电力电子器件及其驱动保护教学课件PPT.ppt

1 学习情境二电力电子器件及其驱动保护 2 1电力电子器件概述2 2电力二极管2 3晶闸管 scr 2 4门极关断晶闸管 gto 2 5电力晶体管 gtr 2 6电力场效应晶体管 mosfet 2 7绝缘栅双极晶体管 igbt 2 8gto gtr mosfet igbt驱动与保护 2 2 1 1概念2 1 2同处理信息的电子器件相比一般特征2 1 3电力电子器件的分类 2 1电力电子器件概述 3 电力电子器件 powerelectronicdevice 可直接用于主电路中 实现电能的变换和控制的电子器件 主电路 mainpowercircuit 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 1 1概念 4 2 1 2同处理信息的电子器件相比的一般特征 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 驱动电路 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 5 电力电子器件的损耗 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 2 1 2同处理信息的电子器件相比的一般特征 6 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 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 如晶闸管及其大部分派生器件全控型器件 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 gto mosfet igbt不可控器件 powerdiode 不能用控制信号来控制其通断 因此也就不需要驱动电路 如电力二极管 7 按照驱动电路信号的性质 分为两类 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 这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制型电力电子器件 如晶闸管 gto mct igct 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 这类电力电子器件称为电压驱动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件 也称为场控器件或场效应器件 如mosfet igbt 2 1 3电力电子器件的分类 8 按照载流子参与导电的情况 分为三类 单极性器件 mosfet sit 有一种载流子参与导电 双极性器件 电力二极管 晶闸管 gto gtr sith 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件 igbt mct igct 由单极性器件和双极性器件集成混合而成的器件 2 1 3电力电子器件的分类 9 2 2电力二极管 2 2 1pn结与电力二极管的工作原理2 2 2电力二极管的基本特性2 2 3电力二极管的主要参数2 2 4电力二极管的主要类型2 2 5电力二极管命名 10 2 2 1pn结与电力二极管的工作原理 powerdiode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 11 2 2 1pn结与电力二极管的工作原理 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 1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 阳极 阴极 12 2 2 1pn结与电力二极管的工作原理 pn结的状态 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 高压 齐纳击穿 低压 两种击穿均可能导致热击穿 13 2 2 1pn结与电力二极管的工作原理 pn结的电容效应 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 14 2 2 2电力二极管的基本特性 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 1 静态特性 图2 2电力二极管的伏安特性 15 2 2 2电力二极管的基本特性 2 动态特性 二极管的电压 电流特性随时间变化的特性 一般专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性 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正向恢复时间 tfr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 图2 3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 t0 pn结 2 2 3电力二极管的主要参数 1 额定电流 正向平均电流 if av 电力二极管的正向平均电流if av 是指在规定的管壳温度和散热条件下允许通过的最大工频半波电流的平均值 元件标称的额定电流就是这个电流 f 式中的系数1 5 2是安全系数 电流的有效值 波形系数kf 额定电流 平均值 为 实际应用中 额定电流一般选择为 正弦半波电流的波形系数kf 17 2 2 3电力二极管的主要参数 2 正向平均电压uf 在指定的管壳温度和散热条件下 元件通过50hz正弦半波额定正向平均值电流时 元件阳极和阴极之间的电压平均值 取规定系列级别称为 简称管压降 一般在0 45 1v之间3 额定电压 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 通常为击穿电压ub的三分之二 使用时 若电力二极管所承受到的最大反向瞬时值电压udm 则其额定电压一般选择为urrm 2 3 udm思考题 实际电路中反向最高峰值电压为200v 选择二极管的urrm是多少 4 反向恢复时间trrtrr td tf 18 2 2 3电力二极管的主要参数 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 tjm通常在125 175 c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 19 2 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介绍 1 普通二极管 generalpurposediode 又称整流二极管 rectifierdiode 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 