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文檔簡介
典型全控型器件1第1頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月門極可關斷晶閘管——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。典型全控型器件1.42第2頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor—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1.4.13第3頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月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部并聯(lián)在一起。圖1-13GTO的內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1.4.1幻燈片124第4頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月工作原理:與普通晶閘管一樣,可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。
圖1-7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+2>1時,兩個等效晶體管過飽和而使器件導通;當1+2<1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α1和α2。門極可關斷晶閘管1.4.15第5頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月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1.4.1
(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。圖1-7晶閘管的工作原理6第6頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月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+2<1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能力強。門極可關斷晶閘管1.4.17第7頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月2.GTO的動態(tài)特性開通過程:與普通晶閘管類似,需經過延遲時間td和上升時間tr。圖1-14GTO的開通和關斷過程電流波形門極可關斷晶閘管1.4.18第8頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月關斷過程:與普通晶閘管有所不同抽取飽和導通時儲存的大量載流子——儲存時間ts,使等效晶體管退出飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū),陽極電流逐漸減小——下降時間tf。殘存載流子復合——尾部時間tt。通常tf比ts小得多,而tt比ts要長。門極負脈沖電流幅值越大,前沿越陡,抽走儲存載流子的速度越快,ts越短。門極負脈沖的后沿緩慢衰減,在tt階段仍保持適當負電壓,則可縮短尾部時間。
GTO的開通和關斷過程電流波形門極可關斷晶閘管1.4.19第9頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月3.GTO的主要參數(shù)門極可關斷晶閘管1.4.1——
延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s,上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大?!?/p>
一般指儲存時間和下降時間之和,不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大,下降時間一般小于2s。關斷時間toff開通時間ton
不少GTO都制造成逆導型,類似于逆導晶閘管,需承受反壓時,應和電力二極管串聯(lián)。許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同,以下只介紹意義不同的參數(shù)。10第10頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月最大可關斷陽極電流IATO門極可關斷晶閘管1.4.1電流關斷增益offGMATOoffII=b(1-8)off一般很小,只有5左右,這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A?!狦TO額定電流。
——最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。11第11頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月術語用法:電力晶體管(GiantTransistor——GTR,直譯為巨型晶體管)耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管(BipolarJunctionTransistor——BJT),英文有時候也稱為PowerBJT。在電力電子技術的范圍內,GTR與BJT這兩個名稱等效。
應用20世紀80年代以來,在中、小功率范圍內取代晶閘管,但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電力晶體管1.4.212第12頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月1.GTR的結構和工作原理圖1-15GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動
a)內部結構斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內部載流子的流動電力晶體管1.4.2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?;脽羝?213第13頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月在應用中,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(1-9)
——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
(1-10)產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hFE。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1.4.214第14頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月
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,要經過放大區(qū)。圖1-16共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性電力晶體管1.4.215第15頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月
(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,從而加快開通過程。圖1-17GTR的開通和關斷過程電流波形電力晶體管1.4.216第16頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月關斷過程儲存時間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,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1.4.217第17頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月
3.GTR的主要參數(shù)前已述及:電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關斷時間toff
(此外還有):
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,還與外電路接法有關。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo實際使用時,為確保安全,最高工作電壓要比BUceo低得多。電力晶體管1.4.218第18頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月
2)
集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應的Ic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。電力晶體管1.4.219第19頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月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。
二次擊穿一次擊穿發(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。常常立即導致器件的永久損壞,或者工作特性明顯衰變。電力晶體管1.4.220第20頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月安全工作區(qū)(SafeOperatingArea——SOA)最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。圖1-18GTR的安全工作區(qū)電力晶體管1.4.221第21頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月也分為結型和絕緣柵型(類似小功率FieldEffectTransistor——FET)但通常主要指絕緣柵型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET)簡稱電力MOSFET(PowerMOSFET)結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管(StaticInductionTransistor——SIT)電力場效應晶體管
