變頻器主電路常用電力半導體器件張

1、變頻器主電路常用的電力半導體器件第1頁，共74頁。電力、電子器件 電子技術的基礎電力電子器件電力電子電路的基礎電子器件：晶體管和集成電路 第2頁，共74頁。電力電子器件的概念和特征 電力電子電路的基礎 電力電子器件概念:電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件主電路（main power circuit）電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路廣義上分為兩類: 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導體器件 (采用的主要材料仍然是硅)第3頁，共74頁。同處理信息的電子器件相比，電力電子

2、器件的一般特征：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)。電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。 電力電子器件的概念和特征第4頁，共74頁。應用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成1.1.2第5頁，共74頁。電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：半控型器件絕緣

3、柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應晶體管（電力MOSFET）門極可關斷晶閘管（GTO）不可控器件電力二極管（Power Diode）只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。第6頁，共74頁。 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類：

4、1) 電流驅(qū)動型 1) 單極型器件電力電子器件的分類2) 電壓驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制 2) 雙極型器件3) 復合型器件由一種載流子參與導電的器件 按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為兩類：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現(xiàn)導通或者關斷的控制 由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 第7頁，共74頁。 Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用。 快恢復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。不

5、可控器件電力二極管第8頁，共74頁。PN結與電力二極管的工作原理 基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎由一個面積較大的PN結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電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號第9頁，共74頁。N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。PN結的形成 擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調(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，其方向是阻止擴散

6、運動的，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)運動，即漂移運動。 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)的擴散運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷。PN結與電力二極管的工作原理 第10頁，共74頁。PN結的正向?qū)顟B(tài) 電導調(diào)制效應使得PN結在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結的反向截止狀態(tài) PN結的單向?qū)щ娦浴?二極管的基本原理就在于PN結的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。PN結的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿。

7、PN結的電容效應： PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。 結電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD 。PN結與電力二極管的工作原理 第11頁，共74頁。造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：正向?qū)〞r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，電導調(diào)制效應不能忽略。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。PN結與電力二極管的工作原理 第12頁，共74頁。電力二極管的基本

8、特性1. 靜態(tài)特性主要指其伏安特性 電力二極管的伏安特性 當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。第13頁，共74頁。2. 動態(tài)特性電力二極管的基本特性動態(tài)特性關斷過程：開關特性須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。 反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程 因結電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的。第14頁，共74頁。開通過程：電力二極管的正向壓

9、降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。電導調(diào)制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大。正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高 。2. 動態(tài)特性電力二極管的基本特性第15頁，共74頁。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司（GE）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迅速發(fā)展和廣

10、泛應用的嶄新時代20世紀80年代以來，開始被性能更好的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要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 半控器件晶閘管第16頁，共74頁。晶閘管的結構與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端對于螺栓型封裝，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封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號第17頁，共74頁。螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構常用

11、晶閘管的結構晶閘管的結構與工作原理第18頁，共74頁。 Ic1=1 IA + ICBO1 Ic2=2 IK + ICBO2 IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2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 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理晶閘管的結構與工作原理第19頁，共74頁。晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(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晶體管漏電流之和。開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電

12、流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。晶閘管的結構與工作原理第20頁，共74頁。其他幾種可能導通的情況：陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結溫較高光直接照射硅片，即光觸發(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用于高壓電力設備中，其它都因不易控制而難以應用于實踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段晶閘管的結構與工作原理第21頁，共74頁。晶閘管的基本特性1. 靜態(tài)特性 總結前面介紹的

13、工作原理，可以簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。第22頁，共74頁。晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性晶閘管的伏安特性IG2IG1IG晶閘管的基本特性第23頁，共74頁。1) 正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(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

14、，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性第24頁，共74頁。2) 反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性第25頁，共74頁。2. 動態(tài)特性晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的基本特性

15、第26頁，共74頁。1) 開通過程延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。開通時間tgt以上兩者之和，tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時為0.51.5s，上升時間為0.53s。晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的基本特性第27頁，共74頁。2) 關斷過程反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間在正向阻斷恢復時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ā嶋H應用中，應對晶閘管施加足夠長

16、時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的基本特性第28頁，共74頁。晶閘管的派生器件1. 快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關斷時間數(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，

17、選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。第29頁，共74頁。2.雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）圖1-10 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) 伏安特性晶閘管的派生器件可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性。與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機調(diào)速等領域應用較多。通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表

18、示其額定電流值。第30頁，共74頁。3. 逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性晶閘管的派生器件將晶閘管反并聯(lián)一個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、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點。逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流。第31頁，共74頁。4. 光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）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) 伏安特性晶閘管的派生器件又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長

19、的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導體激光器。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，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。第32頁，共74頁。門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀80年代以來，信息電子技術與電力電子技術在各自發(fā)展的基礎上相結合高頻化、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又帶入了一個嶄新時代。典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。典型全控型器

20、件第33頁，共74頁。門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷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用第34頁，共74頁。1. GTO的結構和工作原理結構：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。GTO的內(nèi)部結構和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖

21、形 b) 并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號門極可關斷晶閘管第35頁，共74頁。工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1示的雙晶體管模型來分析。 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1+2=1是器件臨界導通的條件。當1+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+21時，不能維持飽和導通而關斷。 由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2。門極可關斷晶閘管第36頁，共74頁。GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：門極可關斷晶閘管 （1）設計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關斷。 （2）導通時1+2更接近1（1.05，普

