电力电子技术 第1章 电力电子器件1.ppt

1、电力电子技术 电子教案,第1章 电力电子器件,2,第1章 电力电子器件（4学时）,1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件电力二极管 1.3 半控型器件晶闸管 1.4 典型全控型器件 （POWER MOSFET、IGBT） 1.5 其他新型电力电子器件 （自学） 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用（自学）小结,3,本章内容和学习要点,掌握各种器件（电力二极管、晶闸管、IGBT和POWER MOSFET）的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题； 掌握电力电子器件的驱动、保护方法和了解串、并联使用； 了解电力电子

2、器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求； 最重要的是掌握其基本特性。,4,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类,5,1.1 电力电子器件概述,电力电子器件（power electronic device） 可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件； 主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 广义上分为两类:电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体

3、器件 (采用的主要材料仍然是硅),1.1.1 电力电子器件的概念和特征,6,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：(1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力是最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦（mW）级，大至兆瓦（GW）级, 大多都远大于处理信息的电子器件。,7,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态 导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。 阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。 电力电子器件的动态特性（也就是开关特

4、性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单往往用理想开关来代替。,8,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,(3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。 (4)为保证不致于因损耗产生的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 。,9,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗； 在器件开通

5、或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗； 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因； 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素； 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一。,10,1.1.2 应用电力电子器件的系统组成,电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,11,1.1.2 应用电力电子器件的系统组成,控制电路：按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能； 检测电路

6、：电压传感器PT、电流传感器CT； 电气隔离：通过光、磁等来传递信号； 保护电路：过压保护、过流保护；,12,电力电子装置结构图（正面内部）,13,电力电子装置结构图（背面内部）,14,电力电子装置结构图（控制部分）,15,电力电子装置结构图（主回路部分）,16,电力电子装置结构图（驱动与保护部分）,17,电力电子装置结构图（变压器部分）,18,开关磁阻电动机（SRM）定子、转子结构图,19,6/4极SRM剖面示意图,8/6极SRM剖面示意图,SRM磁场变化示意图,20,SRM控制系统原理图,SRM控制系统结构图,21,SRM控制系统主电路结构图,SRM控制系统主电路通断过程图,SRM运行中振

7、动示意图,22,SRM运行示意图,23,1.1.3 电力电子器件的分类,半控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）,不可控器件,电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。,通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。,晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,不能用控制信号来控制其

8、通断, 因此也就不需要驱动电路。,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,24,1) 电流驱动型,1) 单极型器件,2) 电压驱动型,通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制,仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制,2) 双极型器件,3) 复合型器件,由一种载流子参与导电的器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：,25,1.2 不可控器件电力二极管,1.2.1 PN结与电

9、力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,26,Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。,不可控器件电力二极管,1.2,27,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 以半导体PN结为基础 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装,图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)

10、 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,28,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。,图1-3 PN结的形成,扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。,交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间

11、电荷。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,29,PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。 PN结的反向截止状态PN结的单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。 PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,30,势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越

12、高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。,扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。,结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,31,造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引

13、线和器件自身的电感效应也会有较大影响。 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,32,1.2.2 电力二极管的基本特性,1. 静态特性 主要指其伏安特性,图1-4 电力二极管的伏安特性,当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,33,2. 动态特性,关断过程,开关特性,须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流

14、出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,反映通态和断态之间的转换过程,因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。,1.2.2 电力二极管的基本特性,34,开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 1V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。,2. 动态特性（续）,1.2.2 电力二极管的基本特性,3

15、5,延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示,图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,1.2.2 电力二极管的基本特性,返回,外电压、外电感,电导调制,抽取N区少子,外电感,36,1.2.3 电力二极管的主要参数,1. 正向平均电流IF(AV)在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值

