《电力电子器件》PPT课件.ppt

1,第1章 电力电子器件,1.1 概 述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极晶体管 1.8 其他新型电力电子器件,2,1.1.1 电力电子器件的概念与特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域 1.1.5 本章核心内容与学习要点,1.1 概 述,3,电力电子器件： 专指直接用于主电路，实现电能的变换或控制的半导体器件。,主电路： 在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制的电路。,控制电路,电气隔离,（1）基本概念,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,4,电力电子器件处理电功率的能力，一般远大于信息处理中的电子器件。 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（或称为驱动）。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都需要安装散热器（自然风冷、强迫风冷、水冷等）。,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,（2）主要特征,5,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,（3）电力电子器件的功率损耗,功率损耗主要包括：通态损耗、断态损耗和开关损耗。 通态损耗是通态电流与通态（管）压降作用的结果。 断态损耗是断态（漏）电流与断态电压作用的结果。 开关损耗又包括：开通损耗和关断损耗，是开关过程中电压与电流作用的结果。 因断态漏电流极小，一般认为通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要因素。 当器件工作频率较高时，开关损耗可能成为电力电子器件功率损耗的主要因素。,6,不可控器件（如：电力二极管SR） 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路，外电路决定通断。 半控型器件（如：晶闸管SCR） 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（如：电力场效应管，绝缘栅双极晶体管） 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。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（1）按照器件被控程度分为三类,7,电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出一定的电流，实现器件的导通或关断控制。如SCR、GTO、GTR等。 电压控制型 仅通过在器件控制端和公共端之间施加一定的电压信号，实现导通或者关断控制。如MOSFET、IGBT等。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（2）可控器件按照驱动信号的性质分为两类,8,单极型器件 只有一种载流子参与导电。如MOSFET。 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。如GTO、GTR 混合型器件 由单极型器件与双极型器件通过集成而构成的复合型器件。如IGBT。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（3）按照器件内部载流子参与导电情况分为三类,9,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,（1）电力电子器件模块化与集成化的研发是目前重要的发展方向。 （2）模块化与集成化不仅可减小装置尺寸，更重要的是提高了装置的安全性与可靠性，缩短了装置的设计研发周期。 （3）特别值得一提的是智能功率模块（IPM），该功率模块同时具有驱动、控制、保护等功能，整体性能大为提高。 （4）目前，在装置研发中优先选用模块化器件。,10,1.1.4 电力电子器件的应用领域,详见教材第9页图1-1,11,集中介绍典型器件的工作原理、基本特性、主要参数及选择和使用中应注意的一般问题。 简单介绍电力电子器件的驱动、保护以及串、并联使用等特殊问题。,1.1.5 本章核心内容与学习要点,（1）核心内容,了解典型器件的基本特性曲线。 掌握典型器件主要参数的含义。 学会典型器件的合理选用。,（2）学习要点,12,1.2.1 PN结的工作原理 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 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 电力二极管,13,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征,1.2.1 PN结的工作原理,（1）PN结的状态,（2）PN结的反向击穿,包括雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。 均可能导致PN结热击穿，造成二极管永久损坏。,14,1.2.1 PN结的工作原理,（3）PN结的电容效应,PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现出电容效应，称之为结电容，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的不同又分为势垒电容CB和扩散电容CD。 结电容的存在主要影响PN结的工作频率，尤其是高速开关状态时其影响显得更为突出。,15,基本结构和基本特性与信息电子中讨论的二极管相同。 内部由一个面积较大的PN结和两端引线以及外部封装组成。 外型主要有螺栓型、平板型和模块型三种封装形式。,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,16,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,电力二极管原理和结构简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就得到了广泛的应用。