1电力电子器件.ppt

电力电子器件,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1.5其他新型电力电子器件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小结,第1章,电子技术的基础,介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题,简要概述电力电子器件的概念、分类等问题,本章主要内容,电力电子器件,电力电子电路的基础,电子器件晶体管和集成电路,引言,电力电子器件,第1章,,,,电力电子器件的概述,1.1.1电力电子器件的概念与特征1.1.2电力电子器件的分类,1.1,电力电子器件的概念和特征,电力电子电路的基础电力电子器件概念电力电子器件（powerelectronicdevice）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（mainpowercircuit）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器件采用的主要材料仍然是硅,,1.1.1,3.同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征,,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。处理电功率的能力一般远大于用于信息处理的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。为保证不致于因损耗散发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。,电力电子器件的概念和特征,1.1.1,3.同机械开关相比,电力电子器件的一般特征,,静止,无噪音,使用寿命长。单向导电。承受过电压和过电流强。,电力电子器件的概念和特征,1.1.1,电力电子器件的分类,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,半控型器件,1.1.2,绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistorIGBT）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（PowerDiode）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通断,因此也就不需要驱动电路。,按照器件工作的驱动信号的性质，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,1电流驱动型,1单极型器件,电力电子器件的分类,1.1.2,2电压驱动型,通过从控制端注入电流来实现导通或者抽出电流实现关断，简称流控。,通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现导通或者关断，简称压控。,,,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,,,,电力电子器件,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1.5其他新型电力电子器件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本章小结,第1章,不可控器件电力二极管,1.2.1PN结与电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,1.2,PowerDiode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,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外形b结构c电气图形符号,1.2.1,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。,图1-3PN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、负电荷称为空间电荷。,,PN结与电力二极管的工作原理,1.2.1,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。,PN结与电力二极管的工作原理,1.2.1,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。,PN结与电力二极管的工作原理,1.2.1,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,1.2.2,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。,2.动态特性,电力二极管的基本特性,1.2.2,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，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。,延迟时间tdt1-t0,电流下降时间tft2-t1反向恢复时间trrtdtf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,电力二极管的基本特性,1.2.2,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2V）。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）,电力二极管的基本特性,1.2.2,电力二极管的主要参数,1.正向平均电流IFAV额定电流在指定的管壳温度（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,1.2.3,,,IFAV,电力二级管电流,平均值,发热量,有效值,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,电力二极管的主要参数,1.2.3,4.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125175C范围之内。5.反向恢复时间trrtrrtdtf，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。,电力二极管的主要参数,1.2.3,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（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）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5s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到很高，分别可达数千安和数千伏以上。,1.2.4,2.快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）,电力二极管的主要类型,1.2.4,恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s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（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），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。,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（SchottkyBarrierDiodeSBD），简称为肖特基二极管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关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,电力二极管的主要类型,1.2.4,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,1.3,晶闸管（Thyristor）晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）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,半控器件晶闸管,1.3,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、结构和电气图形符号a外形b结构c电气图形符号,1.3.1,Ic11IAICBO1（1-1）Ic22IKICBO2（1-2）IKIAIG（1-3）IAIc1Ic2（1-4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得（1-5）,图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a双晶体管模型b工作原理,晶闸管的结构与工作原理,1.3.1,晶体管的特性是在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态IG0，12很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致12趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,晶闸管的结构与工作原理,1.3.1,其他几种可能导通的情况阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,晶闸管的结构与工作原理,1.3.1,晶闸管的基本特性,1.静态特性总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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。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。,1.3.2,晶闸管的伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性,图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,晶闸管的基本特性,1.3.2,1正向特性IG0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。,晶闸管的伏安特性,晶闸管的基本特性,1.3.2,2反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,晶闸管的伏安特性,晶闸管的基本特性,1.3.2,2.动态特性,图1-9晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的基本特性,1.3.2,1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，tgttdtr（1-6）普通晶闸管延迟时为0.51.5s，上升时间为0.53s。,晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的基本特性,1.3.2,2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tqtrr与tgr之和，即tqtrrtgr（1-7）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的基本特性,1.3.2,1外形上判别极性螺栓型螺栓为阳极，粗辫子为阴极，细辫子为门极平板型靠近门极的为阴极2万用表测量极性和好坏AK正反向电阻（RAK/RKA）数百KAG正反向电阻（RAG/RGA）数百KGK正反向电阻（RGK/RKG）数十数百但RGK1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当12BUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。,电力晶体管,1.4.2,2集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。,电力晶体管,1.4.2,4.GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。,电力晶体管,1.4.2,安全工作区（SafeOperatingAreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。