《電力電子器件》PPT課件.ppt

1、第1章 電力電子器件 1.1 電力電子器件概述 1.2 電力二極管 1.3 晶閘管 1.4 絕緣柵雙極晶體管 1.5 電力電子器件的新發(fā)展 1.6 電力電子器件的應(yīng)用問(wèn)題,1.1 電力電子器件概述,1.1.1 電力電子器件的主要特征 1.1.2 電力電子器件的分類,2/109,1.1.1 電力電子器件的主要特征,電力電子器件一般工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),導(dǎo)通（通態(tài)）時(shí)器件阻抗很小，接近于短路，管壓降 接近于零，而電流由外電路決定； 阻斷（斷態(tài)）時(shí)器件阻抗很大，接近于斷路，電流幾 乎為零，而器件兩端的電壓由外電路決定。 工作特性接近于普通電力開(kāi)關(guān)，因此常將電力電子器 件稱為電力電子開(kāi)關(guān)。 電路分析時(shí)用理想

2、開(kāi)關(guān)代替。,電力電子器件一般需要專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路,性能良好的驅(qū)動(dòng)電路可使電力電子器件工作于最佳的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。,3/109,1.1.1 電力電子器件的主要特征,電力電子器件處理電功率的能力強(qiáng),電力電子器件所能處理電功率的大小即其承受電壓和電流的能力，額定電壓和額定電流是其最重要的參數(shù)。其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。,電力電子器件使用中一般要進(jìn)行保護(hù),半導(dǎo)體器件承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力較弱。實(shí)際應(yīng)用中，除選擇電力電子器件時(shí)要留有足夠的安全裕量外，還必須根據(jù)實(shí)際情況采取一定的過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)措施。,4/109,1.1.1 電力電子器件的主要特征,電力電子器件

3、一般需要安裝散熱器,圖2-3-3晶閘管的散熱器 （a）自冷（b）風(fēng)冷（c）水冷,5/109,1.1.1 電力電子器件的主要特征,電力電子器件一般需要安裝散熱器,電力電子器件自身的功率損耗通常遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般需要安裝散熱器。,電力電子器件的功率損耗： 通態(tài)損耗 功率損耗的主要成因 斷態(tài)損耗 開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，可能成為器件功率 損耗的主要因素。 開(kāi)通損耗 關(guān)斷損耗,6/109,1.1.2 電力電子器件的分類,按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度,半控型器件 晶閘管 晶閘管派生器件 全控型器件 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 電力晶體管（GTR）、 電力場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、

4、 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等等 不可控器件 整流二極管,7/109,1.1.2 電力電子器件的分類,按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況,單極型器件 電力MOSFET 靜電感應(yīng)晶體管（SIT） 雙極型器件 電力二極管 晶閘管 GTO GTR 靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）等 復(fù)合型器件 IGBT,8/109,1.1.2 電力電子器件的分類,按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì),電流驅(qū)動(dòng)型控制功率較大、控制電路復(fù)雜、工作頻率較低，但容量較大。 晶閘管 GTO GTR 電壓驅(qū)動(dòng)型驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制功率小、工作頻率高、性能穩(wěn)定，是電力電子器件的重要發(fā)展方向 電力MOSFET IGBT,9/109,1.2

5、電力二極管,1.2.1 電力二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理 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,10/109,1.2.1 電力二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理,電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管相同,圖1-1 電力二極管的外形、基本結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào) (a)螺栓型(b)平板型(c)基本結(jié)構(gòu)(d)電氣圖形符號(hào),螺栓型， （200A以下）,平板型， （200A以上）,陽(yáng)極,陰極,以半導(dǎo)體 PN結(jié)為基礎(chǔ) 具有單向?qū)ㄌ匦?11/109,1.2.1 電力二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理,電力二極管區(qū)別于信息電子二極管的主要特征：,圖1-2 電力

6、二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖,承受高電壓、大電流,電力二極管承受高電壓、大電流的原因,電力二極管大都是垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)而非橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu),在 P區(qū)和N區(qū)之間多 了一層低摻雜 N 區(qū) (用 N- 表示) ，也稱 為漂移區(qū),12/109,1.2.1 電力二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理,電力二極管電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) ( Conductivity Modulation ),低摻雜N區(qū)電阻率高，對(duì)電力二極管的正向?qū)ú焕?電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：,正向電流較小時(shí)，二極管的電阻主要是作為基片的 低摻雜 N 區(qū)的歐姆電阻，阻值較高且為常量，管壓 降隨正向電流的上升而增加; 正向電流較大時(shí)，由 P 區(qū)注入并積累在低摻雜 N區(qū) 的少子空穴濃度將

7、很大，為了維持半導(dǎo)體的電中性 條件，其多子濃度也相應(yīng)大幅增加，使其電阻率明 顯下降，即電導(dǎo)率大大增加。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電力二極管在正向電流較大時(shí)壓降 維持在1 V左右。,13/109,1.2.2 電力二極管的基本特性,靜態(tài)特性,主要是指其伏安特性,圖1-3 電力二極管的伏安特性,14/109, UUTO (門(mén)檻電壓) ，正向電流 才開(kāi)始 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 U0，只有少子引起的微小而恒定的 反向漏電流。P N 結(jié)具有一定的反向 耐壓能力, 反向電壓過(guò)大時(shí)反向 電 流急劇 增大, 反向擊穿。 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿 熱擊穿。,1.2.2 電力二極管的基本特性,動(dòng)態(tài)特性,電力二極管的