22、通晶閘管1+21.15）導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。 （3）多元集成結構使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流 。晶閘管的工作原理第37頁，共74頁。由上述分析我們可以得到以下結論：GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關斷過程：強烈正反饋門極加負脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使 IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流。當IA和IK的減小使1+21時，器件退出飽和而關斷。 多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt

23、能力強 。門極可關斷晶閘管第38頁，共74頁。術語用法：電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。在電力電子技術的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效。應用20世紀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。電力晶體管第39頁，共74頁。電力晶體管GTR有三種類型*單管非隔離型*非隔離型達林頓電力晶體管*模塊型電力晶體管一單元結構二單元結構四單元結構六單元結構一單元結構就是在一個模塊內(nèi)有一

24、個電力晶體管和一個續(xù)流二極管反向并聯(lián)第40頁，共74頁。1. GTR的結構和工作原理電力晶體管與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。第41頁，共74頁。在應用中，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)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為 ic= ib +Iceo 產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認為h

25、FE 。單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。電力晶體管第42頁，共74頁。2. GTR的基本特性 (1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性電力晶體管第43頁，共74頁。(2) 動態(tài)特性開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。td主要是由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，

26、從而加快開通過程 。GTR的開通和關斷過程電流波形電力晶體管第44頁，共74頁。關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff 。ts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關斷時間的主要部分。減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關斷速度。負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開關時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。 GTR的開通和關斷過程電流波形電力晶體管第45頁，共74頁。GTR主要參數(shù)開路阻斷電壓UCEO基極開路時，集電極與發(fā)射極間能承受的持

27、續(xù)電壓。反映GTR的耐壓能力集電極最大持續(xù)電流ICM當基極正向偏置時集電極能流入的最大電流。開斷阻斷電壓和集電極最大持續(xù)電流體現(xiàn)了GTR的容量第46頁，共74頁。GTR主要參數(shù)電流增益HFE電流放大倍數(shù)。數(shù)值越大，管子驅(qū)動電路功率越小，則越好開關頻率通過開通時間、存儲時間、下降時間估算出GTR的最高工作頻率。第47頁，共74頁。電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，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，如不能有效的限制電流，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安全工作區(qū)（Saf

28、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。GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)第48頁，共74頁。GTR的選擇方法開路阻斷電壓UCEO選擇方法通常按電源線電壓峰值2倍選擇。集電極電流最大電流ICM選擇方法按額定電流峰值的2倍進行選擇第49頁，共74頁。GTR的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 二極管VD2和電位補償二極管VD3構成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負載較輕時，如V5發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2會自動導通，使多余的驅(qū)動電流

29、流入集電極，維持Ubc0。 C2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路?？蓪崿F(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。圖1-31GTR的一種驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.3第50頁，共74頁。電力場效應晶體管-Power MOSFET特點: Power MOSFET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 分類結型絕緣柵型主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）一般稱作靜電感應晶體管（Static Induct

30、ion TransistorSIT第51頁，共74頁。絕緣柵雙極晶體管IGBT GTR和GTO的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅(qū) 動功率大，驅(qū)動電路復雜 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關速度快，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 兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件第52頁，共74頁。 絕緣柵雙極晶體管 (Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）是GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點，具有好的特性1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功

31、率電力電子設備的主導器件繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位絕緣柵雙極晶體管第53頁，共74頁。1. IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管第54頁，共74頁。IGBT的結構圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結J1。使IGBT導通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流能力。簡化等效電路表

32、明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由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。IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管第55頁，共74頁。IGBT的原理 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。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。導通壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，I

33、GBT關斷。絕緣柵雙極晶體管第56頁，共74頁。2. IGBT的基本特性 1)IGBT的靜態(tài)特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性絕緣柵雙極晶體管第57頁，共74頁。轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。開啟電壓UGE(th)IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓。UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值一般為26V。輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關系。分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應。uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。IGBT的轉(zhuǎn)移

34、特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性絕緣柵雙極晶體管第58頁，共74頁。 2)IGBT的動態(tài)特性IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管第59頁，共74頁。 IGBT的開通過程 與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行。開通延遲時間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10% ICM。 電流上升時間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所

35、需時間。開通時間ton開通延遲時間與電流上升時間之和。uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管第60頁，共74頁。IGBT的關斷過程關斷延遲時間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM 。電流下降時間iC從90%I

36、CM下降至10%ICM 。 關斷時間toff關斷延遲時間與電流下降之和。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管第61頁，共74頁。IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調(diào)制效應的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關速度低

37、于電力MOSFET。IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關斷時間也是需要折衷的參數(shù)。高壓器件的N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會引起通態(tài)壓降的增大和關斷時間的延長。絕緣柵雙極晶體管 通過對IGBT的基本特性的分析，可以看出：第62頁，共74頁。 IGBT的主要參數(shù)集電極發(fā)射極額定電壓UCES：柵極與發(fā)射極短路時，IGBT能承受的耐壓。柵極發(fā)射極額定電壓UGES：柵極控制信號的額定值額定集電極電流：IGBT在導通時能流過管子的持續(xù)最大電流。集電極發(fā)射極飽和電壓：此值越小，管子損耗越小。開通時間和關斷時間：與GTR的定義基本相同絕緣柵雙極晶體管第63頁，共74頁。IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：絕緣柵雙極晶體管(1)開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只有GTR的1/1