電力電子基礎(chǔ)第二講

1、第二講 電力電子器件1電力電子基礎(chǔ)Fundamental Power Electronics第二講 電力電子器件東南大學(xué)電氣工程學(xué)院2007第二講 電力電子器件2本講要點(diǎn)本講要點(diǎn)電力電子器件概述電力電子器件概述不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管典型全控型器件典型全控型器件其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用第二講 電力電子器件31.電力電子器件概述電力電子器件概述n理想的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流按箭頭流動(dòng)導(dǎo)通零電阻，因此零損耗瞬時(shí)開通

2、、關(guān)斷耐壓、耐流能力無(wú)限n電力電子器件：由硅為主要材料制作的電子開關(guān)，直接用于主電路（Main Power Circuit）中，用于實(shí)現(xiàn)電能的變換。因此又可稱為電力電子開關(guān)器電力電子開關(guān)器件件（Power Electronic Switching Device）第二講 電力電子器件4電力電子器件主要特征電力電子器件主要特征n和理想開關(guān)相比，電力電子器件的主要區(qū)別和理想開關(guān)相比，電力電子器件的主要區(qū)別存在損耗：存在損耗：導(dǎo)通時(shí)存在導(dǎo)通壓降導(dǎo)通時(shí)存在導(dǎo)通壓降von，導(dǎo)致通態(tài)損耗，導(dǎo)致通態(tài)損耗Pon阻斷時(shí)有微小的漏電流，有斷態(tài)損耗阻斷時(shí)有微小的漏電流，有斷態(tài)損耗Poff，通?？珊雎酝ǔ？珊雎蚤_通需要

3、時(shí)間開通需要時(shí)間ton，且存在開通損耗，且存在開通損耗關(guān)斷需要時(shí)間關(guān)斷需要時(shí)間toff，且存在關(guān)斷損耗，且存在關(guān)斷損耗器件在一定溫度范圍內(nèi)正常工作器件在一定溫度范圍內(nèi)正常工作電應(yīng)力限制：電應(yīng)力限制：器件只能承受一定電壓和電流器件只能承受一定電壓和電流器件只能承受一定的電壓上升率器件只能承受一定的電壓上升率du/dt、電流上升率、電流上升率di/dt驅(qū)動(dòng)的要求：受控器件的開通與關(guān)斷需要專門的驅(qū)動(dòng)電路才能實(shí)驅(qū)動(dòng)的要求：受控器件的開通與關(guān)斷需要專門的驅(qū)動(dòng)電路才能實(shí)現(xiàn)以滿足門極驅(qū)動(dòng)對(duì)電壓、電流、耗能、隔離等要求現(xiàn)以滿足門極驅(qū)動(dòng)對(duì)電壓、電流、耗能、隔離等要求1.具體使用時(shí)，必須保證電力電子器件的上述工作

4、具體使用時(shí)，必須保證電力電子器件的上述工作參數(shù)在合理的范圍之內(nèi)，盡可能接近理想開關(guān)參數(shù)在合理的范圍之內(nèi)，盡可能接近理想開關(guān)散熱器緩沖電路第二講 電力電子器件5電力電子器件的分類電力電子器件的分類n依控制特性將器件分類：不控型：不能用控制信號(hào)來控制其通斷, 不需要驅(qū)動(dòng)電路，如功率二極管(Power Diode)半控型：通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷，如Thyristor（或稱SCR）全控型：通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件，如GTR, POWER MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT 等n依驅(qū)動(dòng)信號(hào)的類型將器件分類電流型控制：GTR、SCR、GTO

5、等電壓型驅(qū)動(dòng)：MOSFET、IGBT、MCT等光控型驅(qū)動(dòng)n依載流子分類單極型(Unipolar)雙極型(Bipolar)復(fù)合型(Complex)MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基勢(shì)壘二極管SITHGTORCTTRIACLTT晶閘管電力二極管雙極型單極型混合型復(fù)合型（圖1-42GTR電力電子器件分類樹第二講 電力電子器件6電力電子器件的分類電力電子器件的分類n依器件的其他特性標(biāo)準(zhǔn)劃分依據(jù)器件等級(jí)：如功率大小、開關(guān)速度、耐壓高低等依材料種類：如硅、碳化硅等依封裝和集成方式：如分立、模塊、高壓集成電路HVIC High Voltage IC、智能功率集成電路SPIC Smart Powe

