電力電子基礎(chǔ)2

1、電力電子基礎(chǔ)電力電子基礎(chǔ)Fundamental Power Electronics第二講第二講 電力電子器件電力電子器件東南大學(xué)電氣工程學(xué)院東南大學(xué)電氣工程學(xué)院2011- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件2本講要點(diǎn)本講要點(diǎn)電力電子器件概述電力電子器件概述不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管典型全控型器件典型全控型器件其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件3

2、1.電力電子器件概述電力電子器件概述n理想的開關(guān)n導(dǎo)通時，電流按箭頭流動n導(dǎo)通零電阻，因此零損耗n瞬時開通、關(guān)斷n耐壓、耐流能力無限n電力電子器件：由硅為主要材料制作的電子開關(guān)，直接用于主電路（Main Power Circuit）中，用于實(shí)現(xiàn)電能的變換。因此又可稱為電力電子開關(guān)器電力電子開關(guān)器件件（Power Electronic Switching Device）- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件4電力電子器件主要特征電力電子器件主要特征n和理想開關(guān)相比，電力電子器件的主要區(qū)別和理想開關(guān)相比，電力電子器件的主要區(qū)別存在損耗：存在損耗：導(dǎo)通時存在導(dǎo)通壓降導(dǎo)通時存在導(dǎo)通壓

3、降von，導(dǎo)致通態(tài)損耗，導(dǎo)致通態(tài)損耗Pon阻斷時有微小的漏電流，有斷態(tài)損耗阻斷時有微小的漏電流，有斷態(tài)損耗Poff，通?？珊雎酝ǔ？珊雎蚤_通需要時間開通需要時間ton，且存在開通損耗，且存在開通損耗關(guān)斷需要時間關(guān)斷需要時間toff，且存在關(guān)斷損耗，且存在關(guān)斷損耗器件在一定溫度范圍內(nèi)正常工作器件在一定溫度范圍內(nèi)正常工作電應(yīng)力限制：電應(yīng)力限制：器件只能承受一定電壓和電流器件只能承受一定電壓和電流器件只能承受一定的電壓上升率器件只能承受一定的電壓上升率du/dt、電流上升率、電流上升率di/dt驅(qū)動的要求：受控器件的開通與關(guān)斷需要專門的驅(qū)動電路才能實(shí)驅(qū)動的要求：受控器件的開通與關(guān)斷需要專門的驅(qū)動電路

4、才能實(shí)現(xiàn)以滿足門極驅(qū)動對電壓、電流、耗能、隔離等要求現(xiàn)以滿足門極驅(qū)動對電壓、電流、耗能、隔離等要求1.具體使用時，必須保證電力電子器件的上述工作具體使用時，必須保證電力電子器件的上述工作參數(shù)在合理的范圍之內(nèi)，盡可能接近理想開關(guān)參數(shù)在合理的范圍之內(nèi)，盡可能接近理想開關(guān)散熱器緩沖電路- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件5電力電子器件的分類電力電子器件的分類n依控制特性將器件分類：n不控型：不能用控制信號來控制其通斷, 不需要驅(qū)動電路，如功率二極管(Power Diode)n半控型：通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷，如Thyristor（或稱SCR）n全控型：通過控制信

5、號既可控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件，如GTR, POWER MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT 等n依驅(qū)動信號的類型將器件分類n電流型控制：GTR、SCR、GTO等n電壓型驅(qū)動：MOSFET、IGBT、MCT等n光控型驅(qū)動n依載流子分類n單極型(Unipolar)n雙極型(Bipolar)n復(fù)合型(Complex)MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基勢壘二極管SITHGTORCTTRIACLTT晶閘管電力二極管雙極型單極型混合型復(fù)合型（圖1-42GTR電力電子器件分類樹- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件6電力電子器件的分類電力電子器件的

