电力电子器件概述教学PPT.ppt

1 第1章电力电子器件 1 1电力电子器件概述1 2不可控器件 二极管1 3半控型器件 晶闸管 重点 1 4典型全控型器件 重点 1 5其他新型电力电子器件1 6电力电子器件的驱动 重点 1 7电力电子器件的保护 重点 1 8电力电子器件的串联和并联使用本章小结及作业 2 1 器件构成电路 所以器件是电路的基础 1 电子技术的基础 电子器件 晶体管和集成电路 2 电力电子电路的基础 电力电子器件2 本章主要内容 电力电子器件的概念 特点 分类 常用电力电子器件 工作原理 基本特性 主要参数 选择和使用中应注意问题 第1章电力电子器件 引言 3 1 1 1电力电子器件的概念和特征1 1 2应用电力电子器件的系统组成1 1 3电力电子器件的分类1 1 4本章内容和学习要点 1 1电力电子器件概述 4 1 概念 电力电子器件 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 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 电力电子器件概述 5 处理电功率能力一般远大于处理信息的电子器件 电力电子器件一般工作在开关 闭合或断开 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 6 通态损耗 一般情况下为主要损耗器件开关频率较高时 开关损耗可能成为主要损耗 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 7 电力电子系统 控制电路 驱动电路 保护电路 主电路 检测电路 图1 1电力电子器件在实际应用中的系统组成 1 1 2应用电力电子器件系统组成 电气隔离 控制电路 8 半控型器件 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 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 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类 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类 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 11 1 2 1pn结与电力二极管的工作原理1 2 2电力二极管的基本特性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不可控器件 电力二极管 12 电力二极管优点 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应用 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 13 基本结构和工作原理 内部结构 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 主要有两种封装 螺栓型和平板型 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 1pn结与电力二极管的工作原理 14 二极管的基本原理 pn结的单向导电性pn结的反向击穿 两种形式 雪崩击穿 非损坏性的 齐纳击穿 非损坏性的 均可能导致热击穿 损坏性的 1 2 1pn结与电力二极管的工作原理 pn结的状态 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 2 结电容按其产生机制和作用差别分为 势垒电容cb和扩散电容cd 3 电容影响pn结的工作频率 尤其是高速的开关状态 1 2 1pn结与电力二极管的工作原理 pn结的电容效应 了解 16 主指伏安特性 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 重点 1 静态特性 17 2 动态特性 了解 a 结电容的存在b 二极管的电压 电流特性随时间变化的 1 2 2电力二极管的基本特性 b u fp u i i f u f t fr t 0 2v a u f t f t 0 t rr t d t f t 1 t 2 t u r u rp i rp d i f d t d i r d t 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 if 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 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 图1 5 a 关断过程 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 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 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2的裕量 4 反向恢复时间trrtrr td tf 1 2 3电力二极管的主要参数 2 正向压降uf 21 结温 指管芯pn结的平均温度 用tj表示 tjm 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 1 2 3电力二极管的主要参数 5 最高工作结温tjm 22 1 普通二极管 又称整流二极管适用场合 多用于开关频率不高 1khz以下 的整流电路 特点 1 反向恢复时间较长 2 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高datasheet 按其组成的材料分可为 锗二极管 硅二极管 砷化嫁二极管 发光二极管 按特性分 1 2 4电力二极管的主要类型 23 快恢复外延二极管 fred trr更短 可低于50ns uf也很低0 9v左 但其反向耐压多在1200v以下 从性能上可分为 快速恢复 trr为数百纳秒或更长 超快速恢复 trr在100ns以下 甚至达到20 30ns datasheet123 1 2 4电力二极管的主要类型 2 快恢复二极管 frd 简称快速二极管 24 缺点 1 反向耐压提高时正向压降会提高 多用于200v以下 2 反向稳态损耗不能忽略 必须严格地限制其工作温度 优点 1 反向恢复时间很短 10 40ns 2 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 3 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管 4 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 sbd 25 补充 二极管好坏和管脚的判断 型号 用途 一管脚的判断 1 外形上有色圈的 色圈端为负极 2 在二极管的外壳上标有二极管的符号 带有三角形箭头的一端为正极 另一端则为负极 在点接触二极管的外壳上 通常标有极性色点 白色或红色 一般标有色点的一端即为正极 3 观察玻璃壳内触针 对于点接触二极管 如果标记已模糊不清 可以将外壳上的黑色或白色漆层轻轻刮起掉一点 透过玻璃观察二极管的内部结构 有金属触针的一端就是正极 4 万用表 测两端电阻 交换两端再电阻 比较两次的电阻值 阻值相对更小对应测法时黑表笔所接端为 红表笔所接端为 26 补充 二极管好坏和管脚的判断 型号 用途 二二极管好坏判断 方法 用万用表测量小功率二极管时 需把万用表的旋钮拨到欧姆 l00或r lk档 注意不要使用r 1档或r l0k 因为r 1档电流较大 r 10k档电压较高 都易损坏二极管 然后用两根表笔测量二极管的正反向电阻值 