一般为5微秒以上 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高额定电流达数千安培 额定电压达数千伏以上 20 2 2 4电力二极管的主要类型 2 快恢复二极管 fastrecoverydiode frd 简称快速二极管快恢复外延二极管 fastrecoveryepitaxialdiodes fred 其trr更短 可低于50ns uf也很低 0 9v左右 但其反向耐压多在400v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20 30ns 21 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 schottkybarrierdiode sbd 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 反向漏电流较大且对温度敏感 故反向稳态损耗不能忽略 且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 10 40ns 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 22 2 2 5电力二极管命名 23 2 3晶闸管 scr 2 3 1引言2 3 2晶闸管的结构与工作原理2 3 3晶闸管的基本特性2 3 4晶闸管的主要参数2 3 5晶闸管的派生器件 24 2 3 1引言 晶闸管 thyristor 晶体闸流管 可控硅整流器 siliconcontrolledrectifier scr 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 25 2 3 2晶闸管的结构与工作原理 1 晶闸管的结构 图2 4晶闸管的外形a d 电气图形符号e 结构f 外形有塑封型 螺栓型和平板型三种封装 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 26 2 3 2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 27 2 3 2晶闸管的结构与工作原理 2 晶闸管的工作原理 按晶体管的工作原理 得 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 2 5 图2 5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 28 2 3 2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 29 2 3 2晶闸管的结构与工作原理 其他几种可能导通的情况 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 lighttriggeredthyristor ltt 只有门极触发是最精确 迅速而可靠的控制手段 30 2 3 3晶闸管的基本特性 晶闸管正常工作时的特性总结如下 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 31 2 3 3晶闸管的基本特性 1 静态特性 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 图2 6晶闸管的伏安特性ig2 ig1 ig 32 2 3 3晶闸管的基本特性 2 反向特性 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 7晶闸管的伏安特性ig2 ig1 ig 33 2 3 3晶闸管的基本特性 1 开通过程延迟时间td 0 5 1 5 s 上升时间tr 0 5 3 s 开通时间tgt以上两者之和 tgt td trtd与门极电流有关 tr与晶闸管本身特性和外电路的电感有关 td和tr与阳极电压的大小有关 2 动态特性 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普通晶闸管的关断时间约几百微秒 图2 8晶闸管的开通和关断过程波形 34 2 3 4晶闸管的主要参数 1 电压定额 正向重复峰值电压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 重复峰值电压 额定电压 ute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 使用注意 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2 3倍 即 ute 2 3 utm 35 2 3 4晶闸管的主要参数 2 电流定额 额定通态平均电流it av 在环境温度为40 c和规定的冷却状态下 晶闸管导通角不小于170 的电阻性负载电路中 当稳定结温不超过额定结温时所允许流过的工频正弦半波电流的平均值 将该电流按晶闸管标准电流系列取值 称为该晶闸管的额定电流 使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管 考虑1 5 2倍裕量 通态平均电流为 36 2 3 4晶闸管的主要参数 电流波形的有效值 有效值与平均值之比 在给定晶闸管的额定电流之后 任意波形的实际允许电流平均值为 通态平均电流为 37 2 3 4晶闸管的主要参数 例 在半波整流电路中 晶闸管从 3时刻开始导通 试计算该电流波形的平均值 有效值 波形系数 若取安全系数为2 求额定电流为100a的晶闸管实际允许通过的平均值和最大值是多少 38 2 3 4晶闸管的主要参数 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2 4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 其有上下两个级 可作为设计保护电路的依据 39 2 3 4晶闸管的主要参数 3 动态参数 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 40 2 3 5晶闸管的派生器件 5 晶闸管的命名 41 型号为kp100 3 维持电流ih 4ma的晶闸管 使用在下图所示电路中是否合理 为什么 不考虑电压电流裕量 画出下图所示电路的负载电阻rg上的电压波形 42 下图阴影部分表示流过晶闸管的电流波形 高最大值均为im 试计算各图中的电流平均值 有效值 43 2 3 5晶闸管的派生器件 1 双向晶闸管的外形及结构双向晶闸管 triac 是一种npnpn的五层三端 t1 t2和g 元件 有四个pn结 1 双向晶闸管 triodeacswitch triac或bidirectionaltriodethyristor 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 