电力电子器件概述(pdf 97页).pdf

第二讲 电力电子器件1 电力电子基础 Fundamental Power Electronics 第二讲 电力电子器件 东南大学电气工程学院 2008 第二讲 电力电子器件2 本讲要点本讲要点 1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2 不可控器件不可控器件 电力二极管电力二极管 3 半控型器件半控型器件 晶闸管晶闸管 4 典型全控型器件典型全控型器件 5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用 第二讲 电力电子器件3 1 电力电子器件概述电力电子器件概述 理想的开关 导通时 电流按箭头流动 导通零电阻 因此零损耗 瞬时开通 关断 耐压 耐流能力无限 电力电子器件 由硅为主要材料制作的电子开 关 直接用于主电路 Main Power Circuit 中 用于实现电能的变换 因此又可称为电力电子开 关器件 电力电子开 关器件 Power Electronic Switching Device 第二讲 电力电子器件4 电力电子器件主要特征电力电子器件主要特征 和理想开关相比 电力电子器件的主要区别和理想开关相比 电力电子器件的主要区别 1 存在损耗 存在损耗 1 导通时存在导通压降导通时存在导通压降von 导致通态损耗 导致通态损耗Pon 2 阻断时有微小的漏电流 有断态损耗阻断时有微小的漏电流 有断态损耗Poff 通常可忽略 通常可忽略 3 开通需要时间开通需要时间ton 且存在开通损耗 且存在开通损耗 4 关断需要时间关断需要时间toff 且存在关断损耗 且存在关断损耗 5 器件在一定温度范围内正常工作器件在一定温度范围内正常工作 2 电应力限制 电应力限制 1 器件只能承受一定电压和电流器件只能承受一定电压和电流 2 器件只能承受一定的电压上升率器件只能承受一定的电压上升率du dt 电流上升率 电流上升率di dt 3 驱动的要求 受控器件的开通与关断需要专门的驱动电路才能实 现以满足门极驱动对电压 电流 耗能 隔离等要求 驱动的要求 受控器件的开通与关断需要专门的驱动电路才能实 现以满足门极驱动对电压 电流 耗能 隔离等要求 具体使用时 必须保证电力电子器件的上述工作 参数在合理的范围之内 尽可能接近理想开关 具体使用时 必须保证电力电子器件的上述工作 参数在合理的范围之内 尽可能接近理想开关 散热器 缓冲电路 第二讲 电力电子器件5 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 依控制特性将器件分类 不控型 不能用控制信号来控制其通断 不需要驱动电路 如功率二极管 Power Diode 半控型 通过控制信号可以控制其导通 而不能控制其关断 如Thyristor 或称 SCR 全控型 通过控制信号既可控制其导通 和关断 又称自关断器件 如GTR POWER MOSFET IGBT GTO IGCT MCT 等 依驱动信号的类型将器件分类 电流型控制 GTR SCR GTO等 电压型驱动 MOSFET IGBT MCT等 光控型驱动 依载流子分类 单极型 Unipolar 双极型 Bipolar 复合型 Complex MCT IGBT 功率MOSFET 功率SIT 肖特基势垒二极管 SITH GTO RCT TRIAC LTT 晶闸管 电力二极管 双 极 型 单 极 型 混 合 型 复 合 型 GTR 电力电子器件分类树 第二讲 电力电子器件6 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 依器件的其他特性标准 划分 依据器件等级 如功率 大小 开关速度 耐压 高低等 依材料种类 如硅 碳 化硅等 依封装和集成方式 如 分立 模块 高压集成 电路HVIC High Voltage IC 智能功率集 成电路SPIC Smart Power IC 智能功率模 块IPM Intelligent Power Module等 第二讲 电力电子器件7 2 不控器件不控器件 电力二极管电力二极管 PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数 电力二极管的主要类型 整流二极管及模块 第二讲 电力电子器件8 电力二极管工作原理电力二极管工作原理 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 A K AK a I KA PN J b c AK 电力二极管 a 外形 b 结构 c 电气图形符号 第二讲 电力电子器件9 电力二极管工作原理电力二极管工作原理 PN结单向导电性 PN结的反向击穿 PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压而变化 呈现电容效应电容效应 称为结电 容 结电 容CJ 又称为微分电容微分电容 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散电 容 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 高阻态低阻态阻态 反向大反向大0 4 1 2V电压 反向大几乎为零正向大电流 反向击穿反向截止正向导通 状态 参数 第二讲 电力电子器件10 电力二极管基本特性电力二极管基本特性 静态特性静态特性 伏安特性伏安特性 门 槛 电 压门 槛 电 压 UTO 0 5V 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 I O IF U TO U F U URRM IRRM 反向漏电流 第二讲 电力电子器件11 电力二极管基本特性电力二极管基本特性 动态特性 动态特性 关断过程关断过程 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 开通过程开通过程 正向压降先出现一个 过冲UFP 经过一段时间才趋于接 近稳态压降值 电流上升率越 大 UFP越高 a F U F tFt0 trr tdtf t1t2t U R U RP IRP diF dt diR dt b U FP u i iF uF tfrt0 2V 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 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 反向恢复电流 第二讲 电力电子器件12 电力二极管的主要技术参数电力二极管的主要技术参数 正向平均电流正向平均电流IF AV 额定电流额定电流 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 有效 值相等的原则 有效值有效值 1 57 IF AV 来选取电流定额 并 应留有一定的裕量 正向压降正向压降UF 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 反向重复峰值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 使用时应当留有两倍 的裕量 第二讲 电力电子器件13 电力二极管的主要技术参数电力二极管的主要技术参数 反向恢复时间反向恢复时间trr trr td tf 最高工作结温最高工作结温TJM 结温结温是指管芯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 浪涌电流浪涌电流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 第二讲 电力电子器件14 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 普通二极管普通二极管 General Purpose Diode 又称整流二极管 Rectifier Diode 用于开关频率不高 1kHz以下 电路中 其反向恢复时间较长 一般在5 s以上 正向电流定额可达数千安以上 反向电压定额可达数千伏以上 快恢复二极管快恢复二极管 Fast Recovery Diode FRD 反向恢复过程很短 5 s以下 的二极管 快速恢复等级 反向恢复时间为数百纳秒或 更长 超快速恢复则在100ns以下 甚至达到20 30ns 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 Fast Recovery Epitaxial Diodes FRED 