电力电子技术23-24.ppt

,2.3晶闸管的派生器件（1）快速晶闸管（FST）允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管，开关频率在10kHZ以上的称为高频晶闸管。它们的外形、电气符号、基本结构、伏安特性都与普通晶闸管相同。它们的使用与普通晶闸管基本相同，但要注意1）快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断峰值电压较低，一般在2000V以下。2）快速晶闸管的du/dt的耐量较差，使用时必须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的du/dt。当开关频率升高时，du/dt耐量会下降。,,（2）双向晶闸管（TRIAC）在结构和特性上可以看作是一对反向并联的普通晶闸管的集成。其等效电路、电气符号、伏安特性如图所示。,它有两个主电极T1和T2，一个门极G。它在正反两个方向均可触发导通，所以它在第I和第III象限有对称的伏安特性。它通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,,（3）逆导晶闸管（RCT）它是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。其等效电路、电气符号和伏安特性如图所示。,,它有三个电极分别是阳极A、阴极K和门极G。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、开关速度高、高温特性好、额定结温高等优点。,由逆导晶闸管的伏安特性可知，它的反向击穿电压很低，因此只能适用于反向不需承受电压的场合。逆导晶闸管的额定电流有两个如300/150A表示为晶闸管电流/二极管电流。,,（4）光控晶闸管（LTT）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。除触发信号外，它的工作原理、结构和特性与普通晶闸管相同，其伏安特性和电气符号如图所示。,,小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个电极。大功率光控晶闸管的门极带有光缆，光缆上装有发光二极管或半导体激光器作为触发光源。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，占据着重要的地位，如高压直流输电装置、高压核聚变装置等。,,2.4全控型器件自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，出现了高频化、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的时代。所谓全控型器件是指通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件。其典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、智能功率模块。,,2.4.1门极可关断晶闸管1可关断晶闸管的结构与工作原理（1）概述可关断晶闸管，简称GTO，它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大等。它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。（2）结构与普通晶闸管的相同点都是PNPN四层三端半导体结构，外部引出阳极A、阴极K和门极G。与普通晶闸管的不同点,,,,与普通晶闸管的不同点GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含很多个共阳极的小GTO元，每一个也都是PNPN四层结构，其阴极和门极在器件内部并联在一起。看下图。,,GTO的导通机理与SCR是相同的，GTO一旦导通后，门极信号是可以撤除的，但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通SCR那样处于深度饱和状态。其等效电路如图所示。GTO在关断机理上与SCR是不同的，它是在门极加负脉冲使其关断的。,门极加负脉冲，即从门极抽出电流，使进入T2的基极电流减小，从而使集电极电流IC2减小，IC2又是T1的基极电流也减小，而使其集电极电流IC1进一步减小使门极电流减小且又作为T2的基极电流流入T2，如此形成强烈的正反馈，T1和T2都快速退出饱和状态，使GTO关断。,,2可关断晶闸管的特性（1）伏安特性与普通晶闸管相同。（2）开关特性1）开通过程与SCR类似，也需经过延迟时间td和上升时间tr。如下图所示。但导通时饱和程度较浅。,,,2）关断过程需要很大的负门极电流使阳极电流迅速减小，并降为零。它分为三个阶段一是抽取饱和导通时储存的大量载流子，使等效晶体管退出饱和阶段，所需要的时间称为储存时间ts；二是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小的阶段，所需的时间称为下降时间tf；三是残存载流子复合阶段，所需时间称为尾部时间tt。经过这三个阶段后，GTO的阳极电流才降为零，GTO才真正关断。但关断时间不包括尾部时间。即GTO的关断时间为toffts＋tf,,3可关断晶闸管的主要参数与SCR相同的参数就不介绍了。（1）开通时间ton延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约为1～2μs。上升时间随通态阳极电流值的增大而增大。（2）关断时间toff储存时间与下降时间之和。