電力電子器件97728課件

1）概念:電力電子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）

——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）分類:

電真空器件

(汞弧整流器、閘流管)

半導(dǎo)體器件

(采用的主要材料硅）仍然一.電力電子器件概述能處理電功率的能力，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。同處理信息的電子器件相比的一般特征：電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1電力電子器件在實際應(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系統(tǒng)正?？煽窟\行電氣隔離控制電路電流驅(qū)動型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(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現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。

按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：單極型——內(nèi)部只有一種極性載流子參與導(dǎo)電，特點：開關(guān)速度快。（功率場效應(yīng)管MOSFET）雙極型——內(nèi)部由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，特點：通態(tài)壓降低，電流容量大。（晶閘管SCR）

混合型IGBT

按照內(nèi)部載流單元，分為兩類：電力二極管結(jié)構(gòu)和原理：

PowerDiode結(jié)構(gòu)簡單，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合，具有不可替代的地位；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，以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)；由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的；從外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型兩種封裝，小功率的和普通二極管一致。

圖1-2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PN結(jié)與電力二極管的工作原理

擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡，正、負(fù)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(gòu)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(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)電荷稱為空間電荷。主要指其伏安特性門檻電壓UTO，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

。承受反向電壓時，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靜態(tài)特性IOIFUTOUFU關(guān)斷過程需經(jīng)過一段短暫的時間才能獲得反向阻斷能力，進入截止?fàn)顟B(tài)：在關(guān)斷之前有反向電流出現(xiàn)，并伴隨有反向電壓過沖出現(xiàn)。導(dǎo)通過程電力二極管的正向壓降先出現(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(fù)時間TFR。動態(tài)特性三.半控器件—晶閘管1956年美國貝爾實驗室發(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要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）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)

晶閘管的結(jié)構(gòu)圖晶閘管的外形、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(dǎo)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(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。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：（1）正向特性IG=0時，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)〒舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0Ubo

靜態(tài)特性晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。（2）反向特性正向?qū)〒舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0Ubo

3.電路如圖所示VT承受正向門級電壓，畫出負(fù)載R上的電壓波5.判斷下列圖形中何時燈亮，何時不亮？(1)u2為直流電源，上+下－，S未閉合前燈泡亮不亮？答：不亮。晶閘管雖具有上+、下－導(dǎo)通的條件，但沒有觸發(fā)電流，所以不能導(dǎo)通。（2）u2為直流電源，上+、下－，S閉合后燈泡亮不亮？S閉合后又?jǐn)嚅_了，燈泡亮不亮？答：S閉合后燈泡亮。S閉合后又?jǐn)嚅_了燈泡照常亮。

（3）u2為直流電源，上－、下+，S未閉合前燈泡亮不亮？S閉合后又?jǐn)嚅_了燈泡亮不亮？答：不亮。u2上－、下+，不具備導(dǎo)通的條件。S閉合也不會亮。2.動態(tài)特性圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

關(guān)斷特性

通常采用外加反電壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。突加反向陽極電壓后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會有一個過程，當(dāng)陽極電流過零，也會出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達最大值IRM后，再反方向快速衰減到接近于零，此時晶閘管恢復(fù)對反向電壓的阻斷能力。電流過零到反向電流接近于零所經(jīng)歷的時間稱為反向阻斷恢復(fù)時間trr。由于載流子復(fù)合需要一定的時間，反向電流接近于零到晶閘管恢復(fù)正向電壓阻斷能力所需時間稱為正向阻斷恢復(fù)時間tgr。關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr。晶閘管的主要參數(shù)1.電壓參數(shù)1)

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，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM：在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3)

額定電壓UR：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。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。4）通態(tài)平均電壓UT（AV）：指在晶閘管通過單相工頻正弦半波電流，額定結(jié)溫、額定平均電流下，晶閘管陽極與陰極間電壓的平均值。

晶閘管的驅(qū)動逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor，RCT）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)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件?！艟哂姓驂航敌?、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點?！裟鎸?dǎo)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。a)KGAb)UOIIG=0雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖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。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。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（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）四電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT。

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。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(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，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時GTR的輸出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。關(guān)斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff

。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的開通和關(guān)斷過程電流波形

動態(tài)特性GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。

GTR的主要參數(shù)：

1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿；擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比Uceo低得多。

2)

集電極最大允許電流IcM實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。3)集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。4.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)◆一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變?！舳螕舸┮淮螕舸┌l(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯變差。安全工作區(qū)（SafeOperatingArea，SOA）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PSB限定。SOAOIcPSBPcMUceUceM圖1-17GTR的安全工作區(qū)分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）

特點——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。五.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。導(dǎo)通：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時，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。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力MOSFET的工作原理電力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)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。

電力MOSFET的基本特性1.靜態(tài)特性

電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性輸出特性：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)于GTR的飽和區(qū)）；電力MOSFET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；2.動態(tài)特性圖電力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3.電力MOSFET的主要參數(shù):跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之還有：1)

漏極電壓UDS

2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM：3)柵源電壓UGS柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿這個特性十分重要：因為人體常常帶有高壓靜電，所以在接觸MOS型器件，包括電力MOSFET、普通MOSFET、MOS型集成電路時，可以先用手接觸一下接地的導(dǎo)體，將身體的靜電放掉，否則容易將GS間的絕緣層擊穿。另外，在用烙鐵焊MOS型器件時，應(yīng)將烙鐵加熱后，拔下電源插座，再焊器件。4)

極間電容:極間電容CGS、CGD和CDS

廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss輸入電容可近似用Ciss代替;輸入電容Cin可以近似用Ciss代替。

5)

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)；

6)一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點;7)實際使用中應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?。GTR和GTO的特點：雙極型，電流驅(qū)動，通流能力很強，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：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；兩類器件取長補短結(jié)合而成一些復(fù)合器件—Bi-MOS器件（如IGBT)。六.絕緣柵雙極晶體管IGBT兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，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——雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，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——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。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E

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

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，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，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O(shè)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增加轉(zhuǎn)移特性：IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(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，在+25C時，UGE(th)的值一般為2~6V。輸出特性（伏安特性）：以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關(guān)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(yīng)；uCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)，不具有逆導(dǎo)能力。2)

IGBT的動態(tài)特性

IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的特性和參數(shù)特點：(1)

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)(2)

相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力(3)

通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域(4)

輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似(5)與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點其他新型電力電子器件

MOS控制晶閘管MCT

靜電感應(yīng)晶體管SIT

集成門極換流晶閘管IGCT

功率模塊與功率集成電路MOS控制晶閘管MCTMCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點：1.MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程;2.晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降;3.一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET4.MCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來一度成為研究的熱點。但經(jīng)過十多年的努力，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)未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。當(dāng)前，IGBT更被看好。靜電感應(yīng)晶體管SIT

『大功率結(jié)型場效應(yīng)管』SIT（Sta