,17,主要指伏安特性 门槛电压UTO：正向电流IF开始明显增加时所对应的电压。 正向管压降UF ：与IF对应的二极管两端电压。 承受反向电压时，正常情况下只有微小且数值基本恒定的反向漏电流。 当反向电压达到一定数值时（ UBR ），则会造成反向击穿。,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,电力二极管的伏安特性,（1）静态特性,18,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,（2）动态特性,开通过程 正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋近于某一稳态压降值（ 12V）。 正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP过冲越高。,19,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,（2）动态特性,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。,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,影响开关速度的主要因素是反向恢复时间。,20,为电力二极管的电流定额。 定义为：在规定的管壳温度和散热条件下，允许长期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，使用时应根据有效值相等的原则来选取电流定额，并考虑留有一定的裕量。计算方法在SCR时再说明。 举例：计算正弦半波电流有效值与平均值的比值。,1.2.3 电力二极管的主要参数,（1）正向平均电流 IF(AV),21,1.2.3 电力二极管的主要参数,例：计算正弦半波电流有效值与 平均值的比值。,解：,即：,22,（2）正向通态管压降 UF 在规定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。显然，UF 越小越好。 （3）反向重复峰值电压 URRM 为电力二极管的电压定额。 定义为：电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时为安全起见应当留有23倍的裕量。 （4）反向恢复时间 trr= td+ tf,1.2.3 电力二极管的主要参数,23,（5）最高工作结温 TJM 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，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,24,（1）普通二极管 又称整流二极管，多用于开关频率不高（一般在1kHz以下）的整流电路。 其反向恢复时间较长（一般为几十微秒）。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高（一般达数千安培、数千伏特以上）。,1.2.4 电力二极管的主要类型,25,（2）快恢复二极管 简称快速二极管 从性能上又可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒至几微秒，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 管压降较低（约为0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下，低于普通二极管。,1.2.4 电力二极管的主要类型,26,（3）肖特基二极管 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns）。 正向恢复过程中没有明显的电压过冲。 正向压降为0.30.6V，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小。 肖特基二极管的弱点 反向耐压偏低，多用于200V以下场合。 反向漏电流的温度敏感性很强，使用中必须严格限制其工作温度。,1.2.4 电力二极管的主要类型,27,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 简介 1.3.2 晶闸管的结构与工作原理 1.3.3 晶闸管的特性及主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件,28,1.3.1 简 介,又称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier） 简称为可控硅（缩写为SCR） 1956年由美国贝尔实验室发明。 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，且于1958年商业化。 晶闸管的诞生，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，开始部分被全控型器件所取代。 晶闸管受压和通流的能力最高，工作可靠，应用成熟，在大容量的场合仍占有重要的不可替代的地位。,晶闸管是晶体闸流管（Thyristor）的简称,29,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,螺栓型封装，通常螺栓一端是阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。 平板型晶闸管使用时是由两个散热器将其夹在中间。 模块使用时，金属底面（一般为铜质）要与散热器紧密接触，使元件内部的热量有效导出。,（1）符号及外形,为三端四层元件，三端分别为阳极 A、阴极 K 和控制极 G。 外形有螺栓型、平板型和模块型三种封装形式。