一般二极管的正向电阻约为几十到几百欧 反向电阻约为几千欧到几百千欧 结果 1 正反向电阻相差越大 说明二极管的单向导电性越好 2 正反向电阻值接近 表示管子已失去单向导电作用 3 若正反向电阻都很小或为零 则表示管子已被击穿 4 若正反向电阻都很大 则说明管子内部已断路 都不能使用 27 补充 二极管好坏和管脚的判断 型号 用途 三二极管型号1 型号组成部分的符号及其意义 国产半导体器件型号命名方法 国标gb2494 第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分数字表示电极数拼音字母表示器件的材料和极性用数字表示序号用字母表示区别代号用拼音字母表示器件的类型2 半导体器件型号字母的意义第一部分 2二极管第二部分 a n型锗材料b p型锗材料c n型硅材料d p型硅材料第三部分 p普通管v微波管w稳压管c参量管x低频小功率管 截止频率 3mhz 耗散功率 1w 第四 第五两部分 系列的细分种类 详细参数可查半导体手册 28 补充 二极管好坏和管脚的判断 型号 用途 四二极管的用途 1 整流用2 稳压3 开关4 发光5 检波6 变容7 其它 29 1 3半控器件 晶闸管 1 3 1晶闸管的结构与工作原理1 3 2晶闸管的基本特性1 3 3晶闸管的主要参数1 3 4晶闸管的派生器件 30 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 晶闸管开始被全控型器件取代 因为它能承受的电压和电流容量最高 工作可靠 适用大容量的场合 晶闸管 晶体闸流管 可控硅整流器 scr 31 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 封装 螺栓型和平板型 有三个联接端 螺栓型 螺栓是阳极 a 能与散热器紧密联接且安装方便 粗铜丝辫 k 细铜丝辫 g 平板型 由两个散热器将其夹在中间 32 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 常用晶闸管的外形结构 螺栓型晶闸管 晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 33 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 1 2 icbo1和icbo2分别是v1和v2的共基极漏电流 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 根据晶体管的工作原理得 1 2 1 1 1 3 1 4 34 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 在低发射极电流下 0 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 实现饱和导通 ia实际由外电路决定 1 5 由以上式可得 35 1 3 1晶闸管的结构与工作原理 1 阳极电压升高大于ubo时 造成雪崩击穿 2 阳极电压上升率du dt过高 3 结温较高1 2 3导通是误导通 不允许 4 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 ltt 不精确 控制不方便 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 36 1 3 2晶闸管的基本特性 1 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 2 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 3 晶闸管一旦导通后 门极就失去控制作用 4 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 37 1 3 2晶闸管的基本特性 1 正向特性1 ig 0 a 0 uak ubo 只有很小的正向漏电流 为正向阻断状态 b uak ubo 则正向漏电流急剧增大 器件开通 硬开通 2 ig随着门极电流幅值的增大 正向转折电压降低 3 晶闸管本身的压降很小 在1v左右 1 静态特性 图1 8晶闸管的伏安特性ig2 ig1 ig 38 1 3 2晶闸管的基本特性 类似二极管的反向特性 1 u反向击穿 uak 0 处于反向阻断状态 只有极小的反相漏电流流过 2 uak u反向击穿 可能导致晶闸管发热损坏 图1 8晶闸管的伏安特性ig2 ig1 ig 2 反向特性 39 1 3 2晶闸管的基本特性 1 开通过程开通时间 tgt td tr 1 6 式中 td延迟时间 0 5 1 5 s tr上升时间 0 5 3 s 2 关断过程关断时间tq tq trr tgr 1 7 式中 trr反向阻断恢复时间tgr正向阻断恢复时间 2 动态特性 图1 9晶闸管的开通和关断过程波形 40 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2 3倍 使用注意 1 电压定额 41 1 3 3晶闸管的主要参数 1 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 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 2 维持电流ih 晶闸管维持导通所必需的最小电流 3 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 4 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 42 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 43 补充 晶闸管简单计算 以书上的为例 44 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10 s左右 高频晶闸管的缺点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 fst 45 1 3 4晶闸管的派生器件 2 双向晶闸管 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 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 46 补充 双向晶闸管与普通晶闸管的代替 举例 200a的双向晶闸管用多少个电流为多少a的普通晶闸管代替 说明 1 交流电的正负半波都可以流过双向晶闸管 所以要用两个普通晶闸管反并联 2 200a是额定时的有效值 额定的峰值电流为200a 283a 有效值为283a的普通晶闸管的平均电流为283 90a 所以 要用2个90a的来代替 总结公式 2 47 1 3 4晶闸管的派生器件 3 逆导晶闸管 rct a k g a 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 48 1 3 4晶闸管的派生器件 4 光控晶闸管 ltt a g k a ak 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 定义 利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管 优点 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 应用 高压大功率的场合 49 补充 晶闸管三个极的判断 1 晶闸管有三个脚 a k g k g之间是一个pn结 它的反向电阻不是很大 用万用表 指针式 电阻当r 1或r 10 两表笔测量 找出正反电阻有差别的两极 这时 电阻读数小时的黑表笔接的极就是g 