6、分類n依器件的其他特性標(biāo)準(zhǔn)劃分n依據(jù)器件等級：如功率大小、開關(guān)速度、耐壓高低等n依材料種類：如硅、碳化硅等n依封裝和集成方式：如分立、模塊、高壓集成電路HVIC High Voltage IC、智能功率集成電路SPIC Smart Power IC、智能功率模塊IPM Intelligent Power Module等- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件72.不控器件不控器件-電力二極管電力二極管nPN結(jié)與電力二極管的工作原理n電力二極管的基本特性n電力二極管的主要參數(shù)n電力二極管的主要類型整流二極管及模塊- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件8電力二極管

7、工作原理電力二極管工作原理n基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。n由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。n從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。AKAKa)IKAPNJb)c)AK電力二極管 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件9電力二極管工作原理電力二極管工作原理nPN結(jié)單向?qū)щ娦詎PN結(jié)的反向擊穿nPN結(jié)的電容效應(yīng)nPN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電結(jié)電容容CJ，又稱為微分電容微分電容。n結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電容CB和擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD。n電容影響

8、PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷?.41.2V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件10電力二極管基本特性電力二極管基本特性n 靜態(tài)特性靜態(tài)特性-伏安特性伏安特性p門檻電壓門檻電壓UTO0.5V,正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。p與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降正向電壓降UF 。p承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。IOIFUTOUFUURRMIRRM反向漏電流- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件11電力二極管基本特性電力二極

9、管基本特性n動態(tài)特性動態(tài)特性: :n關(guān)斷過程：關(guān)斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。n開通過程開通過程：正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降值。電流上升率越大，UFP越高 。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtb)UFPuiiFuFtfrt02V電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf正向恢復(fù)時間

10、：tfr恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。反向恢復(fù)電流- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件12電力二極管的主要技術(shù)參數(shù)電力二極管的主要技術(shù)參數(shù)n正向平均電流正向平均電流IF(AV)：n額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。nIF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有有效值相等的原則效值相等的原則(有效值有效值=1.57 IF(AV)來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。n正向壓降正向壓降UF：在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。n反向重復(fù)峰值電壓

11、反向重復(fù)峰值電壓URRM：對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件13電力二極管的主要技術(shù)參數(shù)電力二極管的主要技術(shù)參數(shù)n反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間trr： ntrr= td+ tfn最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM：n結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。nTJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。nTJM通常在125175C范圍之內(nèi)。n浪涌電流浪涌電流IFSM：指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件14電力二

12、極管的主要類型電力二極管的主要類型n普通二極管普通二極管(General Purpose Diode):n又稱整流二極管(Rectifier Diode),用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)電路中。n其反向恢復(fù)時間較長，一般在5 s以上n正向電流定額可達(dá)數(shù)千安以上，反向電壓定額可達(dá)數(shù)千伏以上n快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管(Fast Recovery DiodeFRD)n反向恢復(fù)過程很短(5 s以下)的二極管?？焖倩謴?fù)等級-反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，超快速恢復(fù)則在100ns以下，甚至達(dá)到2030nsn快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管(Fast Recovery Epitaxial DiodesFR

13、ED)，其反向恢復(fù)時間更短(可低于50ns50ns)，正向壓降也很低(0.9V左右)，但其反向耐壓多在400V以下n肖特基二極管肖特基二極管(Schottky Barrier Diode SBD)n反向耐壓等級低，多用于200V以下，反向漏電流較大且對溫度敏感n反向恢復(fù)時間很短（1040ns），正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖n在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管n其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件153.半控器件半控器件-晶閘管晶閘管n晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理n晶閘管的基本特性n晶閘管的主要參

14、數(shù)n晶閘管的派生器件- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件16晶閘管結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管結(jié)構(gòu)與工作原理n晶閘管(Thyristor): 又稱SCR (Silicon Controlled Rectifier) 。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位n外形有螺栓型和平板型兩種封裝。n螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。n平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。n有三個聯(lián)接端。有控制用門極。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶閘管a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號- -電力電子技術(shù)電力電子技

15、術(shù)- -第二講 電力電子器件17常用晶閘管結(jié)構(gòu)與外觀常用晶閘管結(jié)構(gòu)與外觀螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件18晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理n 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5

