电力电子技术_第2章_电力电子器件

4 本课程的学习方法和具体要求 开课目的与任务： （1）熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法，掌握电力电子技术的基本知识和技能。 （2）掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能，使学生具有初步分析和解决电力电子技术方面相关问题的能力。 （3）为后续专业课程的学习和毕业设计打下坚实的基础。 课程重点、难点、教学方法：重 点：电力电子器件的基本原理、电力电子线路的组成和工作原理。难 点：对各种电力电子线路的波形分析、参数计算和工程设计方法。教学方法： 以课堂教学为主，通过一定数量的习题、实验、考试和课程设计，深入掌握本课程的基本概念、基本理论和基本方法。,本课程的内容可分为三大部分： 第一部分：电力电子器件（第2、9章，全书的基础）主要介绍各种电力电子器件的基本结构、工作原理、主要参数、应用特性，以及驱动、缓冲、保护、串并联等器件应用的共性问题和基础性问题。 第二部分：各种电力电子电路（第3、4、5、6、章，全书的主体），主要介绍各种电路的构成和工作原理。 第三部分：分别介绍了脉宽调制（PWM）技术（第7章）和软开关技术（第8章）,学习方法：）要着重物理概念与基本分析方法的学习，理论要结合实际，尽量做到器件、电路、系统（包括控制技术）应用三者结合。）要注意电路的波形和相位分析，抓住电力电子器件在电路中导通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作情况。3）要注意培养读图与分析、器件参数计算、电路参数测量、调整以及故障分析等方面的实践能力。,具体要求：）掌握晶闸管、电力MOSFET、IGBT等电力电子器件的结构、工作原理、特性和使用方法。）掌握各种基本的直流变换电路、逆变电路、整流电路和交流变换电路的结构、工作原理、波形分析和控制方法。）掌握PWM技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基本原理。）了解电力电子技术的应用范围和发展方向。掌握基本电力电子装置的实验和调试方法。,5 相关参考资料 参考书： 1电力电子技术，苏玉刚、陈渝光主编，重庆大学出版社，2003年4月 2电力电子技术，浣喜明、姚为正编著，高等教育出版社，2004年8月 3现代电力电子学与交流传动，（美）Bimal K.Bose著，机械工业出版社，2005年5月 4电力电子技术实践教程，潘孟春、胡媛媛主编，国防科技大学出版社，2005年1月 5电力电子技术，林辉，王辉，武汉理工大学出版社，2002年3月； 6现代电力电子技术，张立、赵永健，科学出版社，1992年9月； 7电力电子技术，郭世明，黄念慈，西南交通大学出版社，2002年6月； 8电力电子技术，王兆安，黄俊，机械工业出版社，2006年2月。 9 Agrawal，Power Electronic Systems-Theory and design，2nd, ed. Prentice Hall, 2001(电力电子系统理论和设计，清华大学出版社引进）,相关学术组织及期刊网站： 1）IEEE-电气与电子工程师协会（美国） 期刊：IEEE学报 网站： 2）IEE-电气工程师协会（英国） 期刊：IEE电力应用学报 网站：.uk 3）J.IEE-日本电气学会 4）中国电工技术学会 5）中国电机工程学会 6）中国电源学会 7）电气自动化、电气传动自动化、电工电能新技术,6.电力电子电路的计算机仿真软件,建议安全7.0版本的MATLAB软件。,2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结,第2章 电力电子器件,引言,模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容：电力电子器件的概念、特点和分类常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数选择和使用中应注意的一些问题。,2.1 电力电子器件概述,2.1.1 电力电子器件的概念和特征2.1.2 应用电力电子器件的系统组成2.1.3 电力电子器件的分类2.1.4 本章内容和学习要点,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念电力电子器件（Power Electronic Device）是指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：在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。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。,电力电子器件的特征 电功率-承受电压和电流的能力-最重要的参数。开关状态-减小本身的损耗，提高效率。驱动电路-由信息电子电路来控制。功率损耗-远大于信息电子器件-安装散热器。,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,电力电子器件的功率损耗,大小？,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,通态损耗：是电力电子器件功率损耗的主要成因。 开关损耗：当器件的开关频率较高时，会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。,系统构成-控制电路；驱动电路；主电路,图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,2.1.2 系统组成,电气隔离,2.1.3 电力电子器件的分类,按照能够被控制电路信号所控制的程度分类半控型器件晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。关断完全是由其承受的电压和电流决定的。全控型器件目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。不可控器件 电力二极管（Power Diode）不能用控制信号来控制其通断。,按照驱动信号的性质分类电流驱动型 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。