學習情境二電力電子器件及其驅(qū)動保護2

1、會計學1學習情境二電力電子器件及其驅(qū)動保護學習情境二電力電子器件及其驅(qū)動保護223456 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗主要損耗主要損耗通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關損耗開關損耗關斷損耗關斷損耗開通損耗開通損耗7按照器件能夠按照器件能夠被控制的程度被控制的程度，分為以下三類，分為以下三類半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導通而不能控制通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。如晶閘管及其大部分派生器件其關斷。如晶閘管及其大部分派生器件全控型器件全控型器件 通過控制信號既可控制其導通又可控制其關通過控制信號既可控制其導通又可控制其關 斷，又稱自關斷

2、器件。斷，又稱自關斷器件。GTOGTO，MOSFETMOSFET，IGBTIGBT不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號來控制其通斷不能用控制信號來控制其通斷, , 因此也就不因此也就不需要驅(qū)動電路。如電力二極管需要驅(qū)動電路。如電力二極管8 按照按照驅(qū)動電路信號驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：的性質(zhì)，分為兩類：9 按照載流子參與導電的情況，分為三類：1011 Power DiodePower Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自2020世世紀紀5050年代初期就獲得應用。年代初期就獲得應用。 快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻

3、整流快恢復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合，具有不可替代的和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。地位。12AKAKa)IKAPNJb)c)AK圖圖2-1 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號符號 a) 外形外形 b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號陽極陽極陰極陰極13 PN結(jié)的狀態(tài)結(jié)的狀態(tài) 狀態(tài)狀態(tài)參數(shù)參數(shù)正向?qū)ㄕ驅(qū)ǚ聪蚪刂狗聪蚪刂狗聪驌舸┓聪驌舸╇娏麟娏髡虼笳虼髱缀鯙榱銕缀鯙榱惴聪虼蠓聪虼箅妷弘妷壕S持維持1V反向大反向大反向大反向大阻態(tài)阻態(tài)低阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于二極

4、管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿（高壓）雪崩擊穿（高壓）齊納擊穿（低壓）齊納擊穿（低壓）兩種擊穿均可能導致熱擊穿兩種擊穿均可能導致熱擊穿14 PN結(jié)的電容效應：結(jié)的電容效應：151) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖圖2-2 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性16延遲時間：延遲時間：t td d= = t t1 1- - t t0 0, , 電流下降時間：電流下降時間：t tf f= = t t2 2- - t t1 1反向恢復時間：反向恢復時間：t trrrr= = t td d+ + tf正向恢

5、復時間：正向恢復時間：t tfr fr恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值的比值t tf f / /t td d，或稱恢復系數(shù)，用，或稱恢復系數(shù)，用S Sr r表示表示。圖圖2-3 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置t0PN結(jié)結(jié)PN結(jié)結(jié)1) 額定電流（正向平均電流）額定電流（正向平均電流）IF(AV)57. 1)25 . 1 ()(IIAVFF式中的系數(shù)式中的系數(shù)1.51.52 2是安全系數(shù)是安全系數(shù)201(sin)()22mFIItdt()(

6、)1.571.572FfFFAVFAVIKIII，電流的有效值：電流的有效值：波形系數(shù)波形系數(shù)Kf：()01sin()2mF AVmIIItdt實際應用中，實際應用中，額定電流額定電流一般選擇為一般選擇為 fK電 流 有 效 值電 流 平 均 值正弦半波電流的波形系數(shù)正弦半波電流的波形系數(shù)Kf：ImIF(AV)182301( )23mdmIII d t23201( )0.5823mTmmIIId tI0.5813mfmIK =1.74IId1.57 100=45.12A2 1.74135.36mdIA=3I =3 45.12解：實際電流平均值解：實際電流平均值電流有效值電流有效值波形系數(shù)波形系

7、數(shù)100A100A的晶閘管實際允許通過的電流平均值的晶閘管實際允許通過的電流平均值最大電流最大電流iIm2/32fAVTdkII)25 . 1 (57. 1)(在給定晶閘管的額定電流之后，在給定晶閘管的額定電流之后，任意波形任意波形的實際允許電流平均值的實際允許電流平均值為為192）正向平均電壓正向平均電壓UF205）最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM21按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹。特別是反向恢復特性的不同介紹。222) 快恢復二極管快恢復二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）233. 肖特基二

