典型電力電子器件

1、1典型全控型器件典型全控型器件 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.42門極可關(guān)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(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)又帶入了一個嶄新時代。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。典型全控型器件典型全控型器件第五章第五章3門極可關(guān)斷晶門極可關(guān)斷晶閘管閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-

2、Off Thyristor 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(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)用一一41. GTO1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(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

3、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) 電氣圖形符號幻燈片 125工作原理：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。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 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+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+21時，不能維持飽和導通而關(guān)斷。 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1和2。6GTO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)別區(qū)別： （1）設(shè)計2較大，

4、使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關(guān)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(guān)斷，但導通時管壓降增大。 （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 。RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b) 晶閘管的工作原理7由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)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(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

5、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 。82. GTO的動態(tài)的動態(tài)特性特性開通過程：開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr。Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形門極可關(guān)斷晶門極可關(guān)斷晶閘管閘管1.4.19關(guān)斷過程：關(guān)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

6、至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小下降時間下降時間tf 。 殘存載流子復(fù)合尾部尾部時間時間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 。Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形103. 3. GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。 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

7、時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s。2) 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff1) 開通時間開通時間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(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 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)。113)最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO4) 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 offGMATOoffII=（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(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 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。12門極可關(guān)斷晶閘管

8、門極驅(qū)動電路門極可關(guān)斷晶閘管門極驅(qū)動電路（一）（一）GTO門極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)與驅(qū)動波形門極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)與驅(qū)動波形門極驅(qū)動信號波形門極驅(qū)動信號波形門極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意圖門極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意圖13GTO門極驅(qū)動電路實例門極驅(qū)動電路實例門極驅(qū)動電路門極驅(qū)動電路14術(shù)語用法：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），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)用應(yīng)用 20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘

9、管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電力晶體管電力晶體管二二15161. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(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圖1-15 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 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 。17在應(yīng)用中，GTR一般采

10、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)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(guān)系為 ic= ib +Iceo （1-10）產(chǎn)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。bcii=18+Ub-UbCBE+Ucc19 2. GTR的基本特性的基本特性 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和飽和區(qū)飽

11、和區(qū)。 在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) 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)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 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。23 2) 集電極最大允許電流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1/21/3時所對應(yīng)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)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫

12、度 。244. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)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。 常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。25安全工作區(qū)（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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區(qū)26也分為結(jié)型結(jié)

13、型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力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）電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 特點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 。三三271. 電力電力MOSFET的結(jié)

14、構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力電力MOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為P溝道溝道和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）零時才存在導電溝道 電力MOSFET主要是N溝道增強溝道增強型型2829電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。電力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（S

15、iemens）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圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號30小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。按垂直導電結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSF

16、ET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論31 電力電力MOSFET的工作原理的工作原理 截止：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，漏源極之間無電流流過。 導電：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，漏極和源極導電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+

17、N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管321) 靜態(tài)特性靜態(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)轉(zhuǎn)移特性。移特性。ID較大時，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導跨導Gfs。01020305040圖1-202468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A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2. 電力電力M

18、OSFET的基本特性的基本特性33MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性： 截止區(qū)截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)） 電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(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。01020305040圖1-202468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6

19、VUGS=7VUGS=8VID/A 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34 2) 動態(tài)特性動態(tài)特性開通過程開通過程開通延遲時間開通延遲時間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。上升時間上升時間tr uGS從從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(guān) 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。開通時間開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和。a）b)圖1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信號+U

20、EiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電流35關(guān)斷過程關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間關(guān)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。下降時間下降時間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS20V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： 384) 極間電容極間電容 極間電容CG

21、S、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(zhuǎn)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(yīng)注意留適當?shù)脑Ａ俊?9絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 GTR和和GTO的特點的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應(yīng)，雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應(yīng)，通流能

22、力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)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。動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗單極型，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。高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） 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

23、電子設(shè)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。四四401. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(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1-22 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41IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 圖1-22aN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)

24、J1。使IGBT導通時由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 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 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42IGBT的原理的原理 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本

25、相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。 導通導通：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導通。 導通壓降導通壓降：電導調(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，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。43442. IGBT的基本特性的基本特性 1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性45 轉(zhuǎn)移

26、特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。開啟電壓開啟電壓UGE(th)IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)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26V。 輸出特性輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關(guān)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(yīng)。uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a )b )ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸

27、出特性46 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.4.447 IGBT的開通過程的開通過程 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 1 0 % ICM 。 電流上升時間電流上升時間tr iC從10%ICM上升

28、至90%ICM所需時間。開通時間開通時間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。tf v 1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM48IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時間關(guān)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%IC

29、M 。 電流下降時間電流下降時間iC從90%ICM下降至10%ICM 。 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff關(guān)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。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM49 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了

30、少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET。 IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)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?qū)挾群洼^高的電阻率，這會引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時間的延長。 通過對IGBT的基本特性的分析，可以看出：503. IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES51IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：(

