第1章 電力電子器件.ppt

電力電子技術(shù) 電子教案 第1章電力電子器件 第1章第2頁(yè) 第1章電力電子器件 引言1 1電力電子器件概述1 2不可控器件 電力二極管1 3半控型器件 晶閘管1 4典型全控型器件1 5其他新型電力電子器件1 6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1 7電力電子器件的保護(hù)1 8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用小結(jié) 第1章第3頁(yè) 引言 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 簡(jiǎn)要概述電力電子器件的概念 特點(diǎn)和分類(lèi)等問(wèn)題介紹各種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)注意的一些問(wèn)題 第1章第4頁(yè) 1 1電力電子器件概述 1 1電力電子器件概述1 1 1電力電子器件的概念和特征1 1 2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1 1 3電力電子器件的分類(lèi)1 1 4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) 第1章第5頁(yè) 1 1電力電子器件概述 1 1 1電力電子器件的概念和特征主電路 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)的電路電力電子器件 powerelectronicdevice 可直接用于處理電能的主電路中 實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件 第1章第6頁(yè) 1 1 1電力電子器件的概念和特征 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類(lèi) 兩類(lèi)中 自20世紀(jì)50年代以來(lái) 真空管僅在頻率很高 如微波 的大功率高頻電源中還在使用 而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器 MercuryArcRectifier 閘流管 Thyratron 等電真空器件 成為絕對(duì)主力 因此 電力電子器件目前也往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件 電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅 第1章第7頁(yè) 1 1 1電力電子器件的概念和特征 同處理信息的電子器件相比 電力電子器件的一般特征 1 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)其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí) 大至兆瓦級(jí) 大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件 第1章第8頁(yè) 1 1 1電力電子器件的概念和特征 2 電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí) 通態(tài) 阻抗很小 接近于短路 管壓降接近于零 而電流由外電路決定阻斷時(shí) 斷態(tài) 阻抗很大 接近于斷路 電流幾乎為零 而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性 也就是開(kāi)關(guān)特性 和參數(shù) 也是電力電子器件特性很重要的方面 有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問(wèn)題 作電路分析時(shí) 為簡(jiǎn)單起見(jiàn)往往用理想開(kāi)關(guān)來(lái)代替 第1章第9頁(yè) 1 1 1電力電子器件的概念和特征 3 實(shí)用中 電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制 在主電路和控制電路之間 需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大 這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路 4 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞 不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì) 在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器 導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降 形成通態(tài)損耗 第1章第10頁(yè) 1 1 1電力電子器件的概念和特征 阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò) 形成斷態(tài)損耗在器件開(kāi)通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗 總稱(chēng)開(kāi)關(guān)損耗對(duì)某些器件來(lái)講 驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小 因而通態(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)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 第1章第11頁(yè) 1 1 2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 1 1 2應(yīng)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(dòng)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(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào) 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷 來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能 第1章第12頁(yè) 1 1 2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 有的電力電子系統(tǒng)中 還需要有檢測(cè)電路 廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路 從而粗略地說(shuō)電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的 主電路中的電壓和電流一般都較大 而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流 因此在主電路和控制電路連接的路徑上 如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處 或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處 以及主電路與檢測(cè)電路的連接處 一般需要進(jìn)行電氣隔離 而通過(guò)其它手段如光 磁等來(lái)傳遞信號(hào) 第1章第13頁(yè) 1 1 2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)沖 而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴 但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些 因此 在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路 以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行 也往往是非常必要的 器件一般有三個(gè)端子 或稱(chēng)極或管角 其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中 而第三端被稱(chēng)為控制端 或控制極 器件通斷是通過(guò)在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來(lái)控制的 這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端 一般是主電路電流流出器件的端子 第1章第14頁(yè) 1 1 3電力電子器件的分類(lèi) 1 1 3電力電子器件的分類(lèi)按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 分為以下三類(lèi) 1 半控型器件 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷晶閘管 Thyristor 及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 第1章第15頁(yè) 1 1 3電力電子器件的分類(lèi) 2 全控型器件 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(chēng)自關(guān)斷器件絕緣柵雙極晶體管 Insulated GateBipolarTransistor IGBT 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 PowerMOSFET 簡(jiǎn)稱(chēng)為電力MOSFET 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 Gate Turn OffThyristor GTO 第1章第16頁(yè) 1 1 3電力電子器件的分類(lèi) 3 不可控器件 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)電路電力二極管 PowerDiode 只有兩個(gè)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按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì) 