8、極管肖特基二極管 以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。）。242526晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整：晶體閘流管，可控硅整流器流器（Silicon Controlled RectifierSCR）27 圖圖2-4 晶閘管的外形晶閘管的外形a）d），電氣圖形符號），電氣圖形符號e），結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)f）外形有外形有塑封型塑封型，螺栓型螺栓型和和平板型平板型三種封裝。三種封裝。有三個聯(lián)接端。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽

9、極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。2829 按晶體管的工作原理按晶體管的工作原理 ，得得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（3-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）圖圖2-5 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理3031其他幾種可能導通的情況其他幾種可能導通的情況：32晶閘管正常工作時的特性

10、總結(jié)如下：晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：331 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性正向正向阻斷阻斷反向反向陰斷陰斷圖圖2-6 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性IG2IG1IG34（2）反向特性反向特性URO圖圖2-7 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性IG2IG1IG352） 動態(tài)特性動態(tài)特性(2) 關斷過程關斷過程反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr關斷時間關斷時間t tq q以上兩者之和以上兩者之和tq=trr+tgr 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒圖圖2-8 晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形361）電壓定額電壓

11、定額URO選用時，一般取額定選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓閘管所承受峰值電壓23倍，即：倍，即：UTe=(23)UTM3757. 1 /) 25 . 1 ()(TAVTII()01sin()2mT AVmIIItdt2 2）電流定額電流定額額定通態(tài)平均電流額定通態(tài)平均電流 I IT(AVT(AV）在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為40 C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，晶閘管導通角和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，晶閘管導通角不小于不小于170的電阻性負載電路中，當穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)的電阻性負載電路中，當穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的工頻正弦半波電流溫時所允許流過的工頻正弦半波電

12、流的平均值的平均值。將該電流按。將該電流按晶閘管標準電流系列取值，稱為該晶閘管的晶閘管標準電流系列取值，稱為該晶閘管的額定電流額定電流。使用時應按使用時應按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。考慮來選取晶閘管。考慮1.52倍裕量。倍裕量。38fAVTdkII)25 . 1 (57. 1)(201(sin)()22mTIItdt()()1.571.572TTT AVT AVdIIIIITfd，I波形系數(shù):K =， 為任意波形的允許平均電流I電流波形的有效值：電流波形的有效值：有效值與平均值之比：有效值與平均值之比：在給定晶閘管的額定電流在給定晶閘管的額定電流之后，任意波形的之后，任意波

13、形的實際實際允允許電流平均值為許電流平均值為()01sin()2mT AVmIIItdt39331sin()0.2424mdmmIIItdtI23113(sin)()0.462616TmmItdtIImfm0.46IK =1.920.24IId1.57 100=41A2 1.92171mIAdI41=0.240.24解：實際電流平均值解：實際電流平均值電流有效值電流有效值波形系數(shù)波形系數(shù)100A100A的晶閘管實際允許通過的電流平均值的晶閘管實際允許通過的電流平均值最大電流最大電流40413 3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)421)1)雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或B

14、idirectional triode thyristor） 可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。通晶閘管的集成。 有兩個主電極有兩個主電極T1和和T2，一個門，一個門極極G。圖圖2-9 2-9 雙向晶閘管雙向晶閘管43(2) 伏安特性與參數(shù)伏安特性與參數(shù)有兩個主電極有兩個主電極T1和和T2，一個，一個門極門極G。在第在第和第和第IIIIII象限有對稱的象限有對稱的伏安特性。伏安特性。不用平均值而用有效值來表不用平均值而用有效值來表示其額定電流值示其額定電流值(I (IT T（RMSRMS）) )。雙向晶閘管與普通晶閘管額雙向晶閘管與普通晶閘管額定電流換算關系。

15、定電流換算關系。()()()20.45T AVT RMST RMSTII圖圖2-10 2-10 雙向晶閘管的電氣圖雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性44表表2 2-1 -1 雙向晶閘管的工作模式雙向晶閘管的工作模式452) 2) 快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)46將晶閘管反并聯(lián)一將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同個二極管制作在同一管芯上的功率集一管芯上的功率集成器件。不具有承成器件。不具有承受反向電壓的能力受反向電壓的能力。具有正向壓降小、具有正向壓降小、關斷時間短、高溫關斷時