6、r IC、智能功率模塊IPM Intelligent Power Module等第二講 電力電子器件72.不控器件不控器件-電力二極管電力二極管nPN結(jié)與電力二極管的工作原理n電力二極管的基本特性n電力二極管的主要參數(shù)n電力二極管的主要類型整流二極管及模塊第二講 電力電子器件8電力二極管工作原理電力二極管工作原理n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。n由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。n從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。AKAKa)IKAPNJb)c)AK電力二極管 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)第二講 電力電子器件9電力二極管工作原理電力二極管工

7、作原理nPN結(jié)單向?qū)щ娦詎PN結(jié)的反向擊穿nPN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電結(jié)電容容CJ，又稱為微分電容微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電擴(kuò)散電容容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷?.41.2V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)第二講 電力電子器件10電力二極管基本特性電力二極管基本特性n 靜態(tài)特性靜態(tài)特性-伏安特性伏安特性p門檻電壓門檻電壓UTO0.5V,正向電流IF開始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。p與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其

8、正向電壓降正向電壓降UF 。p承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。IOIFUTOUFUURRMIRRM反向漏電流第二講 電力電子器件11電力二極管基本特性電力二極管基本特性n動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性: :關(guān)斷過程：關(guān)斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。開通過程開通過程：正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降值。電流上升率越大，UFP越高 。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtb)UFPuiiFuFtfrt02V電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形 a

9、) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時(shí)間：td= t1- t0, 電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf正向恢復(fù)時(shí)間：tfr恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。反向恢復(fù)電流第二講 電力電子器件12電力二極管的主要技術(shù)參數(shù)電力二極管的主要技術(shù)參數(shù)n正向平均電流正向平均電流IF(AV)：額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效有效值相等的原則值相等的原則(有效值有效值=1.57 IF(AV)來選取

10、電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。n正向壓降正向壓降UF：在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。n反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM：對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 第二講 電力電子器件13電力二極管的主要技術(shù)參數(shù)電力二極管的主要技術(shù)參數(shù)n反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trr： trr= td+ tfn最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM：結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。n浪涌電流浪涌電流IFSM：指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)

11、工頻周期的過電流。 第二講 電力電子器件14電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型n普通二極管普通二極管(General Purpose Diode):又稱整流二極管(Rectifier Diode),用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5 s以上正向電流定額可達(dá)數(shù)千安以上，反向電壓定額可達(dá)數(shù)千伏以上n快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管(Fast Recovery DiodeFRD)反向恢復(fù)過程很短(5 s以下)的二極管?？焖倩謴?fù)等級(jí)-反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，超快速恢復(fù)則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管(Fast Recover

12、y Epitaxial DiodesFRED)，其反向恢復(fù)時(shí)間更短(可低于50ns50ns)，正向壓降也很低(0.9V左右)，但其反向耐壓多在400V以下n肖特基二極管肖特基二極管(Schottky Barrier Diode SBD)反向耐壓等級(jí)低，多用于200V以下，反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns），正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高第二講 電力電子器件153.半控器件半控器件-晶閘管晶閘管n晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理n晶閘管的基本特性n晶閘管的主要參數(shù)n

13、晶閘管的派生器件第二講 電力電子器件16晶閘管結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管結(jié)構(gòu)與工作原理n晶閘管(Thyristor): 又稱SCR (Silicon Controlled Rectifier) 。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位外形有螺栓型和平板型兩種封裝。n螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。n平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。有三個(gè)聯(lián)接端。有控制用門極。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶閘管a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)第二講 電力電子器件17常用晶閘管結(jié)構(gòu)與外觀常用晶閘管結(jié)構(gòu)與外觀螺栓型晶

14、閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)第二講 電力電子器件18晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：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n 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）第二講 電力電子器件19晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理n基本工作原理分析：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極

15、電流建立起來之后， 迅速增大。阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0,1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。n幾種可能導(dǎo)通的情況幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)；陽(yáng)極電壓上升率du/dt過高；結(jié)溫較高光觸發(fā)：光觸發(fā)：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，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段只