分為兩類(lèi) 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 第1章第17頁(yè) 1 1 3電力電子器件的分類(lèi) 電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過(guò)加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來(lái)改變流過(guò)器件的電流大小和通斷狀態(tài) 所以又稱(chēng)為場(chǎng)控器件 或場(chǎng)效應(yīng)器件按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類(lèi) 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 第1章第18頁(yè) 1 1 4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) 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)注意的一些問(wèn)題 然后集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 保護(hù)和串 并聯(lián)使用這三個(gè)問(wèn)題 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(xiàn)的使用方法 這是在實(shí)際中正確應(yīng)用電力電子器件的兩個(gè)基本要求由于電力電子電路的工作特點(diǎn)和具體情況的不同 可能會(huì)對(duì)與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件 如變壓器 電感 電容 電阻等 有不同于普通電路的要求 第1章第19頁(yè) 1 2不可控器件 電力二極管 1 2不可控器件 電力二極管1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理1 2 2電力二極管的基本特性1 2 3電力二極管的主要參數(shù)1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 第1章第20頁(yè) 1 2不可控器件 電力二極管 PowerDiode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 第1章第21頁(yè) 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 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(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線(xiàn)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1 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) 第1章第22頁(yè) 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié) 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(kuò)散運(yùn)動(dòng) 到對(duì)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(dòng)的雜質(zhì)離子 這些不能移動(dòng)的正 負(fù)電荷稱(chēng)為空間電荷 空間電荷建立的電場(chǎng)被稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng) 其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的 另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子 對(duì)本區(qū)而言則為多子 向本區(qū)運(yùn)動(dòng) 即漂移運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是一對(duì)矛盾 最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 正 負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值 形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍 被稱(chēng)為空間電荷區(qū) 按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱(chēng)為耗盡層 阻擋層或勢(shì)壘區(qū) 第1章第23頁(yè) 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低 維持在1V左右 所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài) 圖1 3PN結(jié)的形成 第1章第24頁(yè) 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)PN結(jié)的單向?qū)щ娦远O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)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 可能導(dǎo)致熱擊穿 PN結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化 呈現(xiàn)電容效應(yīng) 稱(chēng)為結(jié)電容CJ 又稱(chēng)為微分電容 結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD 第1章第25頁(yè) 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用 外加電壓頻率越高 勢(shì)壘電容作用越明顯 勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比 與阻擋層厚度成反比而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用 在正向偏置時(shí) 當(dāng)正向電壓較低時(shí) 勢(shì)壘電容為主 正向電壓較高時(shí) 擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率 特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下 可能使其單向?qū)щ娦宰儾?甚至不能工作 應(yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意 第1章第26頁(yè) 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 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(shí)要流過(guò)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(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略引線(xiàn)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(xiàn)和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)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 第1章第27頁(yè) 1 2 2電力二極管的基本特性 1 2 2電力二極管的基本特性圖1 4電力二極管的伏安特性 第1章第28頁(yè) 1 2 2電力二極管的基本特性 1 靜態(tài)特性 電力二極管伏安特性圖 主要指其伏安特性當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值 門(mén)檻電壓UTO 正向電流才開(kāi)始明顯增加 處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài) 與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降 當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí) 只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流 2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 因結(jié)電容的存在 三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程 此過(guò)程中的電壓 電流特性是隨時(shí)間變化的 第1章第29頁(yè) 1 2 2電力二極管的基本特性 開(kāi)關(guān)特性 反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力 進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn) 并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖圖1 5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形a 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 第1章第30頁(yè) 1 2 2電力二極管的基本特性 延遲時(shí)間 td t1 t0 電流下降時(shí)間 tf t2 t1反向恢復(fù)時(shí)間 trr td tf恢復(fù)特性的軟度 下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf td 或稱(chēng)恢復(fù)系數(shù) 用Sr表示 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 第1章第31頁(yè) 1 2 2電力二極管的基本特性 開(kāi)通過(guò)程 