ghr-電力電子技術(shù)課件

DepartmentofElectrical 電力電子器件概促進(jìn)著電力電子器件 DepartmentofElectrical 有別于一般的有別于一般的“電子元件”（信息處理用處理功率的能力—→所能承受功率電子開關(guān)。尤其如何可靠實(shí)現(xiàn)開關(guān)控如何獲得良好的通態(tài)、斷態(tài)性能和動(dòng)態(tài)開關(guān)性通態(tài)損耗、開關(guān)損耗—→溫升—→散熱（器 DepartmentofElectrical 1、電力電子器件的應(yīng)用有別于一般的有別于一般的“電子元件”（信息處理用正、反向阻斷電壓高，斷態(tài)漏電流近似為努*方向漏阻r努*方向通態(tài)電RON開關(guān)控制無延遲

—

—容易驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率近似為PG— DepartmentofElectrical 2、電力電子器件的發(fā)①第一代電力電子器件（50年代末——70年代末分立、換流關(guān)斷型器件②第二代電力電子器件（70年代末— 至 集成、自關(guān)斷型器件結(jié)構(gòu)上——多元胞并聯(lián)集成結(jié)構(gòu)；功能上——全控③第三代電力電子器件（80年代中后期— 至 功率集成電路結(jié)構(gòu)上——功率器件與電路的集成；功能上——強(qiáng)弱電結(jié) DepartmentofElectrical 3、電力電子器件的分根據(jù)導(dǎo)通、關(guān)斷的受控情況分類

全控型器按器件內(nèi)部載流子參

復(fù)合型器按驅(qū)動(dòng)信號的性質(zhì)不同分類

電壓控制型器各類器件具有各自優(yōu)缺點(diǎn)各類器件具有各自優(yōu)缺點(diǎn)及其 DepartmentofElectrical 功率二極管—— DepartmentofElectrical 1、PN結(jié)、二極管的基本原▲正（反）▲陽極伏安特性2、功率二極管的PIN結(jié) DepartmentofElectrical 1、PN結(jié)、二極管的基本原2、功率二極管的PIN結(jié)3、特別提

某1000A/2000V二極管硅片面積硅電阻率100某1000A/2000V二極管硅片面積硅電阻率100

——對以下三種物理現(xiàn)①電導(dǎo)調(diào)制效 ★★★

實(shí)際上：UT≈1VR 1②反向雪崩擊穿與熱擊③ DepartmentofElectrical 1、PN結(jié)、二極管的基本原2、功率二極管的PIN結(jié)3、特別提醒4、靜態(tài)特性及參 DepartmentofElectrical 5、動(dòng)態(tài)（開關(guān)）特、開通特

——對di/dt敏感，出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓當(dāng)電流增大后，電導(dǎo)U——管壓降減小為UF

DepartmentofElectrical 5、動(dòng)態(tài)（開關(guān)）特(2)、關(guān)斷特t1-t2：PN結(jié)兩側(cè)的大量少子在ER作用下被反抽而形成irr→直至t2→Irp維持Irp→irr迅速衰減、開始恢復(fù)反向阻斷能力；dirr/dt產(chǎn)生感應(yīng)電壓與ER疊加→

irr——反向恢復(fù)電流trr——反向恢復(fù)時(shí)間 DepartmentofElectrical 6、功率二極管的主要類普通（整流）二極

5s( f1快恢復(fù)二極

trr 超快恢復(fù)二極管trr100肖特基（勢壘）二極

10~40

且通態(tài)壓降低（約SBD利用某些金屬與半導(dǎo)體表面非歐姆接觸制成,沒有少子和電荷的問題——缺點(diǎn)：（反SBD利用某些金屬與半導(dǎo)體表面非歐姆接觸制成,沒有少子和電荷的問題——SiC二極——幾乎沒有反向恢復(fù)相比于Si材料器件，SiC①擊穿電場強(qiáng)度 ②熱穩(wěn)定性 ③載流子飽和漂移速度 ④熱導(dǎo)率★相同反壓下，SiCSi高8-10倍（基片可更薄)，而雜質(zhì)濃度可為Si的2個(gè)數(shù)量級，單位面積的阻抗僅是Si片的百分之一（更低的通態(tài)阻抗）?！颯i材料的3倍以上。SiC器件的工作溫度可以達(dá)到600℃（可在400℃的高溫下正常工作），而一般的Si器件最多能堅(jiān)持到150℃。SiC可以用來制造各種耐高溫的高頻、大功率器件，應(yīng)用于Si DepartmentofElectrical 晶閘管（Thyristor）——全稱：硅晶體閘流管——閘流特性——用途：電子晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原 1、晶閘管的封裝外形 DepartmentofElectrical 2、晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 DepartmentofElectrical 簡畫的四層三端結(jié)構(gòu)A K

