理想開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)

1、趙春柳第第2章章 理想開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)理想開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)理想開關(guān)理想開關(guān)1.開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)流過的漏電流為零開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)流過的漏電流為零2.開關(guān)處于導(dǎo)通時(shí)開關(guān)的電壓降為零開關(guān)處于導(dǎo)通時(shí)開關(guān)的電壓降為零3.開關(guān)的關(guān)斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)的切換時(shí)間為零開關(guān)的關(guān)斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)的切換時(shí)間為零理想開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)理想開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)理想開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間電壓降為零存在正向壓降開關(guān)關(guān)斷時(shí)間完全關(guān)斷存在漏電流開關(guān)動(dòng)作時(shí)間無需要一定時(shí)間2.1 用開關(guān)來進(jìn)行電能變換用開關(guān)來進(jìn)行電能變換1.理想開關(guān)進(jìn)行電能變換，其開關(guān)器件沒有能量損耗，半導(dǎo)體開關(guān)器件存在能量損耗；2.用開關(guān)來進(jìn)行電能變換的控制方式有

2、移相控制和PWM控制；3.電能變換后一半采用LC低通濾波器來濾除高頻成分；在采用PWM控制方式中，LC濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)使其諧振頻率為開關(guān)器件的開關(guān)頻率的十分之一左右。2.2 電力半導(dǎo)體器件的分類電力半導(dǎo)體器件的分類u 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：n 1）半控型器件）半控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷l(xiāng) 晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件l 器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定u 2）全控型器件）全控型器件通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件n 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）n 電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSF

3、ET，簡稱為電力MOSFET）n 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）u 3）不可控器件）不可控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(dòng)電路n 電力二極管n 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 u 按照驅(qū)動(dòng)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：n 1）電流驅(qū)動(dòng)型）電流驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制n 2）電壓驅(qū)動(dòng)型）電壓驅(qū)動(dòng)型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(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制n 電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過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)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以

4、又稱為場控器件(Field Controlled Device)，或場效應(yīng)器件u 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：n 1）單極型器件）單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件n 2）雙極型器件）雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件n 3）復(fù)合型器件）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 2.3 電力二極管電力二極管AKAKa)IKAPNJb)c)IOIFUTOUFU2.4 晶閘管晶閘管u晶閘管晶閘管：晶體閘流管，可控硅整流器（SCR）n1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管n1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品n1958年商業(yè)化n開辟了電

5、力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代n20世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代n能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位u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 u外形有螺栓型和平板型兩種封裝u引出陽極A、陰極K和門極控制端）G三個(gè)聯(lián)接端u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u平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間晶閘管的外形、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AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3u其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他

6、幾種可能導(dǎo)通的情況：n陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)n 陽極電壓上升率du/dt過高n結(jié)溫較高n光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)n 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，稱為光光控晶閘管控晶閘管（LTT）u只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段而可靠的控制手段u 靜態(tài)特性靜態(tài)特性n 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n 承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通n 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用n 要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘

7、管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 u晶閘管的陽晶閘管的陽極伏安特性極伏安特性u第I象限的是正向特性u第III象限的是反向特性 晶閘管陽極伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMuIG=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，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。這種開通叫“硬開通”，一般不允許硬開通。u隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低u導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿u晶閘管本身的壓降很小，在1V左右u 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性u u 圖1

8、-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.5 電力晶體管電力晶體管uGTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理n與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的n主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好n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)n采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 n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)n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)n在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū) 共發(fā)射極接法時(shí)共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性的輸出特性截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-1

9、6OIcib3ib2ib1ib1 ib2 ib3Uce2.6 電力電力MOSFETu也分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）u但通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）u簡稱 電力電力MOSFET（Power MOSFET）u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）u 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流n驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小n開關(guān)速度快，工作頻率高n熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTRn電流容量小，耐壓低，一般只適用于功

10、率不超過10kW的電力電子裝置 u電力電力MOSFET的種類的種類n 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道溝道 和N溝道溝道n 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道n增強(qiáng)型增強(qiáng)型對于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n 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型u MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度n MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系n 使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度n MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速n 開關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子

11、器件中最高的n 場控器件，靜態(tài)時(shí)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(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。 P-MOSFET通態(tài)導(dǎo)電時(shí)的等效電通態(tài)導(dǎo)電時(shí)的等效電阻具有正溫度系數(shù)，電流具有負(fù)溫度系阻具有正溫度系數(shù)，電流具有負(fù)溫度系數(shù)（即溫度升高時(shí)等效電阻加大，電流數(shù)（即溫度升高時(shí)等效電阻加大，電流減?。虼私Y(jié)溫升高，其等效電阻變減?。虼私Y(jié)溫升高，其等效電阻變大，電流變小，不易產(chǎn)生內(nèi)部局部熱點(diǎn)，大，電流變小，不易產(chǎn)生內(nèi)部局部熱點(diǎn)，這一特點(diǎn)還使多個(gè)器件并聯(lián)工作時(shí)能自這一特點(diǎn)還使多個(gè)器件并聯(lián)工作時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)、均勻負(fù)載電流。動(dòng)調(diào)節(jié)、均勻負(fù)載電流。2.7 IGBTu

12、GTR和和GTO的特點(diǎn)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)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū) 動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜u MOSFET的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(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)電路簡單u 兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件u絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar u Transistor IGBT或或IGT）u GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性u 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u 繼續(xù)提高電壓和電流容量，以

13、期再取代GTO的地位nIGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT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EGCN+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)2.9 緩沖電路緩沖電路u緩沖電路緩沖電路（吸收電路）：吸收電路）：抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗n關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗n開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗n將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起復(fù)合緩沖電路n其他分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）n通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路a)b)圖1-38RiVDLVdidt抑制電路緩沖電路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制電路無時(shí)didt抑制電路