16、間短、高溫特性好、額定結(jié)溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。高等優(yōu)點。a)KGA圖圖2-11 逆導晶閘管的電氣圖逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性47又稱光觸發(fā)晶閘管，又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶照信號觸發(fā)導通的晶閘管。閘管。光觸發(fā)保證了主電路光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干緣，且可避免電磁干擾的影響。擾的影響。因此目前在高壓大功因此目前在高壓大功率的場合。率的場合。AGKa)圖圖212 光控晶閘管的電氣圖形符號光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏

17、安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性48492.4.1 引言引言 2.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2.4.3 GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性2.4.4 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)50門極關斷晶閘管門極關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）51圖圖2-13 GTO2-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號AKGC）c)圖 1-13AGK

18、GGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGKN2P2N2N1P1A52RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖圖2-13 2-13 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理由由P1N1P2和和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共分別具有共基極電流增益基極電流增益 1 1和和 2 2 。 53設計設計 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控控 制制靈敏，晶體管靈敏，晶體管V1飽和度較淺，飽和度較淺，易于易于GTO控制。控制。導通時導通時 1+ 2更接近更接近1，導通時，導通時接近臨界飽

19、和，有利門極控制接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。關斷，但導通時管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)（基區(qū)（較?。M向電阻很小，能從門較?。M向電阻很小，能從門極抽出較大電流。極抽出較大電流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖圖2-14 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理54 結(jié)論：結(jié)論：55Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖圖215 GTO的開通和關斷過程電流波形的開通和關斷過程電流波形56 許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同，許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)

20、意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)以下只介紹意義不同的參數(shù)。（1）開通時間開通時間ton 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12 s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。（2） 關斷時間關斷時間toff 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于尾部時間。下降時間一般小于2 s。不少不少GTO都制造成逆導型都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管類似于逆導晶閘管，需承需承受反壓時受反壓時，應和電力二極管串聯(lián)應和電力二極管串聯(lián) 。57GTO額定電流（總方均根值）。額定

21、電流（總方均根值）。（4） 電流關斷增益電流關斷增益 offoff 最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值大值IGM之比稱為電流關斷增益。之比稱為電流關斷增益。GMATOoffII off一般很小，只有一般很小，只有5左右，這是左右，這是GTO的一個主要缺點的一個主要缺點。1000A的的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要關斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 585960術語用法術語用法：61圖圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動的結(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)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形

22、符號 c) 內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動e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 。62bciiic= ib +Iceo631211211121212(1)()CCCBBBIIIIII 1式中, =圖圖2-17 達林頓管達林頓管64圖圖2-18 共發(fā)射極接法時共發(fā)射極接法時GTR的的輸出特性輸出特性652) 動態(tài)特性動態(tài)特性ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontr

23、td圖圖2-19 GTR的開通和關斷過程電流波形的開通和關斷過程電流波形6667 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM684) 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)安全工作區(qū)安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）最高電壓最高電壓UceM、集電極最大、集電極最大電流電流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖圖2-20 GTR的安全工作區(qū)的安全工作區(qū)69項目項目晶閘管晶閘管BJT最高耐壓最高耐壓額定電流額定電流12000V4000A1200V600A開通時

24、間開通時間幾微秒幾微秒幾微秒幾微秒關斷時間關斷時間幾十至幾百微秒幾十至幾百微秒幾微秒幾微秒正向壓降正向壓降12V0.10.7V（單管）（單管）0.82.1V（達林頓管）（達林頓管）漏電流漏電流幾毫安以下幾毫安以下幾百微安以下幾百微安以下開關方法及開關方法及所需能量所需能量開通：控制極觸發(fā)電流（功率為幾瓦以開通：控制極觸發(fā)電流（功率為幾瓦以下）下）關斷：陰極加負電壓關斷：陰極加負電壓開通：基極流過電流（功率為幾瓦以下開通：基極流過電流（功率為幾瓦以下）關斷：基極電流消失關斷：基極電流消失關斷時的保護關斷時的保護用緩沖電路抑制反峰電壓及用緩沖電路抑制反峰電壓及du/dt用緩沖電路將電壓電流限制在安

