太原理工大學

1、第8章現(xiàn)代電力電子器件及其應用本章要求 了解常用電力電子器件晶閘管、功率場效應管、絕緣柵雙極型晶體管等 全控型器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)及其應用。本章內(nèi)容 電力電子技術(shù)是電力、電子、控制三大領域的交叉學科。晶閘管已成為 目前半導體器件從弱電領域進入強電領域中制造技術(shù)最為成熟、應用最廣泛的器件之 一。它主要用于整流器（把交流電壓變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的直流電壓）、逆變器（把直流電壓變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的交流電壓）、斬波器（把固定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的直流電壓）、 交流調(diào)壓器（把固定的交流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的交流電壓）等方面。隨著高速晶閘管、功率 場效應晶體管（MOSFET ）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等

2、全控型器件的問世，晶閘 管的應用日益廣泛。電子技術(shù)也由傳統(tǒng)的電力電子階段進入現(xiàn)代電力電子階段，現(xiàn)代電 力電子技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個國家電子工業(yè)和電力工業(yè)是否現(xiàn)代化的主要標志之一。是現(xiàn)代電子技術(shù)中不可或缺的內(nèi)容。本章介紹一些常用的電力半導體器件和應用本章學時 4學時8.1晶閘管本節(jié)學時 1學時本節(jié)重點 1、晶閘管的工作原理；2、伏安特性及主要參數(shù)：教學方法 首先簡單介紹晶閘管的結(jié)構(gòu)，進而分析其工作原理，使學生了解晶閘管的 半控性。教學手段 以電子課件與傳統(tǒng)教學手段相結(jié)合的手段，讓學生在有限的時間內(nèi)掌握 更多的相關知識。j A* * A（a）示意圖（b）符號教學內(nèi)容& 1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號晶閘管

3、與二極管相比，它的單向?qū)щ娔芰€受到控制極上的信號控制。晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-1 (a),它由PNPN四層半導體交替疊合而成，中間 形成三個PN結(jié)。陽極A從上端P區(qū)引出，陰極K從下端N區(qū)引出，又在中間P區(qū)上 引出控制極(或稱門極)G。圖8-1 (b)是晶閘管的符號。晶閘管中通過陽極的電流比 控制極中的電流大得多，所以一般晶閘管控制極的導線比陽極和陰極的導線要細。& 1.2晶閘管的工作原理1 晶閘管導通的條件是在陽極和陰極之間加正向電壓，同時控制極和陰極之間加適當?shù)恼螂妷?實際工作中，控制極加正觸發(fā)脈沖信號)。2導通以后的晶閘管，關斷的方法是在陽極上加反向電壓或?qū)㈥枠O電流減小到足夠小的程

4、度(維持電流Ih以下)。PNOGPNIkA|AT2(PNP)Ti(NPN)ii gQ A(a)結(jié)構(gòu)分解示意圖圖晶閘管工作原理(b)結(jié)構(gòu)原理圖& 1.3晶閘管的伏安特性晶閘管的陽極電壓U與陽極電流Ia之間的關系曲線稱為晶閘管的伏安特性曲線,如圖8-4所示。在無觸發(fā)信號時，如果在陽極和陰極之間加 上額定的正向電壓，則在晶閘管內(nèi)只有很小的正向 漏電流通過，它對應特性曲線的 oa段，以后逐漸b點所對應的陽極增大陽極電壓到b點，此時晶閘管會從阻斷狀態(tài)突然轉(zhuǎn)向?qū)顟B(tài)電壓稱為無觸發(fā)信號時的正向轉(zhuǎn)折電壓（或稱硬開通”電壓），用UBO表示。晶閘管導通后，陽極電流IA的大小就由電路中的陽極電壓 UA和負載電阻來

5、決定。晶閘管導通后，減小陽極電流IA,并使IAi,a dV接上電源，經(jīng)過 a角度后，在晶閘管的控制極上， 加上觸發(fā)電壓ug,如圖8-5(b)所示。晶閘管T被觸發(fā)導通, 負載電阻中開始有電流通過，在負載兩端出現(xiàn)電壓u。.電路與波形見圖8-5(b)。在T導通期間，晶閘管壓降近似為零。在第二個周期出現(xiàn)時，重復以上過程。晶閘管導通的角度稱為導通角，用B表示。由 8-5(b)可知 0=n a3輸出平均電壓Uo.； - 21 亠 cos:.2U 2 sin td(，t) U 2 (1 cost) =0.45U 20 2- 2根據(jù)歐姆定律，負載電阻Rl中的直流平均電流為I。二土 =0.45土 匕竺RlRl

