4.1-4.3 典型全控型电力电子器件ppt课件

电力电子技术 全控型电力电子器件 学习目标1 掌握GT0 GTR 功率MOSFET IGBT四种常见全控型电力电子器件的工作原理 特性 主要参数 驱动电路及使用中应注意的问题 2 熟悉常见全控型电力电子器件各自特点以及适用场合 3 了解新型电力电子器件的概况 1 电力电子技术 第一节门极可关断晶闸管 GTO 一 GTO的结构与工作原理1 基本结构a 芯片的实际图形b GTO结构的纵断面c GTO结构的纵断面d 图形符号图4 1GTO的内部结构和电气图形符号 2 电力电子技术 GTO的外形图 3 电力电子技术 2 工作原理 图4 2GTO的工作原理电路当图中开关S置于 1 时 IG是正向触发电流 控制GTO导通 S置于 2 时 则门极加反向电流 控制GTO关断 4 电力电子技术 二 GTO的特性与主要参数 1 GTO的开关特性图4 3GTO在开通和关断过程中电流的波形 5 电力电子技术 2 GTO的主要参数 GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同 1 反向重复峰值电压URRM 不规定URRM值 URRM值很低 URRM略低于UDRM URRM UDRM URRM略大于UDRM 2 最大可关断阳极电流IATO GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个因素限制 阳极电流过大 内部晶体管饱和深度加深 使门极关断失效 所以GTO必须规定一个最大可关断阳极电流 也就是GTO的铭牌电流 3 关断增益 off最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益 off 即 6 电力电子技术 三 GTO的驱动与保护 1 GTO门极驱动电路对门极驱动电路的要求 1 正向触发电流iG 由于GTO是多元集成结构 为了使内部并联的GTO元开通一致性好 故要求GTO门极正向驱动电流的前沿必须有足够的幅度和陡度 正脉冲的后沿陡度应平缓 2 反向关断电流 iG 为了缩短关断时间与减少关断损耗 要求关断门极电流前沿尽可能陡 而且持续时间要超过GTO的尾部时间 还要求关断门极电流脉冲的后沿陡度应尽量小 图4 4较为理想的门极电压和电流波形 7 电力电子技术 2 GTO的驱动电路 a b 图4 5GTO门极驱动电路a 小容量GTO门极驱动电路b 较大容量GTO桥式门极驱动电路 8 电力电子技术 3 GTO的保护电路 a b c d 图4 6GTO的阻容缓冲电路图4 6为GTO的阻容缓冲电路 图4 6a只能用于小电流 图4 6b加在GTO上的初始电压上升率大 因而在GTO电路中不推荐 图4 6c与图4 6d是较大容量GTO电路中常见的缓冲器 其二极管尽量使用速度快的 并使接线短 从而使缓冲器电容效果更显著 9 电力电子技术 第二节电力晶体管 GTR 一 电力晶体管的结构与工作原理1 电力晶体管的结构a b 图4 7NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号a 内部结构b 电气图形符号 10 电力晶体管的外形图 电力电子技术 11 电力电子技术 2 工作原理 在电力电子技术中 GTR主要工作在开关状态 晶体管通常连接成共发射极电路 GTR通常工作在正偏 Ib 0 时大电流导通 反偏 Ib 0 时处于截止状态 因此 给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号 它将工作于导通和截止的开关状态 12 电力电子技术 二 电力晶体管的特性与主要参数 1 GTR的基本特性 1 静态特性共发射极接法时 GTR的典型输出特性如图4 8所示 可分为三个工作区 截止区 在截止区内 iB 0 uBE 0 uBC 0 集电极只有漏电流流过 放大区 iB 0 uBE 0 uBC 0 iC iB 饱和区 uBE 0 uBC 0 iCS是集电极饱和电流 其值由外电路决定 13 电力电子技术 2 动态特性图4 8GTR共发射极接法的输出特性图4 9GTR开关特性 14 电力电子技术 2 GTR的参数 1 最高工作电压 BUCBO 射极开路时 集 基极间的反向击穿电压 BUCEO 基极开路时 集 射极之间的击穿电压 BUCER GTR的射极和基极之间接有电阻R BUCES 发射极和基极短路 集 射极之间的击穿电压 BUCEX 发射结反向偏置时 集 射极之间的击穿电压 其中BUCBO BUCES BUCES BUCER BUCEO 实际使用时 为确保安全 最高工作电压要比BUCEO低得多 2 集电极最大允许电流ICM 3 