電力電子1-器件課件

PowerElectronicsTechnology電力電子技術(shù)SouthChinaUniversityofTechnology第二部分電力電子器件6SouthChinaUniversityofTechnology2.1、功率器件部分電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——功率器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：(1)

半控型器件——通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——功率器件的分類按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動(dòng)型——通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)器件按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：?jiǎn)螛O型器件——由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件——由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——功率器件的分類電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——功率器件的分類電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——當(dāng)前的格局

IGBT為主體，第四代產(chǎn)品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首選。不斷發(fā)展，與IGCT等新器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖在兆瓦以上取代GTOGTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV/6kA光控晶閘管：功率更大場(chǎng)合，8kV/3.5kA，裝置最高達(dá)300MVA，容量最大電力MOSFET：長(zhǎng)足進(jìn)步，中小功率領(lǐng)域特別是低壓，地位牢固2.1.1功率二極管電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——功率二極管PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)由一個(gè)面積較大的PN結(jié)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以及模塊封裝

AKAK電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——PD等效模型勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分電力電子技術(shù)第一部分緒論——靜態(tài)特性u(píng)DiDmAA~m反向阻斷雪崩擊穿0.5~1.2V主要指其伏安特性當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——?jiǎng)討B(tài)特性開通過程：勢(shì)壘電容體電感正向恢復(fù)時(shí)間動(dòng)態(tài)特性——因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——?jiǎng)討B(tài)特性參數(shù)延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——PD的分類1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上

電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——PD的分類2.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（1s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管適用頻率：20～100kHzMUR系列MUR162016A200V電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——PD的分類3.肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——PD的分類肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖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，效率高適用頻率：1MHzMBR系列MBR252025A20V電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——二極管特性仿真電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——電壓波形1N40071N4148MUR1620MBR25202.1.2功率晶體管電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的結(jié)構(gòu)★三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)：GTR-GiantTransistorBJT-BipolarJunctionTransistor臺(tái)面結(jié)構(gòu)面積大→I大，但β??；單管：β=10~15，驅(qū)動(dòng)電流大電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR靜態(tài)特性準(zhǔn)飽和區(qū)深飽和區(qū)截止區(qū)二次擊穿區(qū)二次擊穿臨界曲線放大區(qū)★安全工作區(qū)SOASOA—SafeOperationArea電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的驅(qū)動(dòng)基本要求：

Ic較大時(shí)，增IB可降Uces；深度飽和與快速關(guān)斷相矛盾。

增IBP-可加速關(guān)斷，但電流變化率增大。一般?。弘娏﹄娮蛹夹g(shù)第二部分電力電子器件——關(guān)于驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)

對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——驅(qū)動(dòng)電路的隔離驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離

光隔離一般采用光耦合器

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器光耦合器的類型及接法a)普通型

b)高速型c)高傳輸比型電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——電流型和電壓型驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型

具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用

專用集成驅(qū)動(dòng)電路

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

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(dòng)電路電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——電壓型驅(qū)動(dòng)2.電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15~20V關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路★EXB356：150A/600V；IBP=+3A/-3.4A、IIN=3~9mAEXB356(富士·日)UAA4002(湯姆遜·法)M57950(三菱·日)電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的限制驅(qū)動(dòng)電流大二次擊穿開關(guān)速度低2.1.3功率場(chǎng)效應(yīng)管電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——FET的分類★因工藝和結(jié)構(gòu)差異名稱不同。如：

MotorolaTMOSNECVDMOSSiemensSiPMOS結(jié)型(JFET)MOS型增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道PowerMOSFET電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——FET的分類小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為

VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了

MOSFET器件的耐壓和耐電流能力按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用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MO

結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）

這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)★胞元并聯(lián)結(jié)RDS小，可達(dá)mΩ。★垂直導(dǎo)電VD，面積大，電流大；★溝道短D-S間U、R、C均??；電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）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)別電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)國(guó)際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的靜態(tài)特性★安全工作區(qū)SOA跨導(dǎo)開啟電壓★轉(zhuǎn)移特性SOA—SafeOperationAreaID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的輸出特性飽和區(qū)

