學(xué)習(xí)-ghr電力電子技術(shù)課件

電力電子器件概電力電子器件的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展是電力電子技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的基電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步及其應(yīng)用領(lǐng)域的拓促進(jìn)著電力電子器件的不斷完善和發(fā) 1、電力電子器件的應(yīng)用特有別于一般的有別于一般的“電子元件”（信息處理用率容量處理功率的能力—→所能承受的電壓、電流的能關(guān)工作方功率電子開關(guān)。尤其要關(guān)注開關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程及特性受控（可控）器件—→弱電控制—→驅(qū)動(dòng)電路重要如何可靠實(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)性耗與散通態(tài)損耗、開關(guān)損耗—→溫升—→散熱（器 1、電力電子器件的應(yīng)用特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*方向漏阻抗r努*方向流通電流能力大，且管壓降近似為通態(tài)電RON開關(guān)控制無(wú)延遲、開關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完

容易驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率近似為PG— 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)斷型器結(jié)構(gòu)上——分立單元胞結(jié)構(gòu)；功能上——半控②第二代電力電子器件（70年代末— 至 集成、自關(guān)斷型器結(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) 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)部載流子參與導(dǎo)電情況分類

復(fù)合型器按驅(qū)動(dòng)信號(hào)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 功率二極管——不可控器 1、PN結(jié)、二極管的基本原▲▲正（反）▲陽(yáng)極伏安特性2、功率二極管PIN結(jié) 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

硅片厚0.5mm硅電阻率100R硅片厚0.5mm硅電阻率100

——對(duì)以下三種物理現(xiàn)象的理解和掌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 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 5、動(dòng)態(tài)（開關(guān)）特、開通特

開通初期呈現(xiàn)明顯的電感效應(yīng)——對(duì)di/dt敏感，出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓當(dāng)電流增大后，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的作用逐漸明U——管壓降減小為UF Ufp——正向恢復(fù)峰值電tfr——正向恢復(fù)時(shí)

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因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 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(shì)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——開關(guān)速度快！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——開關(guān)速度快！SiC二極——幾乎沒有反向恢復(fù)過(guò)相比于Si材料器件，SiC①擊穿電場(chǎng)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，SiC材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度比Si高8-10倍（基片可更薄)Si的2Si片的百分之一（更低的通態(tài)阻抗）★Si材料的3倍以上。SiC器件的工作溫度可以達(dá)到600℃（可在的高溫下正常工作），而一般的Si器件最多能堅(jiān)持到150SiC可以用來(lái)制造各種耐高溫的高頻、大功率器件，應(yīng)用于Si 晶閘管（Thyristor）——半控型器全稱：硅晶體閘流管——閘流特性——用途：電子開普通晶閘管（稱：可控硅，SiliconControlledRectifier,SCR晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原 1、晶閘管的封裝外形 2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原2、晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和電氣圖形符 2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原簡(jiǎn)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(yáng)極電壓J1、J3結(jié)正偏，而J2結(jié)反——J2結(jié)阻斷外施正向電——正向阻斷狀態(tài)→不導(dǎo)通?外施反向陽(yáng)極電壓J2結(jié)正偏，但J1、J3結(jié)反——J1、J3共同阻斷反向電具有正、反向電壓阻斷能力具有正、反向電壓阻斷能力 2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原3、晶閘管的等效雙晶體管模 2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原3、晶閘管的等效雙晶體管模AAGK 2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原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 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原3、晶閘管的等效雙晶體管模4、導(dǎo)通原理與導(dǎo)通條①承受正向陽(yáng)極電壓，即——必要條②門極注入正向電流，即不具門極關(guān)斷能力 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原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(yáng)極電壓太J2結(jié)反向雪崩擊穿溫太——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)——光控晶閘管 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原①SCR不僅具有反向電壓阻斷能力，而且具有與二極管不同的向電壓阻斷能力②導(dǎo)通條件——承受正向陽(yáng)極電壓是SCR導(dǎo)通的必要條件，而入正向門極電流則是其導(dǎo)通的充分條件，兩 ③SCR一旦導(dǎo)通后，門極失去控制作用；導(dǎo)通后，IA完全由外主電路條件（EA、R）決定，管壓降 0.3-1V④使關(guān)斷的唯一條件是：使IA減小至IH值以下。（加反壓、或小EA/R通過(guò)門極只能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)半控型器件 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原6、舉例理解 晶閘管的基本特性和參1、靜態(tài)特性——陽(yáng)極伏安特?如何驅(qū)動(dòng)（控制導(dǎo)通和關(guān)斷?其它應(yīng)用參數(shù)如ton.toff.du/dt