图2 9双向晶闸管 44 2 3 5晶闸管的派生器件 2 伏安特性与参数有两个主电极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 it rms 双向晶闸管与普通晶闸管额定电流换算关系 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 45 2 3 5晶闸管的派生器件 2 快速晶闸管 fastswitchingthyristor fst 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10 s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 46 2 3 5晶闸管的派生器件 3 逆导晶闸管 reverseconductingthyristor rct 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 不具有承受反向电压的能力 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 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 47 2 3 5晶闸管的派生器件 4 光控晶闸管 lighttriggeredthyristor ltt 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 图212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 48 2 4门极关断晶闸管 gto 2 4 1引言2 4 2gto的结构和工作原理2 4 3gto的动态特性2 4 4gto的主要参数 49 2 4 1引言 门极关断晶闸管 gate turn offthyristor gto 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 50 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 13gto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 2 4 2gto的结构和工作原理 51 工作原理 与普通晶闸管一样 可以用图2 13所示的双晶体管模型来分析 图2 13晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 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 2 1是器件临界导通的条件 2 4 2gto的结构和工作原理 52 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 晶体管v1饱和度较浅 易于gto控制 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 较薄 横向电阻很小 能从门极抽出较大电流 图2 14晶闸管的工作原理 2 4 2gto的结构和工作原理 53 结论 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 2 4 2gto的结构和工作原理 54 2 4 3gto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 等效晶体管从饱和区退至放大区 阳极电流逐渐减小 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 图215gto的开通和关断过程电流波形 55 2 4 4gto的主要参数 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 开通时间ton 延迟时间与上升时间之和 延迟时间一般约1 2 s 上升时间则随通态阳极电流的增大而增大 2 关断时间toff 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2 s 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 56 3 最大可关断阳极电流iato gto额定电流 4 电流关断增益 off 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 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 2 4 4gto的主要参数 57 5 阳极尖峰电压up是在下降时间末尾出现的极值电压 它几乎随阳极可关断电流线性增加 up过高可能导致gto晶闸管失效 6 维持电流是指阳极电流减小到开始出现gto晶闸管不能维持导通的数值 7 擎住电流是指gto晶闸管经门极触发后 阳极电流上升到保持所有gto晶闸管元导通导通的最低值 2 4 4gto的主要参数 58 2 5 1引言2 5 2gtr的结构和工作原理2 5 3gtr的基本特性2 5 4gtr的主要参数2 5 5bjt与晶闸管的性能比较 2 5电力晶体管 gtr 59 2 5 1引言 术语用法 电力晶体管 gianttransistor gtr 直译为巨型晶体管 耐高电压 大电流的双极结型晶体管 bipolarjunctiontransistor bjt 英文有时候也称为powerbjt 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 60 2 5 2gtr的结构和工作原理 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 61 2 5 2gtr的结构和工作原理 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 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 ic ib iceo 62 2 5 2gtr的结构和工作原理 达林顿gtr1 r1 r2 稳定电阻 提供反向漏电流通路 提高复合管的温度稳定性2 vd1 加速二极管 为v2提供反向ib通路3 vd2 续流二极管 图2 17达林顿管 63 2 5 3gtr的基本特性 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 图2 18共发射极接法时gtr的输出特性 64 2 5 3gtr的基本特性 2 动态特性 开通过程延迟时间td和上升时间tr 二者之和为开通时间ton 加快开通过程的办法 增大ib和dib dt 关断过程储存时间ts和下降时间tf 二者之和为关断时间toff 加快关断速度的办法 