電力電子器件概述最新版本ppt課件

1、第2章 電力電子器件,2.1 電力電子器件概述 2.2 不可控器件二極管 2.3 半控型器件晶閘管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié),電子技術(shù)的基礎(chǔ) 電子器件：晶體管和集成電路 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件 本章主要內(nèi)容： 概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)題。 介紹常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問(wèn)題。,第2章 電力電子器件引言,2.1.1 電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分類 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),2.1 電

2、力電子器件概述,1）概念: 電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路（Main Power Circuit） 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,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件,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(kāi)關(guān)狀態(tài)。 電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)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。,2.1.

3、1 電力電子器件的概念和特征,3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：,通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。 器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。,主要損耗,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開(kāi)關(guān)損耗,關(guān)斷損耗,開(kāi)通損耗,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的損耗,電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成。,圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,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(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行,2.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成,電氣隔離,控制電路,半控型器件（Thyristor） 通過(guò)控制信號(hào)可

4、以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。 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) 斷，又稱自關(guān)斷器件。 不可控器件(Power Diode) 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。,2.1.3 電力電子器件的分類,按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：,電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。,2.1.3 電力電子器件的分類,按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：,本章內(nèi)容: 介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意

5、的一些問(wèn)題。 學(xué)習(xí)要點(diǎn): 最重要的是掌握其基本特性。 掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。 可能會(huì)對(duì)主電路的其它電路元件有特殊的要求。,2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類型,2.2 不可控器件電力二極管,Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)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(chǎng)合，具有不可替代的地位。,2.2 不可控器件電力二極管引言,整流二極管及模

6、塊,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。 由一個(gè)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，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。,圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,.,二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式) 雪崩擊穿 齊納擊穿 均可能導(dǎo)致熱擊穿,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,PN結(jié)的狀態(tài),主要指其伏安特性 門檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。 與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。 承

7、受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,圖2-4 電力二極管的伏安特性,2.2.2 電力二極管的基本特性,1) 靜態(tài)特性,額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),1) 正向平均電流IF(AV),在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。 3） 反向重復(fù)峰值電壓URRM 對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 4）反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf,

8、2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),2）正向壓降UF,結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。 6) 浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),5）最高工作結(jié)溫TJM,1) 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng) 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高,按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特

9、別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。,2.2.4 電力二極管的主要類型,簡(jiǎn)稱快速二極管 快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。,2.2.4 電力二極管的主要類型,2) 快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）,肖特基二極管的弱點(diǎn) 反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下。 反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制

10、其工作溫度。 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) 反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）。 正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。 反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。 效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。,2.2.4 電力二極管的主要類型,3. 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。,2.3 半控型器件晶閘管,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件,2.3 半控型器件晶閘管引言,1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了

11、晶閘管。 1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。 1958年商業(yè)化。 開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)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(chǎng)合具有重要地位。,晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）,圖2-17 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,外形有螺栓型和平板型兩種封裝。 有三個(gè)聯(lián)接端。 螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便

12、。 平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,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),.,1-27,應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓。 應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加正向電壓和電流。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。(半控型器件) 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，或承受反向電壓 。 為什么會(huì)有上述的開(kāi)關(guān)特性呢？,欲使晶閘管導(dǎo)通須具備以下兩個(gè)條件：,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,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

13、是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：,圖2-18 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,按晶體管的工作原理 ，得：,（2-10）,.,1-29,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,圖2-18 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,合S，IG0,Ib2,Ic2(Ib1),Ic1,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。(形成強(qiáng)烈正反饋，維持器件自鎖導(dǎo)通，不再需要觸發(fā)電流) 阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 開(kāi)通狀態(tài)(

14、門極觸發(fā))：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。,（2-10）,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高 結(jié)溫較高 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(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,其他幾種可能導(dǎo)通的情況：,2.3.2 晶閘管的基本特性,承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。 承受正

