ch1电力电子器件1.ppt

,电力电子技术 Power Electronics,南京邮电大学自动化学院 ,2,电力电子器件,1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件电力二极管 1.3 半控型器件晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结,第1章,电子技术的基础,介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题,简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题,本章主要内容：,电力电子器件,电力电子电路的基础,电子器件：晶体管和集成电路,引言,电力电子器件,第1章,电力电子器件的概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点,1.1,电力电子器件的概念和特征,电力电子电路的基础 电力电子器件 概念: 电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件 主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路 广义上分为两类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件) 半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅),1.1.1,3. 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：,能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。,电力电子器件的概念和特征,1.1.1,主 要 损 耗,通态损耗：,断态损耗：,开关损耗：,开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗,关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗,对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素,电力电子器件的概念和特征,1.1.1,导通时器件上有一定的通态压降,阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,应用电力电子器件的系统组成,电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成,图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,1.1.2,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,电气隔离,保护 电路,控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。,有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。,主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号,应用电力电子器件的系统组成,1.1.2,由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。,器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。,应用电力电子器件的系统组成,1.1.2,电力电子器件的分类,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,半控型器件,1.1.3,绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）,不可控器件,电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。,通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。,晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：,1) 电流驱动型,1) 单极型器件,电力电子器件的分类,1.1.3,2) 电压驱动型,通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制,仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制,2) 双极型器件,3) 复合型器件,由一种载流子参与导电的器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,本章内容和学习要点,本章内容: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。 学习要点: 最重要的是掌握其基本特性 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求 由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求,1.1.4,不可控器件电力二极管,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2,Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。,不可控器件电力二极管,1.2,PN结与电力二极管的工作原理,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 以半导体PN结为基础 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装,图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,1.2.1,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。,图1-3 PN结的形成,扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。,交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。,PN结与电力二极管的工作原理,1.2.1,PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。 PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。 PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 。,PN结与电力二极管的工作原理,1.2.1,势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。,PN结与电力二极管的工作原理,1.2.1,扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。,结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。,造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。,PN结与电力二极管的工作原理,1.2.1,电力二极管的基本特性,1. 静态特性 主要指其伏安特性,图1-4 电力二极管的伏安特性,1.2.2,当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,2. 动态特性,电力二极管的基本特性,1.2.2,动态特性,关断过程：,开关特性,须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,反映通态和断态之间的转换过程,因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。,开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。,2. 动态特性（续）,电力二极管的基本特性,1.2.2,延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示,图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,电力二极管的基本特性,1.2.2,电力二极管的主要参数,1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小,1.2.3,2. 正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降 3. 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,电力二极管的主要参数,1.2.3,4. 最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125175C范围之内。 5. 反向恢复时间trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。 6. 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,电力二极管的主要参数,1.2.3,电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。 在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。 性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。 1. 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。,1.2.4,2. 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）,电力二极管的主要类型,1.2.4,恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管 工艺上多采用了掺金措施 有的采用PN结型结构 有的采用改进的PiN结构 采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管 20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用 肖特基二极管的弱点 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns） 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,电力二极管的主要类型,1.2.4,半控器件晶闸管,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件,1.3,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件,半控器件晶闸管,1.3,晶闸管的结构与工作原理,外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间,图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,1.3.1,34,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2） IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5）,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理,晶闸管的结构与工作原理,1.3.1,晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,晶闸管的结构与工作原理,1.3.1,其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,晶闸管的结构与工作原理,1.3.1,晶闸管的基本特性,1. 静态特性 总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。,1.3.2,晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性,图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,晶闸管的基本特性,1.3.2,1) 正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,晶闸管的伏安特性,晶闸管的基本特性,1.3.2,2) 反向特性 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,晶闸管的伏安特性,晶闸管的基本特性,1.3.2,2. 动态特性,图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的基本特性,1.3.2,1) 开通过程 延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。 开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6） 普通晶闸管延迟时为0.51.5s，上升时间为0.53s。,晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的基本特性,1.3.2,2) 关断过程 反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)） 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的基本特性,1.3.2,1. 电压定额,晶闸管的主要参数,1.3.3,在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。,通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。, 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。,晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。,1) 断态重复峰值电压UDRM,2) 反向重复峰值电压URRM,3) 通态（峰值）电压UTM,2. 电流定额,晶闸管的主要参数,1.3.3,晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。,使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。,晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。,指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。,4) 浪涌电流ITSM,3) 擎住电流 IL,2) 维持电流 IH,使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.52倍。,1) 通态平均电流 IT(AV),3. 动态参数,晶闸管的主要参数,1.3.3,指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。