,2.1.3 电力电子器件的分类,电压驱动型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。,按照载流子参与导电的情况分类单极型器件由一种载流子参与导电。双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电。复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。,2.1.3 电力电子器件的分类,2.1.4 本章内容和学习要点,本章内容介绍各种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。 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。 了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。,2.2 不可控器件电力二极管,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理2.2.2 电力二极管的基本特性2.2.3 电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型,2.2 电力二极管引言,电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。 在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。,整流二极管及模块,2.2.1 电力二极管的工作原理,电力二极管-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，可以有螺栓型、平板型等多种封装。,图2-2 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号,2.2.1电力二极管的工作原理,二极管的基本原理PN结的单向导电性当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。,2.2.1电力二极管的工作原理, PN结-反向耐压能力：但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。 按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。,2.2.1电力二极管的工作原理,PN结的电容效应称为结电容CJ ，又称为微分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 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。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。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。,2.3.2 电力二极管的基本特性,静态特性（Static State Characteristic） 主要指其伏安特性(Volt-Ampere Characteristic),式中：IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数（1.381023），q 为电子电荷量（1.61019），T 为热力学温度。对于室温（ 25相当T=300 K），则有VT=26 mV。,2.2.2 电力二极管的基本特性,2.3.2 电力二极管的基本特性,静态特性（Static State Characteristic） 主要指其伏安特性(Volt-Ampere Characteristic),正压为门槛电压时，耗尽层消失,加反压：反向饱和电流（少子抽取）,正压大于门槛电压时，形成正向导通电流（少子注入）,正压较小时：耗尽层变窄,反压足够大：击穿,2.2.2 电力二极管的基本特性,动态特性(Dynamic Characteristic) 动态特性因结电容的存在，零偏置、正向偏置、反向偏置等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。 动态特性主要指开关特性(Switching Characteristic)，开关特性反映通态和断态之间的转换过程。,2.3.2 电力二极管的基本特性,2.2.2 电力二极管的基本特性,2.3.2 电力二极管的基本特性,开通过程(Turn-on Transient)： 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）。 电压过冲物理机制主要有两个： a.阻性机制： 电导调制作用。I N-区的有效电阻 管压降也降低，形成峰值UFP。,b.感性机制：正向电流内部电感上压降，且电流变化率越高，电压过冲越大。正向恢复时间（正向电压从零开始经峰值电压UFP再降至稳态电压UF所需要的时间tfr) 正向恢复时间的影响因素：结温 、开通前偏置,2.2.2 电力二极管的基本特性,2.3.2 电力二极管的基本特性,关断过程(Turn-off Transient)：,IF,UF,t,图1-5（a） 电力二极管的关断过程,电路电感作用,复合存储电荷,反向偏置状态建立,体电阻压降所致,外部电感决定,2.2.2 电力二极管的基本特性,2.3.2 电力二极管的基本特性,关断过程(Turn-off Transient)：,特征： 1）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； 2）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； 3）下降时间tf与延迟时间td之比称为反向恢复系数，即S=tf/td 。S越小其反向恢复速度越快！,2.2.2 电力二极管的基本特性,3 电力二极管的主要参数 （1）额定正向平均电流IF（AV）：指器件长期运行在规定管壳温度和散热条件下允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流（平均电流）IF（AV）为,额定电流有效值IF为（均方根）,定义：波形系数某电流波形的有效值与平均值之比称为这个电流的波形系数。,根据此定义可求出正弦半波电流的波形系数为:,这说明：额定电流IF（AV）= 100A的电力二极管，其额定电流有效值为IF= 157A。