,图形符号,四层结构,30,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,31,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,32,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,33,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,34,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,35,1.3.2 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。,按晶体管工作原理 ，可得：,整理得 ：,（2）工作原理分析,而且：,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,36,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理, 1 与 2数值与发射极电流有关，当发射极电流很小时，其数值小于0.1；当发射极电流上升时，（ 1+ 2）近似等于1； 共基极漏电流很小，有时可以忽略不计； 当IG = 0，阳极电流近似为0，处于阻断状态； 当控制极注入触发电流，正反馈作用使晶闸管处于饱和导通状态，阳极电流由外电路决定，此时控制极电流失去作用。 器件关断需依靠外电路的辅助作用，使阳极电流减小到一定数值。,（3）原理说明,37,1.3.2 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 反向电压过高 只有门极触发才是精确、迅速而可靠的控制手段 。,（4）晶闸管其他几种非正常导通的情况,38,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管在承受反向电压时，不论控制极是否有触发电流都不会导通。 晶闸管承受正向电压时，仅在控制极有触发电流的情况下才能开通。 晶闸管一旦导通控制极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使流过晶闸管的电流减小到接近于零的某一数值 。 显然，晶闸管为电流控制型器件。,（5）晶闸管开通及关断条件,39,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,正向特性 IG=0时，当器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，此为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压UDB，则漏电流急剧增大，器件非正常开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压相应降低。 晶闸管一旦导通，其正向导通压降很小，约为1V左右。,（1）静态特性,40,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,反向特性 反向特性类似于二极管的反向特性。 反向呈阻断状态时，只有极小的反向漏电流。 当反向电压达到反向击穿电压后，电流急剧增加，可能导致晶闸管发热而永久损坏。,（1）静态特性,41,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,开通过程 延迟时间td ： (约为0.51.5s) 上升时间tr ： (约为0.53s) 开通时间ton为以上两者之和： ton=td+tr,（2）动态特性,42,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,关断过程 反向恢复时间trr 门极恢复时间tgr 关断时间toff 为以上两者之和： toff =trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约为几百微秒。,（2）动态特性,43,选用注意,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,正向断态重复峰值电压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。,取UDRM与URRM中较小值作为晶闸管的电压定额。 选用时应留有裕度，一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。,（3）电压定额,通态（峰值）电压UT（简称管压降） 晶闸管通以额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。,44,选用注意,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,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，将所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，标称为晶闸管的额定电流。,（4）电流定额,使用时应根据实际通过电流的波形，按有效值相等（即等效发热）的原则来选取。 并需留有一定的裕量。,45,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,（4）电流定额,维持电流 IH ： 能使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流。 擎（掣）住电流 IL： 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持继续导通所需的最小电流。 通常I L=（ 24 ）I H,（5）门极定额,包括门极触发电压 U GT 与门极触发电流 I GT。 注意同一型号的器件存在较大的离散性。,46,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,（6）动态参数,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，不会导致晶闸管从断态转换为通态的外加电压最大上升率。 由于结电容的存在，当电压上升率过大使充电电流足够大时，将会使晶闸管误导通 。