阻斷狀態(tài)分析（IG=0?外施正向陽極電壓時(shí)——J2結(jié)阻斷外施正——正向阻斷狀態(tài)→不導(dǎo)通?外施反向陽極電壓時(shí)J2結(jié)正偏，但J1、J3結(jié)反——J1、J3共同阻斷反向具有正、反向電壓阻斷能力——具有正、反向電壓阻斷能力 DepartmentofElectrical 3、晶閘管的等效雙晶體管模 DepartmentofElectrical 3、晶閘管的等效雙晶體管模AAGK DepartmentofElectrical 3、晶閘管的等效雙晶體管模？導(dǎo)通后，IG可撤除？導(dǎo)通后，IG可撤除管壓降約為0.3~1V如有如A 2IGICA1(12?若IG=0，則IA≈IC0

α1α2都很若向門極注入正向電流:IG……活性放大（正反饋）……導(dǎo)通 DepartmentofElectrical 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作3、晶閘管的等效雙晶體管模4、導(dǎo)通原理與導(dǎo)通條——必要條②門極注入正向電流，即不具門極關(guān)斷能力 DepartmentofElectrical 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作3、晶閘管的等效雙晶體管模4、導(dǎo)通原理與導(dǎo)通條IA2IGIA2IGIC 1(12①外施正向陽極電壓太J2結(jié)反向雪崩擊穿——α1α2增大到一定程度du/dt太——J2結(jié)電容的作用影響④光觸發(fā)——光控晶 DepartmentofElectrical 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作①SCR不僅具有反向電壓阻斷能力，而且具有與二極管不同的正 ③SCR一旦導(dǎo)通后，門極失去控制作用；導(dǎo)通后，IA完全由外部主電路條件（EA、R）決定，管壓降為0.3-1V。④使關(guān)斷的唯一條件是：使IA減小至IH值以下。（加反壓、或減小EA/R）通過門極只能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)——半控型器件 DepartmentofElectrical 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作6、舉例理解 DepartmentofElectrical 晶閘管的基本特性和1、靜態(tài)特性——陽極伏安?如何驅(qū)動(dòng)（控制導(dǎo)通和關(guān)斷?其它應(yīng)用參數(shù)如tontoffdu/dt

DepartmentofElectrical 晶閘管的基本特性和1、靜態(tài)特性——陽極伏安

主要靜態(tài)參數(shù)額定電流III通態(tài)平均電壓（管壓降 DepartmentofElectrical (2)電路換向關(guān)斷過程(2)電路換向關(guān)斷過程關(guān)斷時(shí)間：toff=trr+tgr2、動(dòng)態(tài)特性——開關(guān)特

44

toff(tq (百~數(shù)百0

t2

tt5

7t7ton(tgt0

t(1)門極觸發(fā)開通過程開通時(shí)間：tontd

t DepartmentofElectrical 晶閘管的基本特性和3、主要?jiǎng)討B(tài)參開關(guān)時(shí) 開通時(shí)間：tontdtr關(guān)斷時(shí)間：tofftrr影響開通速度的幾個(gè)主要因素（UAK、TJ、驅(qū)動(dòng)通態(tài)電流臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率晶閘管的派生器件— DepartmentofElectrical 門極可關(guān)斷晶閘管 目前（2009年資料）最高制造產(chǎn)品化制造容量水平：8kA/8kV開關(guān)速度慢、開關(guān)損耗大——適合低不能通過門極控制關(guān)斷，需要依靠輔助換流電路或電網(wǎng)、負(fù)載來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷 直流斬波調(diào)壓（調(diào)速）裝 DepartmentofElectrical 門極可關(guān)斷晶閘管 目前（2009年資料）最高制造產(chǎn)品化制造容量水平：8kA/8kV開關(guān)速度慢、開關(guān)損耗大——適合低不能通過門極控制關(guān)斷，需要依靠輔助換流電路或電網(wǎng)、負(fù)載來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷 直流斬波調(diào)壓（調(diào)速）裝 E

