CH1 电力电子器件及驱动和保护.ppt

1,第一章 电力电子器件及驱动和保护,2,本章主要内容,概述 电力二极管 晶闸管及其派生器件 门极可关断晶闸管 大功率晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极性晶体管 集成门极换流晶闸管 其它新型电力电子器件 电力电子器件的驱动和保护 电力电子器件的串并联技术,3,1.1 电力电子器件概述,4,1.1.1 The concept of power electronic devices,电力电子器件：电力电子装置中实现电能变换与控制的器件。,Power electronic devices are the electronic devices that can be directly used in the power processing circuits to convert or control electric power.,5,1.1.1 The concept of power electronic devices,电力电子器件 电真空器件（Vacuum devices） 汞弧整流器（ Mercury arc rectifier ） 闸流管 （thyratron） 很少使用 半导体器件Semiconductor devices major power electronic devices Very often: Power electronic devices = Power semiconductor devices Major material used in power semiconductor devicesSilicon,6,电力电子器件的特征,Features of power electronic devices,电力电子器件直接用于处理电能，有特征： 处理功率能力远大于处理信息类器件处理功率的能力，可从毫瓦级到兆瓦级。 工作在开关状态处理功率大，减小本身的损耗。 需信息电子电路控制，中间加驱动放大电路。 器件损耗大，器件设计和封装方面必须考虑散热，工作时还必须考虑散热器。,7,1.1.2 理想电力电子开关,开关处于关断状态Off-state时能承受高的端电压，并且漏电流为零。 开关处于导通状态On-state时能流过大电流，且端电压（导通压降）为零。 导通、关断切换时所需开关时间为零。 小信号也能导通、关断，对信号的延迟时间为零。 反复开关不老化。,8,1.1.3 电力电子器件的损耗,一般来说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 on-state loss,断态损耗 off-state loss,开关损耗 Switching loss,关断损耗 turn-off loss,开通损耗 turn-on loss,Power losses on power semiconductor devices,9,1.1.4 电力电子器件的分类,1.根据器件被控制信号所控制的程度分类 不可控器件(Uncontrollable device) 半控型器件(Half-controllable device) 全控型器件(Fully-controllable device),Classification of power electronic devices,10,不可控器件(Uncontrollable device),不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。 两个端子，器件通断由主电路决定。 单向导电。 典型器件：功率二极管（Power Diode）。,11,半控型器件(Half-controllable device),可控制开通但不能控制关断，器件导通后控制端失去控制能力，器件关断决定于外部条件。 三端器件。 典型器件：晶闸管及派生器件。,12,全控型器件(Full-controllable device),既能控制开通，又能控制关断，又叫自关断器件。 常用的有: Power MOSFET、IGBT、GTO等 。,13,1.1.4 电力电子器件的分类,2. 根据器件驱动信号的类型分类,电流控制型器件 通过向控制端注入或从控制端抽出电流实现器件的开通、关断。 电压控制型器件 器件的开通、关断控制是通过加在控制端与公共端之间的电压来实现的，又叫场控型器件或场效应器件。电压控制型器件需要的控制极驱动功率要小得多 。,14,1.1.4 电力电子器件的分类,3. 根据器件驱动信号的波形分类,脉冲触发型 如晶闸管及派生器件。 电平驱动型 如GTR、IGBT等。,15,1.1.4 电力电子器件的分类,4. 按照器件内部载流子的类型分类,单极型Unipolar devices Majority carrier devices 双极型Bipolar devices Minority carrier devices 复合型 Composite devices,16,单极型Unipolar devices,一种载流子（一般为多子）参与导电的器件。 特点： 只有多子导电，无少子存储效应，开通关断时间短，典型值为20 ns。 输入阻抗很高，通常大于40 兆欧，电压控制型。 电流有负温度系数，不易产生局部热点，二次击穿可能性极小 。 通态压降高，电压和电流额定值比双极型器件小。 适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备 。,17,双极型Bipolar devices,两种载流子都参与导电。 特点： 通态压降较低。 阻断电压高。 电压和电流额定值较高，适用于大中 容量的变流设备。,18,复合型 Composite devices,由单极型器件和双极型器件组合而成。 