8、PN結(jié)也存在電容效應(yīng) 勢(shì)壘電容 PN結(jié)加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度隨外加電 壓 的大小而改變，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而變。 擴(kuò)散電容,圖1-4 電力二極管PN結(jié)兩側(cè) 少數(shù)載流子濃度分布情況,15/109,PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通時(shí)，大量載流子流過(guò) PN結(jié)形 成正向擴(kuò)散 ( 導(dǎo)通)電流，同時(shí)產(chǎn)生 少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng),1.2.2 電力二極管的基本特性,動(dòng)態(tài)特性,16/109,結(jié)電容的存在，電力二極管在零偏置、正向偏置、反向偏置三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，必然經(jīng)歷過(guò)渡過(guò)程。,過(guò)渡過(guò)程中，PN 結(jié)的一些區(qū)域需要一定時(shí)間來(lái)調(diào)整其電狀態(tài)，其伏-安特性是隨時(shí)間變化的電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，通常專指反映通態(tài)和斷態(tài)之

9、間轉(zhuǎn)換過(guò)程 的開(kāi)關(guān)特性。 掌握下述概念有助于理解動(dòng)態(tài)特性,少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),1.2.2 電力二極管的基本特性,動(dòng)態(tài)特性,開(kāi)通過(guò)程,圖1-5 電力二極管開(kāi)通過(guò)程的電壓、電流,關(guān)斷過(guò)程,圖1-6 電力二極管關(guān)斷過(guò)程的電壓、電流,17/109,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),正向平均電流IF(av),電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度和散熱條 件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。,圖1-7 電力二極管關(guān)斷過(guò)程的電壓、電流,18/109,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),之所以對(duì)電流大小進(jìn)行限制，是因?yàn)殡娏鞯臒嵝?yīng)。 電流所產(chǎn)生熱量的大小由其有效值決定。 設(shè)正向平均電

10、流IF(av)對(duì)應(yīng)的有效值為I，電力二極管流 過(guò)的實(shí)際電流有效值為ID,二極管電流為非工頻正弦半波電流時(shí)其額定電流的確定,I = ( 1.5 2 ) ID,工頻正弦半波電流有效值和平均值的關(guān)系,I =（/2）Iav = 1.57 Iav,額定電流選擇原則,IF(av) = ( 1.5 2 ) ID /1.57,( 1 -1 ),( 1 -4 ),( 1 -5 ),19/109,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),在指定溫度下，電力二極管流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向 電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降,正向壓降UF,電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常 是其雪崩擊穿電壓UB 的2/3, 用URRM標(biāo)稱電力二

11、極管的額定電壓UDN,反向重復(fù)峰值URRM,UDN = ( 2 3 ) URM,( 1 -6 ),URM：電力二極管在電路中可能承受的最高反向電壓,20/109,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),在 PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度, 通常在125 175 之間,最高工作結(jié)溫 TJM,從電力二極管的正向電流降到 0 開(kāi)始，由少數(shù)載流子 的存儲(chǔ)效應(yīng)產(chǎn)生反向電流，到反向電流及其變化率均 降至接近于0 的時(shí)間,反向恢復(fù)時(shí)間trr,電力二極管所能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周 期的過(guò)電流,浪涌電流 IFSM,21/109,1.2.4 電力二極管的主要類型,普通整流二極管 多用于1kHz以

12、下的整流電路中。 反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為 25s 幾百s 額定電壓、額定電流可達(dá)數(shù) kV、數(shù) kA。 快恢復(fù)二極管 適用于高頻下的斬波和逆變電路中的整流或續(xù)流 反向恢復(fù)時(shí)間很短，一般 25s 用外延法制造的二極管反向恢復(fù)時(shí)間 100ns， 稱作超快恢復(fù)二極管。 肖特基二極管 是以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管 反向恢復(fù)時(shí)間很短，一般10 40 ns間 正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管 其弱點(diǎn)：反向耐壓較低、漏電流較大且對(duì)溫度敏感, 反向損耗不能忽視。,22/109,1.3 晶閘管,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理 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

13、 晶閘管的派生器件,23/109,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理,晶閘管的結(jié)構(gòu),圖1-9 晶閘管的外形 ( a )小電流塑封型 ( b )小電流螺栓型; ( c )大電流螺栓型 ( d )平板型,螺栓型， （200A以下）,平板型， （200A以上）,陽(yáng)極,陰極,圖1-8 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和 電氣圖形符號(hào) ( a )內(nèi)部結(jié)構(gòu) ( b )電氣圖形符號(hào),門(mén)極,24/109,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理,晶閘管的散熱器,圖1-10 晶閘管的散熱器 ( a )自冷 ( b )風(fēng)冷 ( c )水冷,25/109,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理,晶閘管的工作原理,圖1-11 晶閘管工作原理實(shí)

14、驗(yàn)電路,反復(fù)的試驗(yàn)結(jié)果表明: 晶閘管的導(dǎo)通條件： 陽(yáng)極加正向電壓， 門(mén)極加正向電壓， 即 UF 0 , UF 0 。,晶閘管的關(guān)斷條件: 利用外加電壓和外電路的作用，使陽(yáng)極電流降到接 近于零的某一數(shù)值以下。,晶閘管導(dǎo)通后，門(mén)極電壓不起作用。 門(mén)極電壓只能控制晶閘管的導(dǎo)通,不能控制其關(guān)斷。 晶閘管稱為半控型器件。,26/109,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理,晶閘管其它可能導(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(guò)高; 結(jié)溫過(guò)高; 光直接照射硅片，即光觸發(fā)。 上述情況只有光觸發(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，其他都因不