注意：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器件的额定电流，并应留有1.52倍的裕量。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能忽略。,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 反向重复峰值电压URRM额定电压 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峰值电压的两倍来选定,2.2.3 电力二极管的主要参数,最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示，注意结温与管壳温度不同 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 反向恢复时间trr trr= td+ tf （延迟时间+下降时间），关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间 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。一般用额定正向平均电流倍数和浪涌周期（即工频周波数）来规定。,2.2.4 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，介绍几种常用 的电力二极管。 普通二极管（General Purpose Diode） 整流二极管-（1kHz以下）整流电路中。 反向恢复时间较长，一般在5s以上 。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。,2.2.4 电力二极管的主要类型,快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 反向恢复过程很短（5s以下） 快恢复外延二极管 -采用外延型P-i-N结构，（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。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。,2.2.4 电力二极管的主要类型,肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）属于多子器件反向恢复时间很短（1040ns）正向压降很小正向恢开关损耗和正向导通损耗小，效率高。弱点在于：耐压低（200V）,2.3 半控型器件晶闸管,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数2.3.4 晶闸管的派生器件,2.3 半控器件晶闸管引言,晶闸管（Thyristor）可控硅整流器(SCR)(可控硅) （Silicon Controlled Rectifier。 1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只 晶闸管产品，并于1958年使其商业化。,2.3 半控器件晶闸管引言,晶闸管及模块,由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。,对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器(Radiator)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(Radiator)将其夹在中间,大电流螺旋式,大电流平板式,241 基本结构和工作原理,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的结构 外形-主要有螺栓型和平板型封装结构 。 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体结构。,图2-7 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,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,图2-8 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,晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，可列出如下方程：,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。,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,由以上式（2-1）（2-4）可得,(2-5),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。,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,阻断状态,IG=0,1+2很小,漏电流,IG0,1+2 1,IA（阳极电流）,饱和导通,外电路负载的限制,2.4.1 晶闸管的结构与工作原理,1）外加正向电压下J1、J3正偏J2反偏（ J2形成空间电荷区）；,2）在GK间正向电压作用下，N2区有电子注入到P2区（正偏时的少子注入）；,3）注入到P2区的电子少部分在门极电源的作用下复合形成门极电流外，大部分将被J2空间场捕获，扫向N1区（ J2 反偏时的少子漂移）；,4）N1区电子的增加，将进一步增加J1结的正偏电压，进而增加了P1区向N1区的空穴注入，并由J2电场将其扫向P2区，进而形成了再生反馈效应；,5）随着J1、J3注入的优势越来越大，结构J2结两侧有足够的载流子积累，J2结极性正偏，晶闸管导通。,开通的物理过程,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,除门极触发外其他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 结温较高光触发 光触发-良好绝缘-应用于高压电力设备中,2.3.2 晶闸管的基本特性,静态特性 正常工作时的特性 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 。