《电力电子应用技术》第三版 莫正康 第4章ppt课件.ppt

第四章全控型电力电子器件 电力电子器件种类繁多 按其开关控制性能可分为不控型器件 半控型器件和全控型器件 1 不控型器件为无控制端的二端器件 如电力二极管 其不具备可控开关性能 2 半控型器件为具有控制端的三端器件 但其控制端只能控制器件导通 即无自关断能力 3 全控型器件为具有控制端的三端器件 其控制端有控制器件开通和关断的双重功能 也称自关断器件 在全控型电力电子器件中 根据器件内部载流子参与导电的种类不同可分为三大类型 单极型 双极型和混合型 电力晶体管简称GTR或RJT 是一种双极型大功率高反压晶体管 具有控制方便 开关时间短 通态压降低 高频特性好等优点 一 GTR的结构及工作原理 GTR是由三层半导体材料两个PN结组成 有PNP和NPN两种结构 由于GTR的工作电流和功耗大 工作时出现与小信号晶体管不同的新问题 称为GTR的大电流效应 目前GTR器件的结构有单管 达林顿管和达林顿晶体管模块三大系列 单管GTR的电流增益较低 而达林顿结构是提高电流增益的有效方式 达林顿结构的GTR由两个或多个晶体管复合而成 可以是PNP型也可以是NPN型 其类型由驱动管决定 目前作为大功率开关应用最多的还是GTR模块 是由两只三级达林顿GTR及其辅助元件构成的单臂桥式电路模块 二 GTR的主要特性 GTR的特性可分为静态特性与动态特性 1 静态特性 在GTR的静态特性中 主要分析典型的双极型晶体管集电极输出特性 即集电极伏安特性UCE IC 输出特性分四个区 截止区I UBE 0 UBC 0 发射结 集电结均反偏 此时IB 0 GTR承受高电压 仅有极小的漏电流 放大区 UBE UBC 0 发射结正偏 集电结反偏 在该区内 集电极电流与基极电流呈线性关系 临界饱和区 UBE UBC 0 发射结正偏 集电结反偏 在该区内 IC与IB之间呈非线性关系 探饱和区 UBE UBC 0 发射结 集电结均正偏 2 动态特性 GTR的动态特性主要指开关特性 为减小开关时间 提高工作频率 应尽可能选择结电容小的GTR 提高基极驱动电流以加快充电速度 但驱动电流过大将增大tS 应用中常在基极电路中采用加速电容 三 GTR的极限参数 1 最高电压额定值 最高集电极电压额定值是指集电极的击穿电压 击穿电压的大小不仅与器件本身的特性有关 而且还取决于基极回路的接线方法 2 最大电流额定值 规定集电极最大工作电流ICM作为GTR的电流额定值 1 在大电流条件下使用GTR时 大电流效应会使GTR的电性能变差 甚至使管子损坏 因此ICM标定应当不引起大电流效应 通常规定 值下降到额定值的1 2 1 3时对应的IC为ICM值 2 在低电压范围内使用GTR时 必须考虑饱和压降对功率损耗的影响 这种情况下 以集电极量大耗散功率PCM的大小来确定ICM值 GTR工作时 通常IC只能用到ICM的一半左右 3 最大耗散功率 最大功耗额定值PCM是指GTR在最高允许结温时所对应的耗散功率 它受结温的限制 当结温达到允许的最大值TJM时 相应的功耗即为最大功耗PCM 则 式中RTJC 晶体管的热阻 oC W 要提高PCM 应提高TJM 降低环境温度和减小热阻 值得提醒的是 使用者应用上述参数以及后面所述器件的参数时 要特别注意测试条件与实际应用条件的差别 以保证器件的正确使用 四 GTR的二次击穿和安全工作区 GTR使用中 实际允许的功耗不仅由PCM决定 还要受二次击穿功率的限制 二次击穿现象 当集电极电压UCE渐增至BUCEO时IC急剧增加 出现一次击穿现象 BUCEO又称一次击穿电压 此时如有外接电阻限制电流增长 一般不会使GTR的特性变坏 但如不加限制地让IC继续增加 则晶体管上电压突然下降 出现负阻效应 导致破坏性的二次击穿 二次击穿现象在发射结正偏 IB 0 开路 IB 0 反偏 IB 0 三种状态下都可能发生 2 安全工作区 安全工作区是指使GTR能够安全运行的范围 简称SOA 分为正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区 正向偏置安全工作区a所示 反向偏置安全工作区b所示 五 GTR的驱动与保护 GTR基极驱动电路的作用是将输出的控制信号电流放大到足以保证GTR可靠开通和关断 1 GTR对基极驱动电路的要求 1 GTR开通时要采用强驱动 前沿要陡 并有一定的过饱和驱动电流 Ib1 以缩短开通时间 减小开通损耗 2 GTR导通后相应减小驱动电流 Ib2 使器件处于临界饱和状态 降低驱动功率减小存贮时间 3 GTR关断时要提供较大的反向基极电流 Ib3 迅速抽取基区的剩余载流子 缩短关断时间 4 实现主电路与控制电路间的电隔离 