电力电子器件概述.ppt

第2章 电力电子器件 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件二极管二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 9.19.1电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 9.29.2电力电子器件的保护电力电子器件的保护 9.39.3电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用 1 电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电路 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题 。 介绍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问题。 第2章 电力电子器件引言 2 2.1.12.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 2.1.22.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 2.1.32.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1.42.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 2.1 电力电子器件概述 3 1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，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。 2）分类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅）仍 然 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件 4 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的 电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制 。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子 器件，一般都要安装散热器。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 3）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 5 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，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。 主要损耗 通态损耗 断态损耗 开关损耗 关断损耗 开通损耗 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗 6 电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 控 制 电 路 检测 电路 驱动 电路 RL 主电路 V 1 V 2 保护 电路 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 2.1.2 应用电力电子器件系统组成 电气隔离 控制电路 7 l半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不 能控制其关断。 l全控型器件（IGBT,MOSFET) 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。 l不可控器件(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此 也就不需要驱动电路。 2.1.3 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类 ： 8 l 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。 l 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。 2.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类： 9 按照驱动电路加在电力电子器件控制端和 公共端之间信号的波形，分为两类： 脉冲触发型 电平控制型 按照器件内部载流子参与导电情况，分为 三类： 单极性 双极性 复合型 10 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。 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。 2.1.4 本章学习内容与学习要点 11 2.2.12.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原结与电力二极管的工作原 理理 2.2.22.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 2.2.32.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.42.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 2.2 不可控器件电力二极管 12 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。 2.2 不可控器件电力二极管引言 整流二极管及模块 13 14 电力二极管实物图 14 基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 一样。 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2-2 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 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 A K AK a) I KA PN J b) c) AK 15 半导体PN结 P型、N型半导体和PN结 16 单向导电性 正向接法时内电场被削 弱，扩散运动强于漂移 运动，掺杂形成的多数 载流子导电，等效电阻 较小。 反向接法时内电场被增 强，漂移运动强于扩散 运动，光热激发形成的 少数载流子导电，等效 电阻很大。 17 半导体二极管的符号及正 反向接法 17 状态 参数 正向导通反向截止反向击穿 电流正向大几乎为零反向大 电压维持1V反向大反向大 阻态低阻态高阻态 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（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结的状态 18 lPN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。 l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。 l电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的 开关状态。 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结的电容效应： 19 PN结高频等效电路 20 主要指其伏安特性 l门槛电压UTO，正向 电流IF开始明显增加所 对应的电压。 l与IF对应的电力二极 管两端的电压即为其正 向电压降UF 。 l承受反向电压时， 只有微小而数值恒定的 反向漏电流。 图2-4 电力二极管的伏安特性 2.2.2 电力二极管的基本特性 1) 静态特性 I O IF U TO U F U 21 2.2.2 电力二极管的基本特性 a) IF UF tFt0 trr tdtf t1t2t U R URP IR P diF dt diR dt u b) UFP i iF uF tfrt0 2V 图2-6 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 2) 动态特性 因为结电容的存在，电压电流特性是随 时间变化的，这就是电力二极管的动态特性， 并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的 开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经 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。 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： tf /td，或称恢复系 数 ，用Sr表示。 t0:正向 电流降 为零的 时刻 t1:反向电 流达最大 值的时刻 t2:电流变 化率接近 于零的时 刻 22 2.2.2 电力二极管的基本特性 UFP u i i F u F tfrt0 2V 由零偏置转换为正向偏置 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）。 正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因:电 导调制效应起作用所需的大量 少子需要一定的时间来储存， 在达到稳态导通之前管压降较 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。 图2-6 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置 23 额定电流在指定的管壳温度和散热 条件下，其允许流过的最大工频正弦半波 电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的， 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。 2.2.3 电力二极管的主要参数 1) 正向平均电流IF(AV) 24 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。 3） 反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电 压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间trr trr= td+ tf 2.2.3 电力二极管的主要参数 2）正向压降UF 25 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM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。 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。 