《電力電子器件概述》ppt課件

1、第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件電子技術的根底電子技術的根底 電子器件：晶體管和集成電電子器件：晶體管和集成電路路電力電子電路的根底電力電子電路的根底 電力電子器件電力電子器件本章主要內容：本章主要內容：概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題。概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題。引見常用電力電子器件的任務原理、根本特性、引見常用電力電子器件的任務原理、根本特性、主要參數以及選擇和運用中應留意問題。主要參數以及選擇和運用中應留意問題。第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件引言引言1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述1 1概念概念: :電力電子器件電力電子器件Power El

2、ectronic DevicePower Electronic Device 可直接用于主電路中，實現電能的變換或控可直接用于主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。制的電子器件。主電路主電路Main Power CircuitMain Power Circuit 電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承當電能的變電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承當電能的變換或控制義務的電路。換或控制義務的電路。2 2分類分類: : 電真空器件電真空器件 ( (汞弧整流器、閘流管汞弧整流器、閘流管) ) 半導體器件半導體器件 ( (采用的主要資料硅依然采用的主要資料硅依然1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念

3、和特征電力電子器件電力電子器件能處置電功率的才干，普通遠大于處置信息能處置電功率的才干，普通遠大于處置信息的電子器件。的電子器件。電力電子器件普通都任務在開關形狀。電力電子器件普通都任務在開關形狀。電力電子器件往往需求由信息電子電路來控電力電子器件往往需求由信息電子電路來控制。制。電力電子器件本身的功率損耗遠大于信息電電力電子器件本身的功率損耗遠大于信息電子器件，普通都要安裝散熱器。子器件，普通都要安裝散熱器。1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征3同處置信息的電子器件相比的普通特征：同處置信息的電子器件相比的普通特征： 通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。通態(tài)損耗是器件功

4、率損耗的主要成因。 器件開關頻率較高時，開關損耗能夠成為器件功率損器件開關頻率較高時，開關損耗能夠成為器件功率損耗的主要要素。耗的主要要素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關損耗關斷損耗開通損耗1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅動電路、維護電路電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅動電路、維護電路 和以電力電子器件為中心的主電路組成。和以電力電子器件為中心的主電路組成。圖1-1 電力電子器件在實踐運用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2維護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個

5、系統(tǒng)正?？煽窟\轉1.1.2 運用電力電子器件系統(tǒng)組成運用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路半控型器件半控型器件Thyristor 經過控制信號可以控制其導通而不能經過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷?？刂破潢P斷。全控型器件全控型器件IGBT,MOSFET) 經過控制信號既可控制其導通又可控經過控制信號既可控制其導通又可控制其關制其關 斷，又稱自關斷器件。斷，又稱自關斷器件。不可控器件不可控器件(Power Diode) 不能用控制信號來控制其通斷不能用控制信號來控制其通斷, 因此也因此也就不需求驅動電路。就不需求驅動電路。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照器件可以被

6、控制的程度，分為以下三類：按照器件可以被控制的程度，分為以下三類：電流驅動型電流驅動型 經過從控制端注入或者抽出電流來實現導經過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者通或者 關斷的控制。關斷的控制。電壓驅動型電壓驅動型 僅經過在控制端和公共端之間施加一定的僅經過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷的控制。電壓信號就可實現導通或者關斷的控制。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅動電路信號的性質，分為兩按照驅動電路信號的性質，分為兩類：類：本章內容本章內容: :引見各種器件的任務原理、根本特性、主要參引見各種器件的任務原理、根本特性、主要參數以及選擇和運用

7、中應留意的一些問題。數以及選擇和運用中應留意的一些問題。集中講述電力電子器件的驅動、維護和串、并集中講述電力電子器件的驅動、維護和串、并聯(lián)運用這三個問題。聯(lián)運用這三個問題。學習要點學習要點: :最重要的是掌握其根本特性。最重要的是掌握其根本特性。掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數和特性曲線的意義。和特性曲線的意義。1.1.4 本章學習內容與學習要點本章學習內容與學習要點1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 Power Diode構造和原理簡單，任務可靠，自20世紀50年代初期就獲得運用。快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆

8、變，以及低壓高頻整流的場所，具有不可替代的位置。1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言整流二極管及模塊 根本構造和任務原理與信息電子電路中的二極管一樣。 由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2 電力二極管的外形、構造和電氣圖形符號 a) 外形 b) 構造 c) 電氣圖形符號1.2.1 PN結與電力二極管的任務原結與電力二極管的任務原理理AKAKa)IKAPNJb)c)AK 形狀參數正導游通反向截止反向擊穿電流正向大幾乎為零反向大電壓維持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的根本原理就在于PN結的單導游電性這一主要

9、特征。 PN結的反向擊穿兩種方式)雪崩擊穿齊納擊穿均能夠導致熱擊穿1.2.1 PN結與電力二極管的任務原結與電力二極管的任務原理理 PN結的形狀PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。結電容按其產活力制和作用的差別分為勢壘電容CB和分散電容CD。電容影響PN結的任務頻率，尤其是高速的開關形狀。1.2.1 PN結與電力二極管的任務原結與電力二極管的任務原理理 PN結的電容效應：主要指其伏安特性主要指其伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流，正向電流IF開場明顯添加所對應開場明顯添加所對應的電壓。的電壓。與與IF對應的電力二極管兩對應的電力二極管兩端的電壓即

10、為其正向電端的電壓即為其正向電壓降壓降UF 。接受反向電壓時，只需微接受反向電壓時，只需微小而數值恒定的反向漏小而數值恒定的反向漏電流。電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU2) 動態(tài)特性動態(tài)特性 反映通態(tài)和斷態(tài)之間反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性轉換過程的開關特性1.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉換為反向偏置 b)

11、 零偏置轉換為正向偏置延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復時間：trr= td+ tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復系數，用Sr表示。正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值如 2V。正向恢復時間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開經過程1.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性 開經過程：開經過程： 關斷過程關斷過程須經過一段短暫的時間才干重新須經過一段短暫的時間才干重新獲得反向阻斷才干，進入截止形獲得反向阻斷才干，進入截止形狀。狀

12、。關斷之前有較大的反向電流出現，關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關斷過程額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件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下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，運用是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，運用時應按有效值相等的原那么來選取電流定額，時應按有效值相等的原那么來選取電流定額，并應留有一定的裕量。并應留有一定的裕量。1.2.3 電力二極管的

13、主要參數電力二極管的主要參數1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。3 3 反向反復峰值電壓反向反復峰值電壓URRMURRM對電力二極管所能反復施加的反向最頂峰值電壓。對電力二極管所能反復施加的反向最頂峰值電壓。運用時，該當留有兩倍的裕量。運用時，該當留有兩倍的裕量。 4 4反向恢復時間反向恢復時間trrtrr trr= td+ tf trr= td+ tf1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數2正向壓降正向壓降UF結溫是指管芯結溫是指管芯PN結的平均溫度，用結的

14、平均溫度，用TJ表示。表示。TJM是指在是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能接受的最高平均溫度。結不致?lián)p壞的前提下所能接受的最高平均溫度。TJM通常在通常在125175C范圍之內。范圍之內。6) 浪涌電流浪涌電流IFSM指電力二極管所能接受最大的延續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。指電力二極管所能接受最大的延續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數5最高任務結溫最高任務結溫TJM1) 普通二極管普通二極管General Purpose Diode又稱整流二極管又稱整流二極管Rectifier Diode多用于開關頻率不高多用于開關頻率不高1kHz以下的整流電

15、路以下的整流電路其反向恢復時間較長其反向恢復時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以到達很高正向電流定額和反向電壓定額可以到達很高1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型簡稱快速二極管快恢復外延二極管 Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED，其trr更短可低于50ns， UF也很低0.9V左右，但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者trr為數百納秒或更長，后者那么在100ns以下，甚至到達2030ns2) 快恢復二極管快恢復二極管 Fast Recovery DiodeFRD肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓

16、降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必需嚴厲地限制其任務溫度。肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短1040ns。正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復二極管。效率高，其開關損耗和正導游通損耗都比快速二極管還小。1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管肖特基二極管 以金屬和半導體接觸構成的勢壘為根底的二極以金屬和半導體接觸構成的勢壘為根底的二極管稱為肖特基勢壘二極管管稱為肖特基勢壘二極管Schottky Barrier Diode SBD。1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言