以保证电路的安全并提高抗干扰能力 5 具有快速保护功能 2 GTR基极驱动电路实例 UAA4002原理框图 该电路具有以下功能与特点 1 输入输出 2 限流 3 防止退饱和 4 导通时间间隔控制 5 电源电压监测 6 热保护 7 延时功能 8 输出封锁 门极可关断晶闸管简称GTO 是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件 目前GTO的生产水平已达到6000V 6000A 频率为1kHz 其研制水平可达到9000V 8000A 一 GTO的结构与工作原理 GTO结构原理与普通晶闸管相似 为PNPN四层三端半导体器件 GTO的外部引出三个电极 但内部却包含数百个共阳极的小GTO 这些小GTO称为GTO元 GTO元的阳极是共有的 门极和阴极分别并联在一起 这是为实现门极控制关断所采取的特殊设计 在等效晶体管PNP和NPN内形成如下正反馈过程 GTO的关断机理及关断方式说明如下 由于结构的不同 GTO又分为多种类型 目前用得较多的是逆阻GTO和阳极短路GTO两种 二 GTO的主要特性 1 阳极伏安特性 逆阻型GTO的阳极伏安特性它与普通晶闸管的伏安特性极其相似 目UDRM和URRM等术语的含义也相同 2 通态压降特性 3 开通特性 开通特性是元件从断态到通态过程中电流 电压及功耗随时间变化的规律 4 关断特性 三 GTO的主要参数 1 最大可关断阳极电流IATO 在实际应用中 可关断阳极电流IATO受如下因素的影响 门极关断负电流波形 阳极电压上升率 工作频率及电路参数的变化等 在应用中应予特别注意 2 关断增益 off 3 阳极尖峰电压UP 为减小UP 必须尽量缩短缓冲电路的引线 减小杂散电感 并采用快恢复二极管及无感电容 四 GTO门极驱动电路 1 理想门极信号波形 1 导通触发GTO在按一定频率的脉冲触发时 要求前沿陡 幅值高的强脉冲触发 2 关断触发 2 GTO驱动电路实例 功率场效应晶体管简称功率MOSFET 它是一种单极型电压控制器件 它具有自关断能力 且输入阻抗高 驱动功率小 开关速度快 工作频率可达 MHz 不存在二次击穿问题 安全工作区宽 一 功率MOSFET的结构与工作原理 功率MOSFET有多种结构型式 根据载流子的性质可分为P沟道和N沟道两种类型 它有三个电极 栅极G 源极 和漏极D 图中箭头表示载流子移动方向 二 功率MOSFET的主要特性 功率MOSFET的特性可分为静态特性和动态特性 输出特性和转移特性属静态特性 而开关特性则属动态特性 1 输出特性 输出特性也称漏极伏安特性 它是以栅源电压UGS为参变量 反映漏极电流ID与漏源极电压UDS间关系的曲线族 可调电阻区 UGS一定时 漏极电流ID与漏源极电压UDS几乎呈线性关系 当MOSFET作为开关器件应用时 工作在此区内 饱和区 在该区中 当UGS不变时 ID几乎不随UDS的增加而加大 ID近似为一常数 雪崩区 当漏源电压UDS过高时 使漏极PN结发生雪崩击穿 漏极电流ID会急剧增加 2 转移特性 转移特性是在一定的漏极与源极电压UDS下 功率MOSFET的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线 只有当UGS UGS th 时 器件才导通 UGS th 称开启电压 3 开关特性 功率MOSFET是一个近似理想的开关 具有很高的增益和极快的开关速度 功率MOSFET内寄生着两种类型的电容 一种是与MOS结构有关的MOS电容 如栅源电容CGS和栅漏电容CGD 另一种是与PN结有关的电容 如漏源电容CDS 输入电容Ciss输出电容Coss和反馈电容Crss是应用中常用的参数 它们与极间电容的关系定义为 关断时间toff可分为存储时间ts和下降时间tf两部分toff则由功率MOSFET漏源间电容CDS和负载电阻决定 通常功率MOSFET的开关时间为10 100ns 而双极型器件的开关时间则以微秒计 甚至达到几十微秒 三 功率MOSFET的主要参数 1 通态电阻Ron 通常规定 在确定的栅源电压UGS下 功率MOSFET由可调电阻区进入饱和区时的漏源极间直流电阻为通态电阻 它是影响最大输出功率的重要参数 在开关电路中它决定了输出电压幅度和自身损耗大小 2 开启电压UGS th 开启电压为转移特性曲线与横坐标交点处的电压值 又称阈值电压 在应用中 常将漏栅短接条件下ID等于1mA时的栅极电压定义为开启电压 UGS th 具有负温度系数 3 跨导gm 跨导定义为 即为转移特性的斜率 单位为西门子 gm表示功率MOSFET的放大能力 故跨导gm的作用与GTR中电流增益 相似 4 漏源击穿电压BUDS 