高阻特性 晶閘管的基本特性和參1、靜態(tài)特性——陽(yáng)極伏安特

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

toff(tq

t2

t5

tton(tgt0

t(1門極觸發(fā)開通過(guò)程開通時(shí)間：tontd

t 晶閘管的基本特性和參3、主要?jiǎng)討B(tài)參開關(guān)時(shí)td——延遲時(shí) tr——上升時(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)電流臨界上升率晶閘管的派生器件— 典型全控型器門極可關(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——適合低頻應(yīng)不能通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān) 直流斬波調(diào)壓（調(diào)速）裝 典型全控型器門極可關(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——適合低頻應(yīng)不能通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān) 直流斬波調(diào)壓（調(diào)速）裝 E

典型全控型器門極可關(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——適合低頻應(yīng)不能通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)

M主控管最小導(dǎo)通時(shí)間電容電壓與E疊加，輸出出現(xiàn)2E尖峰電

DepartmentofElectricalEngineg電流疊加，主控管a典型全控型器門極可關(guān)斷晶閘管GTO（Gate-Turn-OffThyrister）——具有自關(guān)斷能力——全控——繼承了SCR高耐壓、大電流的優(yōu)同時(shí)具有比SCR更高的du/dt、di/dt承受能力——允許較高開關(guān)頻目前（2009年資料）最高科研研制水平：8kA8kV5主要不足：關(guān)斷過(guò)程非均勻——反向驅(qū)動(dòng)難度大，甚至

L

GTO應(yīng)用中的關(guān)——門極關(guān)斷技發(fā)展MCT、—— 2.4典型全控型器2.41門極A K 2.4典型全控型器44①承受正向陽(yáng)極電壓，即②門極注入正向電流，即等效晶體管飽和條件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 2.4典型全控型器2.4.1釋SCR不能自關(guān)斷，但可用于簡(jiǎn)單說(shuō)GTO自關(guān)斷過(guò)程強(qiáng)度的關(guān)斷（反向驅(qū)動(dòng)）信號(hào)-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 典型全控型器.4.1GO可以自關(guān)斷、而SCR不能——關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)“橫向壓降效應(yīng)”的認(rèn)識(shí)和處–EG迫使IA門極流出形成-IG。由于–EG的作用，了由陰極向P2 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(duì)“橫向壓降效應(yīng)”的認(rèn)識(shí)和處但必須注意到——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)，門陰極中心間距關(guān)斷過(guò)程無(wú)法維持（僅部分關(guān)斷區(qū)） 會(huì)出現(xiàn)因電流局部集中造成器件損壞。 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GTO結(jié)構(gòu)特 3、(α1+α2)― 1較容易地使器件α1α2)<AGK 門極可關(guān)斷晶閘管主要應(yīng)用特繼承了SCR的高耐壓大電流的特點(diǎn)，且具有自關(guān)斷能比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(guò)程非均勻！——關(guān)斷特性與參數(shù)——書上P.27——特 ：門極關(guān)斷特性與門極反向驅(qū)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流集集成門極換流晶閘管 mutated 門極可關(guān)斷晶閘管集成集成門極換流晶閘管 mutatedC已成功應(yīng)用到05MVA范圍擴(kuò)展到幾百M(fèi)V45V/4A的C在無(wú)緩沖條件時(shí)可在6A電流（）。發(fā)展及趨勢(shì)——中高壓（4~10kV）大容量（MW級(jí)）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、 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(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮過(guò)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)展與應(yīng)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 功率晶體管RR器件工作狀態(tài)的三種物理效應(yīng)，即基區(qū)大注入效應(yīng)、基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)大電流效應(yīng)影響的結(jié)果主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面1、電流增β下2、容易出現(xiàn)電流局部集中而導(dǎo)致的局部過(guò)為削弱上述物理效應(yīng)的影響，必須在結(jié)構(gòu)和制造工藝上采取適措施，以滿足大功率應(yīng)用的需 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)——三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面首先，基極與發(fā)射極在一個(gè)平面上做成叉指狀結(jié)構(gòu)，大大增加了基其次，第三，在集電區(qū)引入低摻雜濃度、高電阻率的N以PN-N+ 功率晶體管GTR的應(yīng)用對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮過(guò)巨大的作 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 的迅速崛起—— 至20世紀(jì)末，原屬GTR的應(yīng)用領(lǐng)域已 擠占 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power應(yīng)用特點(diǎn)①開關(guān)速度快(ns級(jí))、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(jiǎn)單③柵 能力強(qiáng)（但注意防靜電擊穿④熱穩(wěn)定性好——過(guò)載能力強(qiáng)、易于并聯(lián)⑤電流容量小，耐壓低。一般只適用功率不超過(guò)5kW的電力電子裝 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power普通MOSFET結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用特MOS結(jié)構(gòu)及其電場(chǎng)效外施電壓下的電場(chǎng)效應(yīng) 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power1.普通MOSFET結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用特工作原 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power普通MOSFET結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用特應(yīng)用特★絕緣柵結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)控制、全控——電壓控制型器件、易驅(qū)★單極型器件——無(wú)電導(dǎo)調(diào)制效——開關(guān)速度快、適用頻率——RON大、UT較★表面反型層導(dǎo)電溝——橫向?qū)щ姟獪系馈猂ON大、通流能力 2.4.3功率場(chǎng)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、通流能力★如何降低RON？——垂直導(dǎo)電機(jī)制？！——V-VVMOSFET VDMOSFET 2.4.3功率場(chǎng)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，不僅實(shí)現(xiàn)了垂直導(dǎo)電（通過(guò)對(duì)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) ，低了溝道電設(shè)置了高電阻率的N漂移區(qū)以提高電壓耐 2.4.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power 要注意體內(nèi)二極管的反向恢特性及其影響 6.2.3erSFTo靜態(tài)特性及參1、漏源輸出特 的是，對(duì)于不同的UGS，在該