当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 。,导通条件,2.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，晶闸管保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加反向电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。,关断条件,2.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性 正向特性IG=0-正向阻断状态-漏电流正向转折电压Ubo-则漏电流急剧增大-开通门极电流增大-正向转折电压降低门极电流为零；阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下-又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。,图2-9 晶闸管的伏安特性IG2 IG1 IG,2.3.2 晶闸管的基本特性,反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态-极小的反向漏电流通过。 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大，导致晶闸管发热损坏。,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,2.3.2 晶闸管的基本特性,动态特性 开通过程正反馈过程需要时间；外电路电感的限制-阳极电流不能突变。 延迟时间td (0.51.5s)上升时间tr (0.53s)开通时间tgt=td+tr td与门极电流、外电路电感、阳极电压关系？,图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形,2.3.2 晶闸管的基本特性,关断过程 电感存在-晶闸管由导通变为截止有过渡过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq=trr+tgr关断时间约几百微秒。 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，而不是受门极电流控制而导通。,图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形,100%,2.3.3 晶闸管的主要参数,电压定额断态重复峰值电压UDRM允许重复加在器件上的正向峰值电压反向重复峰值电压URRM 允许重复加在器件上的反向峰值电压取UDRM和URRM中较小的标值作为额定电压。通态（峰值）电压UT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,（2）晶闸管的额定通态平均电流IT（AV）及额定电流(重点)在环境温度为40和规定冷却条件下，晶闸管工作在电阻性负载下且稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大单相工频正弦半波电流的平均值，称为额定通态平均电流。 将此电流按晶闸管标准电流系列取为相应的整数值电流等级，就称为晶闸管的额定电流。晶闸管的标准电流系列可查相关手册。在选用晶闸管的额定电流时，应根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.52的安全系数，使其有一定的电流裕量。选用原则：按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则。,2.3.3 晶闸管的主要参数,IT（AV）的计算方法：根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指通以单相工频正弦电流时的允许最大平均电流。设该正弦电流的峰值为Im，则额定电流（平均电流）为,额定电流有效值为：,正弦半波电流的波形系数为,这说明：额定电流IT（AV）= 100A的晶闸管，其额定电流有效值为IT= 157A，即允许通过的电流有效值为157A。不同的电流波形有不同的平均值与有效值，其波形系数也不同。,2.3.3 晶闸管的主要参数,例 流经晶闸管的电流波形如图所示，试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为2，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流平均值和最大值是多少？,解 电流平均值为,电流有效值为,波形系数为,额定电流为100A的晶闸管允许通过的电流平均值为,说明：具有相同平均值而波形不同的电流，因波形系数不同而具有不同的有效值，流经同一个晶闸管时发热也不相同，因而不能按电流的平均值选择晶闸管。而晶闸管的额定电流却是用正弦半波电流的平均值来定义的，所以，非正弦半波电流选择晶闸管额定电流时需要折算。根据有效值相等发热相同的原理，可以将非正弦半波电流平均值折算成等效的正弦半波电流的平均值，即1.57 IT（AV）=Kf1 IT（AV）1 电流最大值,若考虑安全裕量，则,2.3.3 晶闸管的主要参数,维持电流IH 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。 擎住电流 IL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。约为IH的24倍 浪涌电流ITSM不重复性最大正向过载电流。,2.3.3 晶闸管的主要参数,动态参数 开通时间tgt和关断时间tq断态电压临界上升率du/dt 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。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。,2.3.4 晶闸管的派生器件,快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。 从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为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，选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。