电力电子器件概述.ppt

1-1 第1章 电力电子器件 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 1.2 1.2 不可控器件不可控器件二极管二极管 1.3 1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 1.7 1.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 1.8 1.8 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 本章小结及作业本章小结及作业 1-2 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1章 电力电子器件引言 1-3 1.1.11.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 1.1.21.1.2 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 1.1.31.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1.1.41.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 1.1 电力电子器件概述 1-4 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 1.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件 1-5 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。 1.1.1 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： 1-6 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 1.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗 1-7 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1-1 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 1.1.2 应用电力电子器件系统组成 电气隔离 控制电路 1-8 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。 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。 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。 1.1.3 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 ： 1-9 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。 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。 1.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类： 1-10 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。 可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。 1.1.4 本章学习内容与学习要点 1-11 1.2.11.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1.2.21.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.31.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.41.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 1.2 不可控器件电力二极管 1-12 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。 1.2 不可控器件电力二极管引言 整流二极管及模块 1-13 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 PN结与电力二极管的工作原理 A K AK a) I KA PN J b) c) AK 1-14 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 1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结的状态 1-15 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。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。 1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结的电容效应： 1-16 主要指其伏安特性 门槛电压UTO，正向电流 IF开始明显增加所对应的 电压。 与IF对应的电力二极管两 端的电压即为其正向电 压降UF 。 承受反向电压时，只有 微小而数值恒定的反向 漏电流。 图1-4 电力二极管的伏安特性 1.2.2 电力二极管的基本特性 1) 静态特性 I O IF U TO U F U 1-17 2) 动态特性 二极管的电压-电流特性随时 间变化的 结电容的存在 1.2.2 电力二极管的基本特性 b) U FP u i iF uF tfrt0 2V a) F U F tFt0 trr tdtf t1t2t U R U RP IRP diF dt diR dt 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 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。 1-18 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）。 正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP越高 。 UFP u i iF uF tfrt0 2V 图1-5(b)开通过程 1.2.2 电力二极管的基本特性 开通过程： 关断过程 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。 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。 IF UF tFt0 trr tdtf t1t2t UR URP IRP diF dt diR dt 图1-5(b)关断过程 1-19 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。 1.2.3 电力二极管的主要参数 1) 正向平均电流IF(AV) 1-20 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 1.2.3 电力二极管的主要参数 2）正向压降UF 1-21 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。 1.2.3 电力二极管的主要参数 5）最高工作结温TJM 1-22 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 DATASHEET 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。 1.2.4 电力二极管的主要类型 1-23 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。 DATASHEET 1 2 3 1.2.41.2.4 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） 1-24 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。 1.2.4 电力二极管的主要类型 3. 肖特基二极管(DATASHEET) 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）。 1-25 1.3 半控器件晶闸管 1.3.11.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 1.3.21.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1.3.31.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.41.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 1-26 1.3 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） 1-27 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 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。 1-28 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 1-29 1.3.1 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 按晶体管的工作原理 ，得 ： （1-2） （1-1） （1-3） （1-4） （1-5） 1-30 1.3.1 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。 1-31 1.3.1 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： 1-32 1.3.2 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 。 DATASHEET 晶闸管正常工作时的特性总结如下： 1-33 1.3.2 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1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 1-34 1.3.2 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1-8 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 1-35 1.3.2 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 （1-6） 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 （1-7) 普通晶闸管的关断时间 约几百微秒 2） 动态特性 图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形 1-36 1.3.3 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 1-37 1.3.3 晶闸管的主要参数 通态平均电流 IT(AV） If 二极管 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。 使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 维持电流 IH hold 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 1-38 1.3.3 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 1-39 1.3.4 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。 DATASHEET 1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST) 1-40 1.3.4 晶闸管的派生器件 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 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。 DATASHEET 1-41 1.3.4 晶闸管的派生器件 3) 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） a) K G A b) UO I IG =0 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 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。 1-42 1.3.4 晶闸管的派生器件 4) 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor LTT） A G K a) AK 光强度 强弱 b) OU IA 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 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。 1-43 1.4 典型全控型器件 1.4.11.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 1.4.21.4.2 电力晶体管电力晶体管 1.4.31.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 1.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 1-44 1.4 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 。 