電力電子器件及其應用技術(shù)

1、3-1 功率二極管功率二極管 3-2 功率晶體管功率晶體管 3-3 功率場效應晶體管功率場效應晶體管 3-4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 3-5 開關(guān)器件的集成驅(qū)動電路開關(guān)器件的集成驅(qū)動電路 緒論：電力電子器件的研發(fā)主流緒論：電力電子器件的研發(fā)主流sic器件器件 3-6 開關(guān)器件應力與緩沖電路開關(guān)器件應力與緩沖電路 分類分類 發(fā)展歷程發(fā)展歷程 電力電子器件的研發(fā)主流電力電子器件的研發(fā)主流sic器件器件 1992年年psrcpsrc（美國北卡州立大學功率半導體研究中心）最先報道；（美國北卡州立大學功率半導體研究中心）最先報道； 2001年年碳化硅肖特基勢壘二極管碳化硅肖特基勢壘二極管sic

2、-sbdsic-sbd(schottky barrier diode) 投放市場。投放市場。 sic-sbdsic-sbd 研發(fā)水平已達到研發(fā)水平已達到: 高壓器件阻斷電壓超過高壓器件阻斷電壓超過10kv; 大電流器件通態(tài)電流大電流器件通態(tài)電流130a、阻斷電壓高達、阻斷電壓高達5kv 。 突出優(yōu)點突出優(yōu)點：反向漏電流極小：反向漏電流極小 + 零反向恢復時間零反向恢復時間 + 300工作溫度。工作溫度。 碳化硅肖特基勢壘二極管碳化硅肖特基勢壘二極管sic-sbd sic-sbd 理論上，通態(tài)比電阻同比硅理論上，通態(tài)比電阻同比硅mos分別低分別低1002000倍。倍。sic 功率功率mos與與i

3、gbt研發(fā)進展研發(fā)進展 199510-1100101102103102103104silicon比電阻 （ cm2）阻斷電壓 (v)1993-19954h-siccreeumos10-1100101102103102103104n-g1997purdue1998cree1997denso1997purdue1996cree1993-1995ncsu1997siemens1999kansaicree2000purdue2001kansaicree2001purdue2002cree2003cree2004阻斷電壓 (v)umosdmossilicon10 kv123 m cm24h-sic200

4、4 gct、scr、gtr、 pn結(jié)二極管、結(jié)型場效應晶體管、結(jié)二極管、結(jié)型場效應晶體管、 靜電感應晶體管靜電感應晶體管、功率模塊均時有報道功率模塊均時有報道。 0102030405060708090100024681012通態(tài)壓降 (v)電流密度 (a/cm2）p-igbtmosfet10 kv sic功率功率mos與與igbt導通特性比較導通特性比較15 kv sic功率功率mos與與igbt導通特性及高溫穩(wěn)定性比較導通特性及高溫穩(wěn)定性比較01020304050607080901000246810121416voltage (v)current (a/cm27 c225 c225 c27

5、cp-igbtmosfet300 w/cm2mosfet電流密度 (a/cm2）通態(tài)壓降 (v)問題與展望：問題與展望： 碳化硅不僅能提高器件的耐壓能力，還能大幅度降低器件損碳化硅不僅能提高器件的耐壓能力，還能大幅度降低器件損耗，使電力電子技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢得以更加充分的發(fā)揮。耗，使電力電子技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢得以更加充分的發(fā)揮。 與硅相比碳化硅的另一優(yōu)勢是能夠兼顧器件的功率、頻率以與硅相比碳化硅的另一優(yōu)勢是能夠兼顧器件的功率、頻率以及耐高溫。正好都是電力電子技術(shù)發(fā)展對器件的基本要求。及耐高溫。正好都是電力電子技術(shù)發(fā)展對器件的基本要求。 今后幾年，隨著碳化硅晶體生長技術(shù)和器件制造技術(shù)的完善，今后幾年，隨