25、全工作用緩沖電路將電壓電流限制在安全工作區(qū)區(qū)浪涌沖擊浪涌沖擊10倍的額定電流（重復性）倍的額定電流（重復性）20倍的額定電流（非重復性）倍的額定電流（非重復性）二倍的額定電流（非重復性）二倍的額定電流（非重復性）誤動作誤動作（控制可靠性）（控制可靠性）控制極干擾信號，過大的控制極干擾信號，過大的du/dt會引起誤觸發(fā)，會引起誤觸發(fā)，故需抑制措施，以防止電源短路損壞元件故需抑制措施，以防止電源短路損壞元件基極干擾信號，過大基極干擾信號，過大du/dt造成瞬時導通，但可造成瞬時導通，但可復原，不致引起損壞。若是電源短路，工作點超復原，不致引起損壞。若是電源短路，工作點超出安全工作區(qū)，會損壞元件出安

26、全工作區(qū)，會損壞元件維護維護無活動部件，不易損壞部件，需維護無活動部件，不易損壞部件，需維護（同晶閘管（同晶閘管）壽命壽命半永久性半永久性半永久性半永久性二次擊穿二次擊穿不存在不存在存在存在7071 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流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。驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關速度快，工作頻率高。開關速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于熱穩(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的電力電子裝置的電力電子裝置 。電力場效應晶體管電力場效應晶體管7273N+GSDP 溝道b)N+N-SGD

27、PPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-19是單極型晶體管。是單極型晶體管。導電機理與小功率導電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設計：采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設計： 1.1.國際整流器公司（國際整流器公司（International RectifierInternational Rectifier）的）的HEXFETHEXFET采用了六邊形單元采用了六邊形單元 2. 2.西門子公司（西門子公司（SiemensSiemens）的）的SIPMOSFETSIPMOSFET采用了正方形單元采用了正

28、方形單元 3. 3. 摩托羅拉公司（摩托羅拉公司（MotorolaMotorola）的）的TMOSTMOS采用了矩形單元按采用了矩形單元按“品品”字形排列字形排列 圖圖2-21 電力電力MOSFET的結(jié)的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號構(gòu)和電氣圖形符號74BG柵柵極極D漏極漏極SiO2P型硅襯底型硅襯底S源極源極圖圖2-22 2-22 小功率小功率MOSMOS管結(jié)構(gòu)圖管結(jié)構(gòu)圖N+N+75VVMOSFET和和VDMOSFET 圖圖2-23 VVMOSFET和和UMOSFET基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 電場集中電場集中，不易提，不易提高耐壓高耐壓76電力電力MOSFET的工作原理的工作原理N+GSDP 溝道b)N+N-S

29、GDPPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-19圖圖2-24 電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號77圖圖2-25 電力電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性輸出特性78 MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402468a)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圖圖2-25電力電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a)

30、 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性輸出特性79圖圖226 226 功率功率MOSFETMOSFET極間電容分布及其等效電路極間電容分布及其等效電路 Cin=CGS+CGDCout=CDS+CGDCf=CGD80 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前沿時前沿時刻到刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時刻間的時間段。的時間段。上升時間上升時間tr uGS從從uT上升到上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段。的時間段。 iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極和漏極負載電阻決定。負載電阻決定。

31、 UGSP的大小和的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關的穩(wěn)態(tài)值有關 UGS達到達到UGSP后，在后，在up作用下繼續(xù)作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。已不變。開通時間開通時間ton開通延遲時間與上開通延遲時間與上升時間之和。升時間之和。圖圖2-27 電力電力MOSFET的開關過程的開關過程a) 測試電路測試電路 b) 開關過程波形開關過程波形up脈沖信號源，脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，柵極電阻，RL負載電阻，負載電阻，RF檢測漏極電流檢測漏極電流81圖圖2-28 電力電力MOSFET的開關過程的開關過程a) 測試電路測試電路 b) 開關過程波形開關過程

32、波形up脈沖信號源，脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，柵極電阻，RL負載電阻，負載電阻，RF檢測漏極電流檢測漏極電流82MOSFET的開關速度的開關速度83除跨導除跨導Gfs、開啟電壓、開啟電壓UT以及以及td(on)、tr、td(off)和和tf之外還有：之外還有： (1) 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓BUDS 電力電力MOSFET電壓定額（電壓定額（一般為實際工作電壓的一般為實際工作電壓的23倍倍）(2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力電力MOSFET電流定額電流定額(3) 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓BUGS UGS 20V將導致絕

33、緣層擊穿將導致絕緣層擊穿 。 84（4)4)極間電容極間電容 極間電容極間電容CGS、CGD和和CDS 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電、共源極輸出電容容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 輸入電容可近似用輸入電容可近似用Ciss代替。代替。 這些電容都是非線性的。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了電力MOSFETMOSFET的安全工作區(qū)。的安全工作區(qū)。 一般來