红表笔接的是k 第三个极是a 2 测任两脚之间的正 反向电阻 若正 反向电阻均接近无穷大则两极即为a和k 而另一脚即为g 3 普通晶闸管也可以根据其封装形式来判断出各电极 50 补充 晶闸管三个极的判断 4 将万用表黑表笔任接晶闸管任意极 红表笔依次去触碰另外两个电极 若测量结果有一次阻值为几千欧姆 k 而另一次阻值为几百欧姆 则可判定黑表笔接的是g 在阻值为几百欧姆的测量中 红表笔接的是k 而在阻值为几千欧姆的那次测量中 红表笔接的是a 若两次测出的阻值均很大 则说明黑表笔接的不是g 应用同样方法改测其它电极 直到找出三个电极为止 51 补充 晶闸管好坏的判断 1 用万用表r 1k档 测量晶体管a k之间的rak rka 正常时均应为无穷大 若测得rak rka为零或阻值较小 则说明晶闸管内部击穿短路或漏电 2 测量rak rka 正常时两个阻值均应为几百千欧姆 k 或无穷大 若出现rak rka不一样 有类似二极管的单向导电 则是g a极之间反向串联的两个pn结中的一个已击穿短路 52 补充 晶闸管好坏的判断 3 测量g k之间的rgk rkg 正常时应有类似二极管的正 反向电阻值 实际测量结果较普通二极管的正 反向电阻值小一些 即正向电阻值较小 小于2k 反向电阻值较大 大于80k 若两次测量的电阻值均很大或均很小 则说明该晶闸管g k极之间开路或短路 若正 反电阻值均相等或接近 则说明该晶闸管已失效 其g k极间pn结已失去单向导电作用 53 补充 晶闸管型号 国产晶闸管的型号命名 jb1144 75部颁发标准 主要由四部分组成 第一部分用字母 k 表示主称为晶闸管 第二部分用字母表示晶闸管的类别 第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值 第四部分用数字表示重复峰值电压级数 第一部分 主称字母字母含义k晶闸管 可控硅 第二部分 类别字母含义p普通反向阻断型k快速反向阻断型s双向型第三部分 额定通态电流数字含义额定通态电流数字含义11a55a1010a2020a3030a5050a100100a200200a300300a400400a500500a 54 补充 晶闸管型号 第四部分 重复峰值电压级数数字含义重复峰值电压级数数字含义1100v2200v3300v4400v5500v6600v7700v8800v9900v101000v121200v141400v第五部分 有些没有此参数 通态平均电压组别a 0 4vb 0 4v 0 5vc 0 5v 0 6vd 0 6v 0 7ve 0 7v 0 8vf 0 8v 0 9vg 0 9v 1 0vh 1 0v 1 1vi 1 1v 1 2v 55 1 4典型全控型器件 1 4 1门极可关断晶闸管1 4 2电力晶体管1 4 3电力场效应晶体管1 4 4绝缘栅双极晶体管 56 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 gto 电力晶体管 gtr 电力场效应晶体管 电力mosfet 绝缘栅双极晶体管 igbt 57 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 58 1 4 1门极可关断晶闸管 晶闸管的一种派生器件 重点 0 uak 在门极施加 1 正的脉冲电流使其导通 2 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 一门极可关断晶闸管 gto 59 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 与普通晶闸管的不同点 gto是一种多元的功率集成器件 图1 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 1 gto的结构和工作原理 60 1 4 1门极可关断晶闸管 工作原理 与普通晶闸管一样 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 p1n1p2构成v1 n1p2n2构成v2 分别具有共基极电流增益 1和 2 61 1 4 1门极可关断晶闸管 gto能够通过门极关断是因为与普通晶闸管有区别 1 设计器件时 2较大 使晶体管v2控制灵敏 易于gto关断 2 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 3 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 62 1 4 1门极可关断晶闸管 1 gto导通过程与普通晶闸管一样 只是导通时饱和程度不一样 gto较浅 2 gto关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断 3 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 结论 63 1 4 1门极可关断晶闸管 开通过程 与vt相同关断过程 与vt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 图1 14gto的开通和关断过程电流波形 gto的动态特性 64 1 4 1门极可关断晶闸管 3 gto的主要参数 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 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 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 许多参数与vt相应的参数意义相同 介绍不同的参数 65 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 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 gto的一个主要缺点 off一般很小 只有5左右 1000a的gto关断时门极负脉冲电流峰值要200a gto额定电流 1 8 66 1 4 2电力晶体管 电力晶体管 gtr 又称为巨型晶体管 特点 耐高电压 大电流的双极结型晶体管 bjt 也称为powerbjt datasheet12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 概述 67 与普通的双极结型晶体管基本原理相同 主要特性 耐压高 电流大 开关特性好 结构 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 15gtr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 68 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 式中 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 考虑漏电流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 1 gtr的结构和工作原理 69 1 4 2电力晶体管 1 静态特性1 共发射极接法时的晶体管典型输出特性 截止区 放大区和饱和区 2 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 断开 和饱和区 闭合 之间过渡时 要经过放大区 图1 16共发射极接法时gtr的输出特性 2 gtr的基本特性 70 1 4 2电力晶体管 开通过程 施加正脉冲电流延迟时间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 关断过程 施加负脉冲电流储存时间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 