調(diào)阻區(qū)雪崩擊穿區(qū)★輸出特性截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的動(dòng)態(tài)特性t1—開通延時(shí)t2—上升時(shí)間t3—關(guān)斷延時(shí)t4—下降時(shí)間ts—開通時(shí)間（ns級(jí)）tc—關(guān)斷時(shí)間（ns級(jí)）Rs、Cin決定開關(guān)速度電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的開關(guān)速度

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速開關(guān)時(shí)間在10~100ns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場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的參數(shù)跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有1)

漏極電壓UDS

電力MOSFET電壓定額2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

電力

MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS

柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS

廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的特點(diǎn)

特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)速度快，工作頻率高熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR★電壓控制，輸入阻抗高?！飭螛O型，溫—流負(fù)反饋，溫度穩(wěn)定性高，無二次擊穿。☆

橫向?qū)щ?，電流小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置

。

K為器件的幾何常數(shù)，N=2.5~2.7電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的并聯(lián)運(yùn)行電力MOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動(dòng)均衡的能力，容易并聯(lián)注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)電路走線和布局應(yīng)盡量對(duì)稱可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用2.1.4絕緣柵雙極型晶體管電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——IGBT的產(chǎn)生思路

GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，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(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜

MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）

GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性

1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件

繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——IGBT的結(jié)構(gòu)IGBT—InsulatedGateBipolarTransistor電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——IGBT的靜態(tài)特性★轉(zhuǎn)移特性★輸出特性飽和區(qū)★飽和電壓特性在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具負(fù)溫度系數(shù)在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)，并聯(lián)使用時(shí)也具有電流的自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——IGBT的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性：拖尾電流MOS已經(jīng)關(guān)斷，IGBT存儲(chǔ)電荷釋放緩慢電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——IGBT的擎?。↙atch）效應(yīng)★靜態(tài)擎住★動(dòng)態(tài)擎住★過熱擎住P區(qū)體電阻RP引發(fā)擎住關(guān)斷過急→位移電流CJ—PN結(jié)電容RG不能過小，限制關(guān)斷時(shí)間。RP及PNP、NPN電流放大倍數(shù)因溫度升高而增大。（150℃時(shí)ICM降至1/2）電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——

IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)3.IGBT的主要參數(shù)1)最大集射極間電壓UCES

由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)

最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗PCM

正常工作溫度下允許的最大功耗電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)(1)

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力

MOSFET相當(dāng)(2)

相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR

大，且具有耐脈沖電流沖擊能力(3)

通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域(4)

輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似(5)與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——IGBT典型厚膜集成驅(qū)動(dòng)電路1驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原則—

安全+低耗+快速★隔離：光電耦合、光纖、脈沖變壓器；★電平適當(dāng)：+12~16V/-5~10V★邊沿陡直：tUP、tDn<1μs電壓尖峰動(dòng)態(tài)擎住★驅(qū)動(dòng)回路短、回路阻抗小、驅(qū)動(dòng)功率足電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——EXB840/841厚膜驅(qū)動(dòng)電路★EXB840：150A/600V、75A/1200V；40kHz、延遲<1μs、25mA

EXB841：400A/600V、300A/1200V；40kHz、延遲<1μs、47mA橋臂直通、ic過大、T℃過高Uce↑允許短路時(shí)間<10μs延時(shí)搜索/緩降柵壓“0”強(qiáng)迫-5V封鎖電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——M57962AL厚膜驅(qū)動(dòng)電路短路檢測(cè)時(shí)間：P2-P4間電容1000~8000p對(duì)應(yīng)3~6μS★600A/600V、400A/1200V；20kHz、延遲<1μs、500mA電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——M57962AL應(yīng)用電路（雙電源）30V穩(wěn)