减少导通的饱和深度或增大基极抽取负电流ib2幅值和负偏压 gtr的开关时间在几微秒以内 比晶闸管和gto都短很多 图2 19gtr的开通和关断过程电流波形 65 2 5 4gtr的主要参数 前已述及 电流放大倍数 直流电流增益hfe 集射极间漏电流iceo 集射极间饱和压降uces 开通时间ton和关断时间toff 此外还有 1 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 实际使用时 最高工作电压要比buceo低得多 66 2 集电极最大允许电流icm 通常规定为hfe下降到规定值的1 2 1 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 5 4gtr的主要参数 67 gtr的二次击穿现象与安全工作区 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 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 safeoperatingarea soa 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 图2 20gtr的安全工作区 2 5 4gtr的主要参数 68 2 5 5bjt与晶闸管的性能比较 69 2 6电力场效应晶体管 mosfet 2 6 1引言2 6 2电力mosfet的结构和工作原理2 6 3电力mosfet的特性2 6 4电力mosfet的主要参数 70 2 6 1引言 分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的mos型 metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor 简称电力mosfet powermosfet 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 staticinductiontransistor sit 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 71 2 6 2电力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 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 72 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 1 国际整流器公司 internationalrectifier 的hexfet采用了六边形单元2 西门子公司 siemens 的sipmosfet采用了正方形单元3 摩托罗拉公司 motorola 的tmos采用了矩形单元按 品 字形排列 图2 21电力mosfet的结构和电气图形符号 2 6 2电力mosfet的结构和工作原理 73 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 verticalmosfet 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 verticaldouble diffusedmosfet 这里主要以vdmos器件为例进行讨论 b g栅极 d漏极 sio2 p型硅衬底 s源极 图2 22小功率mos管结构图 n n 2 6 2电力mosfet的结构和工作原理 74 vvmosfet和vdmosfet 2 6 2电力mosfet的结构和工作原理 75 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型半导体反型层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 电力mosfet的工作原理 图2 24电力mosfet的结构和电气图形符号 2 6 2电力mosfet的结构和工作原理 76 2 6 3电力mosfet的特性 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 图2 25电力mosfet的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 77 2 6 3电力mosfet的特性 mosfet的漏极伏安特性 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 25电力mosfet的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 78 2 6 3电力mosfet的特性 极间电容 图226功率mosfet极间电容分布及其等效电路 cin cgs cgdcout cds cgdcf cgd 79 2 6 3电力mosfet的特性 2 动态特性开通过程开通延迟时间td on up前沿时刻到ugs ut并开始出现id的时刻间的时间段 上升时间tr ugs从ut上升到mosfet进入非饱和区的栅压ugsp的时间段 id稳态值由漏极电源电压ue和漏极负载电阻决定 ugsp的大小和id的稳态值有关ugs达到ugsp后 在up作用下继续升高直至达到稳态 但id已不变 开通时间ton 开通延迟时间与上升时间之和 图2 27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 80 关断过程关断延迟时间td off up下降到零起 cin通过rs和rg放电 ugs按指数曲线下降到ugsp时 id开始减小的时间段 下降时间tf ugs从ugsp继续下降起 id减小 到ugs ut时沟道消失 id下降到零为止的时间段 关断时间toff 关断延迟时间和下降时间之和 图2 28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 6 3电力mosfet的特性 81 2 6 3电力mosfet的特性 mosfet的开关速度 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10 100ns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 82 2 6 4电力mosfet的主要参数 除跨导gfs 开启电压ut以及td on tr td off 和tf之外还有 1 漏源击穿电压buds 电力mosfet电压定额 一般为实际工作电压的2 3倍 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 栅源击穿电压bugs ugs 20v将导致绝缘层击穿 83 4 极间电容 极间电容cgs cgd和cds厂家提供 