16、相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小,37,电流平均值与有效值的计算1：,电流平均值：电流有效值：,书中p42 T3 计算方法可参照以上公式,38,电流平均值与有效值的计算2：,在正弦半波情况下，根据通态平均电流 IF(AV) 的定义，当电流的最大值为Im时，而正弦半波的电流有效值为：可见，在正弦半波情况下，电流有效值和平均值的比值为1.57倍。（注：书中p14 L17结论）,39,2. 正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的

17、正向压降 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降 3. 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,1.2.3 电力二极管的主要参数,40,4. 最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125175C范围之内。 5. 反向恢复时间trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。 6. 浪

18、涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,1.2.3 电力二极管的主要参数,41,1.2.4 电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。 在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。 性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。 1. 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。 正向电流定额和反向电压定额可以达

19、到很高，分别可达数千安和数千伏以上。,42,2. 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）,恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管 工艺上多采用了掺金措施 有的采用PN结型结构 有的采用改进的PiN结构 采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,

20、1.2.4 电力二极管的主要类型,43,3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管 20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用 肖特基二极管的弱点 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns） 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管 其开

21、关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,1.2.4 电力二极管的主要类型,44,1.3 半控器件晶闸管,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件,45,1.3 半控型器件晶闸管,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20世纪80年代以来，开

22、始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件,46,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间,图1-6 晶闸管的外形 a) 、 结构 b)和电气图形符号 c),与二极管的区别？,47,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管

23、模型 b) 工作原理,48,1.3.2 晶闸管的基本特性,1. 静态特性 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；伏安特性类似二极管的反向特性; 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通，或： （p42 T1 参考答案） 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用； 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。,49,1.3.2 晶闸管的基本特性,第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性 断态重复峰值电压 UDRM 反向重复峰值电压 URRM 正向转折电压 Ubo 维持电流 IH 断态不重复峰值电压UDSM 反向不重复峰值电压URSM,图1-8

24、晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,50,1.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端 门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的 晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。,51,1.3.2 晶闸管的基本特性,IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导

25、通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在1V左右 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。 （p42 T2 参考答案）,52,1.3.2 晶闸管的基本特性,2. 动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形,延迟时间td、上升时间tr、开通时间tgt td+ tr 反向阻断恢复时间trr、正向阻断恢复时间tgr、关断时间tq（tq=trr+tgr）,53,1.3.2 晶闸管的基本特性,1) 开通过程 延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间 上升时间tr：阳极电

26、流从10%上升到稳态值的90%所需的时间 开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr （1-6）普通晶闸管延迟时间为：0.51.5s，上升时间为：0.53s,54,1.3.2 晶闸管的基本特性,2) 关断过程 反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr （

27、1-7)）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,55,1.3.3 晶闸管的主要参数,1. 电压定额 1) 断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。 2) 反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 3) 通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍,56,1.3.3 晶闸管的主要参数,2. 电流定额1) 通态平均电流

28、IT(AV) 额定电流-晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管 应留一定的裕量，一般取1.52倍,57,1.3.3 晶闸管的主要参数,2) 维持电流 IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流（p42 T2 答案） 一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小 3) 擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍 4) 浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不

29、重复性最大正向过载电流,58,1.3.3 晶闸管的主要参数,3. 动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：(1) 断态电压临界上升率du/dt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率(2) 通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏,59,1.3.4 晶闸管的派生器件(自学）,1.快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，

30、高频晶闸管10s左右 2.双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多 3.逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件 4. 光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管,功率更大场合， 3.5kA / 8k

31、V ，装置最高达300MVA，容量最大,60,1.4 典型全控型器件,1.4.1 门极可关断晶闸管（自学）1.4.2 电力晶体管（自学）1.4.3 电力场效应晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管,61,1.4 典型全控型器件,20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代 典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管,62,1.4.3 电力场效应晶体管,1. 电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型当栅极

32、电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型,63,1.4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的工作原理图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过,绝缘栅,反型层P-N,漏极,源极,栅极,64,1.4.3 电力场效应晶体管,导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的