集电极最大允许耗散功率PCM 4 最高工作结温TJM 15 电力电子技术 3 二次击穿和安全工作区 1 二次击穿二次击穿是由于集电极电压升高到一定值 未达到极限值 时 发生雪崩效应造成的 一般情况下 只要功耗不超过极限 GTR是可以承受的 但是在实际使用中 会出现负阻效应 使iE进一步剧增 由于GTR结面的缺陷 结构参数的不均匀 使局部电流密度剧增 形成恶性循环 使GTR损坏 2 安全工作区以直流极限参数ICM PCM UCEM构成的工作区为一次击穿工作区 如图4 10所示 16 电力电子技术 图4 10GTR安全工作区 17 电力电子技术 三 电力晶体管的驱动与保护 1 GTR基极驱动电路 1 对基极驱动电路的要求 由于GTR主电路电压较高 控制电路电压较低 所以应实现主电路与控制电路间的电隔离 在使GTR导通时 基极正向驱动电流应有足够陡的前沿 并有一定幅度的强制电流 以加速开通过程 减小开通损耗 如图4 11所示 GTR导通期间 在任何负载下 基极电流都应使GTR处在临界饱和状态 这样既可降低导通饱和压降 又可缩短关断时间 在使GTR关断时 应向基极提供足够大的反向基极电流 如图4 11波形所示 以加快关断速度 减小关断损耗 应有较强的抗干扰能力 并有一定的保护功能 图4 11GTR基极驱动电流波形 18 电力电子技术 2 基极驱动电路 图4 12实用的GTR驱动电路 19 电力电子技术 3 GTR的保护电路 a b c 图4 13GTR的缓冲电路图4 13a所示RC缓冲电路简单 对关断时集电极 发射极间电压上升有抑制作用 这种电路只适用于小容量的GTR 电流10A以下 图4 13b所示充放电型R C VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2 可以用于大容量的GTR 但它的损耗 在缓冲电路的电阻上产生的 较大 不适合用于高频开关电路 图4 13c所示阻止放电型R C VD缓冲电路 较常用于大容量GTR和高频开关电路 其最大优点是缓冲产生的损耗小 20 电力电子技术 第三节电力场效应晶体管 PowerMOSFET 一 电力MOSFET的结构电力MOSFET采取两次扩散工艺 并将漏极D移到芯片的另一侧表面上 使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过 这样有利于减小芯片面积和提高电流密度 a b 图4 14电力MOSFET的结构和符号a MOSFET元组成剖面图b 图形符号 21 电力MOSFET的外形图 电力电子技术 22 电力电子技术 2 电力MOSFET的工作原理 当漏极接电源正极 源极接电源负极 栅源极之间电压为零或为负时 P型区和N 型漂移区之间的PN结反向 漏源极之间无电流流过 如果在栅极和源极间加正向电压UGS 由于栅极是绝缘的 不会有电流 但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面 当uGS大于某一电压值UGS th 时 栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度 使P型反型成N型 沟通了漏极和源极 此时 若在漏源极之间加正向电压 则电子将从源极横向穿过沟道 然后垂直 即纵向 流向漏极 形成漏极电流iD 电压UGS th 称为开启电压 uGS超过UGS th 越多 导电能力就越强 漏极电流iD也越大 23 电力电子技术 二 电力MOSFET的特性 1 转移特性转移特性是指电力MOSFET的输入栅源电压uGS与输出漏极电流iD之间的关系 如图4 15a所示 由图可见 当uGS UGS th 时 iD近似为零 当uGS UGS th 时 随着uGS的增大 iD也越大 当iD较大时 iD与uGS的关系近似为线性 曲线的斜率被定义为跨导gm 则有 24 电力电子技术 二 电力MOSFET的特性 a b 图4 15电力MOSFET的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 25 电力电子技术 2 输出特性 输出特性是指以栅源电压uGS为参变量 漏极电流iD与漏源电压uDS之间关系的曲线 如图4 15b所示 截止区 uGS UGS th iD 0 这和电力晶体管的截止区相对应 饱和区 uGS UGS th uDS uGS UGS th 当uGS不变时 iD几乎不随uDS的增加而增加 近似为一常数 故称为饱和区 这里的饱和区对应电力晶体管的放大区 当用做线性放大时 MOSFET工作在该区 非饱和区 uGS UGS th uDS uGS UGS th 漏源电压uDS和漏极电流iD之比近似为常数 该区对应于电力晶体管的饱和区 