31、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(guān)頻率高的特點 。 524. IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)寄生晶閘管寄生晶閘管由一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注

32、入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 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53擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：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)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)正偏安全工作區(qū)（FBSOA） 動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。 擎住效應(yīng)曾限制

33、IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。NPN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(chǎn)生壓降，相當于對J3結(jié)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。54電力電子器件器件的驅(qū)動電力電子器件器件的驅(qū)動 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路1.655電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路驅(qū)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(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運行效率

34、、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(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。1.6.1驅(qū)動電路的基本任務(wù)： 將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)斷控制信號。56 驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電電氣隔離氣隔離環(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ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖1-25 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高

35、速型 c) 高傳輸比型電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述1.6.157按照驅(qū)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(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型。驅(qū)動電路具體形式可為分立元件的分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路專用集成驅(qū)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(nèi)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(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述58晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路作用作用：產(chǎn)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(zhuǎn)為導通。廣義上講，還包括對其觸發(fā)

36、時刻進行控制的相位控制電路。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：1)觸發(fā)脈沖的寬度寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導通（結(jié)合擎住電流擎住電流的概念）。2)觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。幅度。3)不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠可靠觸發(fā)區(qū)觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。4)應(yīng)有良好的抗干擾抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。電氣隔離。59V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)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(shè) 。ItIMt1t2t3t4圖1-

37、26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）圖1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電路TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E260典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路1) GTO GTO的開通控制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(guān)斷關(guān)斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力。圖圖1-28推薦的推薦的GTO門極電壓電流波形門

38、極電壓電流波形OttOuGiG1. 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路61GTO驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式脈沖變壓器耦合式和直接直接耦合式耦合式兩種類型。直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)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(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。62典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路：5 0 k H z5 0 VG T ON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LV D1VD2V D3V D4圖1-29 典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路 二極管VD1和

39、電容C1提供+5V電壓 VD2、VD3、C2、C3構(gòu)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(guān)斷而V3開通時輸出負脈沖 V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負偏壓632) GTR 開 通 驅(qū) 動 電 流 應(yīng) 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(guān)斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。tOib 圖1-30 理想的GTR基極驅(qū)動電流波形64GTR的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和

40、晶體管放大電路兩部分兩部分 二極管VD2和電位補償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路貝克箝位電路，也即一種抗抗飽和飽和電路，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(qū)動電流流入集電極，維持Ubc0。 C2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路?？蓪崿F(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖1-31GTR的一種驅(qū)動電路652. 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路柵源間、柵射間有數(shù)

41、千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15 20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓（一般取 -5 -15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)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(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。661) 電力電力MOSFET的一種驅(qū)動電路： 電氣隔離電氣隔離和晶體管放大電路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(qū)動電壓。 當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅(qū)動電壓 。 專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計的混合集成電路有三

42、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(qū)動電壓+15V和-10V。 A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動電路672) IGBT的驅(qū)動的驅(qū)動 多采用專用的混合集成驅(qū)動器13故障指示檢測端VCC接口電路門極關(guān)斷電路定時及復(fù)位電路檢測電路415861413uoVEE81546-10V+15V30V+5VM57962 L14ui1快恢復(fù)trr0.2s4.7k 3.1100F100F 常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的

43、EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851） 內(nèi)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(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。 M57962L輸出的正驅(qū)動電壓均為+15V左右，負驅(qū)動電壓為 -10V。圖1-33M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖68電力電子器件器件的保護電力電子器件器件的保護 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 過電流保護過電流保護 緩沖電路（緩沖電路（SnubberSnubber Circuit Circuit）69過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護電力電子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過

44、電壓外因過電壓外因過電壓和內(nèi)因內(nèi)因過電壓過電壓 外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) 操作過電壓操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起 (2) 雷擊過電壓雷擊過電壓：由雷擊引起 內(nèi)因過電壓內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程 (1) 換相過電壓換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復(fù)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(yīng)出過電壓。 (2) 關(guān)斷過電壓關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。70S圖1-34FRVRCDTDC

45、UMRC1RC2RC3RC4LBSDC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(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)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(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)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(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇71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(jié)方式見圖1-35。+-+-a )b )網(wǎng)側(cè)閥側(cè)直流側(cè)圖 1 - 3 5CaRaCaRaCd cRd cCd cRd

46、 cCaRaCaRa圖1-35RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)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(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)。72大容量電力電子裝置可采用圖1-36所示的反向阻斷式RC電路電力電子裝置過電壓抑制電路圖1-36C1R1R2C2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(guān)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(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件限制或吸收過電壓73過電流保護過電流保護過電流過載過載和短路短路兩種情況 常用措施負載觸發(fā)電路開關(guān)電路過電流繼電器交流斷路器動作電流整定值短路器電流檢測電子保護電路快速熔斷器變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器圖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。圖過電流保護措施及配置位置74采用快速熔斷器快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。選擇快熔時應(yīng)考慮：(1)電壓等級根據(jù)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(jié)形式確定。(3)快熔的I 2