典型全控型電力電子器件

1、湖 南 省 技 工 學(xué) 校理 論 教 學(xué) 教 案教師姓名：學(xué)科變頻調(diào)速執(zhí)行記錄日期星期檢查簽字班級節(jié)次課題典型全控型電力電子器件課 的類 型復(fù)習(xí)教學(xué)目的掌握門極可關(guān)斷晶閘管的工作原理及特性、電力晶體管的工作原理，了解電力場控晶體管的特性與參數(shù)及安全工作區(qū)。掌握電力場控晶體管的工作原理。掌握絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點。了解靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶閘管的工作原理。教學(xué)重點電力晶體管、力場控晶體管、絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點。教學(xué)難點電力晶體管、力場控晶體管、絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點。主要教學(xué)方法借助PPT演示、板書等多種形式啟發(fā)式教學(xué)教具掛圖無教學(xué)環(huán)節(jié)時間分配

2、1、組織教學(xué)時間23、講授新課時間702、復(fù)習(xí)導(dǎo)入時間84、歸納小結(jié)時間55、作業(yè)布置時間5教學(xué)后記復(fù)習(xí)導(dǎo)入門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。全控型電力電子器件的典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。 講授新課 一、門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負的脈沖電流使其關(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。1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，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。工作原理：與普通晶

3、閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。 由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益a1和a2 。a1+a2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。 GTO的關(guān)斷過程與普通晶閘管不同。關(guān)斷時，給門極加負脈沖，產(chǎn)生門極電流-IG，此電流使得V1管的集電極電流ICl被分流，V2管的基極電流IB2減小，從而使IC2和IK減小，IC2的減小進一步引起IA和IC1減小，又進一步使V2的基極電流減小，形成內(nèi)部強烈的正反饋，最終導(dǎo)致GTO陽極電流減小到維持電流以下,GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。結(jié)論： GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。 GTO關(guān)斷過程中有強烈正反饋使器

4、件退出飽和而關(guān)斷。 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。2）GTO的動態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同3) GTO的主要參數(shù)（1）開通時間ton （2） 關(guān)斷時間toff（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4）電流關(guān)斷增益boff最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。boff一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 二、 電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采

5、用至少由兩個晶體管按達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 。 在應(yīng)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 b 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(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為 ic=b ib +Iceo 單管GTR的b 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。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(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

6、區(qū)。(2) 動態(tài)特性3）GTR的主要參數(shù)1)電流放大倍數(shù)集電極電流與基極電流之比2)集電極最大允許電流ICM 通常規(guī)定為下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應(yīng)的Ic 。3)集電極最大耗散功率PCM 在最高集電結(jié)溫度下允許的耗散功率,等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。4)反向擊穿電壓 集電極與基極之間的反向擊穿電壓 集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓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)。5) 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。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突然急劇上升，電

7、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)：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。三、電力場效應(yīng)晶體管 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，只適用于小功率的電力電子裝置。1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 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。l 電力MOSFET的工作原理 截止：漏源極間加正電源，

8、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，漏源極之間無電流流過。 導(dǎo)電：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 。2）電力MOSFET的基本特性(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。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。(2) 動態(tài)特性MOSFET的開關(guān)速度：MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在1010

9、0ns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(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。3) 電力MOSFET的主要參數(shù) (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(4)極間電容四、絕緣柵雙極晶體管 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

10、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(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。2) IGBT的基本特性(1)IGBT的靜態(tài)特性(2)IGBT的動態(tài)特性3) IGBT的主要參數(shù)(1)最大集射極間電壓UCES(2)最大集電極電流(3)最大集電極功耗PCMIGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)

11、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一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。 五、其他新型電力電子器件1 MOS控制晶閘管MCT 承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。 高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)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(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。2 靜電感應(yīng)晶體管

12、SIT 多子導(dǎo)電的器件，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合。 在雷達通信設(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：柵極不加信號時導(dǎo)通，加負偏壓時關(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。靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH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。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH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。3 集成門極換流晶閘管IGCT4 功率模塊與功率集成電路 20世紀(jì)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。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、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.發(fā)展