电力电子器件概述.ppt

1 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1 4典型全控型器件1 5其他新型电力电子器件1 6电力电子器件的驱动1 7电力电子器件的保护1 8电力电子器件的串联和并联使用本章小结及作业 1 2 电子技术的基础 电子器件 晶体管和集成电路电力电子电路的基础 电力电子器件本章主要内容 概述电力电子器件的概念 特点和分类等问题 介绍常用电力电子器件的工作原理 基本特性 主要参数以及选择和使用中应注意问题 第1章电力电子器件 引言 1 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 1 4 1 概念 电力电子器件 PowerElectronicDevice 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 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 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 1 5 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 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 1 6 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 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 1 7 电力电子系统 由控制电路 驱动电路 保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成 图1 1电力电子器件在实际应用中的系统组成 在主电路和控制电路中附加一些电路 以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行 1 1 2应用电力电子器件系统组成 电气隔离 控制电路 1 8 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 全控型器件 IGBT MOSFET 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 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 1 1 3电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度 分为以下三类 1 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 分为两类 1 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 1 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 1 12 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 1 2不可控器件 电力二极管 引言 整流二极管及模块 1 13 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 1 14 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 雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 PN结的状态 1 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 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 1 2 1PN结与电力二极管的工作原理 PN结的电容效应 1 16 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 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 1 静态特性 1 17 2 动态特性 二极管的电压 电流特性随时间变化的 结电容的存在 1 2 2电力二极管的基本特性 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 1 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 b 关断过程 1 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 是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 1 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 应当留有两倍的裕量 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 1 21 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 1 2 3电力二极管的主要参数 5 最高工作结温TJM 1 22 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正向电流定额和反向电压定额可以达到很高DATASHEET 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 2 4电力二极管的主要类型 1 23 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1200V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 DATASHEET123 1 2 4电力二极管的主要类型 2 快恢复二极管 FastRecoveryDiode FRD 1 24 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 反向稳态损耗不能忽略 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 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 SchottkyBarrierDiode SBD 1 25 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 1 26 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 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 晶闸管 Thyristor 晶体闸流管 可控硅整流器 SiliconControlledRectifier SCR 1 27 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 外形有螺栓型和平板型两种封装 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 1 28 1 3 1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 1 29 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 ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流 由以上式可得 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 按晶体管的工作原理 得 1 5 1 30 1 3 1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 1 31 1 3 1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 其他几种可能导通的情况 1 32 1 3 2晶闸管的基本特性 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 DATASHEET 晶闸管正常工作时的特性总结如下 1 33 1 3 2晶闸管的基本特性 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 1 静态特性 图1 8晶闸管的伏安特性IG2 IG1 IG 1 34 1 3 2晶闸管的基本特性 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1 8晶闸管的伏安特性IG2 IG1 IG 2 反向特性 1 35 1 3 2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 tr 1 6 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 1 7 普通晶闸管的关断时间约几百微秒 2 动态特性 图1 9晶闸管的开通和关断过程波形 1 36 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 1 37 1 3 3晶闸管的主要参数 通态平均电流IT AV If二极管 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 维持电流IHhold 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 2 电流定额 1 38 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 1 39 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 DATASHEET 1 快速晶闸管 FastSwitchingThyristor FST 1 40 1 3 4晶闸管的派生器件 2 双向晶闸管 TriodeACSwitch TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor 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 1 41 1 3 4晶闸管的派生器件 逆导晶闸管 ReverseConductingThyristor 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 1 42 1 3 4晶闸管的派生器件 光控晶闸管 LightTriggeredThyristor 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 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 1 43 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 1 44 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 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管 1 45 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 1 46 1 4 1门极可关断晶闸管 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 DATASHEET 门极可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor GTO 1 47 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 和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 1 48 1 4 1门极可关断晶闸管 工作原理 与普通晶闸管一样 可以用图1 7所示的双晶体管模型来分析 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 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 49 1 4 1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 1 50 1 4 1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 1 51 1 4 1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 图1 14GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性 1 52 1 4 1门极可关断晶闸管 GTO的主要参数 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 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 2 关断时间toff 1 开通时间ton 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 53 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 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 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 1 8 1 54 1 4 2电力晶体管 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 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 术语用法 1 55 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 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 1 56 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 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 1 57 1 4 2电力晶体管 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1 16共发射极接法时GTR的输出特性 2 GTR的基本特性 1 58 1 4 2电力晶体管 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 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 