2.2.3 电力二极管的主要参数 5）最高工作结温TJM 26 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 其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 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。 2.2.4 电力二极管的主要类型 27 简称快速二极管 快恢复外延二极管 （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trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以 下，甚至达到2030ns。 2.2.42.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 2) 快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD） 28 肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V 以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工 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。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二 极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速 二极管还小。 2.2.4 电力二极管的主要类型 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 Diode SBD）。 29 2.3 半控器件晶闸管 2.3.12.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.22.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.32.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.42.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 30 2.3 半控器件晶闸管引言 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司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（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled RectifierSCR） 31 图2-6 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 2.3.1 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。 有三个联接端。 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。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。 32 2.3.1 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 33 34 晶闸管的结构、符号和结构模型 35 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 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。由以上式可得 ： 图2-7 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 按晶体管的工作原理 ，得 ： （2-2） （2-1） （2-3） （2-4） （2-5） 36 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 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。 开通状态：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，将趋 近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。 37 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 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，称为光控 晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段 。 其他几种可能导通的情况： 38 2.3.2 晶闸管的基本特性 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 。 晶闸管正常工作时的特性总结如下： 39 2.3.2 晶闸管的基本特性 （1）正向特性 IG=0时，器件两端施加正 向电压，只有很小的正向 漏电流，为正向阻断状态 。 正向电压超过正向转折电 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。 晶闸管本身的压降很小， 在1V左右。 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA - UA -IA IA IH IG2IG1IG=0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM 1） 静态特性 图2-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 40 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。 反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿 电压后，可能导致晶闸管 发热损坏。 图2-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA - UA -IA IA IH IG2IG1IG=0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM （2）反向特性 41 2.3.2 晶闸管的基本特性 1) 开通过程 延迟时间td (0.51.5s) 上升时间tr (0.53s) 开通时间tgt以上两者 之和， tgt=td+ tr （2- 6） 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 2) 关断过程 反向阻断恢复时间 trr 正向阻断恢复时间 tgr 关断时间tq以上两 者之和tq=trr+tgr （ 2-7) 普通晶闸管的关断 时间约几百微秒 2） 动态特性 图2-9 晶闸管的开通和关断过程波形 42 2.3.3 晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压UDRM 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 。 反向重复峰值电压URRM 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。 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。 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，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。 使用注意： 1）电压定额 43 额定电压大小的确定 分析计算 如图，晶闸管承受的最大电压为 44 2.3.3 晶闸管的主要参数 通态平均电流 IT(AV） 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。 使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 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。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH 的24倍。 浪涌电流ITSM 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 。 2）电流定额 45 .额定电流（VD/VT) 定义：指定的管壳温度和散热条件下， 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平 均值。 如图的正弦半波,是用来定义电力二极管和 晶闸管额定电流的电流波形。 46 设该正弦半波峰值电流为 ,由平均值的定义,其 通态平均电流为: 根据有效值的定义,其有效值为: 47 设该正弦半波峰值电流为 ,由平均值的定义,其 通态平均电流为: 根据有效值的定义,其有效值为: 所以,正弦半波电流的波形系数是: 48 .选择二极管/晶闸管 电流定额的过程： 求出电路中流过二极管/晶闸管电流的有效值I ； 电流定额等于有效值I除以1.57； 将选定的定额乘以1.5到2倍的裕量以保证安 全。 49 二极管/晶闸管电流定额的含义 如手册上某电力二极管/晶闸管的额定电 流为100A，说明： 允许通过平均值为100A的正弦半波电流； 允许通过正弦半波电流的幅值为314A； 允许通过任意波形的有效值为157A的电流 ； 在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值 。 50 例题2-1 已知：图2.2.2中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电 流波形,波形的电流最大值为Im,试计算该波形的电流 平均值和电流有效值。 0 解:电流平均值为: 电流有效值: 51 用电流有效值换算成正弦半波电流平均值: 如已知Im:1000A 则代入得到IT(AV) 52 例题2-2: 在例题2-1中,若取安全裕量为1,问额定电流为100A 的晶闸管,其允许通过的电流平均值是多少?这时,相 应的电流最大值是多少? (1)100A的晶闸管允许通过的电流有效值 (2)电流有效值为: 53 .波形系数 波形系数：任何一含有直流分量的电流波形,都有 一个电流平均值(一个周期内电流波形面积的平均 值),也有一个电流的有效值,该电流有效值与电流平 均值之比,则为该电流的波形系数。即： 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。 54 非正弦波电流选择晶闸管时需要进行折算.(根据 有效值相等发热相同的原理).即: 考虑安全裕量,选择晶闸管时,其通态平均电流应 为: 55 2.3.3 晶闸管的主要参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： 断态电压临界上升率du/dt 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。 