《电力电子器件概述》PPT课件.ppt

第二章 电力电子器件概述,2.6 电力场效应晶体管（MOSFET）,2.2 功率二极管,2.3 晶闸管,2.4 可控开关的理想特征,2.5 双极结型晶体管和达林顿管,2.1 简介,2.7 门极可关断晶闸管（GTO）,2.8 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2.9 其他功率开关器件,2.10 可控开关的比较,2.11 驱动和吸收电路,2.12 半导体功率器件的选择,2.1 简 介,第二章 电力电子器件概述,功率半导体器件的分类,功率二极管: 导通和关断均由电路潮流决定。,晶闸管: 当器件在承受正向电压时，由控制信号控制器件的导通，而关断状态由电路潮流决定。,可控开关 : 由控制信号控制器件的导通和关断。,不可控型,半可控型,全控型,下 页,返回,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,全控型电力电子器件,电力场效应晶体管（MOSFET）,双极结型晶体管 （BJT）,门极可关断晶闸管（GTO ）,绝缘栅门极换流晶闸管（IGCT）,绝缘栅双极晶体管 （IGBT）,整流二极管及模块,下 页,上 页,返 回,2.2 功率二极管,第二章 电力电子器件概述,2.2.1 功率二极管的基本特性,当功率二极管承受正向电压时，它的正向导通压降很小，大约在1V左右。 当功率二极管承受反向电压时，只有极小的漏电流可通过该器件。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,反向偏置电压超过某一规定值时，反向漏电流迅速增加。正常工作状态下，反向电压不允许达到或超过规定的截止电压。 由于关断状态下的漏电流和通态压降都很小，因而，功率二极管的伏安特性可被理想化。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,功率二极管处于导通状态时，因其导通速度很快，故可当作理想开关。,反向恢复电流可消除功率二极管的过剩载流子，并在其后能阻断反极性电压。它还会使感应电路产生一个反向过冲电压。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.2.2 功率二极管的主要参数,功率二极管长期运行时，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。,设正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流为:,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,额定电流有效值为：,某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数:,根据上式求出正弦半波的波形系数为:,如额定电流IF(AV)=100A的电流功率二极管，其额定电流有效值IF=Kf IF(AV)=157A。注：这里是正弦半波,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,有时候，其参数表中也给出在指定的温度下流过某一瞬态正向大电流时功率二极管的最大瞬时正向压降。正向压降越低，通态损耗越小。,功率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。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,功率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。,具体使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此项参数。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,功率二极管对应于反向重复峰值电压时的反向电流。,管芯PN结的平均温度，而且是在PN结不至损坏的前提下所能承受的最高平均温度。,TJM通常在125175范围之内。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,在功率二极管从导通到阻断的过程中，二极管会流过一定的负电流。从功率二极管电流下降到零开始，直至在此回到零所需时间。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,该项参数反应了二极管抵抗短路冲击电流的能力。显然，设计器件的保护电路时，保护电路的动作电流应小于该参数。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.2.3 几种常用的功率二极管,肖特基二极管,用于正向压降较低(一般是0.3V)的低压输出电路。,快恢复二极管,用于带有可控开关且反向恢复时间较短的高频电路中。,工频二极管,用于工频交流电路之中，其通态电压被限定得尽可能低，将产生一个较大的可适用于工频交流电路的反向恢复时间trr。,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,一、晶闸管的结构,结构:分为管芯及散热器两大部分。,方式: 分为螺栓型与平板型两种。,2.3 晶闸管,2.3.1 晶闸管的基本特性,螺栓型：散热效果差，用于200以下容量的元件,平板型：散热效果好，用于200以上的元件,a）自冷 b）风冷 c）水冷,内部结构：四层（P-N-P-N） 三端（A、K、G）,二、晶闸管的工作原理 特点：正向阻断 反向阻断 1、 导通条件：正向阳极电压，正向门极电压。 关断条件：必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。