其反向恢复时间更 短 可低于50ns50ns 正向压降也很低 0 9V左右 但其反向耐压多在400V以下 肖特基二极管肖特基二极管 Schottky Barrier Diode SBD 反向耐压等级低 多用于200V以下 反向漏电流较大且对温度敏感 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 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小 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要小 效率高 第二讲 电力电子器件15 3 半控器件半控器件 晶闸管晶闸管 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件 第二讲 电力电子器件16 晶闸管结构与工作原理晶闸管结构与工作原理 晶闸管 Thyristor 又称SCR Silicon Controlled Rectifier 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 外形有螺栓型和平板型两种封装 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 散热效果差 用于200 以下容量 的元件 平板型晶闸管可由两个散热器将其 夹在中间 散热效果好 用于200 以上的元件 有三个联接端 有控制用门极 A A G G K K b c a A G K K G A P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 晶闸管 a 外形 b 结构 c 电气图形符号 第二讲 电力电子器件17 常用晶闸管结构与外观常用晶闸管结构与外观 螺栓型晶闸管晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 第二讲 电力电子器件18 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 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 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晶体管的工作原理 得 111CBOAc III 222CBOKc III GAK III 21ccA III 1 2 1 1 1 3 1 4 1 21 CBO2CBO1G2 A III I 1 5 第二讲 电力电子器件19 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 基本工作原理分析 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 开通状态开通状态 注入触发电流使晶体管的发射极电流增大 正反馈 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由外电路决定 几种可能导通的情况几种可能导通的情况 阳极电压升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 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 称为光控晶闸管光控晶闸管 Light Triggered Thyristor LTT 只有门极触发是最精确 迅速而可靠的控制手段只有门极触发是最精确 迅速而可靠的控制手段 第二讲 电力电子器件20 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 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 约几十毫安 以 下 第二讲 电力电子器件21 晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性 正向特性正向特性 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 这种开通叫 硬开通硬开通 一般不允 许硬开通 随着门极电流幅值的增大 正向 转折电压降低 晶闸管导通压降 很小 在1V左右 反向特性反向特性 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 正向 导通 雪崩 击穿 O U A U A I A IA IH IG2IG1IG 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 第二讲 电力电子器件22 晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性 开通过程开通过程 延迟时间延迟时间td 0 5 1 5 s 上升时间上升时间tr 0 5 3 s 开通时间开通时间tgt td tr 关断过程关断过程 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq trr tgr 普通晶闸管的关断时 间约几百微秒 100 90 10 uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 晶闸管的开通和关断过程波形 第二讲 电力电子器件23 晶闸管的主要技术参数晶闸管的主要技术参数 电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压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 注意事项 注意事项 第二讲 电力电子器件24 晶闸管的主要技术参数晶闸管的主要技术参数 电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 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有效值相等的原则来选取晶闸管 维持电流维持电流 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 对同一晶闸管来 说 通常通常IL约为约为IH的的2 4倍倍 浪涌电流浪涌电流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 第二讲 电力电子器件25 概念讲解 电流定额电流定额 有效值 平均值 T rms dttf T F 0 2 1 T av dttf T F 0 1 波形系数 波形系数 f rms Iav 2 1 57 选择元件 有效电流 整流输出 平均电流 从平均电流找出相应波形的有效电流以保证不过热 选用器件时Iav 1 5 2 IT Kf m m 0 1 sind 2 av I IItt 2 m m 0 1 sin d 22 rms I IItt 第二讲 电力电子器件26 晶闸管的主要技术参数晶闸管的主要技术参数 动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt 关断时间关断时间tq 断态电压临界上升率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 第二讲 电力电子器件27 晶闸管的门极特性与参数晶闸管的门极特性与参数 门极正向峰值电压UFGM 门极正向峰值电流IFGM 门极峰值功率PGM 门极触发电压UG 门极触发电流IGT 门极平均功率PG门极伏安特性 注意事项 注意事项 为保证可靠 安全的触发 触发电路所提供的 触发电压 电流和功率应限制在由可靠触发区 图中 ABCGFED所围成的区域为可靠触发区 图中阴影部分为 不触发区 图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区 PGM B C D A E G F L K 0 IFGM UG T UFGM IGT UG T UG D IGT IGD AB C I H J 第二讲 电力电子器件28 晶闸管的型号晶闸管的型号 晶闸管的型号晶闸管的型号 普通 快速型 双向型 逆导型 可关断 KP 电流 电压 100 例子 KP500 12 表示 500A 1200V的普通晶闸管 通态平均电压组别 正反向重复峰值电压 通态平均电流 普通型 闸流特性 第二讲 电力电子器件29 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 