DepartmentofElectrical 門極可關(guān)斷晶閘管 目前（2009年資料）最高制造產(chǎn)品化制造容量水平：8kA/8kV開關(guān)速度慢、開關(guān)損耗大——適合低不能通過門極控制關(guān)斷，需要依靠輔助換流電路或電網(wǎng)、負(fù)載來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷整機(jī)效率降低 整機(jī)效率降低

M電容電壓與E疊加，輸出出現(xiàn)2E尖峰電壓

Engina門極可關(guān)斷晶閘管GTO（Gate-Turn-OffThyrister）——具有自關(guān)斷能力——全控——繼承了SCR目前（2009年資料）最高科研研制水平：8kA8kV5主要不足：關(guān)斷過程非均勻——反向驅(qū)動(dòng)難度大，甚至關(guān)斷失效

L

GTO應(yīng)用中的關(guān)——門極關(guān)斷技發(fā)展MCT、—— DepartmentofElectrical 2.4GTO的單元胞結(jié)構(gòu)與SCR一樣——PNPN四層三端GTO的單元胞結(jié)構(gòu)與SCR一樣——PNPN四層三端元件——雙晶體管模A K DepartmentofElectrical 2.4典型全控型器4GTO4GTO的單元胞結(jié)構(gòu)與SCR一樣——PNPN四層三端元件——雙晶體管模①承受正向陽極電壓，即②門極注入正向電流，即等效晶體管飽和條α1IA+IG>(1-α2)α2IK>(1-α1)IIG1(12)A2也具有與SCR類似的非常規(guī)導(dǎo)通模式 DepartmentofElectrical 2.4典型全控型器2.4.1釋SCRGTO自關(guān)斷過程強(qiáng)度的關(guān)斷（反向驅(qū)動(dòng)）信號-IG……使電流減小正反饋得以維持以至(α1+α2)<1——GTO可關(guān)斷使等效晶體管退出飽和的條件|-IG|>IC1-(1-α2)=α1IA-(1-α2)(IA-G(12)1A2——被關(guān)斷的IA越大，所需IG大；被關(guān)斷GTO飽和越深，所需IG越大 DepartmentofElectrical 典型全控型器.4.1G可以自關(guān)斷、而SCR不能——關(guān)鍵點(diǎn)在于對“橫向壓降效應(yīng)”的認(rèn)識和–EGIA門極流出形成-IG。由于–EG的作用，了由陰極向P2 DepartmentofElectrical 門極可關(guān)斷晶閘管為何相同的等效雙晶體管模型，GTO可以自關(guān)斷、而SCR不能——關(guān)鍵點(diǎn)在于對“橫向壓降效應(yīng)”的認(rèn)識和但必須注意到——由于–IG流經(jīng)P2區(qū)時(shí)遭遇一橫向體電阻RGK，并在RGK上產(chǎn) SCR是單元結(jié)構(gòu)，門陰極中心間距 會出現(xiàn)因電流局部集中造成器件損壞。 DepartmentofElectrical 要解決橫向壓降效應(yīng)問門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）必須從結(jié)構(gòu)工藝上采取措施1、多陰極并聯(lián)的多元胞集成結(jié)構(gòu)2、提高了J3結(jié)反向擊穿耐壓 3、(α1+α2)― 1較容易地使器件α1α2)<AGK DepartmentofElectrical 繼承了SCR的高耐壓大電流的特點(diǎn)，且具有自關(guān)斷能力比SCR更大的di/dt和du/dt承受能力——開關(guān)速度、工作頻率反向驅(qū)動(dòng)難度大（——關(guān)斷過程非均勻！——特性與參數(shù)——書上P.27——特 最大可關(guān)斷陽極電流集集成門極換流晶閘管 mutated DepartmentofElectrical 門極可關(guān)斷晶閘管集成集成門極換流晶閘管 mutated發(fā)展及趨勢——中高壓（4~10kV）大容量（MW級）變流器中，IGCT已成為優(yōu)選器件，正逐步取代GTO?！