特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單,需要的驅動功率小。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。1.4.322第22頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月1.電力MOSFET的結構和工作原理
電力MOSFET的種類
按導電溝道可分為P溝道和N溝道
耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道增強型——對于N(P)溝道器件,柵極電壓大于(小于)零時才存在導電溝道
電力MOSFET主要是N溝道增強型電力場效應晶體管1.4.323第23頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月電力MOSFET的結構電力場效應晶體管1.4.3導通時只有一種極性的載流子(多子)參與導電,是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同,但結構上有較大區(qū)別。電力MOSFET的多元集成結構,不同的生產廠家采用了不同設計。國際整流器公司(InternationalRectifier)的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列圖1-19電力MOSFET的結構和電氣圖形符號24第24頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月小功率MOS管是橫向導電器件電力MOSFET大都采用垂直導電結構,又稱為VMOSFET(VerticalMOSFET)——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。按垂直導電結構的差異,又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)。這里主要以VDMOS器件為例進行討論電力場效應晶體管1.4.325第25頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月電力MOSFET的工作原理截止: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J1反偏,漏源極之間無電流流過。導電:在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的,所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開,而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當UGS大于UT(開啟電壓或閾值電壓)時,柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度,使P型半導體反型成N型而成為反型層,該反型層形成N溝道而使PN結J1消失,漏極和源極導電。圖1-19電力MOSFET的結構和電氣圖形符號電力場效應晶體管1.4.3絕緣柵雙極晶體管26第26頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月1)
靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。ID較大時,ID與UGS的關系近似線性,曲線的斜率定義為跨導Gfs。圖1-20電力MOSFET的轉移特性和輸出特性
a)轉移特性b)輸出特性2.電力MOSFET的基本特性電力場效應晶體管1.4.327第27頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月MOSFET的漏極伏安特性:截止區(qū)(對應于GTR的截止區(qū))飽和區(qū)(對應于GTR的放大區(qū))非飽和區(qū)(對應于GTR的飽和區(qū))電力MOSFET工作在開關狀態(tài),即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管,漏源極間加反向電壓時器件導通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù),對器件并聯(lián)時的均流有利。電力MOSFET的轉移特性和輸出特性
a)轉移特性b)輸出特性電力場效應晶體管1.4.328第28頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月
2)
動態(tài)特性開通過程開通延遲時間td(on)——up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段。上升時間tr——uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段。iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關UGS達到UGSP后,在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài),但iD已不變。開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和。圖1-21電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源,Rs—信號源內阻,RG—柵極電阻,RL—負載電阻,RF—檢測漏極電流電力場效應晶體管1.4.329第29頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月關斷過程關斷延遲時間td(off)——up下降到零起,Cin通過Rs和RG放電,uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時,iD開始減小止的時間段。下降時間tf——
uGS從UGSP繼續(xù)下降起,iD減小,到uGS<UT時溝道消失,iD下降到零為止的時間段。關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和。圖1-21電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源,Rs—信號源內阻,RG—柵極電阻,RL—負載電阻,RF—檢測漏極電流電力場效應晶體管1.4.330第30頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月MOSFET的開關速度
MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系。使用者無法降低Cin,但可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數(shù),加快開關速度。MOSFET只靠多子導電,不存在少子儲存效應,因而關斷過程非常迅速。開關時間在10~100ns之間,工作頻率可達100kHz以上,是主要電力電子器件中最高的。場控器件,靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電,仍需一定的驅動功率。開關頻率越高,所需要的驅動功率越大。電力場效應晶體管1.4.331第31頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月3.電力MOSFET的主要參數(shù)
電力場效應晶體管1.4.3——電力MOSFET電壓定額
1)
漏極電壓UDS
2)
漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS——柵源之間的絕緣層很薄,UGS>20V將導致絕緣層擊穿。
除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有:
32第32頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月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和反向轉移電容CrssCiss=CGS+CGD
(1-14)Crss=CGD
(1-15)Coss=CDS+CGD
(1-16)輸入電容可近似用Ciss代替。這些電容都是非線性的。
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)。
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。
實際使用中仍應注意留適當?shù)脑A?。電力場效應晶體管1.4.333第33頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點——雙極型,電流驅動,有電導調制效應,通流能力很強,開關速度較低,所需驅動功率大,驅動電路復雜。MOSFET的優(yōu)點——單極型,電壓驅動,開關速度快,輸入阻抗高,熱穩(wěn)定性好,所需驅動功率小而且驅動電路簡單。兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件
絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT)