17、引言1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術迅速開展和廣泛運用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開場被全控型器件取代。能接受的電壓和電流容量最高，任務可靠，在大容量的場所具有重要位置。晶閘管晶閘管ThyristorThyristor：晶體閘流管，可控硅整：晶體閘流管，可控硅整流器流器Silicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled RectifierSCR圖1-6 晶閘管的外形、構造和電氣圖形符號a) 外形 b) 構造 c) 電氣圖形符號1.3.1 晶閘管的構造

18、與任務原理晶閘管的構造與任務原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器嚴密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.3.1 晶閘管的構造與任務原理晶閘管的構造與任務原理 常用晶閘管的構造螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及構造1.3.1 晶閘管的構造與任務原理晶閘管的構造與任務原理式中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 ：圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其任務原理a) 雙晶體管模型

19、 b) 任務原理 按晶體管的任務原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII1-21-11-31-4)(121CBO2CBO1G2AIIII1-51.3.1 晶閘管的構造與任務原理晶閘管的構造與任務原理 在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷形狀：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。 開通形狀：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，實現飽和導通。IA實踐由外電路決議。1.3.1 晶閘管的構造與任務原理晶閘管的構造與任務原理 陽極

20、電壓升高至相當高的數值呵斥雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高 結溫較高 光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而運用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管Light Triggered ThyristorLTT。 只需門極觸發(fā)是最準確、迅速而可靠的控制手段。 其他幾種能夠導通的情況：其他幾種能夠導通的情況：1.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性接受反向電壓時，不論門極能否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。接受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才干開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制造用。要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下 。晶閘管正常任務時的特

21、性總結如下：晶閘管正常任務時的特性總結如下：1.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性1正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只需很小的正向漏電流，為正向阻斷形狀。正向電壓超越正向轉機電壓Ubo，那么漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉機電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG1.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性 反向特性類似二極管的反向特性。 反向阻斷形狀時，只需極小的反相漏電流流過。 當

22、反向電壓到達反向擊穿電壓后，能夠導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2反向特性反向特性1.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性1) 開經過程延遲時間td (0.51.5s)上升時間tr (0.53s)開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr 1-6100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關斷過程反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關斷時間tq以上兩者之和tq=trr+tgr 1-7)普通晶閘管的關斷時間約幾百

23、微秒2 動態(tài)特性動態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開通和關斷過程波形1.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 斷態(tài)反復峰值電壓斷態(tài)反復峰值電壓UDRM 在門極斷路而結溫為額在門極斷路而結溫為額定值時，允許反復加在器件上的定值時，允許反復加在器件上的正向峰值電壓。正向峰值電壓。 反向反復峰值電壓反向反復峰值電壓URRM 在門極斷路而結溫為額定在門極斷路而結溫為額定值時，允許反復加在器件上的反值時，允許反復加在器件上的反向峰值電壓。向峰值電壓。 通態(tài)峰值電壓通態(tài)峰值電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。值電壓。通常取晶閘管

24、的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，普通取額定電壓為正常任務時晶閘管所接受峰值電壓23倍。運用留意：運用留意：1電壓定額電壓定額1.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV IT(AV在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為4040C C和規(guī)定的冷卻形狀下，穩(wěn)定結溫和規(guī)定的冷卻形狀下，穩(wěn)定結溫不超越額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的不超越額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數。平均值。標稱其額定電流的參數。運用時應按有效值相等的原那么來選取晶閘管。運用時應按有效值相等的原那么來選取晶閘管。維持電流維持電流

25、 IH IH 使晶閘管維持導通所必需的最小電流。使晶閘管維持導通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常ILIL約為約為IHIH的的2424倍。倍。浪涌電流浪涌電流ITSMITSM指由于電路異常情況引起的并使結溫超越額定結溫的指由于電路異常情況引起的并使結溫超越額定結溫的不反復性最大正向過載電流不反復性最大正向過載電流 。2 2電流定額電流定額1.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 除開通時間除開通時間t

26、gttgt和關斷時間和關斷時間tqtq外，還有：外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt du/dt 指在額定結溫暖門極開路的情況下，不導致晶指在額定結溫暖門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通閘管誤導通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dtdi/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能接受而無有害影響指在規(guī)定條件下，晶閘管能接受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。的最大通態(tài)電流上升率。 假設電流上升太快，能