,2.3.4 晶闸管的派生器件,双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）一对反并联联接的普通晶闸管的集成。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管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。,图2-11 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,2.3.4 晶闸管的派生器件,a),K,G,A,逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）是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，可用于不需要阻断反向电压的电路中。,图2-12 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,2.3.4 晶闸管的派生器件,A,G,K,a),AK,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。,图2-13 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,2.4 典型全控型器件,2.4.1 门极可关断晶闸管2.4.2 电力晶体管2.4.3 电力场效应晶体管2.4.4 绝缘栅双极晶体管,2.4 典型全控型器件引言,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，电力电子技术进入了一个崭新时代。 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。,电力MOSFET,IGBT单管及模块,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的结构和工作原理 GTO的结构是PNPN四层半导体结构。是一种多元的功率集成器件，内部则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2-14 GTO的内部结构和电气图形符号 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 并联单元结构断面示意图 电气图形符号,晶闸管的一种派生器件，在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件,2.4.1 门极可关断晶闸管,图2-8 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,GTO的工作原理 双晶体管模型,1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO与普通晶闸管的不同设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断。 GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。,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（对极电容充电至电流正反馈形成过程）GTO的开通和关断过程电流波形,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的动态特性,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。,晶闸管的开关过程（对比）,GTO的开通和关断过程电流波形,（反向阻断恢复时间+正向阻断恢复时间）,2.4.1 门极可关断晶闸管,关断过程：与普通晶闸管有所不同（反向阻断恢复时间+正向阻断恢复时间） 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,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的主要参数（许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，个别参数意义不同） 1）开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1-2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大； 2）关断时间toff 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； 注意：不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管；当需逆导型GTO承受反压时，应和电力二极管串联。,2.4.1 门极可关断晶闸管,3）最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流； 4）电流关断增益off 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：注意：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的主要参数,2.4.1 门极可关断晶闸管,显然： GTO也是电流型驱动器件，用门极正脉冲可使GTO开通，门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点； 但要使GTO关断的门极反向电流比较大，即off较小，约为阳极电流的l/5左右，这造成对驱动电路功率要求较高。,2.4.1 门极可关断晶闸管,2.4.2 电力晶体管,电力晶体管（GTR，Giant Transistor），是一种双极型大功率高反压晶体管，因此电力晶体管也简称BJT（Bipolar Junction Transistor）。 国际电工委员会（IEC）已规定电力晶体管用BJT缩写来表示，但由于GTR叫法已成习惯，故本书也遵循此习惯。 GTR属于全控型器件，工作频率不超过10kHz。 20世纪80年代90年代以来，在中、小功率范围内被广泛用于不间断电源和交流电机调速等电力变流装置中。 