当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区 26 电力电子技术 3 开关特性 a b 图4 16电力MOSFET的开关过程a 测试MOSFET开关特性的电路b 开关特性曲线 27 电力电子技术 2 电力MOSFET的主要参数 1 漏极电压UDS 即电力MOSFET的额定电压 选用时必须留有较大安全裕量 2 漏极最大允许电流IDM 即电力MOSFET的额定电流 其大小主要受管子的温升限制 3 栅源电压UGS 栅极与源极之间的绝缘层很薄 承受电压很低 一般不得超过20V 否则绝缘层可能被击穿而损坏 使用中应加以注意 总之 为了安全可靠 在选用MOSFET时 对电压 电流的额定等级都应留有较大裕量 4 极间电容 电力MOSFET极间电容包括CGS CGD和CDS 其中CGS为栅源电容 CGD是栅漏电容 是由器件结构中的绝缘层形成的 CDS是漏源电容 是由PN结形成的 28 电力电子技术 三 电力MOSFET的驱动与保护 1 电力MOSFET的驱动图4 18电力MOSFET的一种驱动电路 29 电力电子技术 三 电力MOSFET的驱动与保护 2 MOSFET的保护 1 防止静电击穿 在测试和接入电路之前器件应存放在静电包装袋 导电材料或金属容器中 将器件焊接时 工作台和烙铁都必须良好接地 焊接时烙铁应断电 在测试器件时 测量仪器和工作台都必须良好接地 注意栅极电压不要过限 2 防止偶然性振荡损坏器件 3 防止过电压 4 防止过电流 5 消除寄生晶体管和二极管的影响 30 电力电子技术 小结 是一种压控型器件 用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单 驱动功率小 单极型器件 开关时间短 开关速度快 工作频率高 不存在二次击穿电流容量小 耐压低 通态压降大 31 电力电子技术 第四节绝缘栅双极晶体管 IGBT 一 基本结构a b c 图4 191GBT的结构 简化等效电路和电气图形符号a 内部结构b 简化等效电路c 电气图形符号 32 IGBT的外形图 电力电子技术 33 电力电子技术 二 工作原理 IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同 它是一种压控型器件 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的 当uGE为正且大于开启电压uGE th 时 MOSFET内形成沟道 并为晶体管提供基极电流使其导通 当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时 MOSFET内的沟道消失 晶体管无基极电流 IGBT关断 PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT 记为N IGBT 其电气图形符号如图4 19c所示 对应的还有P沟道IGBT 记为P IGBT N IGBT和P IGBT统称为IGBT 由于实际应用中以N沟道IGBT为多 34 电力电子技术 三 1GBT的基本特性 a b 图4 201GBT的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 35 电力电子技术 三 1GBT的基本特性 图4 20a为IGBT的转移特性 它描述的是集电极电流iC与栅射电压uGE之间的关系 与功率MOSFET的转移特性相似 开启电压uGE th 是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 uGE th 随温度升高而略有下降 温度升高1 其值下降5mV左右 图4 20b为IGBT的输出特性 也称为伏安特性 它描述的是以栅射电压为参考变量时 集电极电流iC与集射极间电压uCE之间的关系 此特性与GTR的输出特性相似 不同的是参考变量 IGBT为栅射电压uGE GTR为基极电流iB IGBT的输出特性也分为三个区域 正向阻断区 有源区和饱和区 这分别与GTR的截止区 放大区和饱和区相对应 此外 当uCE 0时 IGBT为反向阻断工作状态 在电力电子电路中 IGBT工作在开关状态 因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换 36 电力电子技术 三 1GBT的基本特性 动态特性 图4 211GBT的开关过程 37 电力电子技术 四 主要参数 集电极 发射极额定电压UCES 这个电压值是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规定的 