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值 如2V 這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tfr 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子 達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大正向電流的上升會(huì)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 第1章第32頁(yè) 1 2 3電力二極管的主要參數(shù) 1 正向平均電流IF AV 額定電流 在指定的管殼溫度 簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫 用TC表示 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正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的 因此使用時(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 當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí) 開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí) 其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 第1章第33頁(yè) 1 2 3電力二極管的主要參數(shù) 2 正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下 流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降3 反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2 3使用時(shí) 往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定 第1章第34頁(yè) 1 2 3電力二極管的主要參數(shù) 4 最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度 用TJ表示最高工作結(jié)溫是指在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125 175 C范圍之內(nèi)5 反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr td tf 關(guān)斷過(guò)程中 電流降到0起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間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 第1章第35頁(yè) 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型按照正向壓降 反向耐壓 反向漏電流等性能 特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹在應(yīng)用時(shí) 應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類(lèi)型的電力二極管性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的 第1章第36頁(yè) 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 1 普通二極管 GeneralPurposeDiode 又稱(chēng)整流二極管 RectifierDiode 多用于開(kāi)關(guān)頻率不高 1kHz以下 的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng) 一般在5 s以上 這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高 分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上 第1章第37頁(yè) 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 2 快恢復(fù)二極管 FastRecoveryDiode FRD 恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短 5 s以下 的二極管 也簡(jiǎn)稱(chēng)快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu) 第1章第38頁(yè) 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管 FastRecoveryEpitaxialDiodes FRED 其反向恢復(fù)時(shí)間更短 可低于50ns 正向壓降也很低 0 9V左右 但其反向耐壓多在400V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) 前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng) 后者則在100ns以下 甚至達(dá)到20 30ns 第1章第39頁(yè) 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)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(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管 SchottkyBarrierDiode SBD 簡(jiǎn)稱(chēng)為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來(lái) 由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿(mǎn)足要求 因此多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感 因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略 而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度 第1章第40頁(yè) 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短 10 40ns 正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小 明顯低于快恢復(fù)二極管其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小 效率高 第1章第41頁(yè) 1 3半控器件 晶閘管 1 3半控型器件 晶閘管1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1 3 2晶閘管的基本特性1 3 3晶閘管的主要參數(shù)1 3 4晶閘管的派生器件 第1章第42頁(yè) 1 3半控型器件 晶閘管 晶閘管 Thyristor 晶體閘流管 可控硅整流器 SiliconControlledRectifier SCR 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室 BellLab 發(fā)明了晶閘管1957年美國(guó)通用電氣公司 GE 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(chǎng)合具有重要地位晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型 普通晶閘管廣義上講 晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件 第1章第43頁(yè) 1 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引出陽(yáng)極A 陰極K和門(mén)極 控制端 G三個(gè)聯(lián)接端對(duì)于螺栓型封裝 通常螺栓是其陽(yáng)極 能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間圖1 6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) 第1章第44頁(yè) 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖1 7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 Ic1 1IA ICBO1 1 1 Ic2 2IK ICBO2 1 2 第1章第45頁(yè) 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 IK IA IG 1 3 IA Ic1 Ic2 1 4 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 1 1 1 4 可得 1 5 晶體管的特性是 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 第1章第46頁(yè) 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 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 門(mén)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(huà) 流過(guò)晶閘管的電流IA 陽(yáng)極電流 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 第1章第47頁(yè) 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 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(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外 其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐 稱(chēng)為光控晶閘管 LightTriggeredThyristor LTT 只有門(mén)極觸發(fā) 包括光觸發(fā) 是最精確 迅速而可靠的控制手段 第1章第48頁(yè) 1 3 2晶閘管的基本特性 1 靜態(tài)特性承受反向電壓時(shí) 不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流 晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通承受正向電壓時(shí) 僅在門(mén)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(mén)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 第1章第49頁(yè) 1 3 2晶閘管的基本特性 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 圖1 8晶閘管的伏安特性IG2 IG1 IG 第1章第50頁(yè) 1 3 2晶閘管的基本特性 IG 0時(shí) 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(guò) 正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 則漏電流急劇增大 器件開(kāi)通隨著門(mén)極電流幅值的增大 正向轉(zhuǎn)折電壓降低導(dǎo)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(dǎo)通期間 如果門(mén)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(chēng)為維持電流 伏安特性圖 第1章第51頁(yè) 1 3 2晶閘管的基本特性 晶閘管上施加反向電壓時(shí) 伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電流從門(mén)極流入晶閘管 從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門(mén)極觸發(fā)電流也往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門(mén)極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門(mén)極和陰極之間是PN結(jié)J3 其伏安特性稱(chēng)為門(mén)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) 伏安特性圖 第1章第52頁(yè) 1 3 2晶閘管的基本特性 2 動(dòng)態(tài)特性圖1 9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 第1章第53頁(yè) 1 3 2晶閘管的基本特性 1 開(kāi)通過(guò)程 特性圖 延遲時(shí)間td 門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始 到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10 的時(shí)間上升時(shí)間tr 陽(yáng)極電流從10 上升到穩(wěn)態(tài)值的90 所需的時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和 tgt td tr 1 6 普通晶閘管延遲時(shí)間為0 5 1 5 s 上升時(shí)間為0 5 3 s 第1章第54頁(yè) 1 3 2晶閘管的基本特性 2 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓 晶閘管會(huì)重新正向?qū)▽?shí)際應(yīng)用中 應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓 使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力 電路才能可靠工作關(guān)斷時(shí)間tq trr與tgr之和 即tq trr tgr 1 7 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒 第1章第55頁(yè) 1 3 3晶閘管的主要參數(shù) 1 電壓定額1 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)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 2 反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門(mén)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 3 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 選用時(shí) 額定電壓要留有一定裕量 一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2 3倍 第1章第56頁(yè) 1 3 3晶閘管的主要參數(shù) 2 電流定額1 通態(tài)平均電流IT AV 額定電流 晶閘管在環(huán)境溫度為40 C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 使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量 一般取1 5 2倍 第1章第57頁(yè) 1 3 3晶閘管的主要參數(shù) 2 維持電流IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安 與結(jié)溫有關(guān) 結(jié)溫越高 則IH越小3 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2 4倍4 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 第1章第58頁(yè) 1 3 3晶閘管的主要參數(shù) 3 動(dòng)態(tài)參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外 還有 1 斷態(tài)電壓臨界上升率du dt指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下 不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí) 相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò) 被稱(chēng)為位移電流 此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí) 起到類(lèi)似門(mén)極觸發(fā)電流的作用 如果電壓上升率過(guò)大 使充電電流足夠大 就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 第1章第59頁(yè) 1 3 3晶閘管的主要參數(shù) 2 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 則晶閘管剛一開(kāi)通 便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi) 從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞 第1章第60頁(yè) 1 3 4晶閘管的派生器件 1 快速晶閘管 FastSwitchingThyristor FST 包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管 有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn) 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10 s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 選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng) 第1章第61頁(yè) 1 3 4晶閘管的派生器件 2 雙向晶閘管 TriodeACSwitch TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor 圖1 10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 第1章第62頁(yè) 1 3 4晶閘管的派生器件 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(mén)極G正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通 所以雙向晶閘管在第 和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的 且控制電路簡(jiǎn)單 在交流調(diào)壓電路 固態(tài)繼電器 SolidStateRelay SSR 和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)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(lái)表示其額定電流值 第1章第63頁(yè) 1 3 4晶閘管的派生器件 3 逆導(dǎo)晶閘管 ReverseConductingThyristor RCT 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)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè) 一個(gè)是晶閘管電流 一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流圖1 11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 第1章第64頁(yè) 1 3 4晶閘管的派生器件 4 光控晶閘管 LightTriggeredThyristor LTT 圖1 12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 