27、夠呵斥部分過熱而使晶閘假設電流上升太快，能夠呵斥部分過熱而使晶閘管損壞。管損壞。3 3動態(tài)參數動態(tài)參數1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關時間以及開關時間以及du/dt和和di/dt耐量都有明顯改善。耐量都有明顯改善。普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，高頻晶閘管普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，高頻晶閘管10s左右。左右。高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。由于任務頻率較高，不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。由于任務頻率較高，不能忽略其開關損耗的發(fā)

28、熱效應。1 1快速晶閘管快速晶閘管Fast Switching Thyristor Fast Switching Thyristor FST)FST)1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2雙向晶閘管雙向晶閘管Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可以為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和

29、T2，一個門極G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件逆導晶閘管逆導晶閘管Reverse Conducting ThyristorRCTa)KGAb)UOIIG=0圖1-11 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個二極控制造在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點。1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件光控晶閘管光控晶閘管Light Triggered ThyristorLTTAGKa)AK光強度強弱b)OUIA圖

30、1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可防止電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場所。1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現。20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的典型全控型器件常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1.

31、4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件。 可以經過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。 GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因此在兆瓦級以上的大功率場所仍有較多的運用。門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管Gate-Turn-Off Thyristor GTO1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管構造：構造：與普通晶閘管的一樣點：與普通晶閘管的一樣點： PNPN四層半導體構造，四層半導體構造，外部引出陽極、陰極和門極。外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集是一種多元的功率集成器件。成器件。圖1-13 GTO的

32、內部構造和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔陳列的圖形 b) 并聯(lián)單元構造斷面表示圖 c) 電氣圖形符號1GTO的構造和任務原理的構造和任務原理1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 任務原理：任務原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來所示的雙晶體管模型來分析。分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其任務原理 1+1+ 2=12=1是器件臨界導通的條件。是器件臨界導通的條件。 由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分

33、別具有共基極電流增益1和2 。1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 GTO可以經過門極關斷的緣由是其與普通晶閘管有如下區(qū)別： 設計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。 導通時1+2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。 多元集成構造，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖1-7 晶閘管的任務原理1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO導經過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關斷過程中有劇烈正反響使器件退出飽和而關斷。多元集成構造還使GTO比

34、普通晶閘管開經過程快，接受di/dt才干強 。 由上述分析我們可以得到以下結論：1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管開經過程：與普通晶閘管開經過程：與普通晶閘管一樣一樣關斷過程：與普通晶閘管關斷過程：與普通晶閘管有所不同有所不同儲存時間儲存時間ts，使等效晶體，使等效晶體管退出飽和。管退出飽和。下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 殘存載流子殘存載流子復合。復合。通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要長。要長。門極負脈沖電流幅值越大，門極負脈沖電流幅值越大，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖

35、1-14 GTO的開通和關斷過程電流波形 GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 GTO的主要參數的主要參數 延遲時間與上升時間之和。延遲時間普通約12s，上升時間那么隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 普通指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間普通小于2s。2 關斷時間關斷時間toff1開通時間開通時間ton 不少GTO都制呵斥逆導型，類似于逆導晶閘管，需接受反壓時，應和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數和普通晶閘管相應的參數意義一樣，以下只引見意義不同的參數。1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管3最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO4 電流關

36、斷增益電流關斷增益off off普通很小，只需5左右，這是GTO的一個主要缺陷。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。1-8GMATOoffII1.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管電力晶體管Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管直譯為巨型晶體管 。耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管Bipolar Junction TransistorBJT，英文有時候也稱為英文有時候也稱為Power BJT。 運用運用20世紀世紀80年代以來，在中、小

37、功率范圍年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和和電力電力MOSFET取代。取代。 術語用法：術語用法：與普通的雙極結型晶體管根本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元構造。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。1.4.2 電力晶體管電力晶體管1GTR的構造和任務原理的構造和任務原理圖1-15 GTR的構造、電氣圖形符號和內部載流子的流動 a) 內部構造斷面表示圖 b) 電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動1.4.2 電力晶體管電力晶體管 在運用中，GTR普通采用共發(fā)射極接法。