16、有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。第二講 電力電子器件20晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性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，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。第二講 電力電子器件21晶閘管的靜態(tài)特性晶閘管的靜態(tài)特性n 正向特性正向特性 IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。 正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。這種開通叫“硬開通硬開通”，一般不允許硬開通。 隨著門極電流幅值的

17、增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管導(dǎo)通壓降很小，在1V左右。n 反向特性反向特性 反向特性類似二極管的反向特性。 反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(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IG2IG1IG第二講 電力電子器件22晶閘管的動(dòng)態(tài)特性晶閘管的動(dòng)態(tài)特性n 開通過程開通過程延遲時(shí)間延遲時(shí)間td (0.51.5 s)上升時(shí)間上升時(shí)間tr (0.53 s)開通時(shí)間開通時(shí)間tgt=td+ trn 關(guān)斷過程關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷

18、恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第二講 電力電子器件23晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)電壓定額電壓定額n斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。n反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。n通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通 常 取 晶

19、 閘 管 的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：第二講 電力電子器件24晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)電流定額電流定額n通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV） 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(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。n維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。n擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除

20、觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來對(duì)同一晶閘管來說說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。n浪涌電流浪涌電流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 。第二講 電力電子器件25晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)n開通時(shí)間開通時(shí)間tgtn關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tqn斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt p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。p電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 n通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt p指在規(guī)定條件

21、下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。p如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。第二講 電力電子器件26晶閘管的門極特性與參數(shù)晶閘管的門極特性與參數(shù)n門極正向峰值電壓UFGMn門極正向峰值電流IFGMn門極峰值功率PGMn門極觸發(fā)電壓UGn門極觸發(fā)電流IGTn門極平均功率PG門極伏安特性注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在由可靠觸發(fā)區(qū) 。圖中ABCGFED所圍成的區(qū)域?yàn)榭煽坑|發(fā)區(qū)；圖中陰影部分為不觸發(fā)區(qū)；圖中ABCJIH所圍成的區(qū)域?yàn)椴豢煽坑|發(fā)區(qū)。 PGM B C D A E G F L K 0 IFGM UGT UFG

22、M IGT UGT UGD IGT IGD A B C I H J 第二講 電力電子器件27晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件n快速晶閘管快速晶閘管(Fast Switching Thyristor)有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時(shí)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(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s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。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。第二講 電力電子器件28晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件n雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC Switch TRIAC或Bidirectional Tr

23、iode Thyristor）可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性第二講 電力電子器件29晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件n逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)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(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性第二講 電力

24、電子器件30晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件n光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。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(chǎng)合。AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性第二講 電力電子器件314.典型的全控器件典型的全控器件n門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)n電力晶體管(GTR)n電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)n絕緣柵雙極晶體管(IGBT)第二講 電力電子器件32門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）n門

25、極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負(fù)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(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。n結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二講 電力電子器件33門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）n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。 n由P1N1P2和N1P

26、2 N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2 ,其中1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理第二講 電力電子器件34門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）nGTO能夠通過門極關(guān)斷是因?yàn)槠渑c普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1(1.05，普通晶閘管1+21.15)，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 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

27、區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。n總體歸納起來如下：GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(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(qiáng) GTO的工作原理第二講 電力電子器件35門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）nGTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性開通過程開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 殘存載流子復(fù)合。n通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。n門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。O

28、t0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形第二講 電力電子器件36門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）nGTO的主要參數(shù)：的主要參數(shù)：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)。開通時(shí)間開通時(shí)間ton:延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大。關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff： 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。n不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。n最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)

29、極電流IATO: GTO額定電流。n電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off= IATO / IGM ：最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。ATOoffGMII第二講 電力電子器件37電力晶體管（電力晶體管（GTR）n電力晶體管(Giant TransistorGTR)或耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction TransistorBJT),有時(shí)亦作Power BJT。n20世紀(jì)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

30、IGBT和電力MOSFET取代。第二講 電力電子器件38電力晶體管（電力晶體管（GTR）n基本原理與普通的雙極結(jié)型晶體管一樣。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(gè)晶體管按達(dá)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 。應(yīng)用中GTR一般采用共發(fā)射極接法。n集電極電流ic與基極電流ib之比為 =ic/ib,其中 為為GTR的電流放大系數(shù)的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。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(dá)林頓接法可有效增大電流增益。n當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic =

31、ib +Iceon直流電流增益直流電流增益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(rèn)為 hFEGTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)第二講 電力電子器件39電力晶體管（電力晶體管（GTR）靜態(tài)特性靜態(tài)特性p共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放放大區(qū)大區(qū)和飽和區(qū)飽和區(qū)。p在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。p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)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。p實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。n集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICMn通常

32、規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic 。n實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。第二講 電力電子器件42電力晶體管（電力晶體管（GTR）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)n一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。n 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。n安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）：）：由最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率P

33、cM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作區(qū)第二講 電力電子器件43電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管n 分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型。絕緣柵型。通常主要指絕緣柵型絕緣柵型MOSMOS型型(Metal Oxide Semiconductor FET)，簡(jiǎn)稱電力MOSFET (Power MOSFET)n 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction TransistorSIT)n 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)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

34、功率不超過10kW的電力電子裝置 。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(hào)第二講 電力電子器件44電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管n導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS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)，不同的廠家采用了不同設(shè)計(jì)。n電力電力MOSFET的種類的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 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。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)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。 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝

35、道增強(qiáng)型。n電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷ｋ娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。第二講 電力電子器件45電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管n電力電力MOSFET的工作原理的工作原理n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(wú)電流。n導(dǎo)電

36、導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)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(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19第二講 電力電子器件46電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管靜態(tài)特性靜態(tài)特性n漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。nID較大時(shí)，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3

37、VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A電力MOSFET a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性第二講 電力電子器件47電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET漏極伏安特性漏極伏安特性n截止區(qū)截止區(qū)(對(duì)應(yīng)GTR截止區(qū))n飽和區(qū)飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)GTR放大區(qū))n非飽和區(qū)非飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)GTR飽和區(qū))n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。n漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。n通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VU

38、DS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A電力MOSFET a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性第二講 電力電子器件48電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性n開通過程開通過程開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr開通時(shí)間開通時(shí)間ton：開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和n關(guān)斷過程關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff：關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測(cè)試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信號(hào)源，Rs信號(hào)源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測(cè)漏極

39、電流RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf第二講 電力電子器件49電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管n MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度pMOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。p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。p不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。p開關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。p場(chǎng)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(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。p開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。第二講 電力電子器件50電力

40、場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)n跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓、開啟電壓UT 、 td(on)、tr、td(off)和和tfn漏極電壓漏極電壓UDS:電力MOSFET電壓定額n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MOSFET電流定額n柵源電壓柵源電壓UGS: UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。n極間電容極間電容:極間電容CGS、CGD和CDS第二講 電力電子器件51絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）n兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件n絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipol

41、ar TransistorIGBT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是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。 GTR和GTO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。 MOSFET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(jiǎn)單。第二講 電力電子器件52絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n柵極G、集電極C和發(fā)射極En溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。nIGBT比VDMOSFET多一

42、層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。n簡(jiǎn) 化 等 效 電 路 表 明 ，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。nRN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)IGBTa)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)第二講 電力電子器件53絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT的原理的原理n 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定

43、。n導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。n通態(tài)壓降通態(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。n關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。第二講 電力電子器件54絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）靜態(tài)特性靜態(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)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性輸出特性輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

44、轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開啟開啟電壓電壓UGE(th)第二講 電力電子器件55絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性nIGBT的開通過程的開通過程與MOSFET的相似p開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) p電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr p開通時(shí)間開通時(shí)間tonpuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。其中tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)

45、tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的開關(guān)過程第二講 電力電子器件56絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性n IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程p關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）p電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間p 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toffp電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tf i 2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(of

46、f)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的開關(guān)過程第二講 電力電子器件57絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）nIGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。最大集電極電流最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。最大集電極功耗最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗 nIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)的特性和參數(shù)特點(diǎn)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。通態(tài)壓降比VDM

47、OSFET低。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 第二講 電力電子器件58絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）n擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：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(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。動(dòng)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IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。n正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）：由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大