,2、 内部物理过程：,晶体管的集电极电流为另一只晶体管的基极电流形成正反馈,晶闸管工作原理 由PNPN四层半导体料 组成的四层三端器件， 三个P-N结 P1 阳极A（Anode） N2 阴极K(Cathode) P2 引出门极G(Gate),双三极管模型和导通原理,晶闸管的阳极电流应为:,K,导通后，Ig无影响,(3)关断 Ia IH(维持电流）, 1、2均下降,元件关断,K点时， 1+ 2=1，Ig=0,K,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,主电流由阳极流向阴极。晶闸管处于断态时可阻断正向偏置电压而不导通。,三 晶闸管的基本特性,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,晶闸管承受正向电压时，在门极注入正向脉冲电流可将它触发导通。,通过外电路使阳极电流反向，并且降到接近于零的某一数值，可使已导通的晶闸管关断。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,当晶闸管承受正向电压时，门极触发电流才能在某个时间再一次控制晶闸管触发导通。,通常状态下，晶闸管的正、反向阻断电压的额定值相等。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,分析变流器拓扑结构时，同二极管相似，晶闸管可由上图所示的理想化特性曲线表示。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,晶闸管通过电源电压的正半波控制其导通。当晶闸管电流开始反向时，电源电压变负，晶闸管所承受的电压也同时反向。理想晶闸管将会使其电流在t=T/2后立即变为0 。 波形如图所示。,晶闸管的开关特性,延迟时间,上升时间,反向阻断恢复时间,正向阻断恢复时间,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,关断时间,在tq内，必须给晶闸管加一个反向电压。在tq之后，器件恢复对正向电压的阻断能力。,换向恢复时间,关断时间,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.3.2 晶闸管的主要参数,2.3.2.1 晶闸管的电压参数,UDSM是一个不能重复，且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。UDSM值应小于正向转折电压Ub0，所留裕量的大小由生产厂家自行规定。,晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧转折处对应的电压值。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,晶闸管在门极开路且结温为额定值时，允许每秒50次、每次持续时间不大于10ms，重复加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。,规定UDRM为UDSM的90%。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折处的反向峰值电压。,URSM是一个不能重复施加，且持续时间不大于10ms的反向脉冲电压。反向不重复峰值电压URSM应小于反向击穿电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,晶闸管在门极开路且结温为额定值时，允许每秒50次，每次持续时间不大于10ms，重复加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。,规定URRM为URSM的90%。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM两者中，较小的一个电压值。,选用晶闸管时，应使其额定电压为正常工作电压峰值Um的23倍，以作为安全裕量。 UR=(23)Um 额定电压的选择：额定电压在1000V以下时，每100V为一个电压等级；在10003000V时，则每200V为一 个电压等级。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,额定电流时晶闸管导通时的管压降峰值，一般为1.52.5V，且随阳极电流的增加而略微增加。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.3.2.2 晶闸管的电流参数,1通态平均电流IT(AV),晶闸管的额定电流,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,正弦半波电流有效值为：,在选用晶闸管时，应根据具体电流波形来计算出允许的电流平均值。设有一三相工频半波电流峰值为Im的波形，则通态平均电流为：,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,晶闸管有效值与通态平均电流的比值为：,有效值与平均值的比为：,波形系数,由上式可知，额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。这个结果与二极管是相同的。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,实际电路中，由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此在实际选择时，一般取1.52倍的安全系数。当在给定晶闸管的额定电流后，可计算出该晶闸管在任意波形时所允许的电流平均值为：,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2维持电流IH,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。