第1章 電力電子器件概述.ppt

1、1-1,第1章 電力電子器件,1.1 電力電子器件概述 1.2 不可控器件二極管 1.3 半控型器件晶閘管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型電力電子器件 1.6 電力電子器件的驅動 1.7 電力電子器件的保護 1.8 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用 本章小結及作業(yè),1-2,1-3,電子技術的基礎 電子器件：晶體管和集成電路 電力電子電路的基礎 電力電子器件 本章主要內容： 概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題。 介紹常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意問題。,第1章 電力電子器件引言,1-4,1.1.1 電力電子器件的概念和特征 1.1.2 應用電力電

2、子器件的系統(tǒng)組成 1.1.3 電力電子器件的分類 1.1.4 本章內容和學習要點,1.1 電力電子器件概述,1-5,1）概念: 電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路（Main Power Circuit） 電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。 2）分類: 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導體器件 (采用的主要材料硅）仍然,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件,1-6,能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。 電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。 電力電子器件

3、往往需要由信息電子電路來控制。 電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：,1-7,通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。 器件開關頻率較高時，開關損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。,主要損耗,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開關損耗,關斷損耗,開通損耗,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的損耗,1-8,電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅動電路、保護電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成。,圖1-1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成,在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個

4、系統(tǒng)正常可靠運行,1.1.2 應用電力電子器件系統(tǒng)組成,電氣隔離,控制電路,1-9,半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。 全控型器件（IGBT,MOSFET) 通過控制信號既可控制其導通又可控制其關 斷，又稱自關斷器件。 不可控器件(Power Diode) 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅動電路。,1.1.3 電力電子器件的分類,按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：,1-10,電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者 關斷的控制。 電壓驅動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關斷的控制。,1

5、.1.3 電力電子器件的分類,按照驅動電路信號的性質，分為兩類：,1-11,本章內容: 介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題。 集中講述電力電子器件的驅動、保護和串、并聯(lián)使用這三個問題。 學習要點: 最重要的是掌握其基本特性。 掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。 可能會主電路的其它電路元件有特殊的要求。,1.1.4 本章學習內容與學習要點,1-12,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理 1.2.2 電力二極管的基本特性 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1.2.4 電力二極管的主要類型,1.2 不可控器件電力二極管,1-13

6、,Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50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、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。,1.2 不可控器件電力二極管引言,整流二極管及模塊,1-14,基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。 由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。,圖1-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理,1-15,二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征。 PN結的

7、反向擊穿（兩種形式) 雪崩擊穿 齊納擊穿 均可能導致熱擊穿,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理,PN結的狀態(tài),1-16,PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。 結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD。 電容影響PN結的工作頻率，尤其是高速的開關狀態(tài)。,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理,PN結的電容效應：,1-17,主要指其伏安特性 門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應的電壓。 與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。 承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,圖1-4 電力二極管的伏安

8、特性,1.2.2 電力二極管的基本特性,1) 靜態(tài)特性,1-18,2) 動態(tài)特性 二極管的電壓-電流特性隨時 間變化的 結電容的存在,1.2.2 電力二極管的基本特性,圖1-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉換為反向偏置 b) 零偏置轉換為正向偏置,延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復時間：trr= td+ tf 恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。,1-19,正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。 正向恢復時間tfr。 電流上升率越大，UFP越高 。

9、,圖1-5(b)開通過程,1.2.2 電力二極管的基本特性,開通過程：,關斷過程 須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。 關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。,圖1-5(b)關斷過程,1-20,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)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),1) 正向平均電流IF(AV),1-21,在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。 3） 反向重復峰值電壓URRM 對電力

10、二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。 使用時，應當留有兩倍的裕量。 4）反向恢復時間trr trr= td+ tf,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),2）正向壓降UF,1-22,結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。 TJM是指在PN結不致?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。 6) 浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),5）最高工作結溫TJM,1-23,1) 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開關頻

11、率不高（1kHz以下）的整流電路 其反向恢復時間較長 正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高 DATASHEET,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。,1.2.4 電力二極管的主要類型,1-24,簡稱快速二極管 快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。 從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。 DATASHEET 1 2 3,1.2.4

12、電力二極管的主要類型,2) 快恢復二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）,1-25,肖特基二極管的弱點 反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。 反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。 肖特基二極管的優(yōu)點 反向恢復時間很短（1040ns）。 正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖。 反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復二極管。 效率高，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還小。,1.2.4 電力二極管的主要類型,3. 肖特基二極管(DATASHEET) 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（Schottky Barrier Di

13、ode SBD）。,1-26,1.3 半控器件晶閘管,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理 1.3.2 晶閘管的基本特性 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 1.3.4 晶閘管的派生器件,1-27,1.3 半控器件晶閘管引言,1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。 1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產品。 1958年商業(yè)化。 開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代。 20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。,晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectif