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 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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。 3）动态参数 56 晶闸管的型号KP型 K P 表示闸流特性 普通反向阻断型 额定通态平均电流 正反向重复峰值电压等级 通态平均电压组别 57 2.3.4 晶闸管的派生器件 有快速晶闸管和高频晶闸管。 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，不能忽略其开关损耗的发热效 应。 1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST) 58 2.3.4 晶闸管的派生器件 2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC 或Bidirectional triode thyristor） 图2-10 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 a)b) I O U IG =0 G T1 T2 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。 在第和第III象限有对 称的伏安特性。 不用平均值而用有效值 来表示其额定电流值。 59 2.3.4 晶闸管的派生器件 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） a) K G A b) UO I IG =0 图2-11 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 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。 60 2.3.4 晶闸管的派生器件 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor LTT） A G K a) AK 光强度 强弱 b) OU IA 图2-12 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 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。 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。 61 光控晶闸管符号及等值电路 62 2.4 典型全控型器件 2.4.12.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 2.4.22.4.2 电力晶体管电力晶体管 2.4.32.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.42.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 63 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 。 64 2.4 典型全控型器件引言 常用的典型全控型器 件 电力MOSFET IGBT单管及模块 65 2.4.1 门极可关断晶闸管 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。 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 66 2.4.1 门极可关断晶闸管 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。 图2-13 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 1）GTO的结构和工作原理 67 2.4.1 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2-7 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。 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1和 2 。 68 2.4.1 门极可关断晶闸管 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 ： 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。 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。 图2-7 晶闸管的工作原理 69 2.4.1 门极可关断晶闸管 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关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱 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 。 由上述分析我们可以得到以下结论： 70 2.4.1 门极可关断晶闸管 开通过程：与普通晶闸 管相同 关断过程：与普通晶闸 管有所不同 储存时间ts，使 等效晶体管退出饱和 。 下降时间tf 尾部时间tt 残 存载流子复合。 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，ts越短。 O t 0 t iG iA IA 90%IA 10%IA tttftstdtr t0t1t2t3t4t5t6 图2-14 GTO的开通和关断过程电流波形 2) GTO的动态特性 71 2.4.1 门极可关断晶闸管 GTO的主要参数 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。下降时间一般小于2s。 （2） 关断时间toff （1）开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 受反压时，应和电力二极管串联 。 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。 72 2.4.1 门极可关断晶闸管 （3）最大可关断阳极电流IATO （4） 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。 （2-8） 73 2.4.2 电力晶体管 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。 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。 术语用法： 74 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 。 2.4.2 电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理 图2-15 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 75 2.4.2 电力晶体管 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 （2-9） 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 （2- 10） 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。 空穴流 电 子 流 c) Eb Ec ib ic=ib ie=(1+ )i b 1）GTR的结构和工作原理 76 2.4.2 电力晶体管 (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。 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。 截止区 放大区 饱和区 O Ic ib3 ib2 ib1 ib1 BUcex BUces BUcer Buceo。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得 多。 3）GTR的主要参数 79 2.4.2 电力晶体管 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 。 2) 集电极最大允许电流IcM 80 2.4.2 电力晶体管 一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。 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突然急剧上升，电压陡然下降。 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰 变 。 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。 SOA O Ic IcM PSB PcM UceU ceM 图2-18 GTR的安全工作区 4) GTR的二次击穿现象与安全工作区 81 2.4.3 电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型 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） 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 。 电力场效应晶体管 结型场效应管利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控 制来改变漏极、源极之间的导电沟道宽度，从而控 制漏极、源极之间电流的大小。 绝缘栅型场效应管利用栅极和源极之间的电压产生的 电场来改变半导体表面的感生电荷改变导电沟道的导 电能力，从而控制漏极、源极之间电流的大小。 82 2.4.3 电力场效应晶体管 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。 1）电力MOSFET的结构和工作原理 83 2.4.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET的结构 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。 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 图2-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 84 P-MOSFET基本结构、符号和外接电路 85 目前流行的结构 具有垂直导电双扩散MOS结构的N沟增强型VDMOS的结构 86 2.4.3 电力场效应晶体管 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）。 