6、著碳化硅晶體生長技術(shù)和器件制造技術(shù)的完善，其器件在成品率、可靠性和價格等方面都將有較大改善，從其器件在成品率、可靠性和價格等方面都將有較大改善，從而進入應用的階段。而進入應用的階段。 這極有可能引發(fā)電力電子技術(shù)的一場新的革命這極有可能引發(fā)電力電子技術(shù)的一場新的革命。 因此，碳化硅電力電子器件的誕生和開發(fā)是電力電子技術(shù)在因此，碳化硅電力電子器件的誕生和開發(fā)是電力電子技術(shù)在世紀之交的一次革命性進展。世紀之交的一次革命性進展。 氮化鎵氮化鎵gangan具有碳化硅的高擊穿電場特性，具有碳化硅的高擊穿電場特性， 更具更具高頻特性高頻特性的開發(fā)潛力。的開發(fā)潛力。 1靜態(tài)特性靜態(tài)特性 電導調(diào)制效應電導調(diào)制效

7、應： 電流電流注入載流子數(shù)注入載流子數(shù)電阻率電阻率多子多子保持保持 電中性電中性 ud did d電導調(diào)制效應maa 反向阻斷雪崩擊穿0.51.2v 動態(tài)特性動態(tài)特性 （power diode) pd等效模型等效模型： 3-1 功率二極管功率二極管 2開通過程開通過程： tid dtfrufrp理想id did d實際理想ud d實際ud dud d2v正向恢復時間 外殼電容體電阻體電感引線電感勢壘+ 擴散 電容pn結(jié)電阻tid dufrp理想ud d理想id dirrpur實際id dud d實際urrp25%irrptrr由由ur、線路電感、線路電感、 體電感決定體電感決定 反向充電建立勢

8、壘反向充電建立勢壘 反向恢復時間 關(guān)斷過程關(guān)斷過程： 因正向電導調(diào)制效應且電流大：因正向電導調(diào)制效應且電流大： tfr trr 普通普通pd trr 100us pd的分類的分類 快恢復二極管快恢復二極管 （fast recovery diode trr 0.2us) 軟恢復二極管軟恢復二極管 （soft recovery diode trr 0.51us) 勢壘（肖特基）二極管勢壘（肖特基）二極管 （schottky barrier diode trr 0無柵壓反向輸出特性無柵壓反向輸出特性 m105onr正柵壓反向輸出特性正柵壓反向輸出特性 2 飽和區(qū)的電流轉(zhuǎn)移特性飽和區(qū)的電流轉(zhuǎn)移特性 負

9、電流溫度系數(shù)負電流溫度系數(shù) 適于并聯(lián)適于并聯(lián) id dugsgs跨導跨導guigsd開啟電壓開啟電壓 ut 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 開啟電壓開啟電壓 跨導跨導 隨溫升降低隨溫升降低 通態(tài)電阻特性通態(tài)電阻特性 dscdsddsonuuiur 正向電阻區(qū)正向電阻區(qū) 臨界飽和漏壓臨界飽和漏壓 onrbb-dsugsudsijt動態(tài)特性動態(tài)特性： t1開通延遲開通延遲 t2上升時間上升時間 t3關(guān)斷延遲關(guān)斷延遲 t4下降時間下降時間 ton開通時間開通時間 toff關(guān)斷時間關(guān)斷時間 器件說明器件說明 ?輸入電容（輸入電容（ds短接）短接） gdgsisccc gddsosccc gdrscc 輸出電容（輸出

10、電容（gs短接）短接） 反饋（米勒）電容反饋（米勒）電容 極間電容特性極間電容特性 器件說明器件說明 開關(guān)速度開關(guān)速度 計算計算 驅(qū)動電路驅(qū)動電路 設計設計 ? 柵極電荷特性柵極電荷特性 ？密勒效應密勒效應)(gstuconstig)(gsqu開通開通 電流電流 降落降落 電壓電壓 過驅(qū)動過驅(qū)動 dsugsudsi q 柵極電荷特性柵極電荷特性電路運行條件的影響電路運行條件的影響 s1:開通過程消耗于開通過程消耗于rg的能量的能量s2:關(guān)斷過程消耗于關(guān)斷過程消耗于rg的能量的能量 （開通過程貯存于（開通過程貯存于cis）s1s2=開關(guān)周期驅(qū)動能量開關(guān)周期驅(qū)動能量 )()(103gsgss21s