1-45 1.4 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 1-46 1.4.1 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。 DATASHEET 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 1-47 1.4.1 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 1）GTO的结构和工作原理 1-48 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。 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 。 1-49 1.4.1 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1-7 晶闸管的工作原理 1-50 1.4.1 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： 1-51 1.4.1 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1-14 GTO的开通和关断过程电流波形 2) GTO的动态特性 1-52 1.4.1 门极可关断晶闸管 3) 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。 1-53 1.4.1 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。 （1-8） 1-54 1.4.2 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。 DATASHEET 1 2 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： 1-55 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 。 1.4.2 电力晶体管 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 1-56 1.4.2 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 （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） 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 1-57 1.4.2 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 1-60 1.4.2 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 1-61 1.4.2 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1-18 GTR的安全工作区 4) GTR的二次击穿现象与安全工作区 1-62 1.4.3 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 1-63 1.4.3 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。 DATASHEET 1）电力MOSFET的结构和工作原理 1-64 1.4.3 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1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 1-65 1.4.3 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 1-66 1.4.3 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1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 电力MOSFET的工作原理 1-67 1.4.3 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 1-68 1.4.3 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 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 1-69 1.4.3 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 (2) 动态特性 1-70 1.4.3 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 1-71 1.4.3 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 1-72 1.4.4 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）(DATASHEET 1 2 ) 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。 1-73 1.4.4 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 1-74 1.4.4 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 IGBT的结构 1-75 1.4.4 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 1-76 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 1.4.4 绝缘栅双极晶体管 2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性 图1-23 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。 1-77 1.4.4 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1-24 IGBT的开关过程 IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton uCE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 1-78 1.4.4 绝缘栅双极晶体管 图1-24 IGBT的开关过程 关断延迟时间td(off） 电流下降时间 关断时间toff 电流下降时间又可分为 tfi1和tfi2两段。 tfi1IGBT器件内部的 MOSFET的关断过程， iC下降较快。 tfi2IGBT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 1-79 1.4.4 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 1-80 1.4.4 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。 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 。 1-81 1.4.4 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。 1-82 1.5 其他新型电力电子器件 1.5.1 MOS1.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT 1.5.2 1.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT 1.5.3 1.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH 1.5.4 1.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT 1.5.5 1.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 1-83 1.5.1 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 与晶闸管的复合(DATASHEET) 1-84 1.5.2 静电感应晶体管SIT 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚 至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高 频感应加热等领域获得应用。 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通 型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力 电子设备中得到广泛应用。 SIT（Static Induction Transistor）结型场效 应晶体管 1-85 1.5.3 静电感应晶闸管SITH SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效 应，通态压降低、通流能力强。 其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是 大容量的快速器件。 SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外， 电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。 SITH（Static Induction Thyristor）场控 晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT） 1-86 1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点 ，容量与GTO相当，开关速度快10倍。 可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取 代GTO在大功率场合的位置。 DATASHEET 1 2 IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor） 1-87 1.5.5 功率模块与功率集成电路 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件 封装在一个模块中，称为功率模块。 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简 化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等 信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路 （Power Integrated CircuitPIC）。 DATASHEET 基本概念 1-88 1.5.5 功率模块与功率集成电路 高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横 向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般 指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM） 则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。 实际应用电路 1-89 1.5.5 功率模块与功率集成电路 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问 题以及温升和散热的处理。 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合 。 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几 年获得了迅速发展。 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化 的理想接口。 发展现状 1-90 1.6 电力电子器件器件的驱动 1.6.1 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 1.6.2 1.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 1.6.3 1.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路 1-91 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开 关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意 义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动 电路实现。 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供 关断控制信号。 驱动电路主电路与控制电路之间的接口 1-92 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电 气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器 图1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型 1-93 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述 按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电 压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋 势是采用专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在 内的混