按垂直导电结构的差异，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MOSFET的结构 87 2.4.3 电力场效应晶体管 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 当UGS大于UT时，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2-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 电力MOSFET的工作原理 88 2.4.3 电力场效应晶体管 (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。 0 10 20 30 50 40 2468 a) 10 20 30 50 40 0 b) 1020 305040 饱和区 非 饱 和 区 截止区 ID /A UT UGS /V UDS /V UGS=UT=3V UGS=4V UGS=5V UGS=6V UGS=7V UGS=8V ID /A 图2-20 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 89 2.4.3 电力场效应晶体管 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GTR的饱 和区） 工作在开关状态，即在截 止区和非饱和区之间来回转换 。 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。 通态电阻具有正温度系数 ，对器件并联时的均流有利。 图2-20电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 MOSFET的漏极伏安特性： 0 10 20 30 50 40 2468 a) 10 20 30 50 40 0 b) 10 20 305040 饱和区 非 饱 和 区 截止区 ID /A UT UGS /V UDS /V UGS=UT=3V UGS=4V UGS=5V UGS=6V UGS=7V UGS=8V ID /A 90 2.4.3 电力场效应晶体管 开通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间ton开通 延迟时间与上升时间之和 关断过程 关断延迟时间td(off) 下降时间tf 关断时间toff关断 延迟时间和下降时间之和 a）b) Rs RG RF RL iD uGS up iD信号 +UE iD O O O up t t t uGS uGSP uT td(on)tr td(off)tf 图2-21 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 (2) 动态特性 91 2.4.3 电力场效应晶体管 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速 度。 不存在少子储存效应，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。 MOSFET的开关速度 92 2.4.3 电力场效应晶体管 3) 电力MOSFET的主要参 数 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 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 93 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 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。 1986年投入市场，是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。 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。 94 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 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2-22 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 95 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道 IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，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2-22 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 IGBT的结构 垂直导电双扩散MOS结构 （Vertical Double-diffused MOSFET） 96 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 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。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 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。 IGBT的原理 97 a) b) O 有源区 正向阻断区 饱 和 区 反向阻断区 IC UGE(th)UGE O IC URM UFMUCE UGE(th) UGE增加 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性 图2-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 转移特性IC与 UGE间的关系(开启电 压UGE(th) 输出特性 分为三个区域： 正向阻断区、有 源区和饱和区。 98 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 t t t 10% 90% 10% 90% U CE IC 0 O 0 U GE U GEM I CM U CEM t fv1 t fv2 toffton tfi1tfi2 t d(off) t f t d(on) tr U CE(on) U GEM U GEM I CM I CM 图2-24 IGBT的开关过程 IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 v开通延迟时间td(on) v电流上升时间tr v开通时间ton vuCE的下降过程分为 tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中 MOSFET单独工作的电 压下降过程； tfv2MOSFET 和PNP晶体管同时工作 的电压下降过程。 (2) IGBT的动态特性 99 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 图2-24 IGBT的开关过程 v关断延迟时间td(off） v电流下降时间 v 关断时间toff v电流下降时间又可分 为tfi1和tfi2两段。 vtfi1IGBT器件内 部的MOSFET的关断过程 ，iC下降较快。 vtfi2IGBT内部的 PNP晶体管的关断过程， iC下降较慢。 IGBT的关断过程 t t t 10% 90% 10% 90% U CE IC 0 O 0 U GE U GEM I CM U CEM t fv1 t fv2 toffton tfi1tfi2 t d(off) t f t d(on) tr U CE(on) U GEM U GEM I CM I CM 100 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 3) IGBT的主要参数 正常工作温度下允许的最大功耗 。 (3) 最大集电极功耗PCM 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (2) 最大集电极电流 由内部PNP晶体管的击穿电压确定。 (1) 最大集射极间电压UCES 101 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比VDMOSFET低。 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。 v 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进 一步提高，同时保持开关频率高的特点 。 102 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 擎住效应或自锁效应： IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模 块，成为逆导器件 。 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率 duCE/dt确定。 反向偏置安全工作区（RBSOA） 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。 正偏安全工作区（FBSOA） 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开 始逐渐解决。 NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的 横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压， 一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。 103 2.5 其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS2.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT 2.5.2 2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT 2.5.3 2.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH 2.5.4 2.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT 2.5.5 2.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 104 2.5.1 MOS控制晶闸管MCT MCT结合了二者的优点： 承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗 小。 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。 每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸 管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的 MOSFET。 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远 未达到预期的数值，未能投入实际应用。 MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET 与晶闸