是栅极 发射极短路时IGBT能承受的耐压值 即UCES值小于或等于雪崩击穿电压 栅极 发射极额定电压UGES IGBT是电压控制器件 靠加到栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断 而UGES就是栅极控制信号的电压额定值 目前 IGBT的UGES值大部分为 20V 使用中不能超过该值 额定集电极电流ICS 该参数给出了IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流 38 电力电子技术 五 IGBT的擎住效应和安全工作区 在IGBT内部寄生着一个N PN 晶体管和作为主开关器件的P N P晶体管组成的寄生晶体管 一旦J3开通 栅极就会失去对集电极电流的控制作用 导致集电极电流增大 造成器件功耗过高而损坏 这种电流失控的现象 被称为擎住效应或自锁效应 引发擎住效应的原因 可能是集电极电流过大 静态擎住效应 也可能是最大允许电压上升率duCE dt过大 动态擎住效应 温度升高也会加重发生擎住效应的危险 根据最大集电极电流 最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围 即正向偏置安全工作电压 FBSOA 根据最大集电极电流 最大集射极间电压和最大允许电压上升率可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围 即反向偏置安全工作电压 RBSOA 39 电力电子技术 六 IGBT的驱动 1 对驱动电路的要求 IGBT是电压驱动的 具有2 5 5 0V的阈值电压 有一个容性输入阻抗 因此IGBT对栅极电荷非常敏感 故驱动电路必须很可靠 保证有一条低阻抗值的放电回路 即驱动电路与IGBT的连线要尽量短 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电 以保证栅极控制电压uGE有足够陡的前后沿 使IGBT的开关损耗尽量小 另外 IGBT开通后 栅极驱动源应能提供足够的功率 使IGBT不退出饱和而损坏 驱动电路中的正偏压应为12 15V 负偏压应为 2 10V IGBT多用于高压场合 故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离 驱动电路应尽可能简单实用 具有对IGBT的自保护功能 并有较强的抗干扰能力 若为大电感负载 IGBT的关断时间不宜过短 以限制di dt所形成的尖峰电压 保证IGBT的安全 40 电力电子技术 六 IGBT的驱动 2 驱动电路在用于驱动电动机的逆变器电路中 为使IGBT能够稳定工作 要求IGBT的驱动电路采用正负偏压双电源的工作方式 为了使驱动电路与信号电隔离 应采用抗噪声能力强 信号传输时间短的光耦合器件 基极和发射极的引线应尽量短 基极驱动电路的输入线应为绞合线 其具体电路如图4 22所示 41 电力电子技术 七 IGBT保护 因为IGBT是由MOSFET和GTR复合而成的 所以IGBT的保护可按GTR MOSFET保护电路来考虑 主要是栅源过电压保护 静电保护 采用R C VD缓冲电路等等 另外 也应在IGBT电控系统中设置过压 欠压 过流和过热保护单元 以保证安全可靠工作 应该指出 必须保证IGBT不发生擎住效应 具体做法是使IGBT使用的最大电流不超过其额定电流 42 电力电子技术 第五节其他新型电力电子器件 一 集成门极换流晶闸管 IGCT 集成门极换流晶闸管IGCT IntegratedGateCommutatedThyristor 是1996年问世的一种新型半导体开关器件 IGCT是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的 门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件 它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降 而且有与IGBT相同的开关性能 即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果 是一种较理想的兆瓦级 中压开关器件 非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路 43 电力电子技术 二 MOS控制晶闸管 MCT 1 MCT的结构与工作原理MCT是在晶闸管结构基础上又制作了两只MOSFET 其中用于控制MCT导通的那只MOSFET称为开通场效应晶体管 ON FET 