15、向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)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，或承受反向電壓 。 DATASHEET,晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：,2.3.2 晶閘管的基本特性,當(dāng)IG=0時(shí)，UAK0，處于阻斷狀態(tài)，漏電流很小； 當(dāng)UAK正向轉(zhuǎn)折電壓UbO時(shí)，IA急劇，開(kāi)通， UAK1V； IG越大，電壓轉(zhuǎn)折值越小； 若IG0，且IA至IH（維持電流），則回到正向阻斷狀態(tài)； 當(dāng)UAKIG1IG,.,1-34,導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)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

16、維持電流。 晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性 陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端,2.3.2 晶閘管的基本特性,.,1-35,晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出 門極觸發(fā)電流也往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的 晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。,2.3.2 晶閘管的基本特性,.,1-36,晶閘管的門極伏安特性 圖中ABCGFED所圍成的區(qū)域?yàn)榭煽坑|發(fā)區(qū) 圖中陰影部分為不觸發(fā)區(qū) 圖中ABCJIH所圍成的區(qū)域?yàn)椴豢煽坑|發(fā)區(qū),圖2-2

17、0 晶閘管門極伏安特性,2.3.2 晶閘管的基本特性,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。 通態(tài)（峰值）電壓UTM 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。,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UTN。 選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。,使用注意：,1）電壓定額,國(guó)標(biāo)系列：1，2，3，10，12，14，,.,1-38,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),1

18、）電壓定額,通態(tài)平均值電壓（管壓降）,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),通態(tài)平均電流 IT(AV） 在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。 使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。(有效值為1.57 IT(AV）) 維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍。 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。,2）電流定額,.,1-4

19、0,舉例說(shuō)明：正弦半波電流平均值IT (AV)、電流有效值IT 和電流最大值Im三者的關(guān)系為：,各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值I與平均值Id之比，稱為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用Kf 表示。因此，在正弦半波情況下電流波形系數(shù)為：,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),.,1-41,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),.,1-42,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),.,1-43,電流系列值：1,3,5,10,20,50，100,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),SCR的使用：選擇器件時(shí)，,.,1-44,例 兩個(gè)不同的電流波形（陰影斜線部分）如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A，試計(jì)算各波形

20、下晶閘管的電流平均值IdT1、IdT2，電流有效值IT1、IT2。,解：,.,1-45,型號(hào)：舉例 KP100-10E 國(guó)產(chǎn)晶閘管的型號(hào)命名（JB1144-75部頒發(fā)標(biāo)準(zhǔn)）主要由四部分組成， 各部分的含義見(jiàn)下表。 第一部分用字母“K”表示主稱為晶閘管。 第二部分用字母表示晶閘管的類別。 第三部分用數(shù)字表示晶閘管的額定通態(tài)電流值。 第四部分用數(shù)字表示重復(fù)峰值電壓級(jí)數(shù)。 第五部分用字母表示管壓降等級(jí),2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),.,1-46,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有： 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通

21、 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。,3）動(dòng)態(tài)參數(shù),2.3.4 晶閘管的派生器件,有快速晶閘管和高頻晶閘管。 開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。 普通晶閘管關(guān)斷時(shí)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，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 在火車機(jī)車上使用。DATASHEET,1）快速晶閘管（Fast S

22、witching Thyristor FST),2.3.4 晶閘管的派生器件,2）雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,圖2-24 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。 有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。 在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。 不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。 應(yīng)用在交流調(diào)壓、調(diào)功(率)電路、固態(tài)開(kāi)關(guān)(無(wú)觸點(diǎn))DATASHEET,2.3.4 晶閘管的派生器件,逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting T

23、hyristorRCT）,a),K,G,A,圖2-25 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)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(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。,2.3.4 晶閘管的派生器件,光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）,A,G,K,a),AK,圖2-26 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性,又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 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