储存时间随阳极电流的增大而增大。下降时间一般小于2μs。（3）最大可关断阳极电流IATO利用门极脉冲可以关断的最大阳极电流，是标称GTO的额定电流容量的参数。它不用通态平均电流作为额定电流。它随着工作频率、阳极电压上升率、结温、门极负电流的波形及电路参数的变化而变化。,（4）电流关断增益βoff它表示GTO的门极关断能力。定义最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值之比称为电流关断增益。一般βoff的值为3～5，这正是GTO的缺点。如1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。（5）阳极电压上升率du/dtGTO保持断态不转向通态的最大电压上升率，有静态和动态之分。（6）阳极电流上升率di/dt在阳极电压为额定电压1/2时，阳极电流为最大可关断电流条件下，开通过程中阳极电流从10到50％间的直线斜率。,,4可关断晶闸管的应用GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，其电压、电流容量较大，与普通SCR接近，达到兆瓦级的数量级。使用时必须注意（1）使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的1/3～1/5，需要采用专门的触发驱动电路。（2）GTO的通态管压降比较大，一般为2～3V。（3）GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，使用时要特别注意。（4）有些GTO制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联。,,2.4.2电力晶体管（功率晶体管）1电力晶体管的结构与工作原理（1）概述电力晶体管，简称为GTR，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管，所以也可称为巨型晶体管，也可简称为BJT。即BJTGTR。特点它是一种全控型器件，具有控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。应用20世纪80年代以来，它在中、小功率范围内取代了晶闸管，但目前又大多被IGBT和MOSFET所取代。,,（2）结构与工作原理常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。①单管GTR其结构与普通的双极结型晶体管一样，也是由三层半导体（两个PN结）组成，也有NPN和PNP两种类型，多用NPN型，其电气符号如图所示。,其工作原理与普通的双极结型晶体管工作原理一样，一般采用共发射极接法，如下图所示。,当外加偏置使发射结正偏，集电结反偏时，基极电流ib就能实现对集电极电流ic的控制。,当UbeUT且UDS很小时，ID和UGS几乎成线性关系，此时管子工作在线性导通区，又称欧姆工作区（图中的非饱和区）c.饱和区当UGSUT时，且随着UDS的增大，ID几乎不变，器件进入有源区（又称饱和区）,,,d.雪崩区当UGSUT时，且UDS增大到一定值时，漏极PN结发生雪崩击穿，ID突然增加，器件工作状态进入雪崩区。正常使用时，不应使器件进入雪崩区，否则会使器件损坏。,,3）动态特性（开关特性）用图示电路来测试电力MOSFET的开关特性Rs信号源内阻，up矩形脉冲电压信号源，RG栅极电阻，RL漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。因为MOSFET存在输入电容Cin，所以当脉冲电压前沿到来时，Cin有充电过程，栅极电压uGS呈指数曲线上升，如图,,当uGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD，从脉冲电压的前沿到iD出现，这段时间称为开通延迟时间tdon。随着uGS增加，iD上升，从有iD到iD达到稳态值所用时间称为上升时间tr。开通时间ton就是开通延迟时间与上升时间之和。iD的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的值达到uGSP后，在up的作用下继续升高直到稳态，但iD已进入饱和状态不再变化。,,当脉冲电压下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻RS和栅极电阻RG开始放电，栅极电压UGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，漏极电流才开始减小，这段时间称为关断延迟时间tdoff。之后，Cin继续放电，UGS继续下降，从iD减小，到UGS＜UT时沟道关断，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和。由上分析可知，改变信号源内阻RS，可改变输入电容Cin充、放电时间常数，影响开关速度。如减小RS，可降低充放电时间常数，加快开关速度。,,3电力场效应晶体管的主要参数（1）通态电阻Ron在确定的UGS下，管子由非饱和区进入饱和区时，漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻。它是影响最大输出功率的重要参数。它随ID的增加而增加，随UGS的升高而减小。在相同条件下，耐压等级越高的器件其通态电阻值越大。（2）阈值电压UT指漏源之间形成导电沟道所需的最低栅极电压。一般情况下，将漏极短接条件下，ID1mA时的栅极电压定义为UT。实际应用时，UGS（1.5～2.5）UT。