11、offon0offononggsssqquufssfpppppdtiutpt 平均驅(qū)動功率平均驅(qū)動功率 柵極電荷特性柵極電荷特性 應用于驅(qū)動功率計算應用于驅(qū)動功率計算 耐壓耐壓限制限制 脈沖脈沖功率功率限制限制 脈沖脈沖電流電流限制限制 ron損耗損耗限制限制 安全工作區(qū)安全工作區(qū) 電路運行條件的影響電路運行條件的影響 熱擊穿熱擊穿 電壓擊穿電壓擊穿 dtdudsjctjcrtrzk 結(jié)結(jié)-殼殼穩(wěn)態(tài)熱阻穩(wěn)態(tài)熱阻 結(jié)結(jié)-殼殼瞬態(tài)熱阻瞬態(tài)熱阻 安全工作區(qū)安全工作區(qū) 電路運行條件的影響電路運行條件的影響 熱歐姆定律：熱歐姆定律： tjcztrtp dd功率功率 耐量耐量 ?1igbt的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) i

12、gbt n- -cgepn+n+pn+n+ n+ p+dsgcen+np+ppen區(qū)體電阻 gcernrpgcerngecigbt insulated gate bipolar transistor 3-4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 靜態(tài)特性：靜態(tài)特性： igbt的特性的特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 ust 34vugegeic c 輸出特性輸出特性 飽和區(qū) icuceuge23v 飽和電壓特性飽和電壓特性 ucesic c25125負正2動態(tài)特性：動態(tài)特性： ictt1 1t2 2t3 3t4 4ustugeugem0.1ugemicm0.9icmtontoff0.1icm0.9ugemu

13、cemosongtronmosoffgtrofft鉗位效應鉗位效應：與mosfet相似 拖尾電流拖尾電流mos已經(jīng)關(guān)斷，igbt存儲電荷釋放緩慢 igbt的擎?。ǖ那孀。╨atch）效應）效應 gcernrpscr 靜態(tài)擎住靜態(tài)擎住 動態(tài)擎住動態(tài)擎住 過熱擎住過熱擎住 p區(qū)體電阻區(qū)體電阻rp引發(fā)擎住引發(fā)擎住 關(guān)斷過急關(guān)斷過急位移電流位移電流 ecejidtduccjpn結(jié)電容結(jié)電容 rg 不能過小，限制關(guān)斷時間。不能過小，限制關(guān)斷時間。 rp 及及pnp、npn 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 因溫度升高而增大。因溫度升高而增大。 （125時時icm降至降至1/2） igbt的通態(tài)特性的通態(tài)特性 o

14、42461088121620vuge/vuce/40a200a100actc25ccesoniur igbt的電流容量的電流容量 最大連續(xù)電流最大連續(xù)電流 ic 506012018030024075100125150ctc/aic/ctjm15025ctaicc125250 最大脈沖電流最大脈沖電流 icm 最大開關(guān)電流最大開關(guān)電流 ilm ccmonciimstct)(;32125規(guī)定條件下，可重復開關(guān)電流的最大值。規(guī)定條件下，可重復開關(guān)電流的最大值。 clmgeonciivuhlct).(.;51211520125 允許短路電流允許短路電流 isc cscii)(54 igbt短路狀態(tài)的失

15、效機理短路狀態(tài)的失效機理 失效原因：失效原因： ttda/50oosci0scigeuttoofirgp40sci0scigeufirgp40ds/2ds/2dv /5 短路保護短路保護 延時搜索延時搜索 超過熱極限：超過熱極限：半導體本征溫度極限半導體本征溫度極限250co, 短路電流過大使管芯過熱。短路電流過大使管芯過熱。 關(guān)斷過電壓：關(guān)斷過電壓：分布和封裝引線電感與短路大電流關(guān)斷變化。分布和封裝引線電感與短路大電流關(guān)斷變化。 電流擎住效應電流擎住效應 基本要求基本要求： ibp+ibp-s5s2s50.ibhfehfes).(6050hfeiicmb)./().(6050251 ic 較