gtr的开关时间在几微秒以内 比晶闸管和gto都短很多 图1 17gtr的开通和关断过程电流波形 2 动态特性 71 1 4 2电力晶体管 已提到的有 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 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 3 gtr的主要参数 72 1 4 2电力晶体管 定义 通常规定为hfe下降到规定值的1 2 1 3时所对应的ic 注意 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定义 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 73 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 非损坏性的 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 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1 18gtr的安全工作区 gtr的二次击穿现象与安全工作区 74 1 4 3电力场效应晶体管 1 分类 结型 绝缘栅型2 主要指绝缘栅型中的mos型 简称电力mosfet3 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 sit 4 特点 用栅极电压来控制漏极电流a驱动电路简单 需要的驱动功率小 b开关速度快 工作频率高 c热稳定性优于gtr d电流容量小 耐压低 一般只适于功率不超过10kw的电力电子装置 电力场效应晶体管 75 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 76 1 4 3电力场效应晶体管 电力mosfet的结构 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 77 1 4 3电力场效应晶体管 小功率mos管是横向导电器件 导电沟道平行于芯片表面的器件 电力mosfet大都采用垂直导电结构 又称为vmosfet 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 主要以vdmos器件为例进行讨论 电力mosfet的结构 78 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 导通 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 79 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 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 80 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 电力电子电路中 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 81 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 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 82 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 mosfet的开关速度 83 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 ugs 20v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 84 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 igbt或igt datasheet12 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 85 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 22igbt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 86 1 4 4绝缘栅双极晶体管 图1 22a n沟道vdmosfet与gtr组合构成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 22igbt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 87 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 88 a b 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 23igbt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 89 1 4 4绝缘栅双极晶体管 图1 24igbt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 90 1 4 4绝缘栅双极晶体管 图1 24igbt的开关过程 关断延迟时间td off 电流下降时间关断时间toff电流下降时间分为 tfi1和tfi2 tfi1 igbt器件内部的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 igbt的关断过程 91 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 92 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 93 1 4 4绝缘栅双极晶体管 擎住效应或自锁效应 了解 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 定义 npn晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻 p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 94 1 5其他新型电力电子器件 了解 1 5 1mos控制晶闸管mct1 5 2静电感应晶体管sit1 5 3静电感应晶闸管sith1 5 4集成门极换流晶闸管igct1 5 5功率模块与功率集成电路 95 1 5 1mos控制晶闸管mct mct结合了二者的优点 mct将mosfet的高输入阻抗 低驱动功率 快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流 低导通压降的特点结合起来 也是bi mos器件的一种 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 mct具有高电压 大电流 高载流密度 低通态压降的特点 其通态压降只有gtr的1 3左右 硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的 另外 mct可承受极高的di dt和du dt 使得其保护电路可以简化 mct的开关速度超高gtr 开关损耗也小 总之 mct曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件 因此 20世纪80年代以来一度成为研究的热点 但经过十多年的努力 