特点： 既有晶闸管、GTO等双极型器件的电流密度高、 导通压降低等优点，又具有功率场效应管等单极型器件的输入阻抗高、响应速度快的特点，是一类综合性能较好、具有发展前途的电力电子器件。,19,电力电子器件的家族树,20,电力电子器件的发展情况,21,1.2 电力二极管Power Diode,功率二极管主要作整流、续流和隔离等。 快恢复和肖特基二极管，分别在中、高频整流、逆变及低压高频整流场合，有不可替代的地位。,整流二极管及模块,22,22,1.2 电力二极管Power Diode,23,1.2.1 电力二极管的结构和基本工作原理,一个面积较大的PN结和两端引线封装组成。 外形：螺栓型和平板型。,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,A,K,Anode,Cathode,Appearance,24,PN Junction的形成,PN结：N型半导体和P型半导体结合成。 扩散(diffusion) 空间电荷建立内电场或自建电场，阻止扩散。 漂移(drifting) 稳定的空间电荷区或耗尽层，阻挡层，势垒区。,25,正向：内电场被削弱，扩散漂移，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。,25,PN结的单向导电性,26,反向：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。,26,PN结的单向导电性,27,PN结的单向导电性 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,PN结的状态,电力二极管的工作原理,28,电导调制效应,结流过较小电流时，电阻主要为基底低掺杂区的欧姆电阻，为常量，管压降随电流上升增加。 结流过较大电流时，注入并积累在低掺杂区的少子空穴浓度很大，为维持半导体中性，多子浓度也增大，电阻率下降，即电导调制效应。此时压降左右，低阻状态。 电导调制效应的存在，可允许器件流过较大电流。,29,PN结电容效应,PN结的空间电荷区就是一个平板电容器，其电荷量随着外加电压变化而变化，呈现电容效应，称为结电容。 结电容影响工作频率，特别是高速开关状态时，结电容可能与电路的杂散电感共同引起高频震荡，影响电路正常工作。 注意：高频状态下，结电容呈低阻抗特征，PN结单向导电性变差，降低反向阻断能力。,30,PN结高频等效电路,31,1.2.2 电力二极管的基本工作特性,门槛电压UTO 正向压降UF 反向时，只有漏电流。,静态特性：主要指其伏安特性。,32,动态特性,偏值状态改变时的过渡过程。 电压电流特性随时间变化。 由于结电容的存在。,1.2.2 电力二极管的基本工作特性,33,关断过程 须经短暂时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 关断前有较大反向电流，并伴随明显反向电压过冲。,1.2.2 电力二极管的基本工作特性,34,关断过程,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。,1.2.2 电力二极管的基本工作特性,35,正向压降先出现过冲UFP，经一段时间趋于稳态压降的某个值（如 2V）。 正向恢复时间tfr 电流上升率越大，UFP越高 。,开通过程：,forward-recovery time,1.2.2 电力二极管的基本工作特性,36,电力二极管的参数主要用来衡量二极管使用过程中： 是否被过压击穿 是否会过热烧毁 开关特性,36,1.2.3 电力二极管的主要参数,37,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流（额定电流）IF(AV) 定义：长期运行时，在指定的壳温和散热条件下，结温稳定且不超过允许的最高工作结温，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，即为正向平均电流。将此电流值取规定系列的电流等级值，即为元件的额定电流。,Specifications of power diode,38,注意： 正向平均电流按照发热条件定义，使用时，应按电流有效值相等原则选取，并留裕量。,换算关系：正弦半波电流有效值和平均值IF(AV)比：,1.2.3 电力二极管的主要参数,39,39,如手册上某电力二极管的额定电流为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。,1.2.3 电力二极管的主要参数,40,正向压降 定义：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。,UF,1.2.3 电力二极管的主要参数,41,反向重复峰值电压URRM 二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压UB的2/3，是二极管的额定电压。 最高工作结温TJM 在pn结不损坏前提下所能承受的最高平均温度TJM ，通常在125C-175C。,1.2.3 电力二极管的主要参数,42,反向恢复时间 指功率二极管由导通到关断时，从正向电流过零到反向电流下降到峰值的25%时的时间间隔。它与反向电流上升率、结温及正向导通时的最大正向电流有关。 浪涌电流IFSM 指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。一般用额定正向平均电流的倍数和相应的浪涌时间（工频周波数）来规定。,trr,1.2.3 电力二极管的主要参数,43,1.2.3 电力二极管的主要参数,44,1.2.4 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分类。