（3）漏源击穿电压U（BR）DS它决定了管子的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数。,,,（4）栅源击穿电压U（BR）GS它是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高发生介电击穿而设立的参数。一般为20V。（5）最大漏极电流IDM指当UGS10V，UDS为某一数值时，漏源间允许通过的最大电流。（6）最高工作频率fm定义式gm跨导Cin器件的输入电容,,（7）极间电容,,MOSFET的极间电容是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类一类为CGS和CGD，它们由MOS结构的绝缘层形成，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是CDS，它由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。厂家提供的是漏源短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss及反向转移电容Crss，它们与各极间电容关系表达式为Ciss＝CGS＋CGD；Coss＝CDS＋CGD；Crss＝CGD显然，Ciss﹑Coss和Crss均与栅漏电容CGD有关。这些电容都是非线性的。输入电容Cin可用Ciss来代替。,（7）极间电容,,2.4.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT）1绝缘栅双极型晶体管的结构与工作原理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。（1）概述绝缘栅双极型晶体管，是兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。它于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前其产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率已达50KHZ100KHZ。它在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域，已取代了GTR和一部分MOSFET的市场，大有全面取代上述所有全控型器件的趋势。,,（2）结构如图，它是在N沟道的MOSFET管结构的基础上再增加一个P层，形成了一个大面积的PN结J1，和其他结J2、J3一起构成了一个相当于由MOSFET管驱动的厚基区PNP型GTR。它有三个电极集电极C，发射极E，栅极G。,E,,（3）工作原理IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅极电压UGE控制集电极电流的栅控自关断器件。当集电极C接电源的正极，发射极E接电源的负极，其导通与关断由栅极电压来控制。当给栅极加正向电压且大于开启电压时，IGBT导通。而在栅极加反向电压或不加电压时，IGBT处于关断状态。,E,,,2绝缘栅双极型晶体管的特性（1）伏安特性如图它反映在一定的栅极－发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流IC的关系。由图可知，UGE越高，IC越大。与GTR一样，IGBT的伏安特性也分为截止区、有源放大区和饱和区。但值得注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，其反向阻断电压UBM只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反向电压场合的应用。,E,,（2）转移特性它描述的是集电极电流IC与栅极电压UGE之间的关系。当UGEUGE（th）（开启电压，一般为3～6V）时，IGBT开通，其输出电流IC与驱动电压UGE基本呈线性关系；当UGEUGE（th）时，IGBT关断。,,（3）开关特性（动态特性）开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。,,IGBT的开通过程与功率MOSFET的开通过程相类似，这是因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET运行的。开通时间由四部分组成,一段是从外施栅极脉冲UGM由负到正跳变开始，到栅-射电压充电到UT的时间（对应t1-t0）称开通延迟时间td。另一段是集电极电流从零开始，上升到90稳态值的时间（t2-t1）称电流上升时间tr。在这两段时间内，集-射极间电压UCE基本不变。tt2以后，集射电压UCE开始下降，UCE的下降过程分为tvfl和tvf2两段。,下降时间tvf1是MOSFET单独工作时集-射电压下降时间（t3-t2），tvf2是MOSFET和PNP晶体管同时工作时集-射电压下降时间（t4-t3），由于UCE下降时IGBT中MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此tvf2段电压下降过程变缓。只有在tvf2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态。所以，总开通时间tontdtrtvf1tvf2。,关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。,欲使IGBT关断时，给栅极施加反向脉冲电压-UGM，在此反向电压作用下，内部等效MOSFET输入电容放电，内部等效GTR仍然导通，t5～t6时间内，集电极电流、电压无明显变化，这段时间定义为存储时间ts。