,维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。,3擎住电流IL,晶闸管由阻断状态转化为导通状态、并除掉门极触发信号后，能维持器件导通所需要的最小电流。,一般而言，擎住电流比维持电流大24倍。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,4浪涌电流ITSM,指在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。,晶闸管所承受的浪涌过载能力是有限的，在设计晶闸管电路时，必须考虑到电路中电流产生的波动。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.3.2.3 晶闸管的动态参数,1断态电压临界上升率du/dt,在结温为额定值和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态转换到通态所允许的最大正向电压上升速度。,实际应用中，实际电压上升率必须小于此临界值。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2通态电流临界上升率di/dt,在规定条件下，晶闸管从阻断状态转换到导通状态时，晶闸管所能承受的通态电流上升率的最大值。,晶闸管刚导通时，电流主要分布在门极附近的小区域内，电流上升过快，有可能造成局部过热而损坏器件。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,3开通时间ton,从阻断到正常导通的时间。普通晶闸管的开通时间ton约为6s。开通时间与触发脉冲的陡度、电压高低、结温以及主回路中的电感量有关。,4关断时间toff,从导通到截止的时间。普通晶闸管的关断时间toff约为几十到几百微秒。关断时间与器件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.3.2.4 门极额定参数,1门极触发电流IGT,IGT是在室温下，阳极电压为直流6V时使晶闸管从断态转入通态所需的最小门极电流。,2门极触发电压UGT,UGT是产生门极触发电流所需的最小门极电压。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.3.2.5 温度特性,1结温TJM,晶闸管正常工作时所能允许的最高结温。,晶闸管的额定结温通常为125C或150C。,2结壳热阻RJC,晶闸管每瓦功率损耗导致的内部PN结与晶闸管外壳之间的温差 。,该参数可用于晶闸管的散热系统设计。,晶闸管的型号 普通, 快速型，双向型，逆导型，可关断 KP电流电压/100 ,KP500-12,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.3.3 几种常用的晶闸管,1 相控晶闸管,换流晶闸管,相控晶闸管,主要用于工频交流输入的电压和电流整流方面，以及高压直流输电。 可承受较高的电压和电流，通态压降较小。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,相控晶闸管是以直径为10cm左右的圆形晶片制作而成的，平均电流大约是4000A，阻断电压为57kV。若器件为1000V的电压时，通态电压一般为1.5V；电压为50007000V的器件，通态电压一般为3V。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2 逆变晶闸管,一般情况下，器件的通态电压较高，则关断时间tq较短。但逆变晶闸管的通态电压较低并且关断时间tq也较短。关断时间tq通常是在几微秒到100s的范围内。通常，不同型号晶闸管的截止电压和通态压降不同，因而关断时间也不相同。具体应用时，应参看厂家给出的有关参数。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,3 光控晶闸管,通过一定波长的光照信号触发晶闸管。 主要用于高压线路中。 光控晶闸管的额定电压和额定电流值分别是4000A和3000A。通态压降大约是2V，光触发功率大约为5mW。,作 业,第二次 1、晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定? 2、晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定? 3、温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？ 4、晶闸管的非正常导通方式有哪几种？,下 页,上 页,返 回,2.4 可控开关的理想特性,第二章 电力电子器件概述,BJT MOSFET GTO IGBT 其它,开关打开时，没有电流流过 开关闭合时，电流能按箭头所指方向流过,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,理想可控开关的特性,关断时，不论正、反向阻断电压有多高，都没有电流流过该器件。 导通时，压降为零，此时可传导任意大的电流。 该器件一旦被触发，立即从导通状态到关断状态；反之，能立即由关断变为导通。 该器件只需很小的电流就能触发。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,理想二极管,二极管导通路径中总会有电感，因而可用恒流源表示。 当开关闭合，电流全部流过开关，二极管反向偏置。 当开关断开时，I0流过二极管，有一个等同于输入电压Ud的电压加在开关上。,理想二极管被认为是零压降。,实际可控开关器件的等效模型,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,设可控开关在一个工作周期内的开关频率为: fs=1/ Ts Ts ：开关时间周期 当开关处于断态时，正向控制信号将使其导通，导通过程中，电流上升包括一个较短的延迟时间td(on)和电流上升时间tri。