,普通二极管(Rectifier Diode) 快恢复二极管（Fast Recovery Diode） 肖特基二极管（Schottky Diode）,45,多用于频率不高（1kHz以下）的整流电路； 反向恢复时间较长,5微秒以上； 正向电流定额和反向电压定额高。,普通二极管(Gerneral Purpose Diode),46,快恢复二极管(Fast Recovery Diode),恢复过程短，特别是反向恢复过程较短（在5微秒以下）； 分为快速恢复和超快速恢复。 前者反向恢复时间为数百纳秒或更长；后者则在100 ns以下，甚至达到20-30 ns。,47,肖特基二极管(Schottky Barrier Diode),以金属和半导体接触形成的势垒为基础。 优点：反向恢复时间很短（10-40 ns）；正向恢复过程无明显电压超调；反向耐压较低时正向压降小，开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小。 缺点：反向耐压提高时，正向压降会高得无法接受 反向漏电流较大且对温度敏感。 多用于200 V以下的场合；,48,1.3 晶闸管Thyristor,硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅（Silicon Controlled RectifierSCR）。 晶闸管一般指普通晶闸管，实际还包括其派生器件。,49,1.3.1 晶闸管的结构,Appearance of thyristor,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,50,封装形式：螺栓式和平板式。 冷却方式：自然冷却、强迫风冷和水冷。,1.3.1 晶闸管的结构,51,晶闸管具有三个PN结。,(c) 结构,(a) 外形,晶闸管的外形、结构及符号,1.3.1 晶闸管的结构,52,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,1.3.2 晶闸管的工作原理,53,1.3.2 晶闸管的工作原理,特点：双晶体管结构。,54,1.3.2 晶闸管的工作原理,晶闸管开通过程： 正向阳极电压：J1和J正偏，J2反偏。要使晶闸管导通，须使J2失去阻挡。 正反馈，两个晶体管饱和导通，即晶闸管导通。,55,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,EA 0、EG 0,A,K,G,1.3.2 晶闸管的工作原理,56,晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导通状态。,EA 0、EG 0,G,1.3.2 晶闸管的工作原理,57,1.3.2 晶闸管的工作原理,晶闸管开通和关断具有以下特点： 只有同时承受正向阳极电压和正向门极电压时才能导通，二者缺一不可； 一旦稳定导通后，门极失去控制作用，故门极控制电压只要是有一定宽度的正向脉冲电压即可，这个脉冲称为触发脉冲； 要使已经导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到维持电流以下。,58,阳极电压太高，晶闸管击穿； 阳极电压du/dt太大，引起导通； 结温太高，漏电流增大引起导通； 光触发：光直接照射在硅片上产生电子空穴 对，在电场作用下产生触发电流。,晶闸管的可能触发导通的其它条件,59,用万用表简单判断晶闸管三个极的方法,螺栓式晶闸管 平板式晶闸管 J3结：不太理想的二极管特性 J1、J2结：标准二极管特性。 注意，测量时不能用万用表高阻档，以免高压击穿门极的pn结。测量时如发现任何两个极短路，或门极对阴极断路，则说明元件已损坏。,60,1.3.3 晶闸管的基本工作特性,晶闸管的静态特性-伏安特性 阳极伏安特性和门极伏安特性 晶闸管的动态特性-开关特性,61,晶闸管的阳极伏安特性,正向特性 IG=0时，正向阻断状态。 正向电压正向转折电压，漏电流，器件开通。 门极电流幅值，正向转折电压。 管压降1V左右。,62,晶闸管的阳极伏安特性,反向特性 类似二极管。 反向阻断时，只有极小反向漏电流。 反向电压过大可能导致晶闸管击穿。,63,晶闸管的门极伏安特性,门极和阴极之间有PN结上的正向门极电压与所加的门极电流之间的关系。,64,晶闸管的动态特性,Switching characteristics,开通过程tgt 延迟时间td (0.51.5s) 上升时间tr (0.53s) 开通时间为以上两者之和， tgt=td+ tr,65,晶闸管的动态特性,Switching characteristics,100%,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,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 tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒,66,1.3.4 晶闸管的主要参数,电压参数 断态不重复峰值电压 反向不重复峰值电压 断态重复峰值电压UDRM 反向重复峰值电压URRM 通态平均电压,67,门极开路，晶闸管额定结温时，管子阳极电压升到正向转折电压之前，即管子正向漏电流开始急剧增大，伏安特性曲线急剧弯曲处，此时对应的阳极电压称为断态不重复峰值电压。,断态不重复峰值电压,68,反向不重复峰值电压,门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应反向漏电流开始急剧增大的电压值称为反向不重复峰值电压。,69,断态重复峰值电压和反向重复峰值电压,断态不重复峰值电压的90%为断态重复峰值电压。 反向不重复峰值电压的90%为反向重复峰值电压。