,除了开通时间 ton 和关断时间 toff 外，动态参数还包括：,47,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,（6）动态参数,通态电流临界上升率di/dt ： 指在规定条件下，晶闸管所能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 晶闸管导通时，电流在管芯硅片上有一个从门极向外扩散的过程，如果电流上升太快，可能造成门极附近局部电流密度过大，使晶闸管过热而损坏。,48,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,设晶闸管导通时流过的电流波形如下图所示，,试问：额定电流为100A的晶闸管所能提供的平均电流 Id 及相应的电流最大值 Im 分别为多少安？（暂不考虑安全裕度）,（7）有关晶闸管电流定额的举例,49,解：,因为额定电流为100A的晶闸管允许通过电流的有效值为157A，按有效值相等的原则，可得：,即：,而：,思考：若考虑2倍的电流安全裕度情况又如何？,50,（1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor）,1.3.4 晶闸管的派生器件,又分常规快速晶闸管（400Hz）和高频晶闸管（10kHz）。 开关时间以及du/dt 和di/dt 承受能力都有明显改善。 普通晶闸管关断时间约在几百微秒，常规快速晶闸管为几十微秒，高频晶闸管为10s左右。 快速晶闸管的缺点在于其电压和电流定额均较普通晶闸管低。 由于工作频率较高，其开关损耗的发热效应不容忽视。,51,（2）逆导晶闸管（ Reverse Conducting Thyristor ）,1.3.4 晶闸管的派生器件,将晶闸管反并联一只二极管制作在同一个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。 仅应用于某些特殊场合，如电压型串联谐振逆变电路。,等效图,伏安特性,图形符号,52,（3）双向晶闸管（ Bidirectional triode thyristor ）,1.3.4 晶闸管的派生器件,可认为是由两只普通晶闸管反并联集成。 也是三端元件，有两个主电极T1和T2，一个门极（控制极）G。,等效图,图形符号,在第象限和第III象限具有对称的伏安特性。 因用于交流控制场合，故额定电流不用平均值而用有效值来标定。,伏安特性,53,（4）光控晶闸管（ Light Triggered Thyristor ）,1.3.4 晶闸管的派生器件,又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光信号照射触发导通的晶闸管。,光触发保证了主电路与控制电路之间的电气绝缘，并且可有效地避免电磁干扰的影响。 应用于高压大功率的场合，如高压直流输电。,图形符号,54,典型全控器件介绍,1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极晶体管,55,1.4 门极可关断晶闸管,1.4.1 门极可关断晶闸管(GTO)简介 1.4.2 GTO的结构与工作原理 1.4.3 GTO的主要参数 1.4.4 GTO的优缺点,56,1.4.1 门极可关断晶闸管(GTO)简介,英文名称：Gate-Turn-Off Thyristor 简 称：GTO 实际上是晶闸管的一种派生器件 在门极施加正的脉冲电流可以使其开通，在门极施加负的脉冲电流可以使其关断（即：门极可关断）。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，因此在兆瓦级以上的大功率场合应用较多。,57,1.4.2 GTO的结构与工作原理,（1）GTO的结构,与普通晶闸管的相同点： 同为P-N-P-N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是一种多元化的功率集成器件，其内部可看成由多个小晶闸管并联而成。 这些小晶闸管阳极共用，而门极和阴极独立，单独引线后在器件内部并联再引出。（见下页图）,58,1.4.2 GTO的结构与工作原理,（1）GTO的结构,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,图形符号,59,1.4.2 GTO的结构与工作原理,（2）GTO的工作原理,与普通晶闸管一样，GTO仍可用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 a) 双晶体管模型 b) 工作原理,1+2=1 是器件的临界导通条件 1+2 1，饱和导通 1+2 1，关断 GTO属于电流控制型器件 门极电流为正器件导通 门极电流为负器件关断,60,1.4.3 GTO的主要参数,GTO的许多参数与普通晶闸管相应的参数有着相同的含义，以下仅介绍意义不同的主要参数： （1）最大可关断阳极电流IATO 又称可关断阳极峰值电流，为GTO的额定电流。 （2）电流关断增益off 指最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值之比。,即：,61,1.4.4 GTO的优缺点,优点：耐压及通流能力强，适于大功率场合。 缺点： off一般较小，仅约为45，结果使门极关断负脉冲电流较大。 例如一只额定电流为1000A的GTO，关断时所需门极负脉冲电流峰值需要达到200A 左右。 驱动功率大，驱动电路复杂。 开关频率相对较低，一般低于2kHz，但高于普通晶闸管（普通晶闸管的开关频率一般低于400Hz）。 需要指出：GTO根据其应用一般都做成逆导型，若需要GTO承受反向电压，使用时应与电力二极管串联使用。,62,1.5 电力晶体管,1.5.1 电力晶体管（ GTR ）简介 1.5.2 GTR的结构与工作原理 1.5.3 GTR的主要参数 1.5.4 GTR的优缺点 1.5.5 GTR的二次击穿与安全工作区,63,英文名称：Giant Transistor 直 译：巨型晶体管 简 称：GTR 本质上为：高耐压大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor） 故又简称：BJT,1.5.1 电力晶体管（ GTR ）简介,64,1.5.2 GTR的结构与工作原理,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) 共射极接法内部载流子的流动,（1）GTR的结构,65,1.5.2 GTR的结构与工作原理,与普通的双极结型晶体管工作原理基本一样。 