16、大時，增較大時，增 ib 可降可降 uces；深度飽和與快速關(guān)斷相矛盾。深度飽和與快速關(guān)斷相矛盾。bbpii3bpbpiiicuces1vib=0.5aib=1a30a 3過驅(qū)動系數(shù) 增 ibp- 可加速關(guān)斷，但電流變化率增大。一般?。?-5 開關(guān)器件的集成驅(qū)動電路開關(guān)器件的集成驅(qū)動電路（drive circuit） 1gtr 基本驅(qū)動電路基本驅(qū)動電路 d1：ube+ud2+ud3 = ud1+ucest1t2r1r2d1ubd3d2d4e1e2c1gtr貝克鉗位電路 uces = ube+ud2+ud3 ud1 = ube + ud2 （一般取0.73v)使gtr集電結(jié)反偏或零偏準飽和準飽和

17、 d1應為快恢復管，d2、d3為普通管集成驅(qū)動電路集成驅(qū)動電路 exb356：150a/600v；ibp=+3a/-3.4a、 iin= 39maexb356 (富士 日) uaa4002 (湯姆遜 法)m57950 (三菱 日) 69215v312679v9v4exb356驅(qū)動電路的設計原則驅(qū)動電路的設計原則 安全安全+ +低耗低耗+ +快速快速 隔離：隔離：光電耦合、光纖、脈沖變壓器；光電耦合、光纖、脈沖變壓器； 電平適當：電平適當：+12 16v / -5 10v +ugetonponucespontscisc 邊沿陡直：邊沿陡直：tup、tdn 1s ton/offpon/offdi/

18、dtdu/dt電壓尖峰 動態(tài)擎住 驅(qū)動回路短、回路阻抗小、驅(qū)動功率足驅(qū)動回路短、回路阻抗小、驅(qū)動功率足 pmosfet & igbt 2ir2110、2235集成驅(qū)動電路集成驅(qū)動電路 自舉過程自舉過程 驅(qū)動供電方式驅(qū)動供電方式 最短導通時間限制最短導通時間限制 電流檢測方式電流檢測方式 p4551 exb840/841高速型厚膜驅(qū)動電路高速型厚膜驅(qū)動電路（富士） exb840：150a/600v、 75a/1200v；40khz、延遲、延遲1s、25ma exb841：400a/600v、300a/1200v；40khz、延遲、延遲1s、47ma 1392amp1514過流保護456e

19、xb840/8415v20v10ma3333m1過流過流保護保護輸出輸出8vc 非濾波，吸收電源線 阻抗變化引起的電壓波動 橋臂直通、ic(近似uce)過大、t過高 uce允許短路時間530s 延時搜索/緩降柵壓 “0”強迫-5v封鎖m57962al厚膜驅(qū)動電路厚膜驅(qū)動電路（三菱） 短路檢測時間：短路檢測時間：p2-p4間電容10008000p 對應36s 658m57962al門極封鎖單元定時復位電路檢測鎖存amp1314421 600a/600v、400a/1200v；20khz、延遲、延遲15v過短路檢測時間p8=l報警軟封鎖柵壓定時1-2ms到輸入=l？結(jié)束nnyym57962al應用

20、電路應用電路（雙電源）（雙電源） 30v穩(wěn)壓管在檢測二極管反向恢復時限制穩(wěn)壓管在檢測二極管反向恢復時限制p1電壓電壓 658m57962al門極封鎖單元定時復位電路檢測鎖存amp131442115v10v30v18v15v過流過流保護保護輸出輸出5v總損耗總損耗p = 導通損耗導通損耗pon + 阻斷損耗阻斷損耗poff + 開關(guān)損耗開關(guān)損耗 ps （ ps=4080%p)延遲時間延遲時間 is小，小， 可略可略上升時間上升時間存儲時間存儲時間 us小，可略小，可略下降時間下降時間 ps上升時間上升時間tup下降時間下降時間tdo一般 80%ib bic cttt1 1t2 2t3 3t4 4

21、ts stc cibic0.9ib0.1ib0.9ic0.1icid dttt1 1t2 2t3 3t4 4ugsttugsgsucc/rlup pictt1 1t2 2t3 3t4 4ustugeugem0.1ugemicm0.9icmtontoff0.1icm0.9ugemucemosongtronmosoffgtrofftgtrmosfetigbt3-6 開關(guān)器件應力與緩沖電路開關(guān)器件應力與緩沖電路 1updottdoupcccsceccecstttuidtuidtuie0061)(每周期損耗每周期損耗 sdoupcccssfttuip)(61開關(guān)功率損耗開關(guān)功率損耗 ic cucece