15、易 控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。 只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,27/109,1.3.2 晶閘管的基本特性,晶閘管的伏安特性,圖1-13 晶閘管的伏安特性,28/109,1.3.2 晶閘管的基本特性,晶閘管的伏安特性,正向特性 正向阻斷狀態(tài) IG= 0時(shí)，依靠增大陽(yáng)極電 壓而強(qiáng)迫晶閘管導(dǎo)通的方 式稱為“ 硬開(kāi)通” , 多次 “硬開(kāi)通”會(huì)使晶閘管損壞 正向?qū)顟B(tài) 晶閘管由正向?qū)ɑ謴?fù)關(guān)斷，只有逐步減小陽(yáng)極電流 IA，至維持電流以下。 反向特性 阻斷狀態(tài) 反向擊穿（會(huì)造成晶閘管永久性損壞）。,圖1-13 晶閘管的伏安特性( IG2 IG1 0 ),29/109,1.3.2 晶閘管的基本

16、特性,晶閘管的開(kāi)關(guān)特性,開(kāi)通過(guò)程 td ：延遲時(shí)間 0.51.5s 管子內(nèi)部正反饋 的建立需要時(shí)間 tr ：上升時(shí)間 0.5 3s tgt ：開(kāi)通時(shí)間 tgt = td + tr 約為6s tgt與觸發(fā)脈沖的大 小、陡度、結(jié)溫以及主回路中的電感量等因素有關(guān)。 一般要求觸發(fā)脈沖的寬度稍大于tgt,圖1-14 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電壓和電流波形,30/109,1.3.2 晶閘管的基本特性,晶閘管的開(kāi)關(guān)特性,關(guān)斷過(guò)程 外電路電感的存在 trr：反向阻斷 恢復(fù)時(shí)間 tgr：正向阻斷 恢復(fù)時(shí)間 tq ：關(guān) 斷時(shí)間 tq = trr + tgr 數(shù)百s,圖1-14 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電壓和電流波形,

17、31/109,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),額定電壓UVN,斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 門(mén)極開(kāi)路及額定結(jié)溫下, 允許重復(fù)施加于晶閘管陽(yáng) 極和陰極之間的正向峰值 電壓 反向重復(fù)峰值電壓URRM 門(mén)極開(kāi)路及額定結(jié)溫下,允 許重復(fù)施加于晶閘管陽(yáng)極和陰極之間的反向峰值電壓 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:,圖1-13 晶閘管的伏安特性( IG2 IG1 0 ),32/109,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),額定電壓UVN,額定電壓UVN: 取晶閘管的UDRM和URRM中較小的一個(gè)標(biāo)值, 作為該 器件的額定電壓。 考慮安全裕量,UVN =( 23 ) UAKM,( 1 -8 ),UAKM：晶閘管在電路中可能承受的最大 正向陽(yáng)

18、極電壓、最大反向陽(yáng)極電 壓中較大的一個(gè),33/109,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),額定電流IV(av),晶閘管在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定 結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 流過(guò)晶閘管的電流非工頻正弦半波電流時(shí)，考慮安全 裕量：,IV(av) = ( 1.5 2 ) IT /1.57,( 1 -9 ),IT: 晶閘管流過(guò)的實(shí)際電流有效值,34/109,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),額定電流IV(av),【 例2 - 2 】晶閘管流過(guò)如圖1-15所示波形的電流，試確定晶閘管的額定電流。,35/109,圖1-15 例 2 - 2 電流波形,解：流過(guò)晶閘

19、管電流的有效值為,按標(biāo)準(zhǔn)電流等級(jí)，取額定電流為70A。,= 64.485.9A,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),維持電流IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般數(shù)十 數(shù) 百mA。 結(jié)溫越高，IH 越小。 擎住電流IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(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(lái)說(shuō)，通常 IL約為 2 4 IH。 浪涌電流ITSM 由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不 重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。,36/109,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),通態(tài) ( 峰值)電壓UTM 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。 斷態(tài)電壓臨界上升率 du / dt

20、 在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的條件下，使晶閘管保持?jǐn)鄳B(tài) 所能承受的最大電壓上升率。 通態(tài)電流臨界上升率 di / dt 在規(guī)定條件下，用門(mén)極觸發(fā)信號(hào)使晶閘管導(dǎo)通時(shí)，晶 閘管能夠承受而不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率,37/109,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),38/109,1.3.4 晶閘管的派生器件,快速晶閘管,雙向晶閘管 可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)連接 的普通晶閘管的集成,圖1 - 1 6 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 ( a )電氣圖形符號(hào) ( b )伏安特性,39/109,1.3.4 晶閘管的派生器件,逆導(dǎo)晶閘管 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。無(wú)承受反向 電壓的能

21、力。 與普通晶閘管相比，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), 可用于不需要阻斷反向電 壓的電路中,圖1 - 1 7 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào) 和伏安特性 ( a )電氣圖形符號(hào) ( b )伏安特性,40/109,1.3.4 晶閘管的派生器件,光控晶閘管 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。 目前在高壓大功率的場(chǎng)合 (如高壓直流輸電和高壓 核聚變裝置)中占據(jù)重要的 地位,圖1 - 1 8 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 ( a )電氣圖形符號(hào) ( b )伏安特性,41/109,1.4 絕緣柵雙極晶體管,1.4.1 絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)

22、及工作原理 1.4.2 絕緣柵雙極型晶體管的靜態(tài)特性和動(dòng) 態(tài)特性 1.4.3 絕緣柵雙極型晶體管的主要參數(shù) 1.4.4 絕緣柵雙極型晶體管的模塊結(jié)構(gòu) 1.4.5 絕緣柵雙極型晶體管設(shè)計(jì)、使用和保 管中的注意事項(xiàng) 1.4.6 其他全控型電力電子器件,42/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, IGBT，Insulated-Gate Bipolar Transistor， 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 是由GTR (Giant Transistor ，電力晶體管)和Power MOSFET (電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管)取長(zhǎng)補(bǔ)短適當(dāng)結(jié)合而成的復(fù) 合器件 GTR,20世紀(jì)80年代是GTR發(fā)展和應(yīng)用的全