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,电流I0全部通过开关后，开关反向偏置，其电压在电压下降时间tfv内下降到通态电压Uon。 导通交叉时间段tc(on)内开关电压和电流值较大。 tc(on)= tri+tfv 导通过程中器件的能量损耗: Wc(on)=1/2UdI0tc(on),下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,开关完全导通，通态电压Uon使电流I0导通，并将在开通时间ton内持续导通。开关通态能量消耗Won可近似为: Won=UonI0ton 式中 ton大于tc(on)和tc(off),下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,用反向控制信号使开关关断。在开关关断期间，电压上升过程包括关断延迟时间td(off) 和电压上升时间trv。 电压达到Ud时，开关器件正偏，并传导电流。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,开关电流在电流下降时间tfi内下降到0，电流I0反向，并从二极管VD中流过。 在转换时段tc(off)内，开关电压和开关电流同时具有较大值。 tc(off) = trv +tfi,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,关断过程中的开关能量损耗为： Wc(off)=1/2UdI0tc(off) 瞬时能量损耗为： PT(t)=uTiT,导通和关断期间的瞬时开关能量损耗大。,瞬时能量损耗,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,开关开通、关断的转换所导致的能量损耗可由式Wc(on)=1/2UdI0tc(on)和式Wc(off)=1/2UdI0tc(off )表示为:,半导体开关能量损耗随着开关频率和开关时间增加呈线性增加的关系。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,导通时的平均能量损耗Pon也会导致开关能量损耗，它按比例随着通态电压而变化。其开通损耗为：,开关的通态压降应该尽可能小。,可控开关断态时的漏电流比较小，可忽略不计，实际应用中的断态能量损耗也可忽略。开关的平均能量损耗为： PT=Ps+Pon,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,可控开关的特性,器件处于断态时，漏电流很小。 较低的通态压降Uon可减少通态能量损耗。 导通和关断转换时间较短，能够使器件在较高的开关频率下工作。 较好的正、反向电压阻断能力使得器件不需要级联许多器件。 电流较大的电路中，可控开关通态电流额定值较高，无需并联器件，避免了电流分配的问题。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,正的通态阻抗温度系数能够确保并联元件平均分配总电流。 只需要较小的电流来触发可控开关，这将简化控制电路的设计。 开关动作期间，器件可同时承受额定电压和额定电流的电压和电流值，不需要外部保护电路。 可控开关可承受较大的电压、电流变化率，因此可简化外部保护电路的复杂性。,下 页,上 页,返 回,2.5 双极结型晶体管和达林顿管,第二章 电力电子器件概述,2.5.1双极结型晶体管和达林顿管的基本特性,双极结型晶体管和达林顿管,1、结构：,普通晶体管结构,GTR结构,符号,特点： 开关频率较高、动态性能好、承受功耗小、控制方便。 阻断能力差、瞬态过电压及过载能力差。,工作特性,静态特性,动态特性,td：延迟时间； ts：存储时间 tr：集电极电流上升时间； tf：集电极电流下降时间,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,基极电流只有足够大才可使得器件完全导通。控制电路必须提供足够大的基极电流。两者电流的关系为： IBIC/hFE 式中，hFE是元件的直流电流增益。,BJT理想化伏安特性曲线,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,通态时，基极电流必须保持不变。大功率晶体管的直流电流增益hFE的值通常在5到10之间。,双极结型晶体管,电流控制型元件,得到更大的电流增益,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,达林顿晶体管对电压非常敏感，轻微的过电压uCE(sat)就会导致它的损坏，且整体开关速度较慢。 不论是单个器件或单个芯片上的达林管结构，BJT在关断期间都有一个储存时间。开关时间一般是在几百纳秒到几微秒的范围内。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.5.2 BJT的主要参数,1集电极额定值电压VCEM,最高集电极电压额定值是指集电极的击穿电压值，它不仅因器件不同而不同，即使是同一器件，也会由于基极电路条件的不同而不同。,2 集电极额定值电流ICM,以b值下降到额定值的1/2至1/3时的IC值为ICM； 以结温和耗散功率为尺度来确定ICM值。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,最大脉冲电流的额定值,内部引线熔断的集电极电流， 或是引起集电结损坏的集电极电流， 或1.53倍的ICM。,3 饱和压降UCES,单个三极管一般不超过11.5V，其值随集电极电流IC的上升而增大。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,4 基极电流的最大允许值IBM,内引线允许流过的最大基极电流，通常取IBM（1/21/6）ICM。