用于控制阻断的那只MOSFET称为关断场效应晶体管 OFF FET 根据开通场效应晶体管的沟道类型不同 可分为P MCT和N MCT a b 图4 24P MCT单胞的等效电路及图形符号 44 电力电子技术 二 MOS控制晶闸管 MCT 由图4 24可见 MCT的电极和晶闸管一样也是阳极A 阴极K和门极G 但MCT是电压控制器件 晶闸管的控制信号加在门极与阴极两端 而MCT控制信号是加在门极与阳极两端 当门极G相对于阳极A加负电压脉冲时 ON FET导通 当门极相对于阳极加正电压脉冲时 OFF FET导通 PNP晶体管的基极电流经OFF FET流向阳极 使PNP管截止 从而破坏了晶闸管的正反馈 使MCT关断 一般使MCT导通的负脉冲电压为 5 15V 使MCT关断的正脉冲电压为 10 20V 45 电力电子技术 三 静电感应晶体管SIT SIT器件在结构设计上能方便地实现多胞合成 SIT的单元胞结构如图4 26所示 a 单元胞结构b 电气图形符号图4 26SIT的原理结构及其电气图形符号 46 电力电子技术 静电感应晶体管SIT的控制 SIT的开通和关断机理可以用沟道夹断机理来说明 如图4 26a所示 两个门极区之间形成一个沟道 当门源电压为零 也即门源极短路时 门源结形成的耗尽层不可能在沟道中心相遇 因而电子流不会被夹断 当门源之间加负电压 也即门源结处于反向偏置时 门源间PN结耗尽区的宽度增加 特别是uGS UGS off 时 耗尽层在沟道中心相遇 沟道中的电流即被夹断 这就是SIT的关断原理 UGS off 称为夹断电压 SIT的漏极电流不但受门极电压控制 同时也受漏极电压的控制 这种情况与真空三极管非常相似 因此 SIT呈现类似真空三极管的特性 47 电力电子技术 四 静电感应晶闸管SITH SITH是在SIT基础上发展起来的新型电力电子器件 SITH的单元胞结构如图4 27所示 由图可以看出其结构与SIT的差别仅在于将漏极的N 区换成了P 区 显然在阳极处多了一个P N结 栅极的控制方式也与SIT类似 所不同的是器件通态时 在漂移区产生很强的电导调制效应 在开态呈现与整流器类似的特性 其正 反向工作时都具有阻断能力 故又称为场控晶闸管 a 单元胞结构b 电气图形符号图4 27SITH的结构及其电气图形符号 48 电力电子技术 静电感应晶闸管SITH的特点 SITH是大功率场控开关器件 与晶闸管和GTO相比 它有许多优点 例如SITH的通态电阻小 通态电压低 开关速度快 开关损耗小 正向电压阻断增益高 开通和关断的电流增益大 di dt及du dt的耐压高 近几年SITH发展很快 目前SITH的产品容量已达到100A 2500V 2200A 450V 400A 4500V 由于SITH的工作频率可达100kHz以上 所以在高频感应加热电源中 SITH可取代传统的真空三极管 49 电力电子技术 五 功率集成电路PIC PIC应用可以分为三个领域 低压大电流PIC 主要用于汽车点火 开关电源和同步发电机等 高压小电流PIC 主要用于平板显示 交换机等 高压大电流PIC 主要用于交流电动机控制 家用电器等 50 电力电子技术 1 PIC的典型构成 图4 28功率集成电路的典型构成 51 电力电子技术 2 PIC的分类与发展 功率集成电路还可分为智能功率集成电路 SPIC 和高压功率集成电路 HVIC 两类 SPIC是指一个 或几个 具有纵形结构的功率器件与控制和保护电路的集成 HVIC是由多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路集成在一块芯片上 其功率器件是横向的 处理电流能力较低 随着半导体技术的发展和工艺技术的进步 PIC发展的动向必然是高压化 100 1200V 和智能化 同时 随着芯片制造技术的改进及成本的降低 单片化 模块化成为今后的发展方向 52 电力电子技术 3 SPIC的基本功能 SPIC的三个基本功能是功率控制 传感 保护和接口 功率控制部分具有处理高电压大电流或两者兼有的能力 其驱动电路一般设计成能在直流30V下工作 这样才能对MOS器件的栅极提供足够的电压 另外 驱动电路必须能使控制信号传递到高压侧 IC的保护电路一般通过含有高频双极晶体管的反馈电路来完成 反馈环路的响应时间对于良好的关断是很关键的 由于在发生故障期间系统电流以很快的速度增加 因此这一部分需要由高性能模拟电路实现 SPIC的接口功能是通过完成编码操作的逻辑电路来实现的 IC片不仅需要对微处理器的信号作出反应 而且必须传送与工作状态或负载检测有关的信息 如过热关断 无负载等 53 电力电子技术 六 智能功率模块 1PM 智能功率模块IPM IntelligentPowerModule 是电子集成电路PIC