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 1 59 1 4 2电力晶体管 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 3 GTR的主要参数 1 60 1 4 2电力晶体管 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 集电极最大允许电流IcM 1 61 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 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1 18GTR的安全工作区 GTR的二次击穿现象与安全工作区 1 62 1 4 3电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型 MetalOxideSemiconductorFET 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 1 63 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 1 64 1 4 3电力场效应晶体管 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 图1 19电力MOSFET的结构和电气图形符号 1 65 1 4 3电力场效应晶体管 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 电力MOSFET的结构 1 66 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 导电 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 1 67 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 1 68 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 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 1 69 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 1 70 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 1 71 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 1 72 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 Insulated gateBipolarTransistor 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 1 73 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 1 74 1 4 4绝缘栅双极晶体管 图1 22a 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 1 75 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 1 76 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 1 77 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 1 78 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电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段 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 1 79 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 1 80 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 1 81 1 4 4绝缘栅双极晶体管 擎住效应或自锁效应 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 NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻 P形体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 1 82 1 5其他新型电力电子器件 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 1 83 1 5 1MOS控制晶闸管MCT MCT结合了二者的优点 承受极高di dt和du dt 快速的开关过程 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 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 MCT MOSControlledThyristor MOSFET与晶闸管的复合 DATASHEET 1 84 1 5 2静电感应晶体管SIT 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 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 StaticInductionTransistor 结型场效应晶体管 1 85 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 StaticInductionThyristor 场控晶闸管 FieldControlledThyristor FCT 1 86 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 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 DATASHEET12 IGCT IntegratedGate CommutatedThyristor GCT Gate CommutatedThyristor 1 87 1 5 5功率模块与功率集成电路 20世纪80年代中后期开始 模块化趋势 将多个器件封装在一个模块中 称为功率模块 可缩小装置体积 降低成本 提高可靠性 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 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 称为功率集成电路 PowerIntegratedCircuit PIC DATASHEET 基本概念 1 88 1 5 5功率模块与功率集成电路 高压集成电路 HighVoltageIC 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 智能功率集成电路 SmartPowerIC 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 智能功率模块 IntelligentPowerModule IPM 则专指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 IntelligentIGBT 实际应用电路 1 89 1 5 5功率模块与功率集成电路 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 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 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 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 1 90 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 1 91 1 6 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 1 92 1 6 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 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 1 93 1 6 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 1 94 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 晶闸管触发电路应满足下列要求 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通 触发脉冲应有足够的幅度 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 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 强脉宽度IM 强脉冲幅值 3IGT 5IGT t1 t4 脉冲宽度I 脉冲平顶幅值 1 5IGT 2IGT 晶闸管的触发电路 1 95 1 6 2晶闸管的触发电路 V1 V2构成脉冲放大环节 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节 V1 V2导通时 通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲 图1 27常见的晶闸管触发电路 常见的晶闸管触发电路 1 96 1 6 3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 GTO关断控制需施加负门极电流 图1 28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 正的门极电流 5V的负偏压 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 1 97 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 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1 29典型的直接耦合式GTO驱动电路 1 98 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 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 图1 30理想的GTR基极驱动电流波形 2 GTR 1 99 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 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1 31GTR的一种驱动电路 驱动GTR的集成驱动电路中 THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见 1 100 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件 为快速建立驱动电压 要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般10 15V 使IGBT开通的驱动电压一般15 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压 一般取 5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡 2 电压驱动型器件的驱动电路 1 101 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 1 电力MOSFET的一种驱动电路 电气隔离和晶体管放大电路两部分 图1 32电力MOSFET的一种驱动电路 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L 其输入信号电流幅值为16mA 输出最大脉冲电流为 2A和 3A 输出驱动电压 15V和 10V 1 102 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 2 IGBT的驱动 图1 33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 常用的有三菱公司的M579系列 如M57962L和M57959L 和富士公司的EXB系列 如EXB840 EXB841 EXB850和EXB851 多采用专用的混合集成驱动器 1 103 1 7电力电子器件器件的保护 1 7 1过电压的产生及过电压保护1 7 2过电流保护1 7 3缓冲电路 1 104 1 7 1过电压的产生及过电压保护 外因过电压 主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压 由分闸 合闸等开关操作引起雷击过电压 由雷击引起内因过电压 主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后 反向电流急剧减小 会由线路电感在器件两端感应出过电压 关断过电压 全控型器件关断时 正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压 电力电子装置可能的过电压 外因过电压和内因过电压 1 105 1 7 1过电压的产生及过电压保护 过电压保护措施 图1 34过电压抑制措施及配置位置F 避雷器D 变压器静电屏蔽层C 静电感应过电压抑制电容RC1 阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2 阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV 压敏电阻过电压抑制器RC3 阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4 直流侧RC抑制电路RCD 阀器件关断过电压抑制用RCD电路 电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施 属于缓冲电路范畴 1 106 1 7 2过电流保护 过电流 过载和短路两种情况保护措施 同时采用几种过电流保护措施 提高可靠性和合理性 电子电路作为第一保护措施 快熔仅作为短路时的部分区段的保护 直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护 过电流继电器整定在过载时动作 图1 37过电流保护措施及配置位置 1 107 1 7 2过电流保护 全保护 过载 短路均