目前GTR又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,富士公司50A/1200V模块产品,其原理与普通的双极结型晶体管基本原理相同 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,一、基本结构和工作原理,达林顿管结构,一、 基本结构和工作原理,GTR的外形、结构断面示意图和电气图形符号a) 封装 b) 结构断面示意 c) 电气图形符号,GTR的外形、结构断面示意图和电气符号如图所示。 GTR与普通的双极结型晶体管一样，多为NPN结构，也有基极b、集电极c和发射极e三个电极。 在实际应用中，GTR多采用共发射极接法。 电流放大系数=ic/ib，表示GTR的电流放大能力。单管GTR的值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效地增大电流增益。,GTR的结构示意图（单管）,一、基本结构和工作原理,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,a),b),c),通常基区很薄（减少载流子复合机会）；掺杂浓度较低（载流子数量少）。,二、 GTR的基本特性,(1) 静态特性 分为输入特性和输出特性 输入特性： 表示在Uce一定时，基极电流与基极-发射极电压之间的关系。与二极管正向伏安特性曲线相似。 Uce增大时，输入特性会向右移动。当Uce1V时，其影响作用很小。反偏的集电极对发射极发射到基区载流子的吸引减少了基极电流。,Uce=1,输出特性：共发射极接法时的集电极电流与集-射极间电压的关系-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,共发射极接法时GTR的输出特性,准饱和区,二、 GTR的基本特性,共发射极接法时GTR的输出特性,准饱和区,截止区：集电结、发射结都处于反偏状态或者集电结反偏，发射结偏压为0，此时发射区不向基区注入载流子，不能形成工作电流，只有漏电流。,饱和区：晶体管发射极集电极间等效电阻最小且不随基极电流而改变。,二、 GTR的基本特性,在相同温度下，共射放大增益随Uce上升而增大（基区宽度调制效应）； 温度对共射放大增益影响与电流有关，大电流时的负温度特性，利于并联； Ic较小时，共射放大增益随Ic增大而增大（因基区复合电流占的比重越来越小），Ic较大时，情况相反（“柯克”效应）。,二、 GTR的基本特性,(2) 动态特性,开通时间,延迟时间td，主要是对发射结、集电结电容充电；,上升时间tr，随发射区向基区注入载流子的增多，电流开始增大；,td影响因素：发射结、集电极结电容的大小，初始正向驱动电流及其上升率，以及跳变前反向偏置电压的大小；,tr影响因素：与电流增益及稳态电流值的大小有关。,二、 GTR的基本特性,(2) 动态特性,关断时间,存储时间ts，从撤销正向驱动信号到集电极电流下降到90%。过剩载流子从基极-发射极内抽走的过程；,下降时间tf，Ic由90%到10%的时间；,ts影响因素：饱和程度、反向驱动电流的大小；,tr影响因素：结电容和正向集电极电流,注意：关断时间（微秒）比开通时间（ns）大的多！,二、 GTR的基本特性,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,三、 GTR主要参数,2) 集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE下降到规定值的1/2-1/3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,三、 GTR主要参数,一次击穿 电压承受能力是电力电子器件的重要工作特性之一。GTR在其开关应用中的电压承受能力主要由它的集电结击穿（雪崩击穿）特性决定的。 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。,四、 GTR的击穿和安全工作区,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，再经数次类似过程之后必永久损坏。 实际应用中，二次击穿并不总是发生在一次击穿之后。,四、 GTR的击穿和安全工作区,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PSB限定,集电极最大允许电流,二次击穿功耗,最大耗散功率,最高工作电压,四、 GTR的击穿和安全工作区,曾经是最主要的全控型电力电子器件，由于其属于电流控制型器件，掌握合理的驱动方法较困难，合理利用安全工作区、避免二次击穿也并不容易，故电力晶体管在比较先进的电力电子装置和高功率、高速开关设计方面已逐步退出应用。 由于其制造工艺简单、价格低廉，控制线路较成熟，目前在一些传统电力电子电路中还有一定的应用。,2.4.3 功率场效应晶体管,场效应晶体管包括结型场效应管和金属氧化物绝缘栅功率场效应晶体管（ MOSFET），是一种单极型电压全控器件，在各类开关电路中应用极为广泛。其主要优点：具有输入阻抗高、驱动功率小且电路简单； 工作速度快（开关频率可达500kHz以上）； 热稳定性好、不易发生二次击穿且安全工作区宽。,当栅压为零时，漏源极存在导电沟道的称为耗尽型场效应晶体管（包括N、 P沟道）； 当栅压不为零时，漏源极存在导电沟道的称为增强型场效应晶体管（包括N、 P沟道），对于功率MOSFET常采用N沟道的增强型结构。,分类：,2.4.3 功率场效应晶体管,结型场效应管,道,2.4.3 功率场效应晶体管,N沟道增强型绝缘栅场效应管,2.4.3 功率场效应晶体管,一、基本结构和工作原理,图a为常用的功率MOSFET的外形，图b给出了N沟道增强型功率MOSFET的结构，图c为功率MOSFET的电气图形符号，其引出的三个电极分别为栅极G、漏极D和源极S。,功率MOSFET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,外形、结构、电气符号：,功率MOSFET导电机理与小功率MOS管特性相同，但在结构上有较大区别； 小功率MOS管均采用导电沟道平行于芯片表面横向导电结构； 而功率MOSFET大都采用垂直导电结构（导电沟道垂直于芯片表面）； 垂直导电结构能大大提高器件的耐压和通流能力，所以功率MOSFET又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。