L(fēng)電、電力機(jī)車、 DepartmentofElectrical 功率晶體管GTR是一種耐高壓、能承受大電流的三極管——全控型——雙極70年代末至90年代初，GTR的應(yīng)用對電力電子技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮過巨大作用！曾在中頻中小功率領(lǐng)域取代SCR， 逆變/變頻技術(shù)發(fā)展初期的“功臣主要不足：1、二次擊穿問題！——可靠性——影響其發(fā)展2、電流控制型，電流增益小——驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)3、開關(guān)頻率不夠高（雙極型——飽和——關(guān)斷速度隨 的迅速崛起——90年代GTR逐漸淡出（至90年代末，其原有應(yīng)用領(lǐng)域完全 或V-MOS擠占 DepartmentofElectrical 功率晶體管大電流效應(yīng)影響的結(jié)果主要體現(xiàn)在兩個(gè)方1、電流增β下2、容易出現(xiàn)電流局部 DepartmentofElectrical 功率晶體管GTR在器件結(jié)構(gòu)和制造工藝上具有以下特點(diǎn)——以PN-N+結(jié)構(gòu)結(jié)合，這樣既可以提高器件的耐壓水平，又可以獲得適當(dāng) DepartmentofElectrical 功率晶體管GTR的應(yīng)用對電力電子技 逆變技術(shù)、變頻技術(shù)但也存在不足（尤其 相比1、二次擊穿問2、開關(guān)速度（雙極型——飽和——關(guān)斷速度3、驅(qū)動(dòng)（電流控制型 隨著 至20世紀(jì)末，原屬GTR的應(yīng)用領(lǐng)域已 擠占 DepartmentofElectrical 功率場效應(yīng)晶體管（Power應(yīng)用特①開關(guān)速度快(ns級)、適用于高頻（開關(guān)頻率可達(dá)1000kHz②輸入阻抗高(可達(dá)40MΩ以上)，所需驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單③柵 能力強(qiáng)（但注意防靜電擊穿④熱穩(wěn)定性好——過載能力強(qiáng)、易于并聯(lián)使用⑤電流容量小，耐壓低。一般只適用功率不超過5kW的電力電子裝 DepartmentofElectrical 功率場效應(yīng)晶體管（Power普通MOSFETMOS外施電壓下的電場效應(yīng) DepartmentofElectrical 功率場效應(yīng)晶體管（Power工作原 DepartmentofElectrical 功率場效應(yīng)晶體管（Power普通MOSFET應(yīng)用特★絕緣柵結(jié)構(gòu)、電場控——電壓控制型器件、易驅(qū)★單極型器件——無電導(dǎo)調(diào)制——開關(guān)速度快、適用頻率——RON大、UT較★表面反型層導(dǎo)——橫向?qū)щ姟獪系馈猂ON大、 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（PowerV-MOSFET結(jié)構(gòu)特普通MOSFET的不足：橫向?qū)щ?、溝道窄——RON大、通流★如何降低RON？——垂直導(dǎo)電機(jī)制？！——V-VVMOSFET VDMOSFET DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（PowerV-MOSFET結(jié)構(gòu)特底部安裝漏極、多元胞并聯(lián)集成垂直導(dǎo)電（）通過對兩次擴(kuò)散深度差的精確控制，實(shí)現(xiàn)短溝道結(jié)構(gòu)(1~2μm)，降設(shè)置了高電阻率的N－漂移區(qū)以提高電壓耐 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power 要注意體內(nèi)二極管的特性及其影響 DepartmentofElectrical 6.23erSTo靜態(tài)特性及參1、漏源輸出特