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。1.4.434第34頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月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E圖1-22IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管1.4.435第35頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月IGBT的結構圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT(N-IGBT)IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區(qū),形成了一個大面積的P+N結J1?!笽GBT導通時由P+注入區(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子,從而對漂移區(qū)電導率進行調制,使得IGBT具有很強的通流能力。簡化等效電路表明,IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構,一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。
RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。圖1-22IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管1.4.436第36頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月IGBT的原理
驅動原理與電力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內形成溝道,為晶體管提供基極電流,IGBT導通。導通壓降:電導調制效應使電阻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內的溝道消失,晶體管的基極電流被切斷,IGBT關斷。絕緣柵雙極晶體管1.4.4電力電子器件比較.ppt電力電子器件器件的驅動37第37頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月2.IGBT的基本特性
1)
IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管1.4.438第38頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月轉移特性——IC與UGE間的關系,與MOSFET轉移特性類似。開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導調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2~6V。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。uCE<0時,IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。圖1-23IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管1.4.439第39頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月
2)
IGBT的動態(tài)特性圖1-24IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.440第40頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月
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%ICM2
。
電流上升時間tr
——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。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。tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程;tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。圖1-24IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.441第41頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月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%ICM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。tfi1——IGBT內部的MOSFET的關斷過程,iC下降較快;tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程,iC下降較慢。圖1-24IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.442第42頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月IGBT中雙極型PNP晶體管的存在,雖然帶來了電導調制效應的好處,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)必須有足夠寬度和較高的電阻率,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1.4.4通過對IGBT的基本特性的分析,可以看出:43第43頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月3.IGBT的主要參數(shù)絕緣柵雙極晶體管1.4.4——正常工作溫度下允許的最大功耗。3)最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。
2)
最大集電極電流——由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。1)最大集射極間電壓UCES44第44頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下:絕緣柵雙極晶體管1.4.4(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1/10,與電力MOSFET相當。(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,同時保持開關頻率高的特點。45第45頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月4.IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)寄生晶閘管——由一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成。圖1-22IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管1.4.446第46頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月擎住效應或自鎖效應:絕緣柵雙極晶體管1.4.4IGBT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duCE/dt確定。反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)——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)(FBSOA)動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高,20世紀90年代中后期開始逐漸解決?!狽PN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)的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降,相當于對J3結施加正偏壓,一旦J3開通,柵極就會失去對集電極電流的控制作用,電流失控。47第47頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月其他新型電力電子器件
1.5.1MOS控制晶閘管MCT
1.5.2
靜電感應晶體管SIT
1.5.3
靜電感應晶閘管SITH
1.5.4
集成門極換流晶閘管IGCT
1.5.5
功率模塊與功率集成電路1.548第48頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月MOS控制晶閘管MCTMCT(MOSControlledThyristor)——MOSFET與晶閘管的復合
MCT結合了二者的優(yōu)點:
MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程。
晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降。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斷的MOSFET。MCT曾一度被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此,20世紀80年代以來一度成為研究的熱點。但經過十多年的努力,其關鍵技術問題沒有大的突破,電壓和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值,未能投入實際應用。1.5.149第49頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月靜電感應晶體管SITSIT(StaticInductionTransistor)——1970年,結型場效應晶體管小功率SIT器件的橫向導電結構改為垂直導電結構,即可制成大功率的SIT器件。多子導電的器件,工作頻率與電力MOSFET相當,甚至更高,功率容量更大,因而適用于高頻大功率場合。在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用。缺點:柵極不加信號時導通,加負偏壓時關斷,稱為正常導通型器件,使用不太方便。通態(tài)電阻較大,通態(tài)損耗也大,因而還未在大多數(shù)電力電子設備中得到廣泛應用。1.5.250第50頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月靜電感應晶閘管SITHSITH(StaticInductionThyristor)——1972年,又被稱為場控晶閘管(FieldControlledThyristor——FCT)。