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 而其竞争对手igbt却进展飞速 所以 目前从事mct研究的人不是很多 mct mosfet与晶闸管的复合 datasheet 96 1 5 2静电感应晶体管sit 优点 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 适用场合 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 1 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 2 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 结型场效应晶体管 97 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 场控晶闸管 fct 98 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 datasheet12 igct gct gate commutatedthyristor 99 1 5 5功率模块与功率集成电路 功率模块 将多个器件封装在一个模块中 优点 1 可缩小装置体积 降低成本 提高可靠性 2 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 功率集成电路 pic 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 datasheet 基本概念 100 1 5 5功率模块与功率集成电路 1 高压集成电路 hvic 一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 2 智能功率集成电路 spic 一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 3 智能功率模块 ipm 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 实际应用电路 101 1 5 5功率模块与功率集成电路 1 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 2 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 3 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 4 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 102 补充 单结晶体管 单结晶体管 ujt 又称基极二极管 是一种只有一个pn结和两个电阻接触电极的半导体器件 它的基片为条状的高阻n型硅片 两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2 在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个p区作为发射极e 其结构 符号和等效电呼如图1所示 图1 单结晶体管 103 补充 单结晶体管 一 单结晶体管的特性图1 两基极b1与b2之间的电阻称为基极电阻 rbb rb1 rb2式中 rb1 第一基极与发射结之间的电阻 其数值随发射极电流ie而变化 rb2为第二基极与发射结之间的电阻 其数值与ie无关 发射结是pn结 与二极管等效 若在基极b2 b1间加上正电压vbb 则a点电压为 va rb1 rb1 rb2 vbb rb1 rbb vbb vbb式中 称为分压比 值一般在0 3 0 85之间 如果发射极电压ve由零逐渐增加 测得单结晶体管伏安特性见图2 图2 单结晶体管的伏安特性 104 补充 单结晶体管 一 特性 1 ve vbb 发射结处于反向偏置 管子截止 发射极只有很小的漏电流iceo 2 ve vbb vd vd约为0 7伏 pn结正向导通 ie显著增加 rb1阻值迅速减小 ve相应下降 这种电压随电流增加反而下降的特性 称为负阻特性 管子由截止区进入负阻区的临界p称为峰点 与其对就的发射极电压和电流 分别称为峰点电压vp和峰点电流ip和峰点电流ip 正向漏电流 它是使单结晶体管导通所需的最小电流 vp vbb 3 发射极电流ie不断上升 ve不断下降 降到v点后 ve不再降 点v称为谷点 与其对应的发射极电压和电流 称为谷点电压 vv和谷点电流iv 4 过了v点后 发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态 uc继续增加时 ie便缓慢地上升 显然vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压 如果ve vv 管子重新截止 105 补充 单结晶体管 二 单结晶体管的主要参数 1 基极间电阻rbb发射极开路时 基极b1 b2之间的电阻 一般为2 10千欧 其数值随温度上升而增大 2 分压比 由管子内部结构决定的常数 一般为0 3 0 85 3 eb1间反向电压vcb1b2开路 在额定反向电压vcb2下 基极b1与发射极e之间的反向耐压 4 反向电流ieob1开路 在额定反向电压vcb2下 eb2间的反向电流 5 发射极饱和压降veo在最大发射极额定电流时 eb1间的压降 6 峰点电流ip单结晶体管刚开始导通时 发射极电压为峰点电压时的发射极电流 106 1 6电力电子器件器件的驱动 1 6 1电力电子器件驱动电路概述1 6 2晶闸管的触发电路1 6 3典型全控型器件的驱动电路 107 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 作用 1 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 2 对装置的运行效率 可靠性和安全性都有重要的意义 注意 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 驱动电路定义 主电路与控制电路之间的接口 108 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 电气隔离 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的隔离环节 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 109 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 1 按驱动信号的性质分 电流驱动型 电压驱动型 2 按驱动电路具体形式为 分立元件 专用集成驱动电路 常用 1 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 2 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 110 1 6 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 晶闸管触发信号应满足 1 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠通 2 触发脉冲应有足够的幅度 3 不超过门极电压 电流和功率定额 且在可靠触发区域之内 4 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 图1 26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1 t2 脉冲前沿上升时间 1 s t1 t3