16、）- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件19晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理n基本工作原理分析：n在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。n阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0,1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。n開通狀態(tài)開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。n幾種可能導(dǎo)通的情況幾種可能導(dǎo)通的情況：n陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)；陽極電壓上升率du/dt過高；結(jié)溫較高n光觸發(fā)：光觸發(fā)：光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的

17、良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。n只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件20晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性n承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。n承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。n晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。n要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件21晶閘管的靜態(tài)特性晶

18、閘管的靜態(tài)特性n 正向特性正向特性nIG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。n 正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。這種開通叫“硬開通硬開通”，一般不允許硬開通。n 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管導(dǎo)通壓降很小，在1V左右。n 反向特性反向特性n 反向特性類似二極管的反向特性。n 反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。n 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2IG1IG- -電力電

19、子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件22晶閘管的動態(tài)特性晶閘管的動態(tài)特性n 開通過程開通過程n延遲時間延遲時間td (0.51.5 s)n上升時間上升時間tr (0.53 s)n開通時間開通時間tgt=td+ trn 關(guān)斷過程關(guān)斷過程n反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間trrn正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間tgrn關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq=trr+tgr n普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件23晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)電壓定額

20、電壓定額n斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。n反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。n通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通 常 取 晶 閘 管 的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件24晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)電流定額電流定

21、額n通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV） 在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。n維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。n擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來對同一晶閘管來說說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。n浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。- -電力電子技術(shù)

22、電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件25晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)n開通時間開通時間tgtn關(guān)斷時間關(guān)斷時間tqn斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt p指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。p電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 n通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt p指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。p如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件26晶閘管的門極特性與參數(shù)晶閘管的門極

23、特性與參數(shù)n門極正向峰值電壓UFGMn門極正向峰值電流IFGMn門極峰值功率PGMn門極觸發(fā)電壓UGn門極觸發(fā)電流IGTn門極平均功率PG門極伏安特性注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在由可靠觸發(fā)區(qū) 。圖中ABCGFED所圍成的區(qū)域?yàn)榭煽坑|發(fā)區(qū)；圖中陰影部分為不觸發(fā)區(qū)；圖中ABCJIH所圍成的區(qū)域?yàn)椴豢煽坑|發(fā)區(qū)。 PGM B C D A E G F L K 0 IFGM UGT UFGM IGT UGT UGD IGT IGD A B C I H J - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件27晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件

24、n快速晶閘管快速晶閘管(Fast Switching Thyristor)n有快速晶閘管和高頻晶閘管。n開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。n普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。n高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。n由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件28晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件n雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC Switch TRIAC或Bidirectional Triode Thyristor）n可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。n有

25、兩個主電極T1和T2，一個門極G。n在第和第III象限有對稱的伏安特性。n不用平均值而用有效值來表示其額定電流值a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件29晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件n逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）n將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。n具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講

26、 電力電子器件30晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件n光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）n又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。n光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。n因此目前在高壓大功率的場合。AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件314.典型的全控器件典型的全控器件n門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)n電力晶體管(GTR)n電力場效應(yīng)晶體管(MOSFET)n絕緣柵雙極晶體管(IGBT)- -電力電子技術(shù)電力電

27、子技術(shù)- -第二講 電力電子器件32門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）n門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）n晶閘管的一種派生器件。n可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。nGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。n結(jié)構(gòu)：n與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。n和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件33門極可關(guān)斷

28、晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）n工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 n由P1N1P2和N1P2 N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2 ,其中1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件34門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）nGTO能夠通過門極關(guān)斷是因?yàn)槠渑c普通晶閘管有如下區(qū)別：n設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。n導(dǎo)通時1+2更接近1

29、(1.05，普通晶閘管1+21.15)，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 n多元集成結(jié)構(gòu)，使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。n總體歸納起來如下：nGTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。nGTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。n多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) GTO的工作原理- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件35門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）nGTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性n開通過程開通過程：與普通晶閘管相同n關(guān)斷