,图1-18GTR的安全工作区,电力晶体管,1.4.2,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistorFET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）,,电力场效应晶体管,特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。,1.4.3,1.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,电力场效应晶体管,1.4.3,电力MOSFET的结构,电力场效应晶体管,1.4.3,导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列,图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号,小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论,电力场效应晶体管,1.4.3,电力MOSFET的工作原理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。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。,图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力场效应晶体管,1.4.3,1静态特性漏极电流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。,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,2.电力MOSFET的基本特性,电力场效应晶体管,1.4.3,MOSFET的漏极伏安特性截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）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。,电力MOSFET的转移特性和输出特性a转移特性b输出特性,电力场效应晶体管,1.4.3,2动态特性开通过程开通延迟时间tdonup前沿时刻到uGSUT并开始出现iD的时刻间的时间段。上升时间truGS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。,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,电力场效应晶体管,1.4.3,关断过程关断延迟时间tdoffup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tfuGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿。,除跨导Gfs、开启电压UT以及tdon、tr、tdoff和tf之外还有,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CrssCissCGSCGD（1-14）CrssCGD（1-15）CossCDSCGD（1-16）输入电容可近似用Ciss代替。这些电容都是非线性的。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。,电力场效应晶体管,1.4.3,绝缘栅双极晶体管,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。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。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT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。,1.4.4,1.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1-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a内部结构断面示意图b简化等效电路c电气图形符号,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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PN结J1。使IGBT导通时由P注入区向N基区发射少子，从而对漂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。,图1-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a内部结构断面示意图b简化等效电路c电气图形符号,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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UGEth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。,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,2.IGBT的基本特性1IGBT的静态特性,图1-23IGBT的转移特性和输出特性a转移特性b输出特性,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压UGEthIGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGEth随温度升高而略有下降，在25C时，UGEth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。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。,图1-23IGBT的转移特性和输出特性a转移特性b输出特性,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,2IGBT的动态特性,图1-24IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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tdon从uGE上升至其幅值10的时刻，到iC上升至10ICM。电流上升时间triC从10ICM上升至90ICM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。,图1-24IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,IGBT的关断过程关断延迟时间tdoff从uGE后沿下降到其幅值90的时刻起，到iC下降至90ICM。电流下降时间iC从90ICM下降至10ICM。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。,图1-24IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,,通过对IGBT的基本特性的分析，可以看出,3.IGBT的主要参数,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,正常工作温度下允许的最大功耗。,3最大集电极功耗PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。,2最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,1最大集射极间电压UCES,IGBT的特性和参数特点可以总结如下,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,1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。,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PN-P晶体管组成。,图1-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a内部结构断面示意图b简化等效电路c电气图形符号,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,擎住效应或自锁效应,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,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。,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。,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集电极功耗确定。,正偏安全工作区（FBSOA）,动态擎住效应比静态擎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。,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。,其他新型电力电子器件,1.5.1MOS控制晶闸管MCT1.5.2静电感应晶体管SIT1.5.3静电感应晶闸管SITH1.5.4集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5功率模块与功率集成电路,1.5,MOS控制晶闸管MCT,MCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。晶闸管的高电压大电流、低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。,1.5.1,静电感应晶体管SIT,SIT（StaticInductionTransistor）1970年，结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,1.5.2,静电感应晶闸管SITH,SITH（StaticInductionThyristor）1972年，又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT）。比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。,1.5.3,集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。,1.5.4,功率模块与功率集成电路,20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuitPIC）。,1.5.5,类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。高压集成电路（HighVoltageICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（SmartPowerICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块（IntelligentPowerModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。,功率模块与功率集成电路,1.5.5,功率集成电路的主要技术难点高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。,功率模块与功率集成电路,1.5.5,电力电子器件器件的驱动,1.6.1电力电子器件驱动电路概述1.6.2典型全控型器件的驱动电路,1.6,电力电子器件驱动电路概述,驱动电路主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。,1.6.1,驱动电路的基本任务将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器,图1-25光耦合器的类型及接法a普通型b高速型c高传输比型,电力电子器件驱动电路概述,1.6.1,按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,电力电子器件驱动电路概述,1.6.1,典型全控型器件的驱动电路,1GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流。使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力（比普通晶闸管承受du/dt的能力差，若阳极电压上升率较高时会误触发。）。,图1-28推荐的GTO门