第1章第65頁(yè) 1 3 4晶閘管的派生器件 又稱(chēng)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)通的晶閘管小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)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(dǎo)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(chǎng)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1章第66頁(yè) 1 4典型全控型器件 1 4典型全控型器件1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1 4 2電力晶體管1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1 4 4絕緣柵雙極晶體管 第1章第67頁(yè) 1 4典型全控型器件 門(mén)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) 信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)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(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代典型代表 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極晶體管 第1章第68頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 Gate Turn OffThyristor GTO 晶閘管的一種派生器件可以通過(guò)在門(mén)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(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用 第1章第69頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 1 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu) 與普通晶閘管的相同點(diǎn) PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 外部引出陽(yáng)極 陰極和門(mén)極和普通晶閘管的不同 GTO是一種多元的功率集成器件 內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元 這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起圖1 13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a 各單元的陰極 門(mén)極間隔排列的圖形b 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c 電氣圖形符號(hào) 第1章第70頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 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(lái)分析 1 2 1是器件臨界導(dǎo)通的條件 當(dāng) 1 2 1時(shí) 兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通 當(dāng) 1 2 1時(shí) 不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷 圖1 7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 第1章第71頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別 1 設(shè)計(jì) 2較大 使晶體管V2控制靈敏 易于GTO關(guān)斷 2 導(dǎo)通時(shí) 1 2更接近1 1 05 普通晶閘管 1 2 1 15 導(dǎo)通時(shí)飽和不深 接近臨界飽和 有利門(mén)極控制關(guān)斷 但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大 3 多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小 門(mén) 陰極間距大為縮短 使得P2基區(qū)橫向電阻很小 能從門(mén)極抽出較大電流 第1章第72頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣 只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺關(guān)斷過(guò)程 強(qiáng)烈正反饋 門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)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(jìn)一步減小V2的基極電流當(dāng)IA和IK的減小使 1 2 1時(shí) 器件退出飽和而關(guān)斷多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快 承受di dt能力強(qiáng) 第1章第73頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 2 GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程 與普通晶閘管類(lèi)似 需經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr 圖1 14GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 第1章第74頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 關(guān)斷過(guò)程 與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子 儲(chǔ)存時(shí)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(yáng)極電流逐漸減小 下降時(shí)間tf殘存載流子復(fù)合 尾部時(shí)間tt通常tf比ts小得多 而tt比ts要長(zhǎng)門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大 前沿越陡 抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快 ts越短門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減 在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓 則可縮短尾部時(shí)間 第1章第75頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 3 GTO的主要參數(shù) 顯示圖 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同 以下只介紹意義不同的參數(shù)1 開(kāi)通時(shí)間ton延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 延遲時(shí)間一般約1 2 s 上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大2 關(guān)斷時(shí)間toff一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和 不包括尾部時(shí)間 GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大 下降時(shí)間一般小于2 s不少GTO都制造成逆導(dǎo)型 類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管 需承受反壓時(shí) 應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 第1章第76頁(yè) 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 3 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATOGTO額定電流4 電流關(guān)斷增益 off最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益 1 8 off一般很小 只有5左右 這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn) 1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A 第1章第77頁(yè) 1 4 2電力晶體管 術(shù)語(yǔ)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(jié)型晶體管 BipolarJunctionTransistor BJT 英文有時(shí)候也稱(chēng)為PowerBJT在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi) GTR與BJT這兩個(gè)名稱(chēng)等效應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái) 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 第1章第78頁(yè) 1 4 2電力晶體管 1 GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖 15 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的主要特性是耐壓高 電流大 