減小，相同UDS下ID大。（所以該區(qū)又

UBR而當(dāng)UDS較大后，它對溝道的影響就不容忽視了。一方面，靠近漏區(qū)一端的溝道 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power1.靜態(tài)特性及參1、漏源輸出特 有源區(qū)：當(dāng)UDS繼續(xù)增大，以至靠近漏區(qū)一端的溝道被夾斷，或溝道電子達(dá)到散射極限速度，此后ID趨于穩(wěn)定不變。

UBR反向特性區(qū)：無需UGS、體內(nèi)二極管導(dǎo)通。特殊地——同步整流管應(yīng)用 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power1.靜態(tài)特性及參 1、漏源輸出特相關(guān)參 器件其N－漂移區(qū)越厚,。-1V影響Ron的外在因素有

UBRTjRon越大UGS越大，Ron越?。▽?dǎo)電溝道寬）

漏源擊穿電壓BUDS決定器件最高最大漏極電流IDM表征器件電流容 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power靜態(tài)特性及參2、轉(zhuǎn)移特 相關(guān)參數(shù)：(1)開啟（閥值）電壓 需的最低柵源電壓。溫度Tj高則UGS(th)小。實(shí)際使用時(shí),所加?xùn)艍阂话銥?1.5~2.5)UGS(th)。gm用來表征UGS對IDm m

vDS柵源擊穿電壓BUGS一般為±20V。注意防止因摩擦、 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power動(dòng)態(tài)特性及參1、極間電容——對開關(guān)過程具有重大影CGSCGD是由MOS電容形成的CDS主要是漏極PN結(jié)的結(jié)電容 DepartmentofElectrical 6.23erSTo2.動(dòng)態(tài)特性及參 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power2.動(dòng)態(tài)特性及參2、開關(guān)波

、開通過電，柵極電壓uGS逐漸上升、但及開關(guān)時(shí)

小于

，MOSFET仍未 DepartmentofElectrical

t1~t2t1起uGSuGS(th)，器件開始開通，iD遵轉(zhuǎn)移特性隨uGS升高而增大（iVD0同步下降）。I0由原來經(jīng)t2~t3:t2時(shí)iVD0降為0、VD0自然關(guān)由于密勒電容CGD急速放電抽取t3~t4:t4時(shí)器件進(jìn)入歐姆電阻區(qū)，驅(qū)動(dòng)源對CiSS=CGS+CGD正向充電2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power2.動(dòng)態(tài)特性及參2、開關(guān)波及開關(guān)時(shí)

、關(guān)斷過但降至u前仍未脫離歐姆電阻區(qū)t6~t7t6起開始進(jìn)入有源區(qū)并快速向截CGD放電抽取全部iG——uGS幾乎不降—通全部I0——iD=I0、直至t7。t7~t8:t7時(shí)uDS稍大于UD——VD0導(dǎo)通uGS隨iD減小而下降。 關(guān)斷快 ,但將影響開通延遲 DepartmentofElectrical

2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power2.動(dòng)態(tài)特性及參、開關(guān)時(shí)開通時(shí)間：tontd(ontr關(guān)斷時(shí)間：tofftd(off)tftf——下降時(shí)典型開關(guān)時(shí)間：70~100 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power2.動(dòng)態(tài)特性及參2、開關(guān)波 (4)、影響開關(guān)速度的外在因及開關(guān)時(shí)?驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻RG——相同UG下RG越小，充放電電?溫度Tj——溫度高，則UGS(th)小——開通延遲（對關(guān)斷速度影響甚微），但是主電路（分布）電感——trtf（還影響關(guān)斷過電壓及動(dòng)態(tài)du/dt）——盡量減小 DepartmentofElectrical 2.4.3功率場效應(yīng)晶體管（Power動(dòng)態(tài)特性及參靜態(tài)du/dt是指斷態(tài)下UDS可能的危害：誤導(dǎo)通（通過耦合到柵極；寄生三極管問題動(dòng)態(tài)du/dt是指關(guān)斷過程中由于快速切斷電流而產(chǎn)生的UDS變化率。二極管恢復(fù)du/dt是指體內(nèi)反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)引起的問題。當(dāng)二極管轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí)，du/dt……可能的危害：關(guān)斷損耗；瞬時(shí)短路直通的！ DepartmentofElectrical 2.4.