第2章電力電子器件0810PPT課件

1、 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)注意的一些問題 簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等本章主要內(nèi)容： 電力電子器件電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子器件：晶體管和集成電路 電力電子器件電子技術(shù)的基礎(chǔ)第1頁/共73頁2.1 電力電子器件的概述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第2頁/共73頁一. 電力電子器件的概念和特電力電子器件的概念和特征征電力電子器件的概念電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件主電路（mai

2、n power circuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務(wù)的電路 電力電子器件的特征 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料仍然是硅)第3頁/共73頁能處理的電功率大，即器件承受電壓和電流的能力大。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。 電力電子器件的特征第4頁/共73頁主要損耗通態(tài)損耗：導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降斷態(tài)損耗：阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過開關(guān)損耗：開通損耗

3、：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗 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 器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 電力電子器件的損耗第5頁/共73頁二. 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動電路驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主主電路電路組成圖2-1 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第6頁/共73頁三. 電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：1)半控型器件絕緣柵雙極晶

4、體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）3）不可控器件功率二極管（Power Diode）只有兩個端子，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。通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(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2)全控型器件不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。第7頁/共73頁 按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為兩類： 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

5、三類： 1) 電流驅(qū)動型 1) 單極型器件電力電子器件的分類2) 電壓驅(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 2) 雙極型器件3) 復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 第8頁/共73頁2.2 功率二極管2.2.1 功率二極管的結(jié)構(gòu)與原理 2.2.2 功率二極管的基本特性 2.2.3 功率二極管的主要類型第9頁/共73頁一. 功率二極管結(jié)構(gòu)與原理 結(jié)構(gòu)、符號與外形 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

6、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，主要有塑封、螺栓型和平板型三種封裝AKAKa)IKAPNJb)c)圖2-2 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) 電氣圖形符號第10頁/共73頁工作原理 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)。 PN結(jié)的反向截止狀態(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?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。功率二極管結(jié)構(gòu)與原理第11頁/共73頁二. 功率二極管的基本特性靜態(tài)伏安特性圖2-3 功率二極管的伏安特性 當功率二極管承受

7、的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO)，正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對應(yīng)的功率二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當功率二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。第12頁/共73頁三. 功率二極管的主要類型1. 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時間較長，一般在5 s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。第13頁/共73頁2. 快恢復(fù)二極管（Fast Re

8、covery DiodeFRD）功率二極管的主要類型恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。 工藝上多采用了摻金措施、改進的PiN結(jié)構(gòu)等 第14頁/共73頁2.3 晶閘管 2.3.1 晶閘管及其工作原理 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 晶閘管的派生器件第15頁/共73頁晶 閘 管 （ T h y r i s t o r ） ： 硅 晶 體 閘 流 管 ， 可 控 硅 整 流 器（Silicon Con

9、trolled RectifierSCR）1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司（GE）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)用的嶄新時代能承受的電壓和電流容量大，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 一. 晶閘管及其工作原理第16頁/共73頁1.晶閘管外型、結(jié)構(gòu)及符號外形有塑封式、螺栓型和平板型三種封裝形式引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶

10、閘管可由兩個散熱器將其夾在中間AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 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) 電氣圖形符號第17頁/共73頁2.晶閘管的工作原理門級控制開通原理IG Ib2IC2=Ib1IC1 - 形成正反饋工作過程，很快使兩個晶體管都轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管開通。晶閘管開通后門級失去控制作用。當S閉和，形成門級電流第18頁/共73頁 阻斷特性 正向阻斷 UAK為正，IG=0 反向阻斷 UAK為負， 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理晶閘管的工作原理第19頁/共73頁正向轉(zhuǎn)折現(xiàn)象 Ic1=1 IA

11、（1-1） Ic2=2 IK （1-2） IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 + Ic0 （1-4） 式中1和2分別是晶體管V1和V2的電流增益； Ic 0 是漏電 流 。 由 以 上 式 （ 1 - 1 ） （1-4）可得 （1-5） 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2 GC0A121 ()III晶閘管的工作原理第20頁/共73頁晶閘管的工作原理2GC0A121 ()IIIGAIKIC0 正向阻斷UAK IC0 1、2IA2 UAK達到某一電壓，使晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo) 通狀態(tài)，稱為正向轉(zhuǎn)折現(xiàn)象 第21頁/共73頁晶閘管的工作原理晶閘管的關(guān)斷