漏源极短路时的输入电容ciss 共源极输出电容coss和反向转移电容crssciss cgs cgdcrss cgdcoss cds cgd输入电容可近似用ciss代替 这些电容都是非线性的 漏源间的耐压 漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力mosfet的安全工作区 一般来说 电力mosfet不存在二次击穿问题 这是它的一大优点 实际使用中仍应注意留适当的裕量 2 6 4电力mosfet的主要参数 84 2 7绝缘栅双极晶体管 igbt 2 7 1引言2 7 2igbt的结构和工作原理2 7 3igbt的基本特性2 7 4igbt的主要参数 85 2 7 1引言 图2 291700v 1200a 3300v 1200aigbt模块 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 不存在二次击穿问题 但存在通态压降大 电流容量低等问题 难制成高电压 大电流器件 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 gatebipolartransistor 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 86 2 7 2igbt的结构和工作原理 1 igbt的结构三端器件 栅极g 集电极c和发射极e 图3 30a n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 30igbt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 2 7 2igbt的结构和工作原理 图2 31双载流子参与导电示意图 88 2 7 2igbt的结构和工作原理 igbt的原理 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 89 2 7 3igbt的基本特性 1 igbt的静态特性 a b 图2 32igbt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 90 2 7 3igbt的基本特性 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tonuce的下降过程分为tfv1和tfv2两段 tfv1 igbt中mosfet单独工作的电压下降过程 tfv2 mosfet和pnp晶体管同时工作的电压下降过程 2 igbt的动态特性 图2 33igbt的开关过程 91 关断延迟时间td off 从uge后沿下降到其幅值90 的时刻起 到ic下降至90 icm 电流下降时间 ic从90 icm下降至10 icm 关断时间toff 关断延迟时间与电流下降之和 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段 tfi1 igbt内部的mosfet的关断过程 ic下降较快 tfi2 igbt内部的pnp晶体管的关断过程 ic下降较慢 2 7 3igbt的基本特性 igbt的关断过程 图2 34igbt的开关过程 92 2 7 4igbt的主要参数 93 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 2 7 4igbt的主要参数 94 igbt的擎住效应和安全工作区 图2 35igbt的结构 具有寄生晶闸管的等效电路左 内部结构断面示意图右 等效电路 寄生晶闸管 由一个n pn 晶体管和作为主开关器件的p n p晶体管组成 2 7 4igbt的主要参数 95 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 2 7 4igbt的主要参数 96 2 8gto gtr mosfet igbt驱动与保护 2 8 1电力电子器件驱动电路概述2 8 2典型全控型器件的驱动电路2 8 3电力电子器件的保护 97 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 2 8 1电力电子器件驱动电路概述 98 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 光隔离一般采用由发光二极管和光敏晶体管组成的光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器 图2 36光耦合器的类型及接法a 普通型b 高速型c 高传输比型 2 8 1电力电子器件驱动电路概述 99 按照驱动信号的性质分 可分为电流驱动型和电压驱动型 按开关信号频率 可分为低频信号驱动型和高频信号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 8 1电力电子器件驱动电路概述 100 2 8 2典型全控型器件的驱动电路 1 gtogto的开通控制与普通晶闸管相似 但对触发前沿的幅值和陡度的要求高 且一般需要在整个导通期间施加正门极电流gto关断控制需施加负门极电流 对其幅值和陡度的要求更高 幅值需达阳极电流的1 3左右 陡度需达50a s 强负脉冲宽度约30 s 负脉冲总宽约10 s 关断后还应在门阴极施加约5v的负偏压 以提高抗干扰能力 图2 37推荐的gto门极电压电流波形 1 电流驱动型器件的驱动电路 gto驱动电路通常包括开通驱动电路 关断驱动电路和门极反偏电路三部分 可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型 101 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡 可得到较陡的脉冲前沿 目前应用较广 但其功耗大 效率较低 图2 38典型的直接耦合式gto驱动电路 该电路的电源由高频电源经二极管整流后提供 二极管vd1和电容c1提供 5v电压 vd2 vd3 c2 c3构成倍压整流电路提供 15v电压 vd4和电容c4提供 15v电压 场效应管vl开通时 输出正强脉冲 v2开通时输出正脉冲平顶部分 v2关断而v3开通时输出负脉冲 v3关断后电阻r3和r4提供门极负偏压 2 8 2典型全控型器件的驱动电路 102 开通驱动电流应使gtr处于准饱和导通状态 使之不进入放大区和深饱和区 关断gtr时 施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值 6v左右 的负偏压 驱动电流的前沿上升时间应小于1 s 以保证能快速开通和关断 图2 39理想的gtr基极驱动电流波形 2 gtr 2 8 2典型全控型器件的驱动电路 103 gtr的一种驱动电路 包括电气隔离和晶体管放大电路两部分 图2 40gtr的一种驱动电路 二极管vd2和电位补偿二极管vd3构成贝克箝位电路 也即一种抗饱和