快速晶闸管快速晶闸管 Fast Switching Thyristor 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 第二讲 电力电子器件30 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 双向晶闸管双向晶闸管 Triode AC Switch TRIAC或 Bidirectional Triode Thyristor 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 a b I O U IG 0 G T1 T2 双向晶闸管 a 电气图形符号 b 伏安特性 第二讲 电力电子器件31 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 逆导晶闸管逆导晶闸管 Reverse Conducting Thyristor 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 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 a K G A b UO I IG 0 逆导晶闸管 a 电气图形符号 b 伏安特性 第二讲 电力电子器件32 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 光控晶闸管光控晶闸管 Light Triggered Thyristor 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 A G K a AK 光强度 强弱 b OU IA 光控晶闸管 a 电气图形符号 b 伏安特性 第二讲 电力电子器件33 4 典型的全控器件典型的全控器件 门极可关断晶闸管 GTO 电力晶体管 GTR 电力场效应晶体管 MOSFET 绝缘栅双极晶体管 IGBT 第二讲 电力电子器件34 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管 GTO 门极可关断晶闸管 Gate Turn Off Thyristor 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 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 c A G K GG K N1 P1 N2N2 P2 b a A G K GTO的内部结构 第二讲 电力电子器件35 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管 GTO 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 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 其中 1 2 1是器件临界 导通的条件 R NPN PNP A G S K EG IG EA IK Ic2 Ic1 IA V1 V2 P1 A G K N1 P2P2 N1 N2 a b 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 第二讲 电力电子器件36 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管 GTO GTO能够通过门极关断是因为其与普通晶闸 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 1 05 普通晶闸管 1 2 1 15 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GTO元阴极面积很小 门 阴极间距大为缩短 使得P2基区横向电阻很 小 能从门极抽出较大电流 总体归纳起来如下 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 GTO的工作原理 第二讲 电力电子器件37 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管 GTO GTO的动态特性的动态特性 开通过程开通过程 与普通晶闸管相同 关断过程关断过程 与普通晶闸管有所不 同 储存时间储存时间ts 使等效晶体管退出 饱和 下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间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 O t 0 t iG iA IA 90 IA 10 IA tttftstdtr t0t1t2t3t4t5t6 GTO的开通和关断过程电流波形 第二讲 电力电子器件38 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管 GTO GTO的主要参数 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 开通时间开通时间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 关断时间关断时间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 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流 电流关断增益电流关断增益 off IATO IGM 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 ATO off GM I I 第二讲 电力电子器件39 电力晶体管 电力晶体管 GTR 电力晶体管 Giant Transistor GTR 或耐高电压 大电流的双极结型晶体管 Bipolar Junction Transistor BJT 有时亦作Power BJT 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 第二讲 电力电子器件40 电力晶体管 电力晶体管 GTR 基本原理与普通的双极结型晶体管一样 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 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 ic ib 其中 为 为GTR的电流放大系数的电流放大系数 反映了 基极电流对集电极电流的控制能力 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 当考虑到集电极和发射极间的漏电流漏电流Iceo时 ic和ib的关系为 ic ib Iceo 直流电流增益直流电流增益hFE 在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比 一般可认为 hFE GTR的结构 电气图形符号和内部载流子的流动 第二讲 电力电子器件41 电力晶体管 电力晶体管 GTR 静态特性静态特性 共发射极接法时的典型 输出特性 截止区截止区 放 大区 放 大区和饱和区饱和区 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 截止区 放大区 饱和区 O Ic ib3 ib2 ib1 ib1 ib2 BUcex BUces BUcer Buceo 实际使用时 最高工作电压要比BUceo低得多 集电极最大允许电流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 第二讲 电力电子器件44 电力晶体管 电力晶体管 GTR GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿一次击穿 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 安全工作区 Safe Operating Area SOA 由最高电压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 SOA O Ic IcM PSB PcM UceU ceM GTR的安全工作区 第二讲 电力电子器件45 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 