典型全控型電力電子器件

/湖南省技工學校理論教學教案教師姓名：學科變頻調(diào)速執(zhí)行記錄日期星期檢查簽字班級節(jié)次課題典型全控型電力電子器件課的類型復習教學目的掌握門極可關斷晶閘管的工作原理與特性、電力晶體管的工作原理，了解電力場控晶體管的特性與參數(shù)與安全工作區(qū)。掌握電力場控晶體管的工作原理。掌握絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點。了解靜電感應晶體管靜電感應晶閘管的工作原理。教學重點電力晶體管、力場控晶體管、絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點。教學難點電力晶體管、力場控晶體管、絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點。主要教學方法借助PPT演示、板書等多種形式啟發(fā)式教學教具掛圖無教學環(huán)節(jié)時間分配1、組織教學時間23、講授新課時間702、復習導入時間84、歸納小結(jié)時間55、作業(yè)布置時間5教學后記[復習導入]門極可關斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。全控型電力電子器件的典型代表——門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。[講授新課]一、門極可關斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負的脈沖電流使其關斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益a1和a2。a1+a2=1是器件臨界導通的條件。GTO的關斷過程與普通晶閘管不同。關斷時，給門極加負脈沖，產(chǎn)生門極電流-IG，此電流使得V1管的集電極電流ICl被分流，V2管的基極電流IB2減小，從而使IC2和IK減小，IC2的減小進一步引起IA和IC1減小，又進一步使V2的基極電流減小，形成內(nèi)部強烈的正反饋，最終導致GTO陽極電流減小到維持電流以下,GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。結(jié)論：GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。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。2）GTO的動態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管相同關斷過程：與普通晶閘管有所不同3)GTO的主要參數(shù)（1）開通時間ton（2）關斷時間toff（3）最大可關斷陽極電流IATO（4）電流關斷增益boff——最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。boff一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A。二、電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通的雙極結(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。在應用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為b——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為ic=bib+Iceo單管GTR的b值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。2）GTR的基本特性(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關狀態(tài)。在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。(2)

動態(tài)特性3）GTR的主要參數(shù)1)電流放大倍數(shù)β集電極電流與基極電流之比2)集電極最大允許電流ICM通常規(guī)定為β下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應的Ic。3)集電極最大耗散功率PCM在最高集電結(jié)溫度下允許的耗散功率,等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。4)

反向擊穿電壓集電極與基極之間的反向擊穿電壓集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關，還與外電路接法有關。5)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。安全工作區(qū)：最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。三、電力場效應晶體管

特點——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。開關速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，只適用于小功率的電力電子裝置。1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的種類按導電溝道可分為P溝道和N溝道。耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。電力MOSFET的工作原理截止：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，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS--當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導電。2）電力MOSFET的基本特性(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。(2)

動態(tài)特性MOSFET的開關速度：MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系?？山档万?qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。3)電力MOSFET的主要參數(shù)(1)

漏極電壓UDS(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM(3)柵源電壓UGS(4)

極間電容四、絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點——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。MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。1)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的靜態(tài)特性(2)

IGBT的動態(tài)特性3)IGBT的主要參數(shù)(1)最大集射極間電壓UCES(2)最大集電極電流(3)最大集電極功耗PCMIGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關速度高，開關損耗小。相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR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。五、其他新型電力電子器件1MOS控制晶閘管MCT承受極高di/dt和du/dt，快速的開關過程，開關損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成。每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。其關鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用。2靜電感應晶體管SIT多子導電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用。缺點：柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通型器件，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)電力電子設備中得到廣泛應用。靜電感應晶閘管SITHSITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調(diào)制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導通型，但也有正常關斷型。此外，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。3集成門極換流晶閘管IGCT4功率模塊與功率集成電路20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、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.