開(kāi)關(guān)特性好通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 第1章第79頁(yè) 1 4 2電力晶體管 圖1 15GTR的結(jié)構(gòu) 電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b 電氣圖形符號(hào)c 內(nèi)部載流子的流動(dòng)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(duì)集電極電流的控制能力 第1章第80頁(yè) 1 4 2電力晶體管 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí) ic和ib的關(guān)系為ic ib Iceo 1 10 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)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(rèn)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(dá)林頓接法可有效增大電流增益 第1章第81頁(yè) 1 4 2電力晶體管 2 GTR的基本特性 1 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài) 即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中 即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí) 要經(jīng)過(guò)放大區(qū)圖1 16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性 第1章第82頁(yè) 1 4 2電力晶體管 1 動(dòng)態(tài)特性圖1 17GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr 二者之和為開(kāi)通時(shí)間tontd主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)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(shí)間 同時(shí)可縮短上升時(shí)間 從而加快開(kāi)通過(guò)程 第1章第83頁(yè) 1 4 2電力晶體管 關(guān)斷過(guò)程 顯示圖 儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf 二者之和為關(guān)斷時(shí)間toffts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的 是關(guān)斷時(shí)間的主要部分減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子 或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓 可縮短儲(chǔ)存時(shí)間 從而加快關(guān)斷速度負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加 從而增大通態(tài)損耗GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以?xún)?nèi) 比晶閘管和GTO都短很多 第1章第84頁(yè) 1 4 2電力晶體管 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(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff 此外還有 1 最高工作電壓GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)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)BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo實(shí)際使用時(shí) 為確保安全 最高工作電壓要比BUceo低得多 第1章第85頁(yè) 1 4 2電力晶體管 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(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量 只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)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(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC 間接表示了最高工作溫度 第1章第86頁(yè) 1 4 2電力晶體管 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(shí) Ic迅速增大 出現(xiàn)雪崩擊穿只要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增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)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 或者工作特性明顯衰變 第1章第87頁(yè) 1 4 2電力晶體管 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(xiàn)限定圖1 18GTR的安全工作區(qū) 第1章第88頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 也分為結(jié)型和絕緣柵型 類(lèi)似小功率FieldEffectTransistor FET 但通常主要指絕緣柵型中的MOS型 MetalOxideSemiconductorFET 簡(jiǎn)稱(chēng)電力MOSFET PowerMOSFET 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管 StaticInductionTransistor SIT 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)功率小開(kāi)關(guān)速度快 工作頻率高熱穩(wěn)定性?xún)?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 第1章第89頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的種類(lèi)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(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型 對(duì)于N P 溝道器件 柵極電壓大于 小于 零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型 第1章第90頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 顯示圖 導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子 多子 參與導(dǎo)電 是單極型晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同 但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)國(guó)際整流器公司 InternationalRectifier 的HEXFET采用了六邊形單元西門(mén)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 第1章第91頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 又稱(chēng)為VMOSFET VerticalMOSFET 大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異 又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MO結(jié)構(gòu)的VDMOSFET VerticalDouble diffusedMOSFET 這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論 第1章第92頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 電力MOSFET的工作原理圖1 19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b 電氣圖形符號(hào)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) 第1章第93頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 導(dǎo)電 在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的 所以不會(huì)有柵極電流流過(guò) 但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi) 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(dāng)UGS大于UT 開(kāi)啟電壓或閾值電壓 時(shí) 柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度 使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 第1章第94頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2 電力MOSFET的基本特性1 靜態(tài)特性圖1 20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a 轉(zhuǎn)移特性b 輸出特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性ID較大時(shí) ID與UGS的關(guān)系近似線(xiàn)性 