,70,额定电压,断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中小的数值，按标准电压等级取整，为晶闸管额定电压。 选晶闸管额定电压应为其正常工作峰值电压的-倍，作为安全裕量。,71,通态平均电压,晶闸管通以额定通态平均电流，待结温稳定时，阳极与阴极之间电压降的平均值定义为通态平均电压，通称管压降。 根据通态平均电压的不同数值，将其分成几组。选用时应尽量选择值小的晶闸管，以便减少管的损耗和发热。,72,1.3.4 晶闸管的主要参数,电流参数 通态平均电流IT（AV） 维持电流IH 擎住电流IL 断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR 浪涌电流ITSM,73,通态平均电流,环境温度+40和规定冷却条件下，晶闸管在阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170电路中，结温稳定并不超过额定结温时，允许通过的最大平均电流。此电流按晶闸管标准电流系列取相应等级，为额定电流。 注意：按有效值相等原则选额定电流，并考虑一定裕量。,74,波形系数 ：任一含有直流分量的电流波形，电流有效值I与平均值Id 之比，即,波形系数,75,正弦半波电流的波形系数计算： 通态平均电流为：,有效值为：,波形系数是：,波形系数,76,通态平均电流,额定电流为100 A的晶闸管，只有在正弦半波电流情况下，允许通过的平均值才是100 A，其允许通过电流有效值为157 A； 晶闸管额定电流选取时，需将非正弦半波电流平均值Id折算成等效的正弦半波电流的平均值IT，即 不考虑裕量时额定电流为,77,维持电流,晶闸管被触发导通后，在室温和门极开 路条件下，晶闸管从较大通态电流到恰能、 保持其导通的最小阳极电流，称维持电流 IH。 其大小与结温有关，结温越高，维持电 流越小。维持电流大的管子易关断。,78,擎住电流,晶闸管加上触发电压后，从阻断状态刚转 为导通状态时就去掉触发电压，而要保持晶闸 管导通所需要的最小阳极电流，称为擎住电流 IL。 对同一个晶闸管来说，通常其擎住电流大 于维持电流。,79,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,晶闸管的阳极伏安特性及主要参数,80,1.3.4 晶闸管的主要参数,动态参数,断态电压临界上升率du/dt,通态电流临界上升率di/d,81,通态电流临界上升率,规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率。 晶闸管电流上升率太大，会造成局部过热而使晶 闸管损坏。,82,晶闸管关断时电压变化率超过此值，可能使晶闸管误导通。,断态电压临界上升率,额定结温和门极开路条件下，使元件保持断态所能承受的最大电压上升率，一般用每微秒若干伏表示。,83,1.3.4 晶闸管的主要参数,门极参数,门极触发电流：在室温下，器件从断态到完全开通所必须的最小门极电流。 门极触发电压：与门极触发电流对应的门极触发电压。 门极参数大小选择应合理，不能太大或太小。 环境温度对门极触发参数影响较大。环温高时，门极参数降低，随着温度的降低，则增大。,84,1.3.6 晶闸管的派生器件,快速晶闸管 双向晶闸管 逆导晶闸管 光控晶闸管,85,快速晶闸管,普通快速晶闸管：用于400 Hz的斩波或逆变电路。 高频晶闸管：用于10 kHz以上斩波或逆变电路中。 管芯结构和制造工艺进行改进，快速晶闸管的开关时间及du/dt和di/dt的耐量都有明显改善。 关断时间：普通晶闸管为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管为10微秒左右。 缺点：电压和电流定额都不易做高。,86,双向晶闸管,一对反并联的普通晶闸管的集成。 两个主电极T1和T2，一个门极G。 一、三象限有对称伏安特性。,87,双向晶闸管,与一对反并联晶闸管相比经济，控制电路简单，在交流调压、固态继电器和交流电机调速等领域应用较多。 用有效值来表示其额定电流值,88,逆导晶闸管,a),K,G,A,晶闸管反并联一二极管制作在同一管芯上。 正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温。,89,光控晶闸管,A,G,K,a),AK,又称光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发导通。 保证主电路与控制电路之间绝缘，避免电磁干扰。 用在高压大功率场合。,90,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别 共九级, 用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示 取UDRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。,91,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， 问额定电流为100 A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： 电流有效值：,例题1-1,92,波形系数： 100A的晶闸管允许通过的电流平均值： 电流最大值： 注：kf=I/Id 1.57IT=kfId,例题1-1,93,1.4 门极可关断晶闸管GTO,晶闸管的一种派生器件； 可通过在门极施加负脉冲电流关断； 电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,94,1.4.1 GTO的结构,四层三端，阳极、阴极和门极三个电极。 多元集成器件，由数百个共阳极的小GTO单元组成，为便于实现门极控制关断特殊设计。