12、 由式：當： 1+2 1，晶閘管便可恢復(fù)關(guān)斷。通常規(guī)定：能維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流 稱為維持電流 IH使主電路電流 IAIG1IG二. 晶閘管的基本特性第24頁/共73頁晶閘管的伏安特性1) 正向特性IG=0時，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，正向電壓超過臨界極限即正向轉(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。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，如果門極電流為零，并且陽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稱為維持電流。晶閘管的伏安特性正向

13、導(dǎo)通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第25頁/共73頁2) 反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性第26頁/共73頁 動態(tài)特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 晶閘管的開通和關(guān)斷過程

14、波形晶閘管的基本特性第27頁/共73頁 1) 開通過程延遲時間延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。上升時間上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。開通時間開通時間tgt以上兩者之和，tgt=td+ tr （1-6）普通晶閘管延遲時為 0.51.5 s，上升時間為0.53 s。普通晶閘管開通時間開通時間約：約：5 s100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形動態(tài)特性第28頁/共73頁 2) 關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間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間正向阻斷恢

15、復(fù)時間tgr： 晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)） 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形動態(tài)特性第29頁/共73頁1. 電壓定額三. 晶閘管的主要參數(shù)在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的最大正向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標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23倍。 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的最

16、大反向峰值電壓。晶閘管通以某一規(guī)定倍 數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM3) 通態(tài)（峰值）電壓UTM第30頁/共73頁2. 電流定額1) 通態(tài)平均電流 ITa 晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流在一個周期內(nèi)的平均值。稱為晶閘管的額定電流。 使用時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍。晶閘管的主要參數(shù)第31頁/共73頁晶閘管的主要參數(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

17、有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。3) 掣住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小陽極電流，對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。4) 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流第32頁/共73頁3. 動態(tài)參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，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。指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞 。 (2) 通態(tài)電流臨界上升率di/

18、dt 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當于一個電容的J2結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有： 第33頁/共73頁如何選擇晶閘管？(2 3)()(2 3)mUUUm式中，為晶閘管實際承受的 斷態(tài)或反向 重復(fù)最大電壓； 為安全裕量 晶閘管電流定額可按下式計算選擇： 在實際應(yīng)用中，選擇晶閘管時，應(yīng)從額定電壓和額定電流兩方面共同計算選擇。 由于晶閘管承受瞬間過電壓能力較差，因此選擇晶閘管額定電壓時，

19、應(yīng)留有充分的安全裕量，可按下式計算選擇：(1.5 2)1.57(1.5 2)VTTaTaVTIIII式中，為晶閘管通態(tài)平均電流；為安全裕量； 為晶閘管實際通過電流的有效值第34頁/共73頁三三. . 晶閘管的派生器晶閘管的派生器件件1. 快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有專為快速應(yīng)用(400HZ以上)而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進行了改進，開關(guān)時間以及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

20、較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。第35頁/共73頁2.雙向晶閘管（Bidirectional triode thyristor）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晶閘管的派生器晶閘管的派生器件件 有兩個主電極T1和T2，一個門極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 有對稱的伏安特性。 與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流 調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機調(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表示其額定電流值。第36頁/共73頁3

21、. 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor）b)a)UOIKGAIG=0 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) 伏安特性晶閘管的派生器晶閘管的派生器件件 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。 具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。 逆導(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。第37頁/共73頁4. 光控晶閘管（Light Triggered Thyristor）光強度強弱b)AGKa)OUAKIA光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性晶閘管的派

22、生器件 又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 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38頁/共73頁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 功率場效應(yīng)管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管第39頁/共73頁 20世紀80年代以來，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

23、電子技術(shù)又帶入了一個嶄新時代。 典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管。典型全控型器典型全控型器件件第40頁/共73頁2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）門極可關(guān)斷晶閘管是晶閘管的一種派生器件, 在晶閘管問世后不久出現(xiàn)?？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)用第41頁/共73頁GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點相同點： 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