曲線(xiàn)的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs 第1章第95頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET的漏極伏安特性 輸出特性 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)于GTR的飽和區(qū) 電力MOSFET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)換電力MOSFET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)通電力MOSFET的通態(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 第1章第96頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2 動(dòng)態(tài)特性圖1 21電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a 測(cè)試電路b 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up 脈沖信號(hào)源 Rs 信號(hào)源內(nèi)阻 RG 柵極電阻 RL 負(fù)載電阻 RF 檢測(cè)漏極電流 第1章第97頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)關(guān)過(guò)程圖 開(kāi)通延遲時(shí)間td on up前沿時(shí)刻到uGS UT并開(kāi)始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段上升時(shí)間tr uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS達(dá)到UGSP后 在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài) 但iD已不變開(kāi)通時(shí)間ton 開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 第1章第98頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 開(kāi)通過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td off up下降到零起 Cin通過(guò)Rs和RG放電 uGS按指數(shù)曲線(xiàn)下降到UGSP時(shí) iD開(kāi)始減小止的時(shí)間段下降時(shí)間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起 iD減小 到uGS UT時(shí)溝道消失 iD下降到零為止的時(shí)間段關(guān)斷時(shí)間toff 關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和 圖1 21電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a 測(cè)試電路b 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up 脈沖信號(hào)源 Rs 信號(hào)源內(nèi)阻 RG 柵極電阻 RL 負(fù)載電阻 RF 檢測(cè)漏極電流 第1章第99頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET的開(kāi)關(guān)速度MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系使用者無(wú)法降低Cin 但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù) 加快開(kāi)關(guān)速度MOSFET只靠多子導(dǎo)電 不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng) 因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速開(kāi)關(guān)時(shí)間在10 100ns之間 工作頻率可達(dá)100kHz以上 是主要電力電子器件中最高的場(chǎng)控器件 靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流 但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電 仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率 開(kāi)關(guān)頻率越高 所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大 第1章第100頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 3 電力MOSFET的主要參數(shù)跨導(dǎo)Gfs 開(kāi)啟電壓UT以及td on tr td off 和tf之還有1 漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額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(dǎo)致絕緣層擊穿4 極間電容極間電容CGS CGD和CDS廠(chǎng)家提供 漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss 共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss 第1章第101頁(yè) 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 Ciss 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(xiàn)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(lái)說(shuō) 電力MOSFET不存在二次擊穿問(wèn)題 這是它的一大優(yōu)點(diǎn)實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?第1章第102頁(yè) 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 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)單兩類(lèi)器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件 Bi MOS器件 第1章第103頁(yè) 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 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(diǎn) 具有好的特性1986年投入市場(chǎng)后 取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng) 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 第1章第104頁(yè) 1 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1 22IGBT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) 第1章第105頁(yè) 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 IGBT的結(jié)構(gòu) 顯示圖 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?yún)^(qū) 形成了一個(gè)大面積的P N結(jié)J1 使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P 注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子 從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制 使得IGBT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 第1章第106頁(yè) 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 IGBT的原理驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同 場(chǎng)控器件 通斷由柵射極電壓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)通導(dǎo)通壓降 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小 使通態(tài)壓降小關(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 第1章第107頁(yè) 1 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1 23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a 轉(zhuǎn)移特性b 輸出特性 第1章第108頁(yè) 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 轉(zhuǎn)移特性 IC與UGE間的關(guān)系 與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類(lèi)似開(kāi)啟電壓UGE th 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 在 25 C時(shí) 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(shí) IC與UCE間的關(guān)系分為三個(gè)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(duì)應(yīng)uCE 0時(shí) IGBT為反向阻斷工作狀態(tài) 第1章第1