23、盛期，尤其是電壓 等級(jí)AC200 400V、功率等級(jí)數(shù)kW 數(shù)百kW的各類逆 變電源、變頻調(diào)速器、UPS等主要選用GTR。隨著IGBT 的興起，目前 GTR作為大功率開(kāi)關(guān)器件的地位已逐步被 IGBT 所取代。,43/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, GTR,GTR 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單元并聯(lián)而成。 單管的GTR結(jié)構(gòu)與普通的雙極結(jié)型晶體管類似。多采用 NPN結(jié)構(gòu)，共發(fā)射極接法。,圖1 - 1 9 GTR 的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) ( a )內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 ( b )電氣圖形符號(hào) ( c )內(nèi)部載流子的流動(dòng),4

24、4/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, GTR,GTR的二次擊穿現(xiàn)象 GTR的C-E極間最高電壓UCEO又稱為一次擊穿電壓 發(fā)生一次擊穿時(shí)集電極電流迅速增加，這種擊穿一 般是雪崩擊穿。如果有外接電阻限制電流的增長(zhǎng)， 一般不會(huì)引起 GTR 特性變壞。,發(fā)生一次擊穿后，若集電極電流沒(méi)有得到外接電阻的限制而繼續(xù)增加，在電流增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，集電極電壓突然降低，產(chǎn)生工作點(diǎn)向低阻抗區(qū)高速移動(dòng)的負(fù)阻現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為 GTR 的二次擊穿。,圖1 2 0 GTR 的二次擊穿特性,45/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, GTR,GTR的安全工作區(qū) 最高C-E極電壓UCEM 、 最大

25、集電極電流I CM 、 最大集電極耗散功率 PCM 、 二次擊穿臨界線， 規(guī)定了 GTR 的安 全工作區(qū) ( Safe Operating Area，SOA),圖1 2 1 GTR 的安全工作區(qū),46/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, Power MOSFET Power MOSFET 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) Power MOSFET中，主要是 N 溝道增強(qiáng)型。 其結(jié)構(gòu)大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，以提高器件的耐壓 和耐電流能力。 為多元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由許多個(gè)小MOSFET 元 組成。,圖1 2 2 電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) ( a )內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 ( b )電氣圖形符號(hào)

26、,47/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, Power MOSFET Power MOSFET 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 導(dǎo)通時(shí)只有多子參與導(dǎo)電，屬單極型晶體管。無(wú)少 數(shù)載流子導(dǎo)電所需的存儲(chǔ)時(shí)間，因此具有較高的開(kāi) 關(guān)速度，工作頻率可達(dá)100 k Hz以上( 是目前電力電 子器件中開(kāi)關(guān)速度最高的) 。 一般不存在二次擊穿問(wèn)題,48/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, Power MOSFET 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 轉(zhuǎn)移特性：漏極直流電流ID 和柵源間電壓UGS的關(guān)系。 它反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系 輸出特性：漏極伏安特性,圖1 2 3 電力 MOSFET 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 ( a

27、 )轉(zhuǎn)移特性 ( b )輸出特性,49/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, Power MOSFET 開(kāi)關(guān)特性 電力 MOSFET 內(nèi)寄生著兩種類型的電容: 與 MOS 結(jié)構(gòu)有關(guān)的 MOS 電容，如CGS、CGD; 與 PN 結(jié)有關(guān)的電容，如CDS。 極間電容的充放電影響了Power MOSFET的開(kāi)通、關(guān)斷,圖1 2 4 電力 MOSFET 的極間電容等效電路,圖1 2 5 電力 MOSFET 開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓波形,50/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTR： 雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通 流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較慢，

28、所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 Power MOSFET： 單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱 穩(wěn)定性好， 所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 IGBT： Power MOSFET和GTR相互取長(zhǎng)補(bǔ)短適當(dāng)結(jié)合而成的 復(fù)合型器件。,51/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理,圖1 2 6 IGBT的基本結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào) （a）基本結(jié)構(gòu) （b）簡(jiǎn)化等效電路 （c）電氣圖形符號(hào),集電極,發(fā)射極,門(mén)(柵)極,IGBT 比 PowerMOSFET 多一層P+注入?yún)^(qū)，形成大面積 PN結(jié)J1，使IGBT導(dǎo)通時(shí)由于J1結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用，具 有很強(qiáng)的通

29、流能力。,52/109,1.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理, IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與PowerMOSFET基本相同，是一種場(chǎng) 控器件，其開(kāi)通和關(guān)斷由門(mén)射極電壓UGE決定 UGEUT (開(kāi)啟電壓) 時(shí)，Power MOSFET 內(nèi)部形成溝 道，并為晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。 由于PN結(jié) J1 的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使 IGBT 的通態(tài)壓降比 Power MOSFET更小 UGE為負(fù)或不加信號(hào)時(shí)，PowerMOSFET內(nèi)的溝道消失， 晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。 UGE 為負(fù)時(shí)，J1 結(jié)處于反向偏置，類似于反偏二極管， 器件呈反向阻斷狀態(tài)。說(shuō)明IGBT具