,95,1.4.2 GTO的工作原理,1+2=1是器件临界导 通的条件。,由两个晶体管构成，V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。,当 ，器件临界导通 ，不能维持饱和导通关断 ，两个晶体管过饱和，器件导通,96,门极可关断晶闸管GTO的特殊结构,特点： 较大，NPN管控制灵敏，使GTO易关断 结构设计时，使 更接近于1，普通晶闸管一般为 ，GTO设计为 ，更接近于临界饱和，为门极关断提供有利条件。 缺点：未进入深饱和，器件导通压降大。 多元集成结构，阴极面积小，门、阴极间距离短，P2基区横向电阻小，从门极抽出较大电流成为可能。 多元集成结构使GTO开通过程快，承受di/dt能力强。,97,GTO的动态特性,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。,98,1.4.3 GTO的主要参数,最大可关断阳极电流IATO,电流关断增益off,off一般很小，5左右，GTO的主要缺点。,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。,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 。,99,1.5 电力晶体管GTR,Giant TransistorGTR，巨型晶体管。 耐高压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），也称Power BJT。 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,100,1.5.1 GTR的结构,由三层半导体材料、两个PN结组成的三端器件，三个极分别为基极、集电极和发射极。 有PNP和NPN两种结构，使用较多的是NPN型,101,与普通的双极结型晶体管基本原理一样； 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。,1.5.1 GTR的结构,102,1.5.2 GTR的工作特性,静态工作特性 共发射极接法输出特性：截止区、放大区和饱和区。 工作在开关状态。 开关过程中，要经过放大区。,103,1.5.2 GTR的工作特性,动态工作特性 开通过程 延迟时间td和上升时间tr之和为开通时间ton。 上升时间主要由基区电荷储存时间造成，增大基极驱动电流幅值和di/dt，可加快开通过程。,104,动态工作特性 关断过程 储存时间ts和下降时间 tf之和为关断时 间toff 。 减小导通时饱和深度 以减小储存载流子，或 增大基极抽取负电流的幅 值和负偏压，可缩短储存时间，加快关断速度。 开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO短 。,1.5.2 GTR的工作特性,105,1.5.3 GTR的主要参数,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； 使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,106,1.5.3 GTR的主要参数,通常为直流电流放大系数hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。 留一定裕量，取IcM的一半或稍多。 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率。,集电极最大允许电流IcM,107,1.5.4 GTR的二次击穿及安全工作区,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，如不能有效地限制电流，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 。 二次击穿对GTR有极大危害。,108,1.5.4 GTR的二次击穿及安全工作区,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。,109,1.6 电力场效应晶体管,结型和绝缘栅型。 通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（SIT）,110,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，适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。,1.6 Power MOSFET,111,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道； 耗尽型栅极电压为零时漏源极间就存在导电沟道； 增强型栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道； 电力MOSFET主要是N沟道增强型。,112,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,单极型晶体管； 导电机理与小功率MOS管相同，结构上有较大区别； 多元集成结构，不同的生产厂家采用不同设计。,图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,113,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,截止状态：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区的PN结J1反偏，无电流流过。