22、mnuccccicscs開關(guān)軌跡 onttuuttiiupccceupcsc)( 1offttuuttiidocccedocsc)(1電阻負載電阻負載 1容性負載容性負載開通過程開通過程uceicicponponuceicpoffpoffuceic cucecemn感性負載感性負載關(guān)斷過程關(guān)斷過程安全安全on ：限制限制di/dt 開通開通/串聯(lián)緩沖串聯(lián)緩沖；off：限制限制du/dt 關(guān)斷關(guān)斷/并聯(lián)緩沖并聯(lián)緩沖； 降低（降低（轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移）s損耗，改變開關(guān)軌跡損耗，改變開關(guān)軌跡。緩沖電路緩沖電路（snubber circuit）有損緩沖電路有損緩沖電路無損緩沖電路電流、電壓、熱電流、電壓、熱應力

23、應力 stress（buck例）例）無緩沖工作波形無緩沖工作波形uicdtlruoliciditticuceui ioliuuuil2l2il1l1d導通導通d恢復恢復存存儲儲ul0ul00d導通導通dlciii開、關(guān)過程損耗均大！開、關(guān)過程損耗均大！2有損緩沖電路有損緩沖電路 il連續(xù)時的緩沖電路連續(xù)時的緩沖電路 臨界臨界電容電容cs緩沖緩沖 uicdtlruolididscsrs經(jīng) tdocs大， uce1時最小最小值應在 1 的拋物線上討論討論ic cucece1 開關(guān)損耗開關(guān)損耗=2/3時最小ronofftseee11341126123113202020offoffofftseeee)

24、()()(03420)(offtsedde949500/minminssofftscceee.2 .4 .6 .81.2.4.6.8101.21.6es-ts-teon-ron-reoffoff0.35 1 電容參數(shù)在最小導通時間內(nèi)cs電荷應放盡rcd關(guān)斷緩沖電路的另一種接法uicdtlruolidscsrs參數(shù)選取參數(shù)選取1350.idolsssuticcc).().(500601120020 電阻參數(shù)sonsssonctrrct)()(minmin5353頻率越高，電阻越小，開通附加電流越大。電阻值與損耗無關(guān)。uicdtlruolididscsrsrld開通緩沖電路開通緩沖電路uicdtl

25、ruolididsrslsl恒流源，開通初，d導通/恢復， 經(jīng)上升時間 tup： uce由ui uls 限制di/dt經(jīng) tupls大， ic il d導通， tup 1ls小， ic il d阻斷， tup tfu ，1設： uce線性下降uceicilui ituptfuuceicilui ituptfuuceicilui ituprld開通緩沖電路開通緩沖電路臨界臨界電感緩沖電感緩沖由 對偶原理：對偶原理：uceicilui itupceilsuuuiupiceuttuuupsitceisctltudtuuliup2120)(lupciti)(lupisitul20開通關(guān)斷并聯(lián)串聯(lián)電壓電

26、流電容電感上升下降 開關(guān)損耗開關(guān)損耗=2/3時最小949500/minminssofftslleelupissitull).().(50060112001350.min/)(offsstlr53在最小關(guān)斷時間內(nèi)ls電流應回零電阻值與損耗無關(guān)；頻率越高，電阻越大，關(guān)斷附加電壓越大。復合緩沖電路復合緩沖電路uicdtlruolidids2rs2lsds1rs1csilic crbrsucciddscslsis srllldlcccrsdscslsuicdtlruolidids2rs2lsds1rs1cs無損緩沖電路無損緩沖電路有損有損 緩沖電路緩沖電路sisofffucp221slsonfilp221由由s移出移出ui、rls、rs 熱熱？無損無損緩沖電路緩沖電路3無損關(guān)斷緩沖電路無損關(guān)斷緩沖電路與與rcd并聯(lián)緩沖相似并聯(lián)緩沖相似uidtlruolicid11ci2ci1lid2d3cbuck例例1cu2cuiulcii lccciiii21ondd21/dotoff關(guān)斷過程關(guān)斷過程1cu2cuceu0iu0ond doilstuiccc).(/5006021221/sccctt