24、閘管的不同點不同點：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)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(nèi)部并聯(lián)在一起。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號門極可關(guān)斷晶閘管第42頁/共73頁工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 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

25、益1和2。 1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當1+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當1+21時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。門極可關(guān)斷晶閘管第43頁/共73頁GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)（1）設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈 敏，易于GTO關(guān)斷。（2）導(dǎo)通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 （3）多元集成結(jié)構(gòu)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 。門極可關(guān)

26、斷晶閘管第44頁/共73頁 由上述分析我們可以得到以下結(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：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+21時，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。門極可關(guān)斷晶閘管第45頁/共73頁術(shù)語用法：電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT

27、），英文有時候也稱為Power BJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效。 應(yīng)用20世紀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和功率MOSFET取代。2.4.2 電力晶體管第46頁/共73頁1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15a)基極bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極b 發(fā)射極c集電極cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動電力晶體管與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、

28、開關(guān)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(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。第47頁/共73頁 2. 動態(tài)特性開通過程開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間開通時間ton。td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程 。圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管第48頁/共73頁關(guān)斷過程儲存時間ts和下降時間

29、tf，二者之和為關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff 。ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。減小導(dǎo)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Ib 2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管第49頁/共73頁3. GTR的二次擊穿現(xiàn)象 一次擊穿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

30、Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿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(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。電力晶體管第50頁/共73頁分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）結(jié) 型 電 力 場 效 應(yīng) 晶 體 管 一 般 稱 作 靜 電 感 應(yīng) 晶 體 管（Static Induction TransistorSIT）2.

31、4.3 功率場效應(yīng)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，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。第51頁/共73頁1. 功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 功率MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P P溝道溝道和N N溝道溝道 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之 間就存在導(dǎo)電溝道 增強型增強型對于N（P）溝道器件，柵極 電壓大于（小于）零時才存在 導(dǎo)電溝道 功率MOSFET主要是N N溝道增強型溝道增強型 功率場效應(yīng)管第52頁/共73頁功率MOSFET的結(jié)構(gòu)功率場效應(yīng)管導(dǎo)通時只有一種極性的載

32、流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。功率MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。 國際整流器公司（International Rectifier）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 N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號第53頁/共73頁 功率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)

33、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)通：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，漏極和源極導(dǎo)通 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號功率場效應(yīng)管第54頁/共73頁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。使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻R Rs s減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。MOSFET只靠多子導(dǎo)電

34、，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速。開 關(guān) 時 間 在 1 0 1 0 0 n s 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。功率場效應(yīng)管第55頁/共73頁2.4.4 絕緣柵雙極晶體絕緣柵雙極晶體管管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。 絕 緣 柵

35、 雙 極 晶 體 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r Transistor IGBT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)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(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56頁/共73頁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EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖2-22 IGBT的結(jié)

36、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) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管E第57頁/共73頁IGBT的結(jié)構(gòu)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)，形成了一個大面積的P+N結(jié)J1。使IGBT導(dǎo)通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)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(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩

37、沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)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) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管第58頁/共73頁IGBT的原理 驅(qū)動原理與功率MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降導(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

38、流被切斷，IGBT關(guān)斷。絕緣柵雙極晶體管第59頁/共73頁IGBT的特點可以總結(jié)如下：絕緣柵雙極晶體管(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，與功率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(guān)頻率高的特點 。 第60頁/共73頁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

39、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 2.5.5 功率模塊與功率集成電路第61頁/共73頁MOS控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合 MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點：u MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程。u 晶閘管的高電壓大電流、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。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

40、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未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。2.5.1第62頁/共73頁2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SITSIT（Static Induction Transistor）1970年，結(jié)型場效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與功率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(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。u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)通型正常導(dǎo)通型器

41、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。第63頁/共73頁2.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH（Static Induction Thyristor）1972年，又 被 稱 為 場 控 晶 閘 管 （ F i e l d C o n t r o l l e d ThyristorFCT）。 比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結(jié)， 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。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，其

42、制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。第64頁/共73頁2.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也稱GCT（Gate-Commutated Thyristor）20世紀90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)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。第65頁/共73頁2.5.5 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(Power Module)?？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（Power Integrated CircuitPIC）。第66頁/共73頁類似