30、有反向阻斷能力。,53/109,1.4.2 IGBT的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性, IGBT的靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性：描述 IC 與 UGE 間的關(guān)系， 與 Power MOSFET的轉(zhuǎn)移特性類似。 輸出特性(也稱伏安特性) ：描述以UGE為參考變量時(shí)， IC 與UCE間的關(guān)系。 與GTR的輸出特性相似。,圖1 2 7 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 （a）轉(zhuǎn)移特性 （b）輸出特性,54/109,1.4.2 IGBT的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性, IGBT的靜態(tài)特性 開(kāi)啟電壓UGE(th)：IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低UGE。 UGE(th)隨溫度升高而略有下降，溫度每升高1C，其值 下降5mV左右。+25C

31、時(shí)，UGE(th ) 一般為26V。 IGBT輸出特性也分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)、 飽和區(qū)，uCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。,圖1 2 7 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 （a）轉(zhuǎn)移特性 （b）輸出特性,電力電子電路中，IGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。,55/109,1.4.2 IGBT的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性, IGBT的動(dòng)態(tài)特性 IGBT開(kāi)通運(yùn)行時(shí)，其電流、 電壓波形與Power MOSFET 開(kāi)通時(shí)波形相似。 IGBT關(guān)斷運(yùn)行時(shí)， 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)由IGBT 中MOSFET決定， tfi1由該MOSFET的關(guān)斷過(guò) 程決定，較快； tfi2由器

32、件內(nèi)的PNP型晶體 管中存儲(chǔ)電荷決定，較長(zhǎng)。,圖1 2 8 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程,56/109,1.4.2 IGBT的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性, IGBT的動(dòng)態(tài)特性 IGBT中雙極型PNP晶體管 帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處， 引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，使IGBT的開(kāi)關(guān)速度 Power MOSFET。,57/109,1.4.3 IGBT的主要參數(shù), IGBT的主要參數(shù) 集電極-發(fā)射極阻斷電壓UCES：柵極-發(fā)射極短路情況下， 允許的斷態(tài)集電極-發(fā)射極最高電壓。 目前三菱的IGBT最高耐壓的是6500V 柵極-發(fā)射極電壓UGES：集電極-發(fā)射極短路情況下，允 許的柵極-發(fā)射極最高電壓。 集電極電流IC：最大允許的

33、直流電流。 三菱 IGBT 6500V系列最大電流為1200A， 1700V系列最大電流是2400A。 集電極峰值電流ICM：最大允許的集電極峰值電流 (Tj150)。 集電極功耗PC：在25條件下，每個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)最大允 許的功率損耗。,58/109,1.4.3 IGBT的主要參數(shù), IGBT的主要參數(shù) 續(xù)流二極管電流：最大允許的直流續(xù)流二極管電流。 續(xù)流二極管峰值電流：最大允許的峰值續(xù)流二極管電 流( Tj150) 。 結(jié)溫Tj：工作期間IGBT的結(jié)溫。 儲(chǔ)存溫度Tstg：無(wú)電源供應(yīng)下的允許溫度。 絕緣耐壓UISO：所有外接端子短路條件下，基板與模 塊端子間最大絕緣電壓。 扭矩F：端子-固

34、定螺栓間最大允許扭矩。,59/109,1.4.3 IGBT的主要參數(shù), IGBT的主要參數(shù),表1-4-1 富士2MB100-120 的最大額定值（Tc25）,60/109,1.4.3 IGBT的主要參數(shù), IGBT的參數(shù)特性 開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。 1000V以上時(shí)，IGBT的開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與 電力MOSFET相當(dāng)。 在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū) 比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 高壓時(shí)IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在 電流較大的區(qū)域。 IGBT輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。 與電力MOSFET和GTR相比，IG

35、BT的耐壓和通流能力 還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。,61/109,1.4.3 IGBT的主要參數(shù), IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) IGBT結(jié)構(gòu)中寄生著PNPN四層結(jié) 構(gòu)即晶閘管 P區(qū)的橫向電流會(huì)在體區(qū)電阻Rbr 上產(chǎn)生一定壓降。 擎住效應(yīng)： IC大到一定程度時(shí)， Rbr上的正偏壓足以使NPN型晶 體管導(dǎo)通，進(jìn)而使NPN和PNP 型晶體管互鎖，進(jìn)入飽和狀態(tài)， 寄生晶閘管開(kāi)通，門(mén)極失去控制 作用。,圖1 2 9 IGBT的寄生晶閘管 等效電路,62/109,1.4.3 IGBT的主要參數(shù), IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 產(chǎn)生擎住效應(yīng)的原因 IC ICM ，產(chǎn)生靜態(tài)擎住效應(yīng)。

36、IGBT關(guān)斷時(shí)， 由于tfi1階段總電流下降很快而產(chǎn)生 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。 溫度過(guò)高。 避免發(fā)生擎住效應(yīng)的措施 限制 IC不超過(guò)ICM 。 加大門(mén)極電阻RG延長(zhǎng)IGBT的關(guān)斷時(shí)間。 IGBT的安全工作區(qū)：最大集電極電流、最大集射極間 電壓、最大集電極功耗確定了IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的 參數(shù)極限范圍，即正向偏置安全工作區(qū)(Forward Biased Safe Operating Area，F(xiàn)BSOA) 。,63/109,1.4.4 IGBT的模塊結(jié)構(gòu),圖1 3 部分IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （a）（e）為一單元封裝模塊 （f）（g）為兩單元封裝模塊 （h）四單元封裝模塊 （i）六單元封裝模塊 （j）