14、ierSCR）,1-28,圖1-6 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,外形有螺栓型和平板型兩種封裝。 有三個聯(lián)接端。 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。,1-29,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,常用晶閘管的結構,螺栓型晶閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結構,1-30,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,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 ：,圖1-7 晶閘管

15、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,按晶體管的工作原理 ，得：,（1-5）,1-31,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 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晶體管漏電流之和。 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，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。,1-32,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高 結溫較高 光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電

16、路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,其他幾種可能導通的情況：,1-33,1.3.2 晶閘管的基本特性,承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。 要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。 DATASHEET,晶閘管正常工作時的特性總結如下：,1-34,1.3.2 晶閘管的基本特性,（1）正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向

17、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折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。,1） 靜態(tài)特性,圖1-8 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG,1-35,1.3.2 晶閘管的基本特性,反向特性類似二極管的反向特性。 反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。 當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發(fā)熱損壞。,圖1-8 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG,（2）反向特性,1-36,1.3.2 晶閘管的基本特性,1) 開通過程 延遲時間td (0.51.5s) 上升時間tr (0.53s

18、) 開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）,2) 關斷過程 反向阻斷恢復時間trr 正向阻斷恢復時間tgr 關斷時間tq以上兩者之和tq=trr+tgr （1-7) 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒,2） 動態(tài)特性,圖1-9 晶閘管的開通和關斷過程波形,1-37,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。 反向重復峰值電壓URRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。 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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。,通常取晶閘管的UDRM

19、和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。 選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。,使用注意：,1）電壓定額,1-38,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),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)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。 使用時應按有效值相等的原則來選取晶閘管。 維持電流 IH 使晶閘管維持導通所必需的最小電流。 擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并

20、使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流 。,2）電流定額,1-39,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有： 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。,3）動態(tài)參數(shù),1-40,1.3.4 晶閘管的派生器件,有快速晶閘管和高頻晶閘管。 開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。

21、 普通晶閘管關斷時間數(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，不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。 DATASHEET,1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST),1-41,1.3.4 晶閘管的派生器件,2）雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。 有兩個主電極T1和T2，一個門極G。

22、在第和第III象限有對稱的伏安特性。 不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。 DATASHEET,1-42,1.3.4 晶閘管的派生器件,逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,a),K,G,A,圖1-11 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,將晶閘管反并聯(lián)一個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、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點。,1-43,1.3.4 晶閘管的派生器件,光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）,A,G,K,a),AK,圖1-12 光控晶閘管的電

23、氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。 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合。,1-44,1.4 典型全控型器件,1.4.1 門極可關斷晶閘管 1.4.2 電力晶體管 1.4.3 電力場效應晶體管 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,1-45,1.4 典型全控型器件引言,門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。 20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。 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。,1-46,1.4 典型全

24、控型器件引言,常用的典型全控型器件,電力MOSFET,IGBT單管及模塊,1-47,1.4.1 門極可關斷晶閘管,晶閘管的一種派生器件。 可以通過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。 DATASHEET,門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,1-48,1.4.1 門極可關斷晶閘管,結構： 與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結構，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。,圖1-13 GTO的內部結構和電氣圖形符號 a) 各

25、單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號,1）GTO的結構和工作原理,1-49,1.4.1 門極可關斷晶閘管,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。,圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理,1+2=1是器件臨界導通的條件。,由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2 。,1-50,1.4.1 門極可關斷晶閘管,GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：,設計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。 導通時1+2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導

26、通時管壓降增大。 多元集成結構，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。,圖1-7 晶閘管的工作原理,1-51,1.4.1 門極可關斷晶閘管,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。 多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。,由上述分析我們可以得到以下結論：,1-52,1.4.1 門極可關斷晶閘管,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 儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。 下降時間tf 尾部時間tt 殘存載流子復合。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 門極負脈

27、沖電流幅值越大，ts越短。,圖1-14 GTO的開通和關斷過程電流波形,GTO的動態(tài)特性,1-53,1.4.1 門極可關斷晶閘管,GTO的主要參數(shù), 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。, 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2s。,（2） 關斷時間toff,（1）開通時間ton,不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯(lián) 。,許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。,1-54,1.4.1 門極可關斷晶閘管,（3）最大可關斷陽極電流IATO,（4） 電流關斷增益

28、off,off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 。,GTO額定電流。,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。,（1-8）,1-55,1.4.2 電力晶體管,電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。 耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。 DATASHEET 1 2 應用 20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。,

29、術語用法：,1-56,與普通的雙極結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構。 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。,1.4.2 電力晶體管,1）GTR的結構和工作原理,圖1-15 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動,1-57,1.4.2 電力晶體管,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 （1-9） 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