,工艺结构：,2.4.3 功率场效应晶体管,目前，电力MOSFET大都采用了垂直导电结构（导电沟道垂直于芯片表面，大大提高了器件的耐压和耐电流能力），所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET)。按垂直导电结构的差异，电力MOSFET又分为利用V形槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。本课程主要介绍VDMOSFET。,这种结构的电力场效应晶体管是一种功率集成器件，它由成千上万个小MOSFET元并联而成。 N沟道增强型的VDMOSFET的元结构如图：,两个N+区（高掺杂）分别为该器件的源区和漏区，分别引出源极S和漏极D，而夹在两个N+区之间的P区隔着一层SiO2介质作为栅极G。,从结构上看，MOSFET的源区与沟道体区交界面、沟道体区与漏区交界面，实际上是两个反向串联的PN结。但因源区和沟道体区总是短路的，从而使源区PN结为零偏置，漏区PN结成为一个反向并联在漏极与源极间的真正的二极管。当漏-源极加上反向电压时（漏极接电源负端，源极接电源正端），沟道体区P与漏极形成的二极管正偏导通，因此功率MOSFET是一个逆导型器件。因而无法承受反向电压，其等效电路如图。,对于有逆导要求的场合，这个二极管可直接用作与功率开关反并联的二极管。当漏-源极间加正向电压（漏极接电源正端，源极接电源负端），这个二极管反向偏置；当栅极和源极间电压UGS0时，导电沟道不开放时，漏源极之间只有极小漏电流，器件处于正向阻断状态。,（3）工作原理：当栅源电压UGSUT时，即使加漏源电压UDS，也没有漏极电流ID出现，管子处于截止状态。（UT为开启电压，又称阈值电压）当UGSUT时，若此时加至漏极的电压UDS0，则会产生漏极电流ID。管子处于导通状态，且UDS越大，ID越大。在相同的UDS下，UGS越大，ID越大。所以，MOSFET的漏极电流ID受控于栅源电压UGS。,一、基本结构和工作原理,当栅源极（G-S）间电压为零时，若漏源极（D-S）间加正电压时，P基区与N区之间形成的PN结反偏，漏源极（D-S）之间无电流流过，如图a所示；,功率MOSFET导电机理,271 基本结构和工作原理,若在栅源极（G-S）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区中的电子吸引到栅极下面的P区表面，如图b所示；,导电机理：,271 基本结构和工作原理,当UGS大于UT（开启电压）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结消失，漏极和源极导电，如图c所示。,导电机理：,电力MOSFET的基本特性 静态特性 （转移特性和输出特性）转移特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系，反映了输入电压和输出电流的关系ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs，即,2.4.3 电力场效应晶体管,图2-21 电力MOSFET的 转移特性和输出特性a) 转移特性,是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。,2.4.3 电力场效应晶体管,输出特性截止区（GTR的截止区）饱和区（GTR的放大区）非饱和区（GTR的饱和区）饱和-漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和-指漏源电压增加时漏极电流相应增加。,图2-21 电力MOSFET的转移特性和输出特性b) 输出特性,工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。,2.4.3 电力场效应晶体管,本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,（正温度系数有利于并联） 功率MOSFET的这种正温度特性不仅使得功率MOSFET没有热反馈引起的二次击穿现象，其安全工作区大大增大。而且其电流越大，发热越大，通态电阻就增大，从而限制了电流的增大，这对于功率MOSFET并联运行的均流也比较有利。 而GTR的通态电阻则随着温度的上升而减小。（负温度系数不利于并联）,3）动态特性（开关特性）用图示电路来测试电力MOSFET的开关特性：Rs信号源内阻，up矩形脉冲电压信号源，RG栅极电阻，RL漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。因为MOSFET存在输入电容Cin，所以当脉冲电压前沿到来时， Cin有充电过程，栅极电压uGS呈指数曲线上升，如图：,当uGS上升到开启电压UT时，MOSFET的导电沟道开始形成，从而产生漏极电流iD； 从驱动脉冲电压前沿到iD达到稳态电流的10%之间的时间段称为开通延迟时间td(on)。此后，iD随uGS的上升而上升； 从iD上升到iD达到其稳态值的90%这段时间称为电流上升时间tri，此时uGS上升到功率MOSFET进入正向电阻区的栅压值UGSP。,3.动态特性-导通过程,当uGS上升到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始下降，此时栅漏电容CGD开始通过漏、源极放电，从而抑制了CGS充电过程uGS的增长，使uGS出现一段平台波形； 从uDS开始下降到MOSFET进入稳态导通时，这一时间段为电压下降时间tfv。此后uGS继续升高直至达到稳态； 可见，功率MOSFET 的开通时间ton是开通延迟时间td(on)、电流上升时间tri与电压下降时间tfv之和，即ton=td(on)+tri+tfv。,3.动态特性-导通过程,当驱动脉冲电压下降沿到来时，栅源电容CGS和栅漏电容CGD通过栅极电阻放电，栅极电压uGS按指数曲线下降； 当下降到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始上升，这段时间称为关断延迟时间td(off)； 由于uDS的上升，栅漏电容CGD开始通过漏极电压充电，从而抑制了CGS放电过程uGS的下降，使uGS出现一段平台波形。,3.动态特性-关断过程,当uDS上升到输入电压时，iD开始减小，这段时间称为电压上升时间trv； 此后，uGS从UGSP继续下降，iD减小，当uGSUT时，MOSFET沟道消失。从iD开始下降到iD下降到其稳态值的10%这段时间称为电流下降时间tfi； 可见，功率MOSFET 的关断时间tof