38、集電極電流ic與基極電流ib之比為 1-9 GTR的電流放大系數，反映了基極電流對集電極電流的控制才干 。 當思索到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為 ic= ib +Iceo 1-10 單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1GTR的構造和任務原理的構造和任務原理1.4.2 電力晶體管電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中在電力電子電路

39、中GTR任任務在開關形狀。務在開關形狀。在開關過程中，即在截止在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經過放大區(qū)。要經過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實踐運用時，最高任務電壓要比實踐運用時，最高任務電壓要比BUceo低得多。低得多。3GTR的主要參數的主要參數1.4.2 電力晶體管電力晶體管通常規(guī)定為直流電流放大系數通常規(guī)定為直流電流放大系數hFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應的時所對應的Ic 。實踐運用時要留有裕量，只能用到實踐運用時要留有裕量，只能用到IcM的一半

40、或稍多一點。的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM最高任務溫度下允許的耗散功率。最高任務溫度下允許的耗散功率。產品闡明書中給產品闡明書中給PcM時同時給出殼溫時同時給出殼溫TC，間接表示了最高任務溫度，間接表示了最高任務溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM1.4.2 電力晶體管電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。迅速增大。只需只需Ic不超越限制，不超越限制，GTR普通不會損壞，任務特性也不普通不會損壞，任務特性也不變。變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic

41、忽然急劇上升，電壓忽然急劇上升，電壓忽然下降。忽然下降。經常立刻導致器件的永久損壞，或者任務特性明顯衰經常立刻導致器件的永久損壞，或者任務特性明顯衰變變 。 平安任務區(qū)平安任務區(qū)Safe Operating AreaSOA 最高電壓最高電壓UceM、集電極最、集電極最大電流大電流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界限限定。、二次擊穿臨界限限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的平安任務區(qū) GTR的二次擊穿景象與平安任務區(qū)的二次擊穿景象與平安任務區(qū)1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 分為結型和絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型中的MOS型Met

42、al Oxide Semiconductor FET 簡稱電力MOSFETPower MOSFET 結型電力場效應晶體管普通稱作靜電感應晶體管Static Induction TransistorSIT 特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅動電路簡單，需求的驅動功率小。 開關速度快，任務頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，普通只適用于功率不超越10kW的電力電子安裝 。電力場效應晶體管電力場效應晶體管1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管電力電力MOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為按導電溝道可分為P溝道和溝道和N溝道。溝道。 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之當柵極電

43、壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。間就存在導電溝道。 加強型加強型對于對于NP溝道器件，柵極溝道器件，柵極電壓大于小于零時才存在導電溝道。電壓大于小于零時才存在導電溝道。 電力電力MOSFET主要是主要是N溝道加強型。溝道加強型。1電力電力MOSFET的構造和任務原理的構造和任務原理1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管電力電力MOSFET的構造的構造是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管一樣，但構造上有較大區(qū)別。采用多元集成構造，不同的消費廠家采用了不同設計。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的構造和電氣圖形符

44、號1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 小功率MOS管是橫導游電器件。 電力MOSFET大都采用垂直導電構造，又稱為VMOSFETVertical MOSFET。 按垂直導電構造的差別，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙分散MOS構造的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET。 這里主要以VDMOS器件為例進展討論。電力電力MOSFET的構造的構造1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間構成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UG

45、S當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層構成N溝道而使PN結J1消逝，漏極和源極導電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的構造和電氣圖形符號電力電力MOSFET的任務原理的任務原理1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流漏極電流ID和柵源間電壓和柵源間電壓UGS的關系稱為的關系稱為MOSFET的轉移特性。的轉移特性。ID較大時，較大時，ID與與UGS的關的關系近似線性，曲線的斜率系近似線性，曲線的斜率定義為跨導定義為跨導Gfs。010203050402468

46、a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20 電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性2電力電力MOSFET的根本特性的根本特性1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管截止區(qū)對應于GTR的截止區(qū)飽和區(qū)對應于GTR的放大區(qū)非飽和區(qū)對應GTR的飽和區(qū)任務在開關形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。通態(tài)電阻具有正溫度系數，對器件并聯(lián)時的均流有利。圖1-20電

47、力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：的漏極伏安特性：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=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管開經過程開經過程開通延遲時間開通延遲時間td(on) 上升時間上升時間tr開通時間開通時間ton開通延開通延遲時間與上升時間之遲時間與上升時間之和和關斷過程關斷過程關斷延遲時間關斷延遲時間td(off)下降時間下降時間tf關