分为结型结型和绝缘栅型 绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型MOS型绝缘栅型MOS型 Metal Oxide Semiconductor FET 简称电力MOSFET Power MOSFET 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 Static Induction Transistor SIT 特点特点 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 N G S D P沟道 b N N S G D PP N N N 沟道 a G S D N沟道 电力MOSFET的结构 和电气图形符号 第二讲 电力电子器件46 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 导通时只有一种极性的载流子参与导电 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 不同的厂家采用了不同设计 电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道 耗尽型耗尽型 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沟道增强型沟道增强型 电力电力MOSFET的结构的结构 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 Vertical MOSFET 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 Vertical Double diffused MOSFET 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论 第二讲 电力电子器件47 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理 截止截止 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 导电导电 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 N G S D P沟道 b N N S G D PP N N N 沟道 a G S D N沟道 第二讲 电力电子器件48 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 静态特性静态特性 漏极电流ID和栅源间电 压UGS的关系称为 MOSFET的转移特性转移特性 ID较大时 ID与与UGS的关 系近似线性 曲线的斜 率定义为跨导跨导Gfs 0 10 20 30 50 40 2468 a 10 20 30 50 40 0 b 10 20 305040 饱和区 非 饱 和 区 截止区 ID A UT UGS V UDS V UGS UT 3V UGS 4V UGS 5V UGS 6V UGS 7V UGS 8V ID A 电力MOSFET a 转移特性 b 输出特性 第二讲 电力电子器件49 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFET漏极伏安特性漏极伏安特性 截止区截止区 对应GTR截止区 饱和区饱和区 对应GTR放大区 非饱和区非饱和区 对应GTR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 0 10 20 30 50 40 2468 a 10 20 30 50 40 0 b 1020 305040 饱和区 非 饱 和 区 截止区 ID A UT UGS V UDS V UGS UT 3V UGS 4V UGS 5V UGS 6V UGS 7V UGS 8V ID A 电力MOSFET a 转移特性 b 输出特性 第二讲 电力电子器件50 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 动态特性动态特性 开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td on 上升时间上升时间tr 开通时间开通时间ton 开通延迟 时间与上升时间之和 关断过程关断过程 关断延迟时间关断延迟时间td off 下降时间下降时间tf 关断时间关断时间toff 关断延迟 时间和下降时间之和 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 Rs RG RF RL iD uGS up iD信号 UE iD O O O up t t t uGS uGSP uT td on t r td off tf 第二讲 电力电子器件51 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFET的开关速度的开关速度 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 第二讲 电力电子器件52 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 跨导跨导Gfs 开启电压 开启电压UT td on tr td off 和和tf 漏极电压漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额 漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM 电力 MOSFET电流定额 栅源电压栅源电压UGS UGS 20V将导致绝缘层击穿 极间电容极间电容 极间电容CGS CGD和CDS 第二讲 电力电子器件53 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 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 gate Bipolar Transistor IGBT 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 第二讲 电力电子器件54 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管 IGBT IGBT结构结构 栅极G 集电极C和发射 极E 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 EG C N N a P N N P N N P 发 射 极 栅 极 集 电 极 注 入 区 缓 冲 区 漂 移 区 J3 J2 J1 G E C IDRN IC V J1 IDR on b G C c IGBT a 内部结构断面示意图 b 简化等效电路 c 电气图形符号 第二讲 电力电子器件55 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管 IGBT IGBT的原理的原理 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 导通导通 uGE大于开启电压开启电压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 第二讲 电力电子器件56 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 静态特性静态特性 O 有源区 正向阻断区 饱 和 区 反向阻断区 IC UGE th UGE O IC URM UFMUCE UGE th UGE增加 IGBT的转移特性和输出特性 a 转移特性 b 输出特性 输出特性输出特性 分为三个区域 正向阻断 区 有源区和饱和区 转移特性转移特性 IC与UGE间的关系 开启 电压 开启 电压UGE th 第二讲 电力电子器件57 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 动态特性动态特性 IGBT的开通过程的开通过程与MOSFET的 相似 开通延迟时间开通延迟时间td on 电流上升时间电流上升时间tr 开通时间开通时间ton uCE的下降过程分为tfv1和tfv2 两 段 其 中 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 