48、集電極功耗確定。n反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）:由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。n 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(dǎo)器件 。第二講 電力電子器件595.其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件nMOS控制晶閘管MCTn靜電感應(yīng)晶體管SITn靜電感應(yīng)晶閘管SITHn集成門極換流晶閘管IGCTn功率模塊與功率集成電路第二講 電力電子器件60MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）nMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合。MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt

49、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。n一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。n其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。第二講 電力電子器件61靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管（ SIT ）SIT(Static Induction Transistor)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管n 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(chǎng)合。n 在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大

50、、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。n 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型正常導(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。第二講 電力電子器件62靜電感應(yīng)晶閘管（靜電感應(yīng)晶閘管（ SITHSITH ）靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管 (Static Induction Thyristor- SITH)nSITH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(qiáng)。n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。nSITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電

51、流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。第二講 電力電子器件63集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管(IGCT)IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor) n20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍。n可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。第二講 電力電子器件64功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路基本概念基本概念n20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模功率模塊塊。可縮小

52、裝置體積，降低成本，提高可靠性。對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。n將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用n高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。n智能功率集成電路智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。n智能功率模塊智能功率模塊（Intelligent Power Modu

53、leIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。第二講 電力電子器件65功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀n 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。n 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合。n 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。n 功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。第二講 電力電子器件666.電力電子器件的驅(qū)動(dòng)概述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)概述n驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路將電力開關(guān)器件由關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通

54、導(dǎo)通n將器件的開通時(shí)間最小化n提供足夠的驅(qū)動(dòng)電力使電力開關(guān)器件保持導(dǎo)通將電力開關(guān)器件由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷關(guān)斷n將器件的關(guān)斷時(shí)間最小化n提供偏置電能確保電力開關(guān)器件保持關(guān)斷當(dāng)檢測(cè)到過電壓或過電流過電壓或過電流時(shí)實(shí)現(xiàn)電力開關(guān)器件的保護(hù)保護(hù)用于放大控制信號(hào)放大控制信號(hào)以滿足驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的電力要求在有需要時(shí)提供電力開關(guān)器件和邏輯級(jí)信號(hào)處理電路及控制電路之間的電氣隔離。電氣隔離。一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器光耦合器；磁隔離的元件通常是脈沖變壓器脈沖變壓器。第二講 電力電子器件67電力電子器件的驅(qū)動(dòng)概述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)概述分類分類n 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型和電壓

55、驅(qū)電壓驅(qū)動(dòng)型動(dòng)型。n 驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路專用集成驅(qū)動(dòng)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(dá)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(dòng)電路。第二講 電力電子器件68晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路n功能：功能：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(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。n晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足：脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。IIMt1t2t3t

56、4理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時(shí)間（1s）t1t3強(qiáng)脈寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）第二講 電力電子器件69晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路nV1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。n脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。n V1、V2導(dǎo)通時(shí)，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。nVD1和R3是為了V1 、 V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè) 晶閘管基本觸發(fā)電路第二講 電力電子器件70典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1.電流驅(qū)動(dòng)型

57、電流驅(qū)動(dòng)型nGTOGTO的開通控制開通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流使GTO關(guān)斷關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)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(fù)偏壓以提高抗干擾能力GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通開通驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷驅(qū)動(dòng)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。OttOuGiG推薦的GTO門極電壓電流波形正的門極電流5V的負(fù)偏壓第二講 電力電子器件71典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路n直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾

58、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n典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路：二極管VD1和電容C1提供+5V電壓VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路倍壓整流電路提供+15V電壓VD4和電容C4提供-15V電壓V1開通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖V2開通時(shí)輸出正脈沖平頂部分V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路第二講 電力電子器件72典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTRn開

59、通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。n關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。n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(fù)偏壓。tOib理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形第二講 電力電子器件73典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTR驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路n二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路貝克箝位電路，也即一種抗飽和抗飽和電路，負(fù)載較輕時(shí)，如V5發(fā)射極電流全注入V，會(huì)使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持Ubc0。nC2為加速開

60、通過程的電容。開通時(shí)，R5被C2短路?？蓪?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路的一種驅(qū)動(dòng)電路（含電氣隔離和晶體管放大電路兩部分）（含電氣隔離和晶體管放大電路兩部分）第二講 電力電子器件74典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路2.電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型n電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。n為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。n使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V。n關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)