。由于SITH的工作頻率可達(dá)100kHz以上，所以在高頻感應(yīng)加熱電源中，SITH可取代傳統(tǒng)的真空三極管。 49第49頁，共65頁。五、功率集成電路PIC PIC應(yīng)用可以分為三個領(lǐng)域： 低壓大電流PIC，主要用于汽車點(diǎn)火、開關(guān)電源和同步發(fā)電機(jī)等。 高壓小電流PIC，主要用于平板顯示、交換機(jī)等。 高壓大電流PIC，主要用于交流電動機(jī)控制、家用電器等。50第50頁，共65頁。1PIC的典型構(gòu)成 圖4-28 功率集成電路的典型構(gòu)成 51第51頁，共65頁。2PIC的分類與發(fā)展 功率集成電路還可分為智能功率集成電路(SPI

30、C)和高壓功率集成電路(HVIC) 兩類。SPIC是指一個(或幾個)具有縱形結(jié)構(gòu)的功率器件與控制和保護(hù)電路的集成。HVIC是由多個高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路集成在一塊芯片上，其功率器件是橫向的，處理電流能力較低。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和工藝技術(shù)的進(jìn)步，PIC發(fā)展的動向必然是高壓化(1001200 V)和智能化。同時，隨著芯片制造技術(shù)的改進(jìn)及成本的降低，單片化、模塊化成為今后的發(fā)展方向。52第52頁，共65頁。 3SPIC的基本功能 SPIC的三個基本功能是功率控制、傳感、保護(hù)和接口。功率控制部分具有處理高電壓大電流或兩者兼有的能力。其驅(qū)動電路一般設(shè)計(jì)成能在直流30V下工作，這樣才能對MO

31、S器件的柵極提供足夠的電壓。另外，驅(qū)動電路必須能使控制信號傳遞到高壓側(cè)。 IC的保護(hù)電路一般通過含有高頻雙極晶體管的反饋電路來完成。反饋環(huán)路的響應(yīng)時間對于良好的關(guān)斷是很關(guān)鍵的，由于在發(fā)生故障期間系統(tǒng)電流以很快的速度增加，因此這一部分需要由高性能模擬電路實(shí)現(xiàn)。 SPIC的接口功能是通過完成編碼操作的邏輯電路來實(shí)現(xiàn)的。IC片不僅需要對微處理器 的信號作出反應(yīng)，而且必須傳送與工作狀態(tài)或負(fù)載檢測有關(guān)的信息，如過熱關(guān)斷、無負(fù)載等。 53第53頁，共65頁。 六、智能功率模塊(1PM) 智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module)是電子集成電路PIC(Power Integrat

32、ed Circuits)的一種。它將高速度、低功耗的IGBT，與柵極驅(qū)動器和保護(hù)電路一體化，因而具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特點(diǎn)。由于高度集成化使模塊結(jié)構(gòu)十分緊湊，避免了由于分布參數(shù)、保護(hù)延遲等帶來的一系列技術(shù)難題。IPM的智能化表現(xiàn)為可以實(shí)現(xiàn)控制、保護(hù)、接口三大功能，構(gòu)成混合式電力集成電路。 54第54頁，共65頁。1.IPM的結(jié)構(gòu) 圖4-29 大功率IPM的封裝剖面示意圖1電源端子 2特殊防護(hù)層 3集成電路 4內(nèi)連線 5環(huán)氧樹脂 6信號端子 7密封盒 8基板 9IGBT芯片 10陶瓷基板 11硅膠55第55頁，共65頁。IPM有4種功率電路結(jié)構(gòu)類型 圖4-30 IPM的電路結(jié)構(gòu)類型 a) 單管型 b) 雙管型c) 6管型 d) 7管型56第56頁，共65頁。2. IPM的保護(hù)功能圖 圖4-31 IPM的保護(hù)功能圖 57第57頁，共65頁。IPM的保護(hù)功