34、說，電力一般來說，電力MOSFETMOSFET不存在二次擊穿問題，這是不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點。它的一大優(yōu)點。 實際使用中仍應注意留適當?shù)脑Ａ?。實際使用中仍應注意留適當?shù)脑Ａ俊?586圖圖2-29 1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模塊模塊 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，通流能雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。力很強，開關速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。 MOSFET的優(yōu)點的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關速度快，輸入阻抗高，單極型，電壓驅(qū)動，開關速度快，輸入阻抗

35、高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單，不存在二次擊穿問題，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單，不存在二次擊穿問題，但存在通態(tài)壓降大，電流容量低等問題，難制成高電壓、大電流器件。但存在通態(tài)壓降大，電流容量低等問題，難制成高電壓、大電流器件。兩類器件取長補短結(jié)合而成的復合器件兩類器件取長補短結(jié)合而成的復合器件Bi-MOSBi-MOS器件器件絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Insulated-gate Bipolar TransistorBipolar TransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）GTRGTR和和MOSFETMOSFET復

36、合，結(jié)合二者的優(yōu)復合，結(jié)合二者的優(yōu)點。點。19861986年投入市場，是中小功率電力電子年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。87圖圖3-30a3-30aN N溝道溝道VDMOSFETVDMOSFET與與GTRGTR組合組合N N溝道溝道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一層多一層P P+ +注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，簡化等效電路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR與與MOSFETMOSF

37、ET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，組成的達林頓結(jié)構(gòu)，一個由一個由MOSFETMOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)驅(qū)動的厚基區(qū)PNPPNP晶體管。晶體管。R RN N為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。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)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖圖2-30 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路簡化等效電路 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號88圖圖2-31 雙載流子參與導電示意圖雙載流子參與導電示意圖8

38、9 IGBT的原理的原理90a)b)O有源區(qū)有源區(qū)正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)反向阻斷區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加圖圖2-32 IGBT2-32 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 b) b) 輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與與UGE間的關系間的關系(開啟電開啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個區(qū)域：正分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。和飽和區(qū)。91 2) IGBTIGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性圖圖2-33 IGBT的開關過程的開關過程92 IGBT的

39、關斷過程的關斷過程圖圖2-34 IGBT的開關過程的開關過程93正常工作溫度下允許的最大功耗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最大集電極連續(xù)（直流）電流最大集電極連續(xù)（直流）電流IC額定電流；額定電流；為避免擎住效應，規(guī)定了為避免擎住效應，規(guī)定了ICM ， ICM2 IC(2) 最大集電極連續(xù)（直流）電流最大集電極連續(xù)（直流）電流IC和最大峰值電流和最大峰值電流ICM由內(nèi)部由內(nèi)部PNPPNP晶體管的擊穿電壓確定。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UCES94開關速度高，開關損耗小。開關速度高，開關損耗小。 相同電壓和電流定額時

40、，安全工作區(qū)比相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTRGTR大，且大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比通態(tài)壓降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFETMOSFET類似。類似。與與MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐壓和通流能力還可以相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點進一步提高，同時保持開關頻率高的特點 。 95圖圖2-35 IGBT的結(jié)構(gòu)、具有寄生晶閘管的等效電路的結(jié)構(gòu)、具有寄生晶閘管的等效電路左：左： 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 右：右： 等效電路等效電路

41、# # 寄生晶閘管寄生晶閘管由一個由一個N N- -PNPN+ +晶體管和作為主開關器晶體管和作為主開關器件的件的P P+ +N N- -P P晶體管組成。晶體管組成。96擎住效應或自鎖效應擎住效應或自鎖效應： IGBTIGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件塊，成為逆導器件 。最大集電極電流最大集電極電流、最大集射極間電壓最大集射極間電壓和和最大允許電壓上升率最大允許電壓上升率d du uCECE/dt/dt確定。確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA） 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(tài)擎住效

42、應動態(tài)擎住效應比比靜態(tài)擎住效應靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制擎住效應曾限制IGBTIGBT電流容量提高，電流容量提高，2020世紀世紀9090年代中后期開年代中后期開始逐漸解決。始逐漸解決。NPNNPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻體區(qū)短路電阻，P P形體區(qū)的形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對J J3 3結(jié)施加正偏壓，結(jié)施加正偏壓，一旦一旦J J3 3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。最大集電極