24、功率的場(chǎng)合。,.,1-52,作業(yè)題： 圖中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，求其電流平均值IdT和電流有效值IT。如果晶閘管的額定電流為100A，不考慮安全裕量，允許流過(guò)以上波形的平均電流是多少？,.,1-53,如圖所示，試畫出負(fù)載Rd上的電壓波形(不考慮管子的導(dǎo)通壓降)。,2.4 典型全控型器件,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,2.4 典型全控型器件引言,門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。 典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

25、、絕緣柵雙極晶體管。,2.4 典型全控型器件引言,常用的典型全控型器件,電力MOSFET,IGBT單管及模塊,.,1-57,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO,GTO（Gate Turn-Off Thyristor），門極信號(hào)不僅能控制其導(dǎo)通，也能控制其關(guān)斷。 門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷,可關(guān)斷的兩個(gè)主要因素： 結(jié)構(gòu)：內(nèi)部包含著數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，它們的門極和陰極分別并聯(lián)在一起。 參數(shù)：晶閘管導(dǎo)通后V1和V2的總回路增益1+2常為1.15左右；而GTO的1+2非常接近1，處于臨界飽和狀態(tài)。,.,1-58,2.4.2 電力晶體管BJT/GTR,結(jié)構(gòu),工作原理,與三極管的工作原理相同,輸出

26、特性,.,1-59,2.4.2 電力晶體管,一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。 只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。,安全工作區(qū)（Safe 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。,圖2-18 GTR的安全工作區(qū),GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū),2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管P-MOSFET,主要是N溝道增強(qiáng)型 特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功

27、率小。 開(kāi)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(guò)10kW的電力電子裝置 。,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,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(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)UGS大于UT時(shí)，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 。,圖2-28 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào),電力MOSFET的工作原理,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,(1) 靜態(tài)特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。

28、 ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。,圖2-30 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,2）電力MOSFET的基本特性,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū)） 工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。,圖2-30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,MOSFET的漏極伏安特性：,2.4.4 絕緣柵雙

29、極晶體管IGBT,GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。 1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。 目前，IGBT的容量水平已達(dá)3000V/1800A，工作頻率達(dá)40kHz以上。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(diǎn)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)，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。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)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)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。,2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,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,圖2-35 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等

30、效電路和電氣圖形符號(hào) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào),2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。 簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)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。,圖2-35 IGBT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)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào),IGBT的結(jié)構(gòu),2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由

31、柵射極電壓uGE決定。 導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，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(hào)時(shí)，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,a,),b,),2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性,圖2-36 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性,轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開(kāi)啟電壓UGE(th),輸出特性 分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。,2.4.4 絕緣

32、柵雙極晶體管,IGBT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。 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。 與MOSFET和GTR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) 。,2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,IGBT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 。,2.5 其他新型電力電子器件,2.5.1 MOS控制晶閘管MCT 2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT 2.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH 2.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT 2.

33、5.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件,2.5.1 MOS控制晶閘管MCT,MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： 承受極高di/dt和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。 高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。 一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成。 每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合(DATASHEET),2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT,多子導(dǎo)電的

34、器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。 在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。 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，稱為正常導(dǎo)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(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,SIT（Static Induction Transistor）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,2.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH,SITH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)。 其很多特性與GTO類似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH

35、一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。,SITH（Static Induction Thyristor）場(chǎng)控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）,2.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT,20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快10倍。 可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。 目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。 DATASHEET 1 2,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）

36、 GCT（Gate-Commutated Thyristor）,.,1-76,2.5.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件,硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)體 材料是指禁帶寬度在3.0電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材 料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等 材料。 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將 具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài) 電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和 射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級(jí)的提高。 寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直受制于材料的提煉和制造以 及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。,2.6

37、功率集成電路與集成電力電子模塊,20世紀(jì)80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，稱為功率模塊。 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 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。 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，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。 DATASHEET,基本概念,高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）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（Smart Power ICSPIC）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（Intelligent Power ModuleIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。,實(shí)際應(yīng)用電路,2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊,功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。 以前