33、少子电子吸引到栅极下面的P区表面 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电,65,1.4.3 电力场效应晶体管,2. 电力MOSFET的基本特性 1) 静态特性图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs,饱和指漏源电压增加时漏极电流不再增加,66,1.4.3 电力场效应晶体管,MOSFET的漏极伏安特

34、性： 截止区 饱和区 非饱和区 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利,截止区 非饱和区,67,1.4.3 电力场效应晶体管,2) 动态特性图1-21 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻， RL负载电阻，RF检测漏极电流,: 从开启电压 上升到MOSFET进入非饱和区的栅压 这段时间称为上升时间,68,1.4.3 电力场效应晶体管,开通过程 开通延迟时间td(o

35、n) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段 上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段 iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定 UGSP的大小和iD的稳态值有关 UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和,69,1.4.3 电力场效应晶体管,关断过程 关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段 下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGSUT时沟道消失，iD下降到零为

36、止的时间段 关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,70,1.4.3 电力场效应晶体管,MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速 开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,71,1.4.3 电力场效应晶体管,3. 电力MOSFET的主要参数跨导Gfs、开

37、启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf，还有 1) 漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额 2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额 3) 栅源电压UGS 栅源之间的绝缘层很薄， UGS20V将导致绝缘层击穿 4) 极间电容极间电容CGS、CGD和CDS厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss,72,1.4.3 电力场效应晶体管,Ciss= CGS+ CGD （1-14） Crss= CGD （1-15） Coss= CDS+ CGD （1-16） 输入电容可近似用Ciss代替 这些电容都是非线性的

38、 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题， 这是它的一大优点 实际使用中仍应注意留适当的裕量,73,MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单,1.4.3 电力场效应晶体管,74,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备

39、的主导器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位，制造水平2.5kV / 1.8kA。,75,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,1. IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图1-22 IGBT的结构a) 、简化等效电路b)和电气图形符号c),N沟道VDMOSFET,向N区发射少子，对漂移区电导率调制，导电强,E,76,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的结构图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂

40、移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管RN为晶体管基区内的调制电阻,77,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断,78,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,2

41、. IGBT的基本特性1) IGBT的静态特性图1-23 IGBT的转移特性a)和输出特性b),开启电压,79,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似 开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V 输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态,80,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,2) IGBT的动态特性图1-24 IGBT的开关过程,开通延迟时间

42、td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton,MOSFET单独工作,81,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的开通过程：与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) 从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM止； 电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间；开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和 uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程,82,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,I

43、GBT的关断过程 关断延迟时间td(off) 从uGE后沿下降到其幅 值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM电流下降时间iC从90%ICM下降至10%ICM关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢,83,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数 3.

44、 IGBT的主要参数 1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2) 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗,84,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的特性和参数特点 (1) 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当 (2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击能力 (3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域 (4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 (5) 与MOSFET和

45、GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点,85,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,4. IGBT的擎住效应和安全工作区寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成 擎住效应或自锁效应：NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。原因：集电极电流过大（静态）， du/dt 过大（动态）。,图1-22 IGBT的结构a) 、简化等效电路b)和电气图形符号c),E,86,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,动态擎住效应比静态擎

46、住效应所允许的集电极电流小 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决安全工作区 正偏安全工作区（FBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定 反向偏置安全工作区（RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件,87,IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较：,88,作业,P42 题1、2、3、4、7、8和9其中：题7改成：驱动电路的作用、任务、隔离方法；晶闸管触发电路的要求，实现方法；IGBT、MOSFET驱动电路的特点。题9

47、只写IGBT和MOSFET 的优缺点。,89,补充概念,P25 一次击穿：电力电子器件在实际应用中集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速最大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要IC不超过与最大允许耗散功率相对应的限度，器件一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。二次击穿：电力电子器件在实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效的限制电流，IC增加到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。常导致器件永久损坏。,返回,90,在PN结外加正向电压（正向偏置）情况下，当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。,返回,