43、電流最大集電極電流、最大集射極間電壓最大集射極間電壓和和最大集電極功耗最大集電極功耗確定。確定。9798驅(qū)動電路驅(qū)動電路主電路與控制電路之間的接口主電路與控制電路之間的接口99ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖圖2-36 光耦合器的類型及接法光耦合器的類型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高傳輸比型高傳輸比型100分類分類101圖圖2-37 2-37 推薦的推薦的GTOGTO門極電壓電流波形門極電壓電流波形1) 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GTOGTO驅(qū)動電路通常包括驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動開通驅(qū)動電路電路、關斷驅(qū)動電路關斷驅(qū)動電

44、路和和門極反偏門極反偏電路電路三部分，可分為三部分，可分為脈沖變壓器脈沖變壓器耦合式耦合式和和直接耦合式直接耦合式兩種類型。兩種類型。102圖圖2-38 2-38 典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驅(qū)動電路驅(qū)動電路 該電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后提供，二極管該電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后提供，二極管VD1VD1和電容和電容 C1 C1 提供提供 +5V +5V 電壓，電壓，VD2VD2、VD3VD3、C2C2、 C3 C3 構(gòu)成倍壓整流電路提供構(gòu)成倍壓整流電路提供15V 15V 電壓，電壓，VD4 VD4 和電和電容容 C4 C4 提供提供 15V 15V 電壓。場效應管

45、電壓。場效應管 Vl Vl 開通時，輸出正強脈沖；開通時，輸出正強脈沖；V2 V2 開通時輸出正開通時輸出正脈沖平頂部分；脈沖平頂部分；V2 V2 關斷而關斷而 V3 V3 開通時輸出負脈沖；開通時輸出負脈沖；V3 V3 關斷后電阻關斷后電阻 R3 R3 和和R4 R4 提供提供門極負偏壓。門極負偏壓。 103tOib 圖圖2-39 理想的理想的GTR基極基極驅(qū)動電流波形驅(qū)動電流波形(2) GTR104VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖圖2-40GTR的一種驅(qū)動電路的一種驅(qū)動電路二極管二極管VDVD2 2和電位補償二極管和

46、電位補償二極管VDVD3 3構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負載較輕時，如負載較輕時，如V V5 5發(fā)射極電流全注入發(fā)射極電流全注入V V，會使，會使V V過飽和。有了貝克箝位電路，過飽和。有了貝克箝位電路，當當V V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VDVD2 2會自動導通，使多余的驅(qū)會自動導通，使多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持動電流流入集電極，維持U Ubcbc00。 C C2 2為加速開通過程的電容。開通時，為加速開通過程的電容。開通時，R R5 5被被C C2 2短路。可實現(xiàn)驅(qū)動電流的過短路?？蓪崿F(xiàn)驅(qū)動電

47、流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。沖，并增加前沿的陡度，加快開通。1052) 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106圖圖2-40電力電力MOSFET的一種驅(qū)動電的一種驅(qū)動電路路無輸入信號時高速放大器無輸入信號時高速放大器A A輸出負電平輸出負電平,V,V3 3導通輸出負驅(qū)動電壓。導通輸出負驅(qū)動電壓。 當有輸入信號時當有輸入信號時A A輸出正電平，輸出正電平，V V2 2導通輸出正驅(qū)動電壓導通輸出正驅(qū)動電壓 專為驅(qū)動電力專為驅(qū)動電力MOSFETMOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918LM57918L，其輸入信號電流幅值為其輸入信

48、號電流幅值為16mA16mA，輸出最大脈沖電流為，輸出最大脈沖電流為+2A+2A和和-3A-3A，輸出，輸出驅(qū)動電壓驅(qū)動電壓+15V+15V和和-10V-10V。107圖圖2-41M57962L型型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖驅(qū)動器的原理和接線圖常用的有三菱公司的常用的有三菱公司的M579系列（如系列（如M57962L和和M57959L）和富士公司的）和富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和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但慢速關斷內(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但慢速關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。，并向外部電路給出故障信號。 M57962L輸出的正驅(qū)動電壓均為輸出的正驅(qū)動電壓均為+15V左右，負驅(qū)動電壓為左右，負驅(qū)動電壓為 -10V。 多采用專用的混合集成驅(qū)動器多