30、Iceo時，ic和ib的關系為 ic= ib +Iceo （1-10） 單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。,1）GTR的結構和工作原理,1-58,1.4.2 電力晶體管,(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，要經過放大區(qū)。,圖1-16 共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性,2）GTR的基本特性,1-59,1.4.2 電力晶體管,開通過程 延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。 加快開通過程的辦法 。 關斷過程

31、儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff 。 加快關斷速度的辦法。 GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多 。,圖1-17 GTR的開通和關斷過程電流波形,(2) 動態(tài)特性,1-60,1.4.2 電力晶體管,前已述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關斷時間toff (此外還有)： 1)最高工作電壓 GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿。 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。 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。 實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多

32、。,3）GTR的主要參數(shù),1-61,1.4.2 電力晶體管,通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應的Ic 。 實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率PcM 最高工作溫度下允許的耗散功率。 產品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。,2)集電極最大允許電流IcM,1-62,1.4.2 電力晶體管,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 。,

33、安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 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。,圖1-18 GTR的安全工作區(qū),GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū),1-63,1.4.3 電力場效應晶體管,分為結型和絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction TransistorSIT）,特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅動電路簡單，需要的驅動功率小。 開關速度快，工作

34、頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。,電力場效應晶體管,1-64,1.4.3 電力場效應晶體管,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主要是N溝道增強型。 DATASHEET,1）電力MOSFET的結構和工作原理,1-65,1.4.3 電力場效應晶體管,電力MOSFET的結構,是單極型晶體管。 導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別。 采用多元集成結構，不同的生產廠家

35、采用了不同設計。,圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號,1-66,1.4.3 電力場效應晶體管,小功率MOS管是橫向導電器件。 電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。 按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 這里主要以VDMOS器件為例進行討論。,電力MOSFET的結構,1-67,1.4.3 電力場效應晶體管,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

36、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J1消失，漏極和源極導電 。,圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號,電力MOSFET的工作原理,1-68,1.4.3 電力場效應晶體管,(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。,圖1-20 電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性,2）電力MOSFET的基本特性,1-69,1.4.3 電力場效應晶體

37、管,截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對應GTR的飽和區(qū)） 工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。,圖1-20電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性,MOSFET的漏極伏安特性：,1-70,1.4.3 電力場效應晶體管,開通過程 開通延遲時間td(on) 上升時間tr 開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和 關斷過程 關斷延遲時間td(off) 下降時間tf 關斷時間toff關斷延遲時間和下降時間之和,a,

38、）,b,),圖1-21 電力MOSFET的開關過程 a) 測試電路 b) 開關過程波形 up脈沖信號源，Rs信號源內阻， RG柵極電阻， RL負載電阻，RF檢測漏極電流,(2) 動態(tài)特性,1-71,1.4.3 電力場效應晶體管,MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系。 可降低驅動電路內阻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10100ns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，仍需一定的驅動功率。 開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。,MOSFET

39、的開關速度,1-72,1.4.3 電力場效應晶體管,3) 電力MOSFET的主要參數(shù),電力MOSFET電壓定額,(1)漏極電壓UDS,(2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM,電力MOSFET電流定額,(3) 柵源電壓UGS, UGS20V將導致絕緣層擊穿 。,除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：,(4)極間電容,極間電容CGS、CGD和CDS,1-73,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）(DAT

40、ASHEET 1 2 ) GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點。 1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。 繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特點雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。,1-74,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,1) IGBT的結構和工作原理 三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E,圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等

41、效電路 c) 電氣圖形符號,1-75,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區(qū)，具有很強的通流能力。 簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。,圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號,IGBT的結構,1-76,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。 導通

42、：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，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內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。,IGBT的原理,1-77,a,),b,),1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,2) IGBT的基本特性 (1)IGBT的靜態(tài)特性,圖1-23 IGBT的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性,轉移特性IC與UGE間的關系(開啟電壓UGE(th),輸出特性 分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。,1-78,1.4.4 絕緣柵雙極晶體

43、管,圖1-24 IGBT的開關過程,IGBT的開通過程 與MOSFET的相似 開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 開通時間ton uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。,(2)IGBT的動態(tài)特性,1-79,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,圖1-24 IGBT的開關過程,關斷延遲時間td(off） 電流下降時間 關斷時間toff 電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。 tfi1IGBT器件內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快。 tfi2IGBT內部的PNP晶

44、體管的關斷過程，iC下降較慢。,IGBT的關斷過程,1-80,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,3) IGBT的主要參數(shù),正常工作溫度下允許的最大功耗 。,(3) 最大集電極功耗PCM,包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。,(2) 最大集電極電流,由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。,(1) 最大集射極間電壓UCES,1-81,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：,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G

