電路運行條件對電力電子器件性能的影響

電路運行條件對電力電子器件性能的影響第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一1.1概述1.1.1決定電力電子器件實際效能的主要因素

1.1.2電力電子器件的分類第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一1.1.1決定電力電子器件實際效能的主要因素

所有電力電子器件在其裝置中的實際效能取決于兩方面：一是電力電子器件的設(shè)計和制作(參數(shù)設(shè)計、結(jié)構(gòu)安排、材料性能、工藝水平和散熱能力等)；二是器件所在電路的運行條件(電路結(jié)構(gòu)、負載性質(zhì)、控制信號、開關(guān)頻率、環(huán)境溫度和冷卻條件等)。前一個因素屬于器件的設(shè)計制作，后一個因素則與器件的選擇和使用有關(guān)。第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一半控型器件（如SCR）

——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（如GTR、GTO、IGBT、PowerMOSFET)——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。1.1.2

電力電子器件的分類按器件受控程度可分為以下三類：第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一電流驅(qū)動型（如GTR、SCR、GTO）

——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型（如IGBT、PowerMOSFET）

——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1.2

電力電子器件的分類

按驅(qū)動信號的性質(zhì)可分為以下二類：第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一單極型器件（如PowerMOSFET）

——由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。雙極型器件（如GTO、GTR、SCR、SBD)——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(如IGBT)——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。1.1.2

電力電子器件的分類按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況可分為以下三類：第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一

■典型電力電子器件的輸出容量、工作頻率及主要應(yīng)用領(lǐng)域第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一

晶閘管（SCR——SiliconControlledRectifier）KP200-5，表示該元件額定電流為200A，額定電壓為500V的普通晶閘管。第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管（SCR——SiliconControlledRectifier）第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一

門極可關(guān)斷晶閘管（GTO—

Gate-Turn-OffThyristor）GTO通過門極關(guān)斷的原因設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于門極關(guān)斷。導(dǎo)通時1+2更接近1，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。多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一電力晶體管（GTR—

GiantTransistor）基本原理與普通雙極結(jié)型晶體管相同。主要特性：導(dǎo)通內(nèi)阻低、阻斷電壓高、輸入阻抗低、開關(guān)頻率低。通常采用達林頓接法組成單元結(jié)構(gòu)。第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一

功率場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同。主要特性：導(dǎo)通壓降高、開關(guān)容量低、輸入阻抗高、開關(guān)頻率高。小功率MOS管采用橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一圖1-6功率MOSFET單胞結(jié)構(gòu)示意圖

a)N溝道VDMOSb)N溝道VVMOSc)N溝道型器件符號d)P溝道型器件符號

1—源極2—柵極3—SiO24—源區(qū)5—溝道體區(qū)

6—漂移區(qū)(外延層)7—襯底8—溝道功率場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一1.4絕緣柵晶體管(IGBT)

1.4.1

IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.4.5驅(qū)動電路第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-25IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號圖1-24

內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖1.4.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一1.4.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理1—發(fā)射區(qū)2—SiO2

3—柵區(qū)4—溝道

5—源區(qū)6—溝道體區(qū)7—漏區(qū)(漂移區(qū))

8—襯底(注入?yún)^(qū))9—緩沖區(qū)

圖1-31N溝道PT型IGBT單胞結(jié)構(gòu)

剖面示意圖

第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一1.4.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-32IGBT的等效電路及其圖形符號

a)靜態(tài)等效電路b)簡化等效電路

c)、d)N溝道型的兩種圖形符號e)、f)P溝道型的圖形符號第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一a)b)O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增加補充：IGBT的基本特性補圖1IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th))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)。第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。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。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。

150KHz的IGBT已商品化；0.5kV/0.6kA的高壓IGBT已走向應(yīng)用。第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一電流擎住現(xiàn)象

IGBT常與快速二極管反并聯(lián)封裝制成模塊，成為逆導(dǎo)器件?！狪GBT可用移去柵壓關(guān)斷但其Nˉ漂移區(qū)無外引線，故不可能用抽流方式降低該區(qū)的過剩載流子濃度，這些空穴只能靠自然復(fù)合消失。

電流拖尾現(xiàn)象——V2（NPN晶體管）基極與發(fā)射極之間存在溝道體區(qū)的薄層電阻Rs，其端壓大于0.7V時，V2將自行導(dǎo)通，當1+2

≥1時，柵極便失去控制作用，這就是電流擎住現(xiàn)象。第二十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一1.4.5驅(qū)動電路——EXB840系列集成式驅(qū)動芯片

1、主要性能指標。

2、工作原理分析第二十一頁，共二十二頁，編輯于2