37、帶單相整流橋的六單元封裝模塊 （k）同時(shí)帶有溫度傳感器、直流側(cè)電流傳感器及獨(dú)立三相整流橋的六單元封裝模塊,64/109, 部分IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,1.4.5 IGBT設(shè)計(jì)、使用和保管中的注意事項(xiàng), IGBT門(mén)極電路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng) 正向驅(qū)動(dòng)電壓UGE，一般應(yīng)在1218V之間，應(yīng)用中推薦 UGE15V，允許波動(dòng)率小于10%。 負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓-UGE ，應(yīng)不小于5V，以有效避免管子的誤導(dǎo) 通。 門(mén)極電阻RG 管子導(dǎo)通時(shí)，RG可減小集電極電流上升率dic/dt，防止 門(mén)極電流振蕩； 管子關(guān)斷時(shí)，RG可減小集電極電壓上升率du/dt，避免 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)的發(fā)生。 RG會(huì)增大IGBT的開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間，增加

38、IGBT開(kāi)關(guān)損 耗。應(yīng)根據(jù)IGBT的電壓、電流定額，選擇合適的RG。,65/109,1.4.5 IGBT設(shè)計(jì)、使用和保管中的注意事項(xiàng), IGBT門(mén)極電路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng) 門(mén)極電阻RG,表1-4 門(mén)極電阻RG的推薦值,圖1 3 3 IGBT的門(mén)極穩(wěn)壓保護(hù),門(mén)-射極間加一對(duì)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二 極管，鉗制UGE的突然上升，防止 門(mén)極絕緣層被擊穿。 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位 上嚴(yán)格隔離。可采用光耦合隔離或 磁隔離。,66/109,1.4.5 IGBT設(shè)計(jì)、使用和保管中的注意事項(xiàng), IGBT門(mén)極電路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng) 驅(qū)動(dòng)電路與IGBT之間的引線應(yīng)為采用雙絞合線或同軸 電纜屏蔽線，并應(yīng)盡量短，以減少寄

39、生電感。不同 IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)線不應(yīng)捆扎在一起。 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，具有對(duì)IGBT的保護(hù) 功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。,67/109,1.4.5 IGBT設(shè)計(jì)、使用和保管中的注意事項(xiàng), IGBT使用中的注意事項(xiàng) IGBT的柵極通過(guò)一層很薄的氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔 離。該氧化膜的擊穿電壓為2030V。靜電導(dǎo)致柵極擊 穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。 IGBT使用注意事項(xiàng) 盡量不用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，必須觸摸時(shí)，要先 將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再 觸摸。 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好 之前先不要接上模塊。 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在安裝或更換

40、IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與 散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。,68/109,1.4.5 IGBT設(shè)計(jì)、使用和保管中的注意事項(xiàng), IGBT保管中的注意事項(xiàng) 一般保存IGBT模塊的場(chǎng)所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不 應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為535，常濕的規(guī)定在45 75%左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕。 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合。 IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方。 不要在IGBT模塊上堆放重物。 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)不帶靜電。,69/109,1.4.6 其它全控型電力電子器件, GTO GTO是一種重要的全控型器件。 是晶閘管的一種派生器件，在晶閘管問(wèn)世后不

41、久出現(xiàn)。 商品化的GTO可以做到耐壓6kV，電流6kA的水平，目 前在特大功率的場(chǎng)合仍發(fā)揮重要作用。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與晶閘管相同，都是PNPN四層三端結(jié)構(gòu)。 和普通晶閘管不同的是：GTO是一種多元功率集成器件， 內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元胞，這些 GTO元胞的陰極和門(mén)極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，使器件 的功率可以達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值。,70/109,1.4.6 其它全控型電力電子器件, GTO,圖1 3 4 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) （a）各單元陰極、門(mén)極間隔排列的圖形 （b）并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 （c）電氣圖形符號(hào),需要指出的是，不少GTO都制成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶 閘管。當(dāng)需要承

42、受反向電壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使 用。,71/109,1.5 電力電子器件的新發(fā)展,1.5.1 功率晶閘管的新發(fā)展 1.5.2 新型大功率IGBT模塊電子注入增強(qiáng)柵 晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor， IEGT） 1.5.3 MOS控制晶閘管（MOS Controlled Thyristor， MCT） 1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型電力電子 器件 1.5.5 功率集成電路與集成電力電子模塊,72/109,1.5.1 功率晶閘管的新發(fā)展,超大功率晶閘管 日本能穩(wěn)定生產(chǎn)8000V/4000A和6000V/6000A的光觸發(fā) 晶閘管(Ligh

43、t Triggered Thyristor，LTT)。 美國(guó)和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管 (ElectricTriggered Thyristor，ETT)。 2010年投運(yùn)的向家壩-上海800kV、6400MW特高壓 直流輸電工程的復(fù)龍站換流閥，應(yīng)用了8500V/4500A的 6英吋晶閘管。,73/109,1.5.1 功率晶閘管的新發(fā)展,理想電力電子器件應(yīng)具有理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性： 阻斷狀態(tài)時(shí)能承受高電壓； 導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降； 開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開(kāi)、關(guān)時(shí)間; 能承受高的di/dt和du/dt; 具有全控功能。 脈沖功率閉合開(kāi)關(guān)晶閘管(Pulse Power Cl

44、osing Switch Thyristor，PPCST） 特別適用于傳送極強(qiáng)的峰值功率(數(shù)MW)、極短的持續(xù)時(shí) 間(數(shù)百ns )的放電點(diǎn)火、電磁發(fā)射器和雷達(dá)調(diào)制器等。 能在數(shù) kV 的高壓下快速開(kāi)通，不需要放電電極; 具有很長(zhǎng)的使用壽命，體積小、價(jià)格較低; 可望取代目前尚在應(yīng)用的高壓離子閘流管、引燃管、火 花間隙開(kāi)關(guān)或真空開(kāi)關(guān)等。,74/109,1.5.1 功率晶閘管的新發(fā)展,新型GTO器件集成門(mén)極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT） 高功率的IGBT模塊和新型GTO派生器件IGCT，是 兩種常規(guī)的GTO替代品。 IGCT是20世紀(jì)

