电力电子器件(12)

1,第二章电力电子器件Chapter1PowerElectronicDevices,2,本章主要内容,电力电子器件的概念，特点和分类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的问题电力二极管晶闸管全控型器件了解各种器件的结构和工作原理重点掌握各种器件的动态特性、主要参数以及如何选择,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,3,2.1电力电子器件概述Introductoryoverviewofpowerelectronicdevies,4,Theconceptofpowerelectronicdevices,电力电子器件：用于处理电能的主电路中实现电能的变换或控制的器件。,Powerelectronicdevicesaretheelectronicdevicesthatcanbedirectlyusedinthepowerprocessingcircuitstoconvertorcontrolelectricpower.,5,Theconceptofpowerelectronicdevices,电力电子器件Powerelectronicdevices电真空器件Vacuumdevices汞弧整流器Mercuryarcrectifier闸流管thyratron,etc.Seldominusetoday半导体器件SemiconductordevicesmajorpowerelectronicdevicesVeryoften:Powerelectronicdevices=PowersemiconductordevicesMajormaterialusedinpowersemiconductordevicesSilicon,6,电力电子器件的特征,Featuresofpowerelectronicdevices,电力电子器件直接用于处理电能，有特征：处理功率能力远大于处理信息类器件处理功率的能力，可从毫瓦级到兆瓦级；工作在开关状态处理功率大，减小本身的损耗；需信息电子电路控制，中间加驱动放大电路；器件损耗大，器件设计和封装方面必须考虑散热，工作时还必须考虑散热器。,7,理想电力电子开关,开关处于关断状态Off-state时能承受高的端电压，并且漏电流为零。开关处于导通状态On-state时能流过大电流，且端电压（导通压降）为零。导通、关断切换时所需开关时间为零。小信号也能导通、关断，对信号的延迟时间为零。反复开关不老化。,8,电力电子器件的损耗,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on-stateloss,断态损耗off-stateloss,开关损耗Switchingloss,关断损耗turn-offloss,开通损耗turn-onloss,Powerlossesonpowersemiconductordevices,9,应用电力电子器件的系统组成,电力电子系统：由控制电路(controlcircuit)、驱动电路(drivecircuit)、保护电路(protectioncircuit)和以电力电子器件为核心的主电路(powercircuit)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,电气隔离Electricisolation,控制电路,10,电力电子器件的分类,按照电力电子器件的开关控制能力分不可控器件(Uncontrollabledevice)半控型器件(Half-controllabledevice)全控型器件(Fully-controllabledevice),Classificationofpowerelectronicdevices,11,不可控器件(Uncontrollabledevice),不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。两个端子，器件通断由它在主电路中承受的电压和电流决定。单向导电。典型器件：功率二极管（PowerDiode）。,onlytwoterminalsandcannotbecontrolledbycontrolsignal.Theonandoffstatesofthedevicearedeterminedbythepowercircuit.,12,半控型器件(Half-controllabledevice),可控制器件开通但不能控制关断，控制端在器件导通后失去控制能力，即无法通过控制端来关断器件，器件关断决定于外部条件，即器件在主电路中承受的电压和电流。Half-controlleddeviceisturned-onbyacontrolsignalandturned-offbythepowercircuit三端器件。典型器件：晶闸管（Thyristor）及派生器件。,13,全控型器件(Full-controllabledevice),既能控制开通，又能控制关断，又叫自关断器件。Theonandoffstatesofthedevicearecontrolledbycontrolsignals.常用的有功率场效应管（PowerMOSFET）绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）门极可关断晶闸管（GTO）等。,14,其它分类方法Otherclassifications,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质不同划分,电流控制型器件Current-driven(current-controlled)devices通过向控制端注入或从控制端抽出电流实现器件的开通、关断。电压控制型器件Voltage-driven(voltage-controlled)devices(Field-controlleddevices)器件的开通、关断控制是通过加在控制端与公共端之间的电压来实现的，又叫场控型器件或场效应器件。电压控制型器件需要的控制极驱动功率要小得多。,15,其它分类方法Otherclassifications,按照器件内部载流子的类型分类,单极型UnipolardevicesMajoritycarrierdevices双极型BipolardevicesMinoritycarrierdevices复合型Compositedevices,16,单极型Unipolardevices,一种载流子（一般为多数载流子）参与导电的器件。如功率场效应管，静电感应晶体管（SIT）。特点：只有多数载流子导电，无少子存储效应，开通关断时间短，典型值为20ns。以功率场效应管为例，小容量器件工作频率可达500kH。输入阻抗很高，通常大于40兆欧，电压控制型。电流有负温度系数，不易产生局部热点，二次击穿可能性极小。通态压降高，电压和电流额定值比双极型器件小。适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备。,17,双极型Bipolardevices,电子和空穴两种载流子都参与导电。如晶闸管、GTO等。特点：通态压降较低。阻断电压高。电压和电流额定值较高，适用于大中容量的变流设备。,18,复合型Compositedevices,由单极型器件和双极型器件组合而成，如IGBT。特点：既有晶闸管、GTO等双极型器件的电流密度高、导通压降低等优点，又具有功率场效应管等单极型器件的输入阻抗高、响应速度快的特点，是一类综合性能较好、具有发展前途的电力电子器件。,19,2.2不可控器件(Uncontrollabledevice)电力二极管PowerDiode,结构和原理简单，工作可靠，快恢复和肖特基二极管，分别在中、高频整流、逆变及低压高频整流场合，有不可替代的地位。功率二极管主要作整流、续流和隔离等。,整流二极管及模块,20,电力二极管PowerDiode,结构和原理与信息电子电路二极管一样。一个面积较大的PN结和两端引线封装组成。外形：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,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),c),A,K,Structure,Symbol,Anode,Cathode,Appearance,21,PNJunction,PN结：N型半导体(N-typesemiconductor)和P型半导体结合成扩散(diffusion)空间电