与ICM相比，其裕量通常很大。,5 最高结温额定值TJM,正常工作时不损坏器件所允许的最高结温，由器件所用的半导体材料、制造工艺、封装方式及可靠性要求决定。BJT使用时须选配合适的散热器。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,6 最大功耗额定值PCM,BJT在最高允许结温时所对应的耗散功率，它受结温的限制，其大小主要由集电极工作电压和集电极电流的乘积决定。,7开通和关断时间ton、toff,开通时间,BJT从断态施加驱动信号开始到等效电阻降为零的通态所经历的时间。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,ton、toff的值越小，BJT开关过程中的损耗也越小，且可在高频率下工作。,关断时间,BJT从通态撤除驱动信号到等效电阻为无限大的断态所经历的时间。,8 热阻Rjc,BJT的PN结与管壳之间的热阻Rjc。,(1) 二次击穿现象,出现击穿现象（AB段），称一次击穿。,1),2),集电极局部过热，CD负阻效应, 低电流，大电压，称二次击穿，元件损坏 。,二次击穿现象与安全工作区,安全工作区,FBSOA,RBSOA,正向偏置安全区,反向偏置安全区,下 页,上 页,返 回,2.6 电力场效应晶体管（MOSFET）,第二章 电力电子器件概述,2.6.1 电力场效应晶体管的基本特性,电力场效应晶体管(MOSFET) 是电压控制型器件。,1、结构,功率场效应晶体管（P-MOSFET）,特点：电压控制，控制极（栅极）静态内阻高 驱动功率小，开关速度高，无二次击穿，安全工作区宽,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,当栅-源极电压低于门槛电压uGS(th)时，MOSFET像近似断开的开关。 MOSFET供给栅源极大小合适的持续电压才能导通。,当MOSFET处在从开到关的转换过程中，或反过来从关到开的转换过程中，在栅沟道本征电容充、放电时，栅极才会出现电流。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,MOSFET的开关时间非常短，通常在几十纳秒到几百纳秒之间。 正常运行范围内，MOSFET的漏极和源极之间的导通电阻随着它承受的截止电压的增加很快增加。 在每单元面积的基础上，其导通阻抗和所承受的额定截止电压BUDSS的关系为:,式中， k是一个取决于器件结构的常数。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,由式 知，当截止电压较低时，器件的导通阻抗很小，开关损失可以很小，通过式 Ps=1/2UdI0fs(tc(on)+tc(off) 可知，此时可以具有很高的开关速度。,300400V等级的MOSFET仅仅当开关频率超出30100kHZ时才与双极晶体管差不多。 低电压时多选择MOSFET。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,因为MOSFET的导通阻抗有正的温度系数，所以很容易并联使用。 并联的MOSFET中若有某个器件的导通电流较大，则使导通阻抗也相应增加，从而自动地起到平衡其它并联MOSFET中电流的作用。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.6.2 电力场效应晶体管（MOSFET）的主要参数,2.6.2.1 静态特性参数,场效应管能承受的最高工作电压，是标称MOSFET额定电压的参数。,通常选UDS为实际工作电压的23倍。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,在规定的测试条件下，最大漏极直流电流、漏极脉冲电流的幅值，是标称MOSFET额定电流的参数。,在一定栅源电压下，MOSFET从可变电阻区进入饱和区时的直流电阻值。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,由MOSFET输出特性曲线可知，在一定范围内，Ron将随着uGS的增加而减小。 通态电阻Ron越小，通态损耗越小。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,漏、源极之间形成导电沟道所需的最小栅源电压。,保证栅源绝缘不被击穿的最高电压。,多为5V左右。,通常为20V。栅源驱动电压通常为1215V。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,漏极电流对栅源电压的导数:,在一定漏源电压下，栅源电压高低决定了漏极电流大小。 跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS。,一般生产厂家提供的是漏源极短路的输入电容Ciss、共源极输出电容Ccss和反向转移电容Crss。它们之间的关系是： Ciss=CGS+CGD Crss=CGD Ccss=CDS+CGD,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定MOSFET的安全工作区。,实际使用注意留适当的裕量,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.6.2.2 动态特性参数,1 开关时间,2 duDS/dt限制,MOSFET的开关过程所需要得时间。 开通时间ton定义为： ton=td(on)+tr 关断时间toff定义为： toff=td(off)+tf,过高的duDS/dt可能使MOSFET误导通，易损坏器件。