t6时刻后，MOSFET开始退饱和，器件电压随之上升，PNP管集电极电流无明显变化。t7时刻UCE上升到接近UCM，t6t7这段时间称电压上升时间tvr。,之后，MOSFET退出饱和，GTR基极电流下降，集电极电流减小，从栅极电压UGE的脉冲后沿下降到其幅值的90％的时刻起，到集电极电流下降至90％ICM止（约为t5t7），这段时间为关断延迟时间tdoff。此后，UGE继续衰减，到t8时刻，UGE下降到UT，MOSFET关断，PNP管基极电流为零，集电极电流下降到接近于零。集电极电流从90％ICM下降至10％ICM的这段时间为电流下降时间tif。,定义t5t8这段时间为关断时间toff，即tofftdofftiftstvrtif。IGBT内部由于双极型PNP晶体管的存在，带来了通流能力增大、器件耐压提高、器件通态压降降低等好处，但由于少子储存现象的出现，使IGBT的开关速度比功率MOSFET速度要低。但其开关时间是同容量GTR的1/10。,由于晶体管内部存储电荷的消除还需要一定时间，因此tt8以后还有一个尾部时间tt，这段时间内，由于集-射电压已经建立，会产生较大的损耗。,,3绝缘栅双极型晶体管的主要参数（1）最大集射极间电压UCEMIGBT在关断状态下集电极和发射极之间能承受的最高电压。最高可达4500V以上。（2）通态压降指IGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。（3）集电极电流最大值ICM为防止器件发生擎住效应而规定的集电极电流的最大值。擎住效应指IC大到一定程度时，栅极失去了对集电极电流IC的控制作用的现象。（4）最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗。（5）安全工作区比GTR宽。（6）最高允许结温TjM为150℃。,2.4.5其他新型电力电子器件1.MOS控制晶闸管,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。,2.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。,3.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。,4.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。,5.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）。,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。,1）功率模块PM（PowerModule）也称电力电子开关模块，是把同类或不同类的多个开关器件（如二极管、晶闸管、功率MOSFET、GTR或IGBT等），按一定的电路拓扑结构连接并封装在一起的开关器件组合体。最常见的拓扑结构有串联、并联、半桥、单相桥、三相桥等电路。同类开关器件串、并联的目的是为提高整体额定电压、电流。,2）高压集成电路HVIC高压集成电路是功率集成电路的早期产品，主要用于小功率家用电器的功率输出控制。可以工作于开关状态，也可以工作于放大状态。3）智能功率集成电路SPIC智能功率集成电路内部除功率器件外，通常还集成有某种形式的传感技术以及保护电路，可实现过电流、过电压、过热检测，甚至空载和欠电压检测，可在集成电路内部反馈，也可引出为系统提供状态反馈。智能功率集成电路提供有数字控制逻辑与功率器件之间的接口，最简单的形式可由一电平移动和驱动电路组成，把来自微处理器的信号转变成为足以激励功率器件的电压或电流；复杂一些的除应完成外部控制电路对功率集成电路的控制外，还具有负载监控、诊断、自保护、向微处理器反馈信息，并能控制激励负载功率的功能。,3）智能功率集成电路SPIC智能功率集成电路内部除功率器件外，通常还集成有某种形式的传感技术以及保护电路，可实现过电流、过电压、过热检测，甚至空载和欠电压检测，可在集成电路内部反馈，也可引出为系统提供状态反馈。智能功率集成电路提供有数字控制逻辑与功率器件之间的接口，最简单的形式可由一电平移动和驱动电路组成，把来自微处理器的信号转变成为足以激励功率器件的电压或电流；复杂一些的除应完成外部控制电路对功率集成电路的控制外，还具有负载监控、诊断、自保护、向微处理器反馈信息，并能控制激励负载功率的功能。,4）智能功率模块IPMIPM是一种混合集成电路，是IGBT智能化功率模块的简称，它以IGBT为基本功率开关器件，将驱动、保护和控制电路的多个芯片通过焊丝或铜带连接，封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元。如构成一相或三相逆变器的专用模块，用于电动机变频调速装置的需要。,右图所示为内部只有一支IGBT的IPM产品的内部框图，模块内部主要包括欠压保护电路、IGBT驱动电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT。,5）系统集成IPEM（IntelligentPowerElectronicModule）IPEM是将信息传输、控制与功率半导体器件通过共烧瓷片的多芯片模块MCM-C技术进行连接，所有的无源元件都是以埋层的方式掩埋在衬底中，完全取消了传统模块封装中的焊丝键合工艺，取而代之的则是三维立体组装，并采用三维热处理方式以增加散热。IPEM的元件间不用焊丝连接以增加系统可靠性，大大降低了电路接线电感，提高了系统效率，使IPM又进入了一个新的发展空间。,