45、90年代后期出現(xiàn)的新型大功率器件。 IGCT的容量與普通GTO相當(dāng)，但開(kāi)關(guān)速度比普通GTO 快10倍。 可以簡(jiǎn)化普通GTO應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的緩沖電路。 所需的驅(qū)動(dòng)功率仍然很大。,75/109,1.5.2 新型大功率IGBT模塊電子注入增強(qiáng)柵晶 體管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT), IEGT IEGT是日本東芝公司近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的一種IGBT派生器 件。 綜合了IGBT的電壓驅(qū)動(dòng)、控制功率小、安全工作區(qū)寬、 開(kāi)關(guān)損耗小及GTO的輸出功率大、低通態(tài)壓降、載流子 密度高等優(yōu)點(diǎn)。 摒棄了IGBT的高飽和壓降、發(fā)射極載流子密度低及GTO 的安全工作區(qū)窄、

46、電流驅(qū)動(dòng)功率大、開(kāi)關(guān)損耗大等缺點(diǎn)。 額定容量已達(dá)到 3kA/4.5kV。 柵極驅(qū)動(dòng)功率比GTO小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，吸收回路的功耗為 GTO的1/10以下。,76/109,1.5.3 MOS控制晶閘管（MOS Controlled Thyristor，MCT）, MCT MCT是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。 MCT特點(diǎn) 承受高電壓、大電流、高載流密度、低通態(tài)壓降。 其通態(tài)壓降只有GTR的1/3左右，硅片的單位面積連續(xù) 電流密度在各種器件中是最高的。 可承受極高的du/dt、di/dt，使得其保護(hù)電路可以簡(jiǎn)化。 MCT的開(kāi)關(guān)速度超過(guò)GTR，開(kāi)關(guān)損耗也小。 MCT關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，

47、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。,77/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,硅 從整流二極管到晶閘管，再到IGBT，都是硅制造的器 件。 晶閘管問(wèn)世后的40多年里，人們對(duì)電力電子器件的研究 集中在對(duì)器件原理和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和創(chuàng)新，在材料的使用 上則始終沒(méi)有突破硅的范圍。 隨著硅材料和硅工藝的日趨完善，各種硅器件的性能逐 步趨近其理論極限，而電力電子技術(shù)的發(fā)展卻不斷對(duì)電 力電子器件的性能提出了更高的要求，尤其是希望器件 的功率和頻率能得到更高程度的兼顧。 越來(lái)越多的電力電子器件研究工作轉(zhuǎn)向了對(duì)應(yīng)用新型半 導(dǎo)體材料制造。 研究結(jié)果表明，就電力電子器件

48、而言，比較理想的材料 應(yīng)當(dāng)是寬禁帶半導(dǎo)體材料！,78/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,寬禁帶半導(dǎo)體材料 禁帶寬度在 3.0eV 及以上的半導(dǎo)體材料稱為寬禁帶半導(dǎo) 體材料。硅的禁帶寬度為1.12eV。 典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料： 碳化硅（SiC） 氮化鎵（GaN） 金剛石,79/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,碳化硅是一種性能優(yōu)越的材料 性能指標(biāo)較氮化鎵還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，與其他材料比較， 它具有 高禁帶寬度 高飽和電子漂移速度 高擊穿強(qiáng)度 低介電常數(shù) 高熱導(dǎo)率等特征 使用碳化硅制造的電力電子器件，有可能將半導(dǎo)體器件 的極限工作溫度提高

49、到600以上，至少可以在硅器件 難以承受的高溫下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。 額定阻斷電壓相同的前提下，碳化硅器件通態(tài)電阻很低， 工作頻率也比硅器件高 10 倍以上。 碳化硅器件在高溫、高頻、高功率容量的應(yīng)用場(chǎng)合是極 為理想的電力電子器件。,80/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管（SBD） 本世紀(jì)初，美國(guó)Cree 公司、德國(guó)Infineon 公司率先推 出耐壓600V、電流分別為12A和10A以下的系列產(chǎn)品。 最近，普渡大學(xué)制造出了阻斷電壓高達(dá)4.9kV 的4H-SiC SBD ，這是目前碳化硅SBD的最高水平。 市面上的SBD 最高耐壓可達(dá) 1200

50、V，最大電流可達(dá)20A。 碳化硅 SBD 器件具有預(yù)期的優(yōu)點(diǎn): 反向漏電流極小 幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)時(shí)間 高溫性能異常優(yōu)越 一些大公司在其IGBT 變頻或逆變裝置中采用碳化硅 SBD代硅SBD 。,81/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件的開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)在于能夠兼顧阻斷電壓和 通態(tài)電阻，而且結(jié)構(gòu)與硅場(chǎng)效應(yīng)器件沒(méi)有太大區(qū)別，因 而可以充分利用硅MOS 的成熟技術(shù)。 1994 年首次報(bào)道的碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件，耐壓只有260V， 2004 年其耐壓已經(jīng)達(dá)到了硅器件無(wú)法達(dá)到的10kV 水平， 2012年8月召開(kāi)的第44屆國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上，日本專家 介