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.6.2.3 功耗与温度特性参数,MOSFET工作指标,最大允许功耗PDmax,最高工作结温TJM,壳温TC,结壳热阻Rth(jc),下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,设MOSFET开关频率为，通过电流的有效值为ID，一次开通、关断损耗分别为Pon、Poff，则有 开关损耗： PS=(Pon+Poff) 通态损耗： PC=RonID 断态损耗： PL=0 MOSFET内部发热功率 : PDPS+PC 使用时应限制器件的功耗，使PDPDmax，并提供良好的散热条件使器件温升不超过额定温升。,应用高频开关注意开关损耗,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,MOSFET允许的最高结温是确定的，壳温与外部散热条件密切相关。外部散热条件决定了MOSFET器件的实际允许功耗。,MOSFET容易受到静电危害。通常使用时应在栅、源极之间并联电阻。,MOSFET中寄生有一个反并联二极管，使用中有时需要利用该管进行续流。, 漏源电阻限制线 最大漏极电流限制线 最大功率限制线 最大漏源电压限制线,2)安全工作区,主要参数与安全工作区,1)主要参数,（a）漏极电压 UDS,（b） 电流定额 ID,（c） 栅源电压 UGS,下 页,上 页,返 回,2.7 门极可关断晶闸管（GTO）,第二章 电力电子器件概述,2.7.1 门极可关断晶闸管的基本特性,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。,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,门极可关断晶闸管,工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。,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 。,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,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：,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。,GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,GTO与晶闸管相同之处,GTO能够通过施加短时的门极脉冲电流而触发导通。一旦导通，就能维持这种导通状态而不再需要门极电流。,GTO与晶闸管不同之处,GTO可通过施加负的门阴极电压而被关断，并因此引起大的负门极电流。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,吸收电路,GTO不能随意使用，除非设计好一个吸收电路,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,由电阻、电容、二极管组成的电路用在GTO电路中，使关断时的 du/dt减小。,使用关断吸收电路时可有效降低电压变化率。,GTO的通态压降比晶闸管略高。 GTO能够承受高电压和大电流。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.7.2门极可关断晶闸管（GTO）的主要参数,用来标称GTO额定电流的参数。,使GTO从通态转为断态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。,1 最大可关断阳极电流IATO,2 门极关断电流IGM,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,阳极最大可关断电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。,3 电流关断增益boff,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,在规定使用条件下，GTO稳定工作时不超过额定结温的周期性（ 100Hz）方波电流的最大有效值。,4 额定通态电流有效值IT(rms),延迟和上升时间之和。,5 开通时间ton,上升时间随阳极电流增大而增大。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,储存时间和下降时间之和。,5 关断时间ton,关断时间不包括扫尾时间。GTO的储存时间随阳极电流的增加而增大，下降时间一般小于2ms.,作业,第三次 用万用表怎样区分晶闸管阳极(A)、阴极(K)与门极(G)？判断晶闸管的好坏有那些简单实用的方法？,下 页,上 页,返 回,2.8 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,第二章 电力电子器件概述,2.8.1 绝缘栅双极晶体管的基本特性,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 TransistorIGBT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。,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,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,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,像MOSFET一样，IGBT的输入阻抗高，只需很小的能量来开关器件。 如同BJT一样，即使当它承受较高电压时，它的导通压降也很小。 与GTO类似，IGBT能够被设计承受一定的反向压降。