30、過程關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同n儲存時間儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。n下降時間下降時間tf n尾部時間尾部時間tt 殘存載流子復(fù)合。n通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。n門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件36門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）nGTO的主要參數(shù)：的主要參數(shù)：許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。n開通時間開通時間ton:延遲時間與上升時間之和。延遲時間

31、一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。n關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff： 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。n不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。n最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO: GTO額定電流。n電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off= IATO / IGM ：最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。ATOoffGMII- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講

32、 電力電子器件37電力晶體管（電力晶體管（GTR）n電力晶體管(Giant TransistorGTR)或耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction TransistorBJT),有時亦作Power BJT。n20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件38電力晶體管（電力晶體管（GTR）n基本原理與普通的雙極結(jié)型晶體管一樣。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(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這種單元并聯(lián)而成 。應(yīng)用中

33、GTR一般采用共發(fā)射極接法。n集電極電流ic與基極電流ib之比為 =ic/ib,其中 為為GTR的電流放大系數(shù)的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力。單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。n當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為 ic = ib +Iceon直流電流增益直流電流增益hFE在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為 hFEGTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件39電力晶體管（電力晶體管（GTR）靜態(tài)特性靜態(tài)特性p共

34、發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放放大區(qū)大區(qū)和飽和區(qū)飽和區(qū)。p在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。p在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。p實(shí)際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。n集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICMn通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應(yīng)的Ic 。n實(shí)際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件42電力晶體管（電力晶體管（GTR）GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安

35、全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)n一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。n 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。n安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）：）：由最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作區(qū)- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件43電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管n 分為結(jié)型

36、結(jié)型和絕緣柵型。絕緣柵型。通常主要指絕緣柵型絕緣柵型MOSMOS型型(Metal Oxide Semiconductor FET)，簡稱電力MOSFET (Power MOSFET)n 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction TransistorSIT)n 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流n 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。n 開關(guān)速度快，工作頻率高。n 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。n 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形

37、符號- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件44電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管n導(dǎo)通時只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的廠家采用了不同設(shè)計(jì)。n電力電力MOSFET的種類的種類n按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。n 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。n 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。n 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。n電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)n小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷電力MOSFET大都采用垂

38、直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。n這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件45電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管n電力電力MOSFET的工作原理的工作原理n截止截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。nP基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流。n導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGSn當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)

39、體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件46電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管靜態(tài)特性靜態(tài)特性n漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。nID較大時，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=

40、5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A電力MOSFET a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件47電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管MOSFET漏極伏安特性漏極伏安特性n截止區(qū)截止區(qū)(對應(yīng)GTR截止區(qū))n飽和區(qū)飽和區(qū)(對應(yīng)GTR放大區(qū))n非飽和區(qū)非飽和區(qū)(對應(yīng)GTR飽和區(qū))n工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。n漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。n通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AU

41、TUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A電力MOSFET a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件48電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管動態(tài)特性動態(tài)特性n開通過程開通過程n開通延遲時間開通延遲時間td(on) n上升時間上升時間trn開通時間開通時間ton：開通延遲時間與上升時間之和n關(guān)斷過程關(guān)斷過程n關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off)n下降時間下降時間tfn關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延遲時間和下降時間之和電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信

42、號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測漏極電流RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件49電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管n MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度pMOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。p可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。p不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。p開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。p場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入

43、電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。p開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件50電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)n跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓、開啟電壓UT 、 td(on)、tr、td(off)和和tfn漏極電壓漏極電壓UDS:電力MOSFET電壓定額n漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM:電力MOSFET電流定額n柵源電壓柵源電壓UGS: UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。n極間電容極間電容:極間電容CGS、CGD和CDS- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子

44、器件51絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）n兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件n絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）nGTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。n1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。n繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。- -電力電子技術(shù)電力電

45、子技術(shù)- -第二講 電力電子器件52絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n柵極G、集電極C和發(fā)射極En溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。nIGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。n簡 化 等 效 電 路 表 明 ，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。nRN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBTa)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示

46、意圖b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件53絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT的原理的原理n 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。n導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。n通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。n關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件54絕緣