,指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。,如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 。,(2) 通态电流临界上升率di/dt,在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。,(1) 断态电压临界上升率du/dt,除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：,晶闸管的派生器件,1. 快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST) 包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。 管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。,1.3.4,2.双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,晶闸管的派生器件,1.3.4,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。 与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。 通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,图1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,晶闸管的派生器件,1.3.4,将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。,4. 光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,晶闸管的派生器件,1.3.4,又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。 大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。,典型全控型器件,1.4.1 门极可关断晶闸管 1.4.2 电力晶体管 1.4.3 电力场效应晶体管 1.4.4 绝缘栅双极晶体管,1.4,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。 典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,典型全控型器件,1.4,门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 晶闸管的一种派生器件 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用,1.4.1,1. GTO的结构和工作原理 结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。,图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号,门极可关断晶闸管,1.4.1,门极可关断晶闸管,工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断。,1.4.1,由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益 和 。,GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：,门极可关断晶闸管,1.4.1,（1）设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO关断。 （2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。,（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流 。,图1-7 晶闸管的工作原理,由上述分析我们可以得到以下结论： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。,门极可关断晶闸管,1.4.1,2. GTO的动态特性 开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。,图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形,门极可关断晶闸管,1.4.1,关断过程：与普通晶闸管有所不同 抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间tf 。 残存载流子复合尾部时间tt 。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短。 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间 。,GTO的开通和关断过程电流波形,门极可关断晶闸管,1.4.1,3. GTO的主要参数,门极可关断晶闸管,1.4.1, 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。, 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。,关断时间toff,开通时间ton,许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。,最大可关断阳极电流IATO,门极可关断晶闸管,1.4.1,电流关断增益off,off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。,GTO额定电流。,最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。,术语用法： 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,电力晶体管,1.4.2,1. GTR的结构和工作原理,图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动,电力晶体管,1.4.2,与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。,在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为 （1-9） GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （1-10） 产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE 。 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。,电力晶体管,1.4.2,2. GTR的基本特性 (1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区,图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,电力晶体管,1.4.2,(2) 动态特性 开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 。,图1-17 GTR的开通和关断过程电流波形,电力晶体管,1.4.2,关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。 ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。 减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。 负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,GTR的开通和关断过程电流波形,电力晶体管,1.4.2,3. GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff (此外还有)： 1) 最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。,电力晶体管,1.4.2,2) 集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。,电力晶体管,1.4.2,4. GTR的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。,电力晶体管,1.4.2,安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。,图1-18 GTR的安全工作区,电力晶体管,1.4.2,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET） 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,电力场效应晶体管,特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。,1.4.3,1. 电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道 电力MOSFET主要是N沟道增强型,电力场效应晶体管,1.4.3,电力MOSFET的结构,电力场效应晶体管,1.4.3,导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。 电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列,图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,小功率MOS管是横向导电器件 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。 按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论,电力场效应晶体管,1.4.3,电力MOSFET的工作原理 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。,图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力场效应晶体管,1.4.3,1) 静态特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。,图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,2. 电力MOSFET的基本特性,电力场效应晶体管,1.4.3,MOSFET的漏极伏安特性： 截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区（对应于GTR的饱和区） 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,电力场效应晶体管,1.4.3,2) 动态特性 开通过程 开通延迟时间td(on) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。 上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。 iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。 UGSP的大小和iD的稳态值有关 UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。 开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和。,图1-21 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，Rs信号源内阻， RG栅极电阻， RL负载电阻，RF检测漏极电流,电力场效应晶体管,1.4.3,关断过程 关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。 下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。 关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和。,图1-21 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，Rs信号源内阻， RG栅极电阻， RL负载电阻，RF检测漏极电流,电力场效应晶体管,1.4.3,MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。 开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,电力场效应晶体管,1.4.3,3. 电力MOSFET的主要参数,电力场效应晶体管,1.4.3,电力MOSFET电压定额,1) 漏极电压UDS,2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,3) 栅源电压UGS,栅源之间的绝缘层很薄， UGS20V将导致绝缘层击穿 。,除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：,4) 极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS 厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss Ciss= CGS+ CGD （1-14） Crss= CGD （1-15） Coss= CDS+ CGD （1-16） 输入电容可近似用Ciss代替。 这些电容都是非线性的。 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。 实际使用中仍应注意留适当的裕量。,电力场效应晶体管,1.4.3,绝缘栅双极晶体管,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。 两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,1.4.4,1. IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,IGBT的结构 图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,2. IGBT的基本特性 1) IGBT的静态特性,图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。 开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V。 输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。 uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。,图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,2) IGBT的动态特性,图1-24 IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,1.4.4,IGBT的开