漏源击穿电压BUDS决定了功率MOSFET的最高工作电压 它是为了避免器件进入雪崩区而设的极限参数 5 栅源击穿电压BUGS 栅源击穿电压BUGS是为了防止绝缘栅层因栅源电压过高而发生介质击穿而设定的参数 其极限值一般定为 20V 6 最大功耗PDM 功率MOSFET最大功耗为 7 漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM 四 功率MOSFET的安全工作区 功率MOSFET的安全工作区分为正向偏置安全工作区和开关安全工作区两种 1 正向偏置安全工作区 由四条边界极限所包围 漏源通态电阻Ron限制线 最大漏极电流IDM限制线 最大功耗 DM限制线和 最大漏源电压UDSM限制线 和GTR安全工作区相比有两点明显不同 一是功率MOSFET无二次击穿问题 故不存在二次击穿功率的限制 安全工作区较宽 二是功率MOSFET的安全工作区在低压区受通态电阻的限制 而不像GTR最大电流极限线一直延伸到纵坐标处 这是因为在这一区段内 由于电压较低 沟道电阻增加 导致器件允许的工作电流下降 图还示出了直流 DC 和脉宽分别为10ms及1ms三种情况的安全工作区 2 开关安全工作区 开关安全工作区SSOA SwitchSOA 表示功率MOSFET在关断过程中的参数极限范围 功率MOSFET的部分型号 五 功率MOSFET的栅极驱动电路 1 栅极驱动的特点及其要求 1 触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度 即脉冲前后沿要求陡峭 2 开通时以低电阻对栅极电容充电 关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路 以提高功率MOSFET的开关速度 3 为了使功率MOSFET可靠触发导通 触发脉冲电压应高于管子的开启电压 为了防止误导通 在其截止时应提供负的栅源电压 4 功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流 功率MOSFET的极间电容越大 在开关驱动中所需的驱动电流也越大 2 驱动电路实例 功率MOSFET的栅极驱动电路有多种形式 按驱动电路与栅极的连接方式不同可分为直接驱动和隔离驱动 1 直接驱动电路功率MOSFET的输入阻抗极高 一般小功率的TTL集成电路和CMOS电路就足以驱动功率MOSFET a中电阻R 以提高输出驱动电平的幅值 b为改进的快速开通驱动电路 c是推挽式驱动电路 2 隔离驱动电路隔离式栅极驱动电路根据隔离元件的不同可分为电磁隔离和光电隔离两种 电源Ucc1经电阻R3 二极管VD3和电容C加速网络向V2提供基极电流 使V2导通并由此将功率MOSFET的栅极接地 迫使MOS FET关断 3 集成式驱动电路目前 用于驱动功率MOSFET的专用集成电路较常用的是美国国际整流公司的IR2110 IR2115 IR2130芯片 IR2110是14引脚双列直插式大规模集成芯片 IR2110的保护功能包括输入逻辑保护及输出电源欠电压保护 输入逻辑保护是当功率电路发生过载 短路等故障时 检测保护电路的输出信号接入IR2110保护端 SD 高电平有效 芯片内部逻辑电路将上下通道的输入控制信号进行封锁 欠电压保护采取上下通道分别检测 IR2110通常用于驱动N沟道的功率MOSFET 其应用的典型连接如 六 功率MOSFET在使用中的静电保护措施 静电击穿有两种形式 一是电压型 二是功率型 防止静电击穿应注意 1 器件应存放在抗静电包装袋 导电材料袋或金属容器中 不能存放在塑料袋中 2 取用功率MOSFET时 工作人员必须通过腕带良好接地 且应拿在管壳部分而不是引线部分 3 接入电路时 工作白应接地 焊接的烙铁也必须良好接地或断电焊接 4 测试器件时 测量仪器和工作台都要良好接地 器件三个电极没有全部接入测试仪器前 不得施加电压 改换测试范围时 电压和电流要先恢复到零 绝缘栅双极晶体管简称IGBT 是20世纪80年代出现的新型复合器件 一 IGBT工作原理 IGBT是在功率MOSFET的基础上增加了一个P 层发射极 形成PN结J1 并由此引出集电极C 栅极G和发射极E 简化等效电路 IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的 栅极施以正电压时 MOSFET内形成沟道 并为PNP晶体管提供基极电流 从而使IGBT导通 二 IGBT主要特性 1 静态特性 IGBT的静态特性包括转移特性和输出特性 IGBT的转移特性是描述集电极电流IC与栅射电压UGE之间关系的曲线 2 动态特性 IGBT的动态特性也称开关特性 包括开通和关断两个部分 IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程 三 IGBT的锁定效应 IGBT内还存在一个寄生的NPN晶体管 它与作为主开关的PNP晶体管一起组成一个寄生的晶闸管 由于IC过大而产生的锁定效应称为静态锁定 四 IGBT的主要参数 1 集射极击穿电压BUCES2 开启电压UGE th 3 通态压降UCE on 4 最大栅射极电压UGES5 集电极连续电流IC和峰值电流ICM 五 IGBT的安全工作区 IGBT具有较宽的安全工作区 因IGBT常用于开关工作状态 开通时IGBT处于正向偏置 而关断时IGBT处于反向偏置 故其安全工作区分为正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区 六 IGBT的栅极驱动电路 1 IGBT对驱动电路的要求 1 提供适当的正反向输出电压 使IGBT能可靠地开通和关断 2 IGBT的开关时间应综合考虑 3 IGBT开通后 驱动电路应提供足够的电压 电流幅值 使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏 4 IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响 RG的选择原则是应在开关损耗不太大的情况下 选略大的RG RG的具体数值还与驱动电路的结构及IGBT的容量有关 一般在几欧 几十欧 小容量的IGBT其RG值较大 5 驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能 IGBT在使用中除了采取静电防护措施外 还必须注意以下事项 1 IGBT的控制 驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配 2 当G E端在开路的情况下 不要给G E端加电压 3 在未采取适当的防静电措施情况下 G E端不能开路 2 驱动电路实例 输入控制信号通过光耦合器B引入驱动电路 然后经MOS管VM放大后由推挽式电路V1和V2向IGBT提供栅极正 反向驱动电流 EXB841结构可分为三个部分 放大 过电流保护和5V基准电源 EXB841驱动模块的工作原理如下 开通过程 关断过程 保护动作 七 IGBT容量的选择 电压额定值 交流输入电压与IGBT额定电压的关系 2 电流额定值 八 IGBT与MOSFET和GTR的比较 九 智能型器件IPM IPM是IGBT智能化功率模块 它将IGBT芯片 驱动电路 保护电路和箝位电路等封装在一个模块内 不但便于使用而且大大有利于装置的小型化 高性能化和高频化 一 缓冲电路的作用 电力电子器件大多工作在开关状态 在开关过程中 电流在芯片中的不均匀分布会导致器件局部过流过热 特别在开关转换的瞬间 电路中各种储能元件能量的释放使器件受到很大的冲击 容易使器件损坏 由于器件工作在高频开关状态 开关损耗是影响电力电子器件正常运行的重要因素之一 缓冲电路实质上是一种开关辅助电路 利用它来减小器件在开关过程中产生的过电压 过电流 过热 du dt和di dt 以确保器件安全可靠运行 二 缓冲电路的基本类型与结构 缓冲电路之所以能减小开关损耗 关键在于将开关损耗由器件本身转移至缓冲电路 根据被转移能量的去向可将缓冲电路分为耗能式和馈能式缓冲电路 1 开通缓冲电路 一个完整的缓冲电路应含有开通缓冲和关断缓冲两部分 其基本设计思路是 在器件开通时使电流缓升 关断时使电压缓升 这样就能避免管子同时承受高电压与大电流 减小开关过程中的功率损耗 2 关断缓冲电路 关断缓冲电路是将电容并接于器件两端 利用电容上电压不能突变的原理来减小器件的du dt和抑制尖峰电压 3 复合缓冲电路 实际应用中 总是将关断缓冲电路与开通缓冲电路结合在一起 称为复合缓冲电路 三 缓冲电路的应用 IGBT的缓冲电路功能更侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制 这是由于IGBT的工作频率高达20 50kHz 因此很小的电路电感就可能引起很大的Ldi dt 从而产生过电压危及IGBT的安全 GTO的缓冲电路除用来抑制换相过电压 限制du dt 动态均压之外 还关系到GTO的可靠开通和关断 该电路的特点是 三只电容之间连线短 所以寄生电感小 三只电容都参与工作 利用率高 电路损耗较小 约为RCD电路损耗的40 值得注意的是 若缓冲电路中的二极管选择不当 在二极管反向恢复期会产生很高的尖峰电压 故必须选择快恢复二极管 一 静电感应晶体管SIT 静电感应晶体管简称SIT 是一种靠场效应引起元件中导电