45、TR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 。,1-82,1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,擎住效應或自鎖效應：,IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件 。,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。,反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）,最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。,正偏安全工作區(qū)（FBSOA）,動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。 擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。,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)的橫向空穴電流會在該電

46、阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。,1-83,1.5 其他新型電力電子器件,1.5.1 MOS控制晶閘管MCT 1.5.2 靜電感應晶體管SIT 1.5.3 靜電感應晶閘管SITH 1.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT 1.5.5 功率模塊與功率集成電路,1-84,1.5.1 MOS控制晶閘管MCT,MCT結合了二者的優(yōu)點： 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

47、MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。 其關鍵技術問題沒有大的突破，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。,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復合(DATASHEET),1-85,1.5.2 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

48、備中得到廣泛應用。,SIT（Static Induction Transistor）結型場效應晶體管,1-86,1.5.3 靜電感應晶閘管SITH,SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，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。,SITH（Static Induction Thyristor）場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）,1-87,1.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT,20世紀90

49、年代后期出現(xiàn)，結合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關速度快10倍。 可省去GTO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。 目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。 DATASHEET 1 2,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）,1-88,1.5.5 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。 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡

50、化對保護和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、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（Power Integrated CircuitPIC）。 DATASHEET,基本概念,1-89,1.5.5 功率模塊與功率集成電路,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。 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。 智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也

51、稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。,實際應用電路,1-90,1.5.5 功率模塊與功率集成電路,功率集成電路的主要技術難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應用場合。 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。 功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。,發(fā)展現(xiàn)狀,1-91,1.6 電力電子器件器件的驅動,1.6.1 電力電子器件驅動電路概述 1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路 1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,1-92,1.6.1 電力電子器件驅動電路概述,使電力電子器件工

52、作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗。 對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現(xiàn)。 驅動電路的基本任務： 按控制目標的要求施加開通或關斷的信號。 對半控型器件只需提供開通控制信號。 對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。,驅動電路主電路與控制電路之間的接口,1-93,1.6.1 電力電子器件驅動電路概述,驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器,圖1-25 光耦合器的類型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c)

53、高傳輸比型,1-94,1.6.1 電力電子器件驅動電路概述,按照驅動信號的性質分，可分為電流驅動型和電壓驅動型。 驅動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路。 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路。 為達到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產廠家專門開發(fā)的集成驅動電路。,分類,1-95,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,作用：產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。 晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求： 脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。 觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度。 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。 有良好的抗干擾性能、

54、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。,t,圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度 IM強脈沖幅值（3IGT5IGT） t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）,晶閘管的觸發(fā)電路,1-96,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,V1、V2構成脈沖放大環(huán)節(jié)。 脈沖變壓器TM和附屬電路構成脈沖輸出環(huán)節(jié)。 V1、V2導通時，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。,圖1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電路,常見的晶閘管觸發(fā)電路,1-97,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,(1) GTO GTO的開通控制與普通晶閘管相似。 GTO關斷控制需施加

55、負門極電流。,圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形,1) 電流驅動型器件的驅動電路,正的門極電流,5V的負偏壓,GTO驅動電路通常包括開通驅動電路、關斷驅動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。,1-98,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,直接耦合式驅動電路可避免電路內部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿。 目前應用較廣，但其功耗大，效率較低。,圖1-29 典型的直接耦合式GTO驅動電路,1-99,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。 關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減

56、小關斷時間和關斷損耗。 關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。,圖1-30 理想的GTR基極驅動電流波形,(2) GTR,1-100,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,GTR的一種驅動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。,圖1-31GTR的一種驅動電路,驅動GTR的集成驅動電路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。,1-101,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件。 為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。 使MOSFET開通的驅動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅動電壓一

57、般15 20V。 關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。 在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。,2) 電壓驅動型器件的驅動電路,1-102,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,(1) 電力MOSFET的一種驅動電路： 電氣隔離和晶體管放大電路兩部分,圖1-32電力MOSFET的一種驅動電路,專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。,1-103,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,(2) IGBT的驅動,圖1-33M

58、57962L型IGBT驅動器的原理和接線圖,常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。,多采用專用的混合集成驅動器。,1-104,1.7 電力電子器件器件的保護,1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護 1.7.2 過電流保護 1.7.3 緩沖電路,1-105,1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護,外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因 操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起 雷擊過電壓：由雷擊引起 內因過電壓：主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件

59、反并聯(lián)的二極管在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。 關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。,電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內因過電壓,1-106,1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護,過電壓保護措施,圖1-34過電壓抑制措施及配置位置 F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容 RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路 RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路 RC4直流側RC抑制電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路,電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。 其中RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。,1-107,1.7.2 過電流保護,過電流過載和短路兩種情況 保護措施,同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性。 電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分 區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。,圖1-37過電流保護措施及配置位置,1-108,1.