属于电流控制型器件。 主要特点是耐压高、电流大、开关特性好。 仅工作在晶体管伏安特性的饱和区或截止区，即工作在开关状态。,为提高电流放大倍数，增强控制能力，内部通常至少由两个晶体管采用达林顿接法组成单元结构。,（2）GTR的工作原理,66,1.5.3 GTR的主要参数,GTR上电压超过规定值时将会被击穿。 击穿电压一方面和晶体管本身特性有关，另一方面还与外电路的接法有关。,BUCBO BUCEO BUCES BUCER BUCEX,BUCBO BUCEX BUCES BUCER BUCEO。 实际使用时最高工作电压UCEM比BUCEO还要低。,（1）最高工作电压（额定电压）,67,1.5.3 GTR的主要参数,（2）集电极最大允许电流 ICM （额定电流）,通常规定为直流电流放大系数hFE （或称为）下降到规定值的（1/21/3）时所对应的IC值。 实际使用时还要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一点。,（3）集电极最大耗散功率 PCM,指最高工作温度下允许的耗散功率。 因耗散功率等于集电极电流与饱和导通压降的乘积，当最大耗散功率及饱和压降一定时，也就确定了集电极最大允许电流。,68,1.5.4 GTR的优缺点,为电流控制型器件，驱动功率大，驱动电路复杂。 开关频率相对较低，一般低于100kHz，但高于GTO（一般低于2kHz）和普通晶闸管（一般低于400Hz）。 存在二次击穿现象，一旦发生将使器件永久损坏。,（1）优点,耐压高，通流能力强，适于大功率场合。 开关特性好，饱和压降低。,（2）缺点,69,1.5.5 GTR的二次击穿与安全工作区,（1）一次击穿,集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大出现的雪崩击穿称为一次击穿。 此时只要集电极电流不超过与最大允许耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会明显改变。,（2）二次击穿,一次击穿发生后，集电极电流增加达到一定程度后会突然急剧上升，电压陡然下降，出现负阻效应，这一现象称为二次击穿。 二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。,70,1.5.5 GTR的二次击穿与安全工作区,（3）安全工作区（Safe Operating AreaSOA）,由集电极最大电流 ICM 、最高工作电压UCEM、集电极最大耗散功率 PCM 线和二次击穿临界线四者限定。 器件生产厂家应以图形方式向用户提供GTR的安全工作区。,GTR正向偏置的安全工作区,集电极最大电流,最高工作电压,集电极最大耗散功率线,二次击穿临界线,71,1.6 功率场效应晶体管,1.6.1 功率场效应晶体管（ MOSFET ）简介 1.6.2 功率MOSFET的结构与工作原理 1.6.3 功率MOSFET的特性 1.6.4 功率MOSFET的主要参数 1.6.5 功率MOSFET的优缺点,72,1.6.1 功率场效应晶体管（ MOSFET ）简介,场效应管（ Field Effect Transistor）分为结型和绝缘栅型。 功率场效应管通常主要指绝缘栅型中的金属氧化物半导体型（Metal Oxide Semiconductor ）。 简称功率MOSFET（Power MOSFET） 功率MOSFET又分N沟道和P沟道两种类型。 其中每一类型又分增强型与耗尽型。 功率MOSFET主要为N沟道增强型。 为单极型电压控制器件，且具有自关断能力。,73,1.6.2 功率MOSFET的结构与工作原理,（1）功率M0SFET的结构,功率MOSFET的结构和电气图形符号,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，不同生产厂家采用的设计不同。 为三端元件：分别为栅极G、漏极D和源极S 。,74,1.6.2 功率MOSFET的结构与工作原理,导通： 漏极与源极之间加正向电压，栅极与源极之间加正电压UGS，当UGS大于开启电压UT 时，漏极与源极之间导通。 截止： 漏极与源极之间加正向电压，栅极与源极之间电压为零时，漏极与源极之间无电流流过，此时处于截止状态。,（2）功率M0SFET的工作原理,75,1.6.3 功率MOSFET的特性,转移特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为转移特性。 当ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导gm。,（1）静态特性,功率MOSFET的转移特性,76,1.6.3 功率MOSFET的特性,输出特性 在栅源间电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压间的关系称为输出特性。 管子工作在开关状态，即在截止区和非饱和区（线性导电区）之间来回跳转。,（1）静态特性,功率MOSFET的输出特性,77,1.6.3 功率MOSFET的特性,MOSFET开关速度与输入电容Ciss充放电有很大关系。 输入电容又与极间分布电容有关，由产品手册提供。 为提高开关速度，可降低驱动电路的内阻Rs以减小时间常数。 虽然导通与截至要跨越饱和区，使漏极电流增加或减少需要延时，但其开关速度在目前主要电力电子器件中是最高的，约在10100ns之间，其工作频率可达100kHz以上。 场控器件静态时输入电流几乎为零，但在开关过程中需对输入电容进行充放电，因此仍需一定的驱动功率，而且开关频率越高，所需要的驱动功率相应增大。,（2）动态特性,78,1.6.4 功率MOSFET的主要参数,（1）漏源击穿电压 UBDS ：功率MOSFET的电压定额。 （2）栅源击穿电压 UBGS ：UGS20V导致绝缘层击穿。 存放：三端短接； 取用：手环接地； 焊接：烙铁可靠接地或短时断电利用余热。 （3）漏极连续电流 ID 和漏极峰值电流幅值 IDM 功率MOSFET的电流定额，一般 IDM = (24) ID 。 （4）极间电容：决定了器件的开关速度。 （5）正向通态电阻：决定了器件的通态损耗。 （6）最大功耗：与管壳温度有关。,79,1.6.5 功率MOSFET的优缺点,耐压低，通流能力弱。 仅适于功率不超过10kW的电力电子装置。,（1）优点,（2）缺点,输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单。 开关速度快，工作频率高，达100kHz以上。 不存在二次击穿问题。,80,1.7 绝缘栅双极晶体管,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介 1.7.2 IGBT的结构与工作原理 1.7.3 IGBT的主要参数 1.7.4 IGBT的特殊问题,81,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,绝缘栅双极晶体管的缩写来历 （Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT） GTR的优点是：耐压高，通流能力强，饱和压降低。 MOSFET的优点是：输入阻抗高，驱动功率小，开关速度快。 IGBT结合了GTR与MOSFET二者的优点复合而成。 相当于利用MOSFET来驱动GTR。 显然属于电压控型自关断器件。 1986年投放市场，目前是中小功率电力电子设备的主导器件。,82,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,塑料封装适用于小功率器件。 小功率的晶闸管、MOSFET等往往也采用此种封装形式。,83,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,模块上面的螺丝用于固定主回路接线,模块右侧的焊片为控制极,84,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,侧面是模块的型号、生产厂家及其内部的接线图,注意此模块为逆导型,85,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,模块使用时，金属底面（一般材质为导热性能好的铜）要与散热器紧密接触，将元件工作时内部产生的热量有效导出。,86,1.7.2 IGBT的结构与工作原理,（1）IGBT的结构,IGBT为三端器件：栅极G、集电极C和发射极E。 其内部是由GTR与MOSFET组成的达林顿结构。 是一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。,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,87,1.7.2 IGBT的结构与工作原理,导通： 栅极和发射极间uGE大于开启电压UT，IGBT导通。 开启电压与温度有关，在25C时约为26V。 为了可靠开通，栅射极间的驱动电压一般取+15+20V。 关断： 栅极和发射极间施加反压或不加信号，IGBT关断。 为可靠关断，并减少关断时间和关断损耗，关断时栅射极间一般施加5 15V的负驱动电压。,（2）IGBT的工作原理,88,1.7.3 IGBT的主要参数,（1）集射极击穿电压UCES 为IGBT的最高工作电压，由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。 （2）最大栅射极电压 一般20V，以15V左右为宜。 （3）集电极连续电流和峰值电流 为IGBT的额定电流，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。通常峰值电流为额定直流电流的2倍左右，主要受结温的制约。 （4）最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大耗散功率。,89,1.7.4 IGBT的特殊问题,（1）掣住效应（自锁效应） 撤销触发信号后器件仍维持导通。 （2）正向偏置安全工作区（FBSOA） 由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。 （3）反向偏置安全工作区（RBSOA） 由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。 （4）制成逆导型器件 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起。,90,1.8 其他新型电力电子器件,1.8.1 静电感应晶体管（SIT） 1.8.2 MOS控制晶闸管（MCT） 1.8.3 集成门极换向型晶闸管（IGCT） 1.8.4 电力电子器件的发展趋势,91,1.8.1 静电感应晶体管（SIT）,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）又称结型场效应晶体管 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。,92,1.8.2 MOS控制晶闸管（MCT）,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点： 承受极高di/dt和du/dt，开关过程快速，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单元组成。 每个单元的组成为：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，因而未能投入实际应用。,93,1.8.3 集成门极换向型晶闸管（IGCT）,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，其容量与GTO相当，其开关速度比GTO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。,94,1.8.4 电力电子器件的发展趋势,自20世纪80年代中后期开始，电力电子器件趋向于模块化方向发展，即将多个器件封装在一只模块中，称为功率模块。 模块化可缩小装置体积，降低成本，提高运行可靠性。 对工作频率较高的电路，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