48、斷時間關斷時間toff關斷延關斷延遲時間和下降時間之遲時間和下降時間之和和ab)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開關過程a) 測試電路 b) 開關過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內阻，RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動態(tài)特性1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 MOSFET的開關速度和的開關速度和Cin充放電有很大關系。充放電有很大關系。 可降低驅動電路內阻可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，加快開關速度。減小時間常數，加快開關速度。 不存在少子儲存效

49、應，關斷過程非常迅速。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。 開關時間在開關時間在10100ns之間，任務頻率可達之間，任務頻率可達100kHz以上，以上，是主要電力電子器件中最高的。是主要電力電子器件中最高的。 場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。 開關頻率越高，所需求的驅動功率越大。開關頻率越高，所需求的驅動功率越大。MOSFET的開關速度的開關速度1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管3) 電力電力MOSFET的主要參數的主要參數 電力MOSF

50、ET電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 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(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導致絕緣層擊穿 。 除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGTGTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點。1986年投入市場

51、，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的位置。 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流才干很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的構造和任務原理的構造和任務原理三端器件：柵極三端器件：柵極G、集電極、集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極EEGCN+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)

52、GCc)圖1-22 IGBT的構造、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部構造斷面表示圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區(qū)，具有很強的通流才干。 簡化等效電路闡明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓構造，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。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+-+-+-IDRNICVJ1IDRo

53、nb)GCc)圖1-22 IGBT的構造、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部構造斷面表示圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT的構造的構造1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 驅動原理與電力MOSFET根本一樣，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決議。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內構成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。 IGBT的原理的原理a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICU

54、GE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE添加1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的根本特性的根本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性轉移特性轉移特性IC與與UGE間的關系間的關系(開啟開啟電壓電壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個區(qū)域：正分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。和飽和區(qū)。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(

55、off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關過程 IGBT的開經過程的開經過程 與與MOSFET的類似的類似 開通延遲時間開通延遲時間td(on) 電流上升時間電流上升時間tr 開通時間開通時間ton uCE的下降過程分為的下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。 t f v 1 I G B T 中中MOSFET單獨任務的電單獨任務的電壓下降過程；壓下降過程； tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時任務的晶體管同時任務的電壓下降過程。電壓下降過程。 (2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-2

56、4 IGBT的開關過程關斷延遲時間關斷延遲時間td(off電流下降時間電流下降時間 關斷時間關斷時間toff電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為tfi1和和tfi2兩段。兩段。tfi1IGBT器件內部器件內部的的MOSFET的關斷過程，的關斷過程，iC下降較快。下降較快。tfi2IGBT內部的內部的PNP晶體管的關斷過程，晶體管的關斷過程，iC下降較慢。下降較慢。 IGBT的關斷過程的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.

57、4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數的主要參數正常任務溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的特性和參數特點可以總結如下：的特性和參數特點可以總結如下： 開關速度高，開關損耗小。 一樣電壓和電流定額時，平安任務區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊才干。 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET

58、類似。 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流才干還可以進一步提高，同時堅持開關頻率高的特點 。 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 擎住效應或自鎖效應：擎住效應或自鎖效應： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一同，制成模塊，成為逆導器件 。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。 反向偏置平安任務區(qū)反向偏置平安任務區(qū)RBSOA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。 正偏平安任務區(qū)正偏平安任務區(qū)FBSOA 動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。 擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開場逐漸處理。NPN

59、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生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制造用，電流失控。1.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCT MCT結合了二者的優(yōu)點： 接受極高di/dt和du/dt，快速的開關過程，開關損耗小。 高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。 一個MCT器件由數以萬計的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斷的MOSFET。 其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未到達

60、預期的數值，未能投入實踐運用。 MCTMOS Controlled ThyristorMOSFET與晶閘管的復合與晶閘管的復合1.5.2 靜電感應晶體管靜電感應晶體管SIT多子導電的器件，任務頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因此適用于高頻大功率場所。在雷達通訊設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得運用。缺陷：柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通型器件，運用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因此還未在大多數電力電子設備中得到廣泛運用。SITStatic Induction Transistor結型場結型場效應晶體管效應晶體管1.5.3 靜電