,114,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,导电状态：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，J1消失，漏极和源极导电 。,115,1.6.2 Power MOSFET的特性,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,116,Static characteristics of Power MOSFET,截止区 饱和区 非饱和区 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利,MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：,117,Switching characteristics of Power MOSFET,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,118,1.6.3 power MOSFET的主要参数,电力MOSFET电压定额,漏极电压UDS,漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,栅源电压UGS, UGS20V将导致绝缘层击穿,极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,Inter-terminal capacitances,119,1.7 绝缘栅极双极性晶体管IGBT,IGBT-Combination of MOSFET and GTR GTR，GTO low conduction losses (especially at larger blocking voltages) longer switching times current-driven MOSFET faster switching speed easy to drive (voltage-driven) larger conduction losses (especially for higher blocking voltages),120,1.7.1 Structure of IGBT,三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,121,1.7.1 Structure of IGBT,比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能。 达林顿结构，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。,122,1.7.2 IGBT的工作特性,转移特性：集电极电流 与栅 射电压 之间的关系，与功率 场效应管的转移特性相似。 开启电压 随温度升高而略有下降。 在+25 时， 的值一般为 2-6 V。,123,当 0时，IGBT反向阻断。电力电子电路中， IGBT工作在开关状态。,1.7.2 IGBT的工作特性,输出特性：有正向阻断区、有源区和饱和区。,124,Switching characteristics of IGBT,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。,125,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。,Switching characteristics of IGBT,IGBT的关断过程,126,有一寄生NPN管； NPN管基极与射极间有体区短路电阻，P区横向空穴电流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，栅极失去控制，电流失控。,1.7.3 IGBT的擎住效应和安全工作区,127,IGBT常与反并联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）,1.7.3 IGBT的擎住效应和安全工作区,128,1.7.4 Specification of IGBT,正常工作温度下允许的最大功耗 。,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 。,最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,最大集射极间电压UCES,129,1.8 其它新型电力电子器件,静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH 集成门极换流晶闸管IGCT 电子注入增强栅晶体管IEGT 功率模块与功率集成电路,130,Static induction transistor-SIT,结型场效应晶体管-70年代诞生 多子导电，频率与MOSFET相当，甚至更高，容量更大，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： 栅极不加信号导通，加负偏压关断，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，还未得到广泛应用。,131,Static induction thyristor-SITH,诞生于1972年； SITH是双极型器件，有电导调制效应，通态压降低、通流能力强； 特性与GTO类似，开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件； 一般是正常导通型，也有正常关断型； 电流关断增益较小，应用范围还有待拓展。,132,Integrated gate-commutated thyristor,20世纪9