減小，相同UDS下ID大。（所以該區(qū)又

-

UBR而當(dāng)UDS較大后，它對(duì)溝道的影響就不容忽視了。一方面，靠近漏區(qū)一端的溝道 2.4.3功率場(chǎng)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。

-O

UBR 2.4.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power1.靜態(tài)特性及參 1、漏源輸出特相關(guān)參數(shù)導(dǎo)通電阻

器件其N－漂移區(qū)越厚,導(dǎo)通電阻就越大。-影響Ron

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 2.4.3功率場(chǎng)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(lái)表征UGS對(duì)IDm m

vDS柵源擊穿電壓BUGS一般為±20V。 2.4.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power動(dòng)態(tài)特性及參1、極間電容——對(duì)開關(guān)過(guò)程具有重大影CGS和CGD是由MOS電容形成的CDS主要是漏極PN結(jié)的結(jié)電容 6.2.3erSFTo2.動(dòng)態(tài)特性及參 2.4.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power2.動(dòng)態(tài)特性及參

、開通過(guò)t0~t1:t0開始，驅(qū)動(dòng)源對(duì)CGS正向充小于uGS(th)，MOSFET仍未開通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(lái)經(jīng)t2~t3:t2時(shí)iVD0降為0、VD0自然關(guān)由于密勒電容CGD急速放電抽取全部iG——uGS幾乎不升——平臺(tái)t3~t4:t4時(shí)器件進(jìn)入歐姆電阻區(qū)，驅(qū)動(dòng)源對(duì)CiSS=CGS+CGD正向充電（“過(guò)驅(qū)動(dòng)”——Ron低,但將影關(guān)斷延遲 2.4.3功率場(chǎng)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(guò)但降至uGSP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iDI0逐漸降為0（iVD0同步增大），uGS隨iD減小而下降。 關(guān)斷快 ,但將影響開通延遲 2.4.3功率場(chǎng)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(ontd(on)——開通延遲時(shí)tr——上升時(shí)關(guān)斷時(shí)間：tofftd(off)tf典型開關(guān)時(shí)間：70~100 2.4.3功率場(chǎng)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)源電壓幅值UG——尤其對(duì)td(on)和td(off)遲多——應(yīng)適度，通常開通驅(qū)動(dòng)時(shí)取?驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻RG——相同UG下RG?主電路（分布）電感——影響從tr和tf（實(shí)際上還影響關(guān)斷過(guò)電壓及動(dòng)態(tài)du/dt）——盡量 2.4.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power動(dòng)態(tài)特性及參3、du/dt耐靜態(tài)du/dt是指斷態(tài)下UDS動(dòng)態(tài)du/dt是指關(guān)斷過(guò)程中由于快速切斷電流而產(chǎn)生的UDS二極