6、2此電流即為通過晶閘管的平均電流。例8-1在單相半波可控整流電路中，負載電阻為8Q,交流電壓有效值U2=220V，控制角a的調(diào)節(jié)范圍為6O01800，求:(1)直流輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。(2)晶閘管中最大的平均電流。 晶閘管兩端出現(xiàn)的最大反向電壓。解：控制角為60時，由式(8-1)得出直流輸出電壓最大值Uo =0.45U2 1 S2J+cos60、/= 0.45 22074.25V2控制角為1800時得直流輸出電壓為零。所以控制角a在601800范圍變化時，相對應的直流輸出電壓在74.25V0V之間調(diào)節(jié)。晶閘管最大的平均電流與負載電阻中最大的平均電流相等，由式(8-2)得If =1 o 二土 =

7、 74.25 7.4 2 ARl10晶閘管兩端出現(xiàn)的最大反向電壓為變壓器次級電壓的最大值Ufm 二Urm = 2U2 =，2220 =311V再考慮到安全系數(shù)23倍，所以選擇額定電壓為600V以上的晶閘管822單相橋式半控整流電路uoio8.3.2功率MOSFET的主要特性1.電路組成(b)波(a)電路圖形圖圖單相橋式半控整流電路與波形2.工作原理其工作原理同上，輸出電壓平均值比單相半波可控整流大一倍。即U。=0.9U2根據(jù)歐姆定律，負載電阻 Rl中的直流平均電流為1 cos：Rl2晶閘管和二極管承受的最高反向電壓均為2U2 O綜上所述，可控整流電路是通過改變控制角的大小實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓大小的

8、目的, 因此，也稱為相控制整流電路。8.3功率場效應晶體管(Power MOSFET)本節(jié)學時 1學時2、功率MOSFET的主要特性教學方法首先了解功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理，進而了解其主要特性。教學手段 以電子課件與傳統(tǒng)教學手段相結(jié)合的手段，讓學生在有限的時間內(nèi)掌握 更多的相關知識。教學內(nèi)容8.3.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理功率MOSFET根據(jù)導電時載流子的種類可分為 P溝道和N溝道兩種類型，其電路符號如圖8-9所示，它有三個電極：柵極G、源極S和漏極D功率MOSFET的工作原理與傳統(tǒng)的MOS器件基本相同，當柵極和漏極之間加正向77/7-NFp飛N +溝道PNNG|S(c )圖

9、8-9功率場效應晶體管的符號和結(jié)構(gòu)(a )N-MOSFET電路符號(b)P-MOSFET電路符號內(nèi)部結(jié)構(gòu)電 壓 時(Ugs0)，MOSFET內(nèi)溝 道出現(xiàn)，在漏極 和源極之間加 有電壓時，就有 漏極電流Id形成，器件導通；反之當柵極和源極之間加反向電壓時(Ugs0),溝道消失，器件關斷。1輸出特性指在柵源電壓Ugs 定的情況下，漏極電流Id與漏源電壓Uds關系的曲線族，女口 圖8-10( a)所示。它分為三個區(qū)：(1) 可調(diào)電阻區(qū)I當Ugs一定時，漏極電流Id與漏極電壓Ugs幾乎呈線性關系。 當作為開關器件應用時，工作在此區(qū)內(nèi)。(2) 線性放大區(qū)II在該區(qū)中，當Ugs不變時，Id幾乎不隨Uds的

10、增加而加大，Id 近似為一常數(shù)。當用于線性放大時工作在此區(qū)內(nèi)(3) 擊穿區(qū)川當漏極電壓Uds過高時，漏極電流Id會急劇增加。在使用器件時應 避免出現(xiàn)此種情況，否則會使器件損壞2. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 是以漏、源極電壓 Uds為參變量，反映柵、源電壓 Ugs與漏極電流Id 之間的關系，如圖8-10 ( b)所示。3. 開關特性功率MOSFET是單極性電壓控制器件，依靠多數(shù)載流子導電，沒有少數(shù)載流子的 存儲效應，與關斷時間相聯(lián)系的存儲時間大大減小，因而具有開關速度快的優(yōu)點。1.通態(tài)電阻Ron8.3.3功率MOSFET的主要參數(shù)d等于1mA時的柵極電壓定義為開啟電壓。Ut具有負溫度系數(shù)2跨導gm跨導g