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.8.2 绝缘栅双极晶体管（IGBT）的主要参数,IGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。,1 最大集射极间电压UCEM,IGBT的耐压可以做得较高，最大允许电压UCEM可达4500V以上。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,导通状态时集电极和发射极之间的管压降。,2 通态压降,在小电流段的1/2额定电流以下通态压降具有负温度系数，在1/2额定电流以上通态压降具有正温度系数，因此IGBT在并联使用时具有电流自动调节能力。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,擎住效应,IGBT管中由驱动电压UGE控制IC大到一定的程度时，IGBT中寄生的NPN和PNP晶体管处于饱和状态，栅极G失去对集电极电流IC的控制作用。,集电极电流值超过ICM时，IGBT产生擎住效应。 IGBT在关断时电压上升率duCE/dt太大将产生擎住效应。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,器件出厂时必须规定集电极电流值超过ICM，以及在此相应的栅极-发射极最大电压UCEM。,3 集电极电流最大值ICM,在正常工作温度下允许的最大耗散功率。,4 最大集电极功耗PCM,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,IGBT在开通时为正向偏置，其安全工作区称为正偏安全工作区FBSOA 。 IGBT在关断时为反向偏置，此时的安全工作区称为反偏安全工作区RBSOA。,5 安全工作区,IGBT具有耐脉冲电流冲击能力。导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。反偏安全工作区与电压上升率duCE/dt有关，duCE/dt越大，反偏安全工作区越小。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,IGBT的输入阻抗高，可达1091011数量级，呈纯电容性，驱动功率小。,6 输入阻抗,IGBT的最高允许结温TJM为150。IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。,7 最高允许结温TJM,2.9 其它功率开关器件和模块 1、 MOS控制晶闸管 2、 静电感应晶体管SIT 3、 静电感应晶闸管SITH 4、 集成门极换流晶闸管（IGCT） 5、 集成功率模块,下 页,上 页,返 回,2.9 其他功率开关器件,第二章 电力电子器件概述,2.9.1 MOS控制晶闸管及其基本特性,MCT像IGBT和MOSFET一样是电压控制器件。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,MCT具有GTO的许多优点，包括通过比较大的电流时通态压降低和自锁功能。 MCT的驱动电路更简单。 MCT的开关速度更快。,MCT比相同等级的IGBT的通态压降更低。 单个MCT的额定电流明显比GTO小。,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,2.9.1.2 MCT的主要参数,MCT在门极开路而结温为额定值时，加于MCT上的正向断态最大脉冲电压。,1 断态峰值电压UDRM,MCT在门极开路而结温为额定值时，加于MCT上的反向最大脉冲电压。,2 反向峰值电压URRM,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,结温额定和门极开路情况下，不导致从断态向通态转换的最大阳极电压上升率。,3 断态电压变化率du/dt,应用中，实际电压上升率须小于此临界值。,规定条件下，MCT随时通过的无有害影响的最大通态电流变化率。,4 通态电流变化率di/dt,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,MCT在门极开路而结温为额定值时，流过MCT的正向断态最大脉冲电流。,5 断态峰值电流IDRM,额定电流时管子导通的管压降峰值。,6 通态压降UTM,UTM随阳极电流的增加而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。,2.9.2 静电感应晶体管SIT,漏电流受栅极上的外加垂直电场控制的垂直沟道场效应晶体管。简称SIT。1971年由日本的西泽润一首创。70年代中期，它作为音频功率放大器件在日本得到迅速发展。,静电感应晶体管SIT,2.9.2 静电感应晶体管SIT,SIT是一种电压控制器件。在零栅压或很小的负栅压时，靠近源极一侧的沟道中出现呈马鞍形分布的势垒，由源极流向漏极的电流完全受此势垒控制。在漏极上加一定电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高，源漏电流越大，亦即源漏极之间是靠漏电压的静电感应保持其电连接的 。,2.9.2 静电感应晶体管SIT,SIT的特点是频率覆盖范围宽、功率覆盖范围大，广泛应用于高保真音响、电源、电机控制、通信机、雷达、导航和各种电子仪器中。同双极型晶体管相比，SIT具有线性好、噪声小，输入阻抗高、输出阻抗低，开关速度快，可靠性高，低温性能好等优点。,2.9.2 静电感应晶体管SIT,和双极型晶体管相比,SIT具有以下的优点： 线性好、噪声小。用SIT制成的功率放大器,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。 输入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。 SIT是一种无基区晶体管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。 