比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結,SITH是兩種載流子導電的雙極型器件,具有電導調制效應,通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似,但開關速度比GTO高得多,是大容量的快速器件。
SITH一般也是正常導通型,但也有正常關斷型。此外,其制造工藝比GTO復雜得多,電流關斷增益較小,因而其應用范圍還有待拓展。1.5.351第51頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月集成門極換流晶閘管IGCTIGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor),也稱GCT(Gate-CommutatedThyristor)20世紀90年代后期出現(xiàn),結合了IGBT與GTO的優(yōu)點,容量與GTO相當,開關速度快10倍,且可省去GTO龐大而復雜的緩沖電路,只不過所需的驅動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭,試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。1.5.452第52頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月功率模塊與功率集成電路20世紀80年代中后期開始,模塊化趨勢,將多個器件封裝在一個模塊中,稱為功率模塊??煽s小裝置體積,降低成本,提高可靠性。對工作頻率高的電路,可大大減小線路電感,從而簡化對保護和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上,稱為功率集成電路(PowerIntegratedCircuit——PIC)。1.5.553第53頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月類似功率集成電路的還有許多名稱,但實際上各有側重。高壓集成電路(HighVoltageIC——HVIC)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(SmartPowerIC——SPIC)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(IntelligentPowerModule——IPM)則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成,也稱智能IGBT(IntelligentIGBT)。功率模塊與功率集成電路1.5.554第54頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月功率集成電路的主要技術難點:高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成,成為機電一體化的理想接口。功率模塊與功率集成電路1.5.555第55頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件器件的驅動
1.6.1
電力電子器件驅動電路概述
1.6.2
晶閘管的觸發(fā)電路
1.6.3
典型全控型器件的驅動電路1.656第56頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件驅動電路概述驅動電路——主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài),縮短開關時間,減小開關損耗,對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。對器件或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中,或通過驅動電路實現(xiàn)。1.6.1驅動電路的基本任務:將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求,轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間,可以使其開通或關斷的信號。
對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號,又要提供關斷控制信號。57第57頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(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圖1-25光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型電力電子器件驅動電路概述1.6.158第58頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質分,可分為電流驅動型和電壓驅動型。驅動電路具體形式可為分立元件的,但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路。
為達到參數(shù)最佳配合,首選所用器件生產廠家專門開發(fā)的集成驅動電路。電力電子器件驅動電路概述1.6.159第59頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月晶閘管的觸發(fā)電路作用:產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖,保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。廣義上講,還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路。1.6.2晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求:觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通(結合擎住電流的概念)。觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額,且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內。應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。60第60頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月V1、V2構成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構成脈沖輸出環(huán)節(jié)
V1、V2導通時,通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V1、V2由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設。圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時間(<1s)t1~t3強脈寬度IM強脈沖幅值(3IGT~5IGT)t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值(1.5IGT~2IGT)圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2晶閘管的觸發(fā)電路1.6.261第61頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月典型全控型器件的驅動電路1)GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似,但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高,且一般需在整個導通期間施加正門極電流。使GTO關斷需施加負門極電流,對其幅值和陡度的要求更高,關斷后還應在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1.6.31.
電流驅動型器件的驅動電路62第62頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月GTO驅動電路通常包括開通驅動電路、關斷驅動電路和門極反偏電路三部分,可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。直接耦合式驅動電路可避免電路內部的相互干擾和寄生振蕩,可得到較陡的脈沖前沿,因此目前應用較廣,但其功耗大,效率較低。典型全控型器件的驅動電路1.6.363第63頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月典型的直接耦合式GTO驅動電路:圖1-29典型的直接耦合式GTO驅動電路二極管VD1和電容C1提供+5V電壓
VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供+15V電壓
VD4和電容C4提供-15V電壓
V1開通時,輸出正強脈沖
V2開通時輸出正脈沖平頂部分
V2關斷而V3開通時輸出負脈沖
V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓典型全控型器件的驅動電路1.6.364第64頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月2)GTR開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態(tài),使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關斷GTR時,施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗,關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值(6V左右)的負偏壓。