47、柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）靜態(tài)特性靜態(tài)特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性輸出特性輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開啟開啟電壓電壓UGE(th)- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件55絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）動態(tài)特性動態(tài)特性nIGBT的開通過程的開通過程與MOSFET的相似p開通延遲時間開通延遲時間td(on) p電流上升時間電流上升時間tr

48、p開通時間開通時間tonpuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。其中tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的開關(guān)過程- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件56絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）動態(tài)特性動態(tài)特性n IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程p關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off）p

49、電流下降時間電流下降時間p 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toffp電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的開關(guān)過程- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件57絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）nIGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)n最大集射極間電壓最大集

50、射極間電壓UCES由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。n最大集電極電流最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。n最大集電極功耗最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗 nIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)的特性和參數(shù)特點(diǎn)n開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。n相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。n輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。n與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件58絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶

51、體管（IGBT）n擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。IC上升，Rbr壓降使NPN通,經(jīng)正反饋，寄生等效晶閘管通，IGBT柵極失去控制作用靜態(tài)擎住：靜態(tài)擎?。篒CICM動態(tài)擎住：動態(tài)擎?。宏P(guān)斷時產(chǎn)生，J2結(jié)反壓很快建立，dtdUCcej2大，此電流可在,dtdUceRbr上產(chǎn)生NPN管導(dǎo)通的正向偏壓從而產(chǎn)生擎住現(xiàn)象 。措施：措施：ICICMRG上升，使關(guān)斷速度下降，減小重加 dtdUce動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許

52、的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件59正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）：由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）:由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件605.其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件nMOS控制晶閘管MCTn靜電感應(yīng)晶體管SITn靜

53、電感應(yīng)晶閘管SITHn集成門極換流晶閘管IGCTn功率模塊與功率集成電路- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件61MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）nMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合。MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：n承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。n高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。n一個MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成。每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。n其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)

54、值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件62靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管（ SIT ）SIT(Static Induction Transistor)結(jié)型場效應(yīng)晶體管n 多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。n 在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。n 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：n 柵極不加信號時導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。n 通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講

55、 電力電子器件63靜電感應(yīng)晶閘管（靜電感應(yīng)晶閘管（ SITHSITH ）靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管 (Static Induction Thyristor- SITH)nSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。n其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。nSITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件64集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管(IGCT)IGCT(Integrated Gate-Commutated Thy

56、ristor) n20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍。n可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件65功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路基本概念基本概念n20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模功率模塊塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。n將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診

57、斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用n高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。n智能功率集成電路智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。n智能功率模塊智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。- -電力電子技術(shù)電力電子

58、技術(shù)- -第二講 電力電子器件66功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀n 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。n 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。n 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。n 功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件676.電力電子器件的驅(qū)動概述電力電子器件的驅(qū)動概述n驅(qū)動電路驅(qū)動電路n將電力開關(guān)器件由關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通導(dǎo)通n將器件的開通時間最小化n提供足夠的驅(qū)動電力使電力開關(guān)器件保持導(dǎo)通n將

59、電力開關(guān)器件由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷關(guān)斷n將器件的關(guān)斷時間最小化n提供偏置電能確保電力開關(guān)器件保持關(guān)斷n當(dāng)檢測到過電壓或過電流過電壓或過電流時實(shí)現(xiàn)電力開關(guān)器件的保護(hù)保護(hù)n用于放大控制信號放大控制信號以滿足驅(qū)動開關(guān)器件的電力要求n在有需要時提供電力開關(guān)器件和邏輯級信號處理電路及控制電路之間的電氣隔離。電氣隔離。一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器光耦合器；磁隔離的元件通常是脈沖變壓器脈沖變壓器。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件68電力電子器件的驅(qū)動概述電力電子器件的驅(qū)動概述分類分類n 按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)電壓驅(qū)動型動型。n 驅(qū)動電路

60、具體形式可為分立元件分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路專用集成驅(qū)動電路。n雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。n為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第二講 電力電子器件69晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路n功能：功能：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。n晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足：n脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。n觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。n不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。n有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。I