11、m和晶體管的B相似，反映了功率MOSFET的柵、源電壓對漏極電流的控制 能力。定義為：gm 二 1 D / 丄U GS單位為西門子簡稱（S）。3. 漏、源擊穿電壓Ubds4. 柵、源擊穿電壓 Ubgs5. 漏極峰值電流Idm8.4絕緣柵雙極型晶體管本節(jié)學時 1學時本節(jié)重點 1、絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理2、絕緣柵雙極型晶體管的主要特性及參數(shù)。教學方法首先了解絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理，進而了解其主要特性 及其組成的功率模塊（IPM ）的應用。教學手段 以電子課件與傳統(tǒng)教學手段相結(jié)合的手段，讓學生在有限的時間內(nèi)掌握 更多的相關知識。教學內(nèi)容8.4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理N溝

12、道IGBT的結(jié)構(gòu)與圖形符號如圖8-11所示。它有三個電極，即控制極 G、集電(a )Rn! I DRon(b )I極C和 發(fā)射極E。它是在功率MOSFET 的圖8-11 IGBT的符號和結(jié)構(gòu)（a ）結(jié)構(gòu)（b）內(nèi)部電路 （c）符號基礎上增加一個高濃度p+層，形成了四層結(jié)構(gòu)，由 PNP NPN晶體管構(gòu)成IGBT。但 是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設計時盡可能使 NPN不起作用。所以說， IGBT的工作基本與NPN晶體管無關，可以認為IGBT是以晶體管為主導元件（輸出）、 MOSFET為驅(qū)動元件（輸入）的單向達林頓管。8.4.2 IGBT的主要特性IGBT的特性可分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜

13、態(tài)特性主要指IGBT的伏安特性、轉(zhuǎn)移特性，動態(tài)特性主要指IGBT的開關特性。1. .IGBT的伏安特性當以柵極、發(fā)射極之間的電壓 Uge為參變量時，IGBT的集電極電流Ic和集電極與 發(fā)射極之間電壓Uce的關系曲線，稱為IGBT的伏安特性，如圖8-12所示。2. .IGBT的轉(zhuǎn)移特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性是描述集電極電流與控制極、發(fā)射極電壓Uce的關系曲線，如圖8-13所示。3動態(tài)特性IGBT的動態(tài)特性也稱開關特性，它包括開通過程和關斷過程。IGBT的開通時間約為0.51.2 & IGBT的關斷時間約為0.551.5 S。8.4.3 IGBT 的主要參數(shù)1 控制極發(fā)射 極擊穿電壓 UGEM這個參數(shù)

14、表示了 IGBT 控制極和發(fā)射極之間的耐壓能力，其值一般為 20V 左右。2集電極 發(fā)射極最高電壓 UCEM該參數(shù)決定了 IGBT 的最高工作電壓，目前 IGBT 的最高工作電壓分為 600V、1000V、 1200V、1400V、1700V 和 3300V 幾個檔次。3開啟電壓 UGE（ th）開啟電壓是 IGBT 導通所需要的最低控制極電壓。這個參數(shù)隨溫度升高而下降，溫度每升高1C, Uge（th）值下降5mV左右。在常溫時的開啟電壓一般為 26V。4通態(tài)壓降 UCE（ on）IGBT的通態(tài)壓降Uce（on）約為25。5集電極最大電流 ICM該參數(shù)表征 IGBT 的電流容量。由于 IGBT 大多工作在開關狀態(tài),因而 ICM 更具有 實際意義,只要不超過額定結(jié)溫（ 1500C）, IGBT 就可以工作在 ICM 范圍內(nèi)。8.4.4 智能型器件 IPM在 IGBT 的基礎上,到 20世紀 90年代,具有智能型的功率模塊,即 IPM 發(fā)展起來, 使弱電和強電達到了完美的結(jié)合,推動電子電力進入智能化時代。 IPM 內(nèi)部由 PWM 控 制電路、故障檢測和各種保護電路,以及采用帶有電流傳感器的 IGBT 芯片組成。IPM 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 8- 1 4所示,它是由兩個 IGBT 組成的橋路,集電極和發(fā)射極間 并有續(xù)流二極管。 IGBT 為雙發(fā)射極結(jié)構(gòu)