t t t 10 90 10 90 U CE IC 0 O 0 UGEU GEM ICM U CEM tfv1tfv2 toffton tfi1tfi2 t d off t f t d on tr U CE on U GEM U GEM ICM ICM IGBT的开关过程 第二讲 电力电子器件58 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 动态特性动态特性 IGBT的关断过程的关断过程 关断延迟时间关断延迟时间td off 电流下降时间电流下降时间 关断时间关断时间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 t t t 10 90 10 90 U CE IC 0 O 0 U GE U GEM I CM U CEM t fv1 t fv2 toffton tfi1tfi2 t d off t f t d on tr U CE on U GEM U GEM I CM I CM IGBT的开关过程 第二讲 电力电子器件59 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管 IGBT IGBT的主要参数的主要参数 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定 最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗 IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点 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 输入阻抗高 输入特性与MOSFET类似 通态压降比VDMOSFET低 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 第二讲 电力电子器件60 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应 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 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 正偏安全工作区正偏安全工作区 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 反向偏置安全工作区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 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 第二讲 电力电子器件61 5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 MOS控制晶闸管MCT 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 功率模块与功率集成电路 第二讲 电力电子器件62 MOS控制晶闸管 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 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 第二讲 电力电子器件63 静电感应晶体管 静电感应晶体管 SIT SIT Static Induction Transistor 结型场效应晶体管 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 第二讲 电力电子器件64 静电感应晶闸管 SITH 静电感应晶闸管 SITH 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 Static Induction Thyristor 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 第二讲 电力电子器件65 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 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 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 第二讲 电力电子器件66 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 基本概念基本概念 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 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 称为功率集成电路功率集成电路 Power Integrated Circuit PIC 实际应用实际应用 高压集成电路高压集成电路 High Voltage IC 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 智能功率集成电路智能功率集成电路 Smart Power IC 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 智能功率模块智能功率模块 Intelligent Power Module 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 Intelligent IGBT 第二讲 电力电子器件67 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 发展现状发展现状 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 第二讲 电力电子器件68 6 电力电子器件的驱动概述电力电子器件的驱动概述 驱动电路驱动电路 将电力开关器件由关断状态变为导通导通 将器件的开通时间最小化 提供足够的驱动电力使电力开关器件保持导通 将电力开关器件由导通状态变为关断关断 将器件的关断时间最小化 提供偏置电能确保电力开关器件保持关断 当检测到过电压或过电流过电压或过电流时实现电力开关器件的保护保护 用于放大控制信号放大控制信号以满足驱动开关器件的电力要求 在有需要时提供电力开关器件和逻辑级信号处理电路 及控制电路之间的电气隔离 电气隔离 一般采用光隔离或磁隔 离 光隔离一般采用光耦合器光耦合器 磁隔离的元件通常是 脉冲变压器脉冲变压器 第二讲 电力电子器件69 电力电子器件的驱动概述电力电子器件的驱动概述 分类分类 按照驱动信号的性质分 可分为电流驱动型电流驱动型和电压驱 动型 电压驱 动型 驱动电路具体形式可为分立元件分立元件的 但目前的趋势是 采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路 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 第二讲 电力电子器件70 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 功能 功能 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晶闸管触发电路应满足 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 I IM t1t2t3t4 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 第二讲 电力电子器件71 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路 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 VD1和R3是为了V1 V2由 导通变为截止时脉冲变压器 TM释放其储存的能量而设 晶闸管基本触发电路 第二讲 电力电子器件72 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路 1 电流驱动型电流驱动型 GTO GTO的开通控制开通控制与普通晶闸 管相似 但对脉冲前沿的幅 值和陡度要求高