圖1-30理想的GTR基極驅動電流波形典型全控型器件的驅動電路1.6.365第65頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月GTR的一種驅動電路,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,使多余的驅動電流流入集電極,維持Ubc≈0。
C2為加速開通過程的電容。開通時,R5被C2短路??蓪崿F(xiàn)驅動電流的過沖,并增加前沿的陡度,加快開通。圖1-31
GTR的一種驅動電路典型全控型器件的驅動電路1.6.366第66頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月2.電壓驅動型器件的驅動電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容,為快速建立驅動電壓,要求驅動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅動電壓一般10~15V,使IGBT開通的驅動電壓一般15~20V。關斷時施加一定幅值的負驅動電壓(一般取-5~-15V)有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻(數(shù)十歐左右)可以減小寄生振蕩,該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。典型全控型器件的驅動電路1.6.367第67頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月1)電力MOSFET的一種驅動電路:
電氣隔離和晶體管放大電路兩部分無輸入信號時高速放大器A輸出負電平,V3導通輸出負驅動電壓。當有輸入信號時A輸出正電平,V2導通輸出正驅動電壓
。專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L,其輸入信號電流幅值為16mA,輸出最大脈沖電流為+2A和-3A,輸出驅動電壓+15V和-10V。圖1-32電力MOSFET的一種驅動電路典型全控型器件的驅動電路1.6.368第68頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月2)IGBT的驅動
多采用專用的混合集成驅動器常用的有三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851)內部具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié),當發(fā)生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT,并向外部電路給出故障信號。
M57962L輸出的正驅動電壓均為+15V左右,負驅動電壓為-10V。圖1-33
M57962L型IGBT驅動器的原理和接線圖典型全控型器件的驅動電路1.6.369第69頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件器件的保護
1.7.1
過電壓的產生及過電壓保護
1.7.2
過電流保護
1.7.3
緩沖電路(SnubberCircuit)1.770第70頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月過電壓的產生及過電壓保護電力電子裝置可能的過電壓——外因過電壓和內因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因
(1)
操作過電壓:由分閘、合閘等開關操作引起
(2)
雷擊過電壓:由雷擊引起內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程
(1)換相過電壓:晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷,因而有較大的反向電流流過,當恢復了阻斷能力時,該反向電流急劇減小,會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。
(2)關斷過電壓:全控型器件關斷時,正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。
1.7.171第71頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月圖1-34過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側RC抑制電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種其中RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施,屬于緩沖電路范疇過電壓的產生及過電壓保護
1.7.172第72頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月外因過電壓抑制措施中,RC過電壓抑制電路最為常見,典型聯(lián)結方式見圖1-35。圖1-35
RC過電壓抑制電路聯(lián)結方式a)單相b)三相
RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(供電網一側稱網側,電力電子電路一側稱閥側),或電力電子電路的直流側。過電壓的產生及過電壓保護
1.7.173第73頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月大容量電力電子裝置可采用圖1-36所示的反向阻斷式RC電路圖1-36反向阻斷式過電壓抑制用RC電路保護電路參數(shù)計算可參考相關工程手冊其他措施:用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管(BOD)等非線性元器件限制或吸收過電壓過電壓的產生及過電壓保護
1.7.174第74頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月過電流保護過電流——過載和短路兩種情況
常用措施(圖1-37)快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。同時采用幾種過電流保護措施,提高可靠性和合理性。電子電路作為第一保護措施,快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護,直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護,過電流繼電器整定在過載時動作。圖1-37過電流保護措施及配置位置1.7.275第75頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。選擇快熔時應考慮:(1)電壓等級根據熔斷后快熔實際承受的電壓確定。(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定。(3)快熔的I2t值應小于被保護器件的允許I2t值。(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化,應考慮其時間電流特性。過電流保護1.7.276第76頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月快熔對器件的保護方式:全保護和短路保護兩種全保護:過載、短路均由快熔進行保護,適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護方式:快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用。對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備,或全控型器件(很難用快熔保護),需采用電子電路進行過電流保護。常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié),響應最快。過電流保護1.7.277第77頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月緩沖電路(SnubberCircuit)緩沖電路(吸收電路):抑制器件的內因過電壓、du/dt、過電流和di/dt,減小器件的開關損耗。關斷緩沖電路(du/dt抑制電路)——吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓,抑制du/dt,減小關斷損耗。開通緩沖電路(di/dt抑制電路)——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt,減小器件的開通損耗。將關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起——復合緩沖電路。其他分類法:耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路(無損吸收電路)。通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路,將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。1.7.378第78頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月緩沖電路作用分析無緩沖電路:V開通時電流迅速上升,di/dt很大。關斷時du/dt很大,并出現(xiàn)很高的過電壓。有緩沖電路:V開通時:Cs通過Rs向V放電,使iC先上一個臺階,以后因有Li,iC上升速度減慢。V關斷時:負載電流通過VDs向Cs分流,減輕了V的負擔,抑制了du/dt和過電壓。圖1-38
di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形緩沖電路(SnubberCircuit)1.7.379第79頁,課件共91頁,創(chuàng)作于2023年2月關斷時的負載曲線
圖1-39關斷時的負載線負載線ADC安全,且經過的都是小電流或小電壓區(qū)域,關斷損耗大大降低。緩沖電路(SnubberCircuit)1.7.3有緩沖電路時:Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降,負載線經過D到達C。無緩沖電路時:uCE迅速升,L感應電壓使VD通,負載線從
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