它是一种多子器件，在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁能力强。 无二次击穿效应，可靠性高。 低温性能好，在-196下工作正常。 抗辐照能力比双极晶体管高50倍以上。,2.9.3. 静电感应晶闸管SITH,在结构上比SIT增加了一个PN结在内部形成了两个三极管，这两个三极管起晶闸管的作用。故又称场控晶闸管，三个引出极被称为阳极A、阴极K和门极G。 因为SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有通态电压低、通流能力强的特点，它很多性能与GTO相似，但开关速度较GTO快是大容量的快速器件，SITH制造工艺复杂，通常是正常导通型（也可制成正常关断型），一般关断SIT和SITH需要几十伏的负电压。,静电感应晶闸管SITH,静电感应晶闸管SITH,A,K,G,A,K,G,A,K,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件(集成门极换流晶闸管=门极换流晶闸管+门极单元)。,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,1997年由ABB公司提出。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。 IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT已用于电力系统电网装置100MVA和中功率工业驱动装置5MW中，在中压变频器领域内成功的应用了11年的时间（到09年为止） 。由于IGCT的高速开关能力无需缓冲电路，因而所需的功率元件数目更少，运行的可靠性大大增高。,2.9.4集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT集IGBT（绝缘门极双极性晶体管）的高速开关特性和GTO（门极关断晶闸管）的高阻断电压和低导通损耗特性于一体，一般触发信号通过光纤传输到IGCT单元。在ACS6000的有缘整流单元的相模块里，每相模块由IGCT和二极管、钳位电容组成，由独立的门极供电单元GUSP为其提供能源。,2.9.5 集成功率模块,电力电子器件的模块化是器件发展的趋势，早期的模块化仅是将多个电力电子器件封装在一个模块里，例如整流二极管模块和晶闸管模块是为了缩小装置的体积给用户提供方便。 随着电力电子高频化进程，BJT(GTR)、IGBT等电路的模块化就减小了寄生电感，增强了使用的可靠性。,2.9.5 集成功率模块,现在模块化在经历标准模块、智能模块（Intelligent Power ModuleIPM）到被称为是“All in one”的用户专用功率模块（ASPM）的发展，力求将变流电路所有硬件（包括检测、诊断、保护、驱动等功能）尽量以芯片形式封装在模块中，使之不再有额外的连线，可以大大降低成本，减轻重量，缩小体积，并增加可靠性。,下 页,上 页,返 回,2.10 可控开关的比较,第二章 电力电子器件概述,可控开关器件的相关性质比较,下 页,上 页,返 回,第二章 电力电子器件概述,电力半导体器件性能比较,下 页,上 页,返 回,2.11 驱动和吸收电路,第二章 电力电子器件概述,可控电力半导体开关的开关速度和通态损耗取决于它的控制方式。 在设计一个合理的换流电路时，重要的是在BJT、MOSFET、GTO或IGBT的栅极的基础上设计合理的驱动电路。 未来的趋势是把电力开关的大部分驱动电路整合到器件封装内。,2.11.1 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,驱动电路与电力电子器件的连接方式 1.直接连接：操作不安全，主电路干扰触发电路。,2.11.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路与电力电子器件的连接方式 1.直接连接：操作不安全，主电路干扰触发电路。 2.光耦合器连接：输入和输出间电隔离，绝缘性能好，抗干 扰能力强。 3.脉冲变压器耦合连接：有良好的电气绝缘。,2.11.1 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,光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,脉冲变压器,脉冲变压器,2.11.1 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合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,分类,2.11.2 晶闸管的触发电路,作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 晶闸管触发电路应满足下列要求： 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，脉冲的前沿应尽可能陡； 触发脉冲应有足够的幅度，即足够的功率； 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,t,理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（1s） t1t3强脉宽度 IM强脉冲幅值（3IGT5IGT） t1t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,晶闸管的触发电路,常用的触发脉冲信号,触发信号可为直流、交流或脉冲电压；,触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步， 脉冲移相范围必须满足电路要求。,2.11.2 晶