51、紹了利用SiC電力電子器件研制的100kVA 的配電網(wǎng)靜 止同步補(bǔ)償器（D-STATCOM）。在無(wú)濾波器情況下利 用器件的高速開(kāi)斷能力得到了理想的電壓波形。,82/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,碳化硅IGBT 1999年才首見(jiàn)報(bào)道，阻斷電壓只有790V 的P溝道4H-SiC IGBT，且其通態(tài)壓降很高, 在電流密度為75 A/cm2時(shí)就 高達(dá)15V，這說(shuō)明碳化硅 IGBT 在阻斷電壓不高的情況 下，相對(duì)于硅場(chǎng)效應(yīng)器件沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì), 其優(yōu)越性只在 10kV 以上的高壓領(lǐng)域。 近年來(lái)，碳化硅高壓IGBT 的研發(fā)工作已有較大進(jìn)展， 目前遇到的主要困難在于：P溝道IG

52、BT的源極接觸電阻 偏高，而N溝道IGBT 又需要用P型碳化硅材料做襯底。 碳化硅IGBT 研發(fā)工作的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，還有待于材料和 工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。,83/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,84/109,碳化硅雙極型器件 碳化硅可以制造阻斷電壓很高的雙極型器件，如高壓二極 管、晶閘管等。 2000 年5 月，美國(guó)Cree 公司與日本關(guān)西電力公司(KEPCO) 聯(lián)合研制成功世界上第一只耐壓超過(guò)10kV的碳化硅PN結(jié) 二極管，其反向阻斷電壓為12.3kV，正向壓降在電流密度 為100 A/cm2時(shí)只有4.9V。 2001年，碳化硅二極管的阻斷電壓可達(dá)到20kV 水

53、平，相 應(yīng)的反向漏電流密度為2.7mA/cm2，正向壓降在電流密度 為100 A/cm2時(shí)只有6.5V。 2002年Sugawara等人研制成功了100 A/5200V 大功率碳化 硅PN結(jié)二極管, 在300和100 A正向電流下的壓降為4.2V。 利用碳化硅材料研制的晶閘管、GTO、GCT等器件近年來(lái) 均有相關(guān)報(bào)道，但這些器件離實(shí)際工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,碳化硅雙極型器件 硅晶閘管和碳化硅晶閘管性能比較。,表1-5 硅晶閘管和碳化硅晶閘管的主要參數(shù)比較,碳化硅晶閘管的耐壓比硅晶閘管的耐壓高得多，對(duì)于 耐壓200kV的單閥，需要硅晶閘管的

54、串聯(lián)數(shù)為67個(gè)， 而碳化硅晶閘管的串聯(lián)數(shù)僅為12個(gè)。 碳化硅晶閘管的額定結(jié)溫比硅晶閘管的額定結(jié)溫高得 多，可以極大地提高換流閥的電流容量，并極大地降 低對(duì)冷卻設(shè)備的要求。,85/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,碳化硅雙極型器件 硅晶閘管和碳化硅晶閘管性能比較。,表1-7 碳化硅晶閘管和硅晶閘管開(kāi)通損耗比較,表1-6 碳化硅晶閘管和硅晶閘管通態(tài)損耗比較,86/109,87/109,1.5.4 采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型 電力電子器件,碳化硅雙極型器件 硅晶閘管和碳化硅晶閘管性能比較。,表1-8 碳化硅晶閘管和硅晶閘管關(guān)斷損耗比較,碳化硅晶閘管的損耗要比硅晶閘管的

55、損耗低得多。 采用碳化硅等新型材料制造電力電子器件，預(yù)示在不 遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)誕生集高耐壓、大電流、高工作頻率、無(wú) 吸收電路、簡(jiǎn)單門(mén)極驅(qū)動(dòng)、低損耗等優(yōu)點(diǎn)于一身的新 型器件，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)“理想器件”的追求。,1.5.5 功率集成電路與集成電力電子模塊,功率集成器件（PID） 就器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言，功率MOSFET、IGBT和IGCT 都是PID，如一只IGBT是由105個(gè)單胞集成而來(lái)的。 就PID的外部結(jié)構(gòu)而言，早期卻都是分立式的，實(shí)用時(shí) 必須為每一個(gè)器件安置獨(dú)立的散熱器， 功率模塊（PM） 多個(gè)PID按電路拓?fù)浒仓迷谝黄鹨詷?gòu)成功率模塊(PM)， PM的外殼是導(dǎo)熱的絕緣體，因而可共用一個(gè)散熱器， 這就明顯

56、提高了電路的功率密度。 智能模塊（IPM） 模塊內(nèi)部除主電路功率器件之外嗎，還包含相應(yīng)的各種 接口電路、保護(hù)電路（含過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓和過(guò) 熱保護(hù)等保護(hù)）和驅(qū)動(dòng)電路。,88/109,1.5.5 功率集成電路與集成電力電子模塊,功率集成電路（PIC） 將控制電路也包含在IPM內(nèi)便稱為PIC 同一芯片上高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的有效處理，是功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)，短期內(nèi)難以有較大的突破。 電力電子電路的封裝集成 小功率情況下，將不同器件和電路通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的引線 或?qū)w連接起來(lái)并封裝在一起，稱為電力電子電路的封 裝集成。 封裝集成為處理高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和 散熱問(wèn)題提供了有效思路。目前最新的智能功率模塊產(chǎn) 品已大量用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車電子乃至高速子彈列車牽 引這樣的大功率場(chǎng)合。,89/109,90/109,1.6 電力電子器件的應(yīng)用問(wèn)題,1.6.1 電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 1.6.2 電力電子器件的保護(hù) 1.6.3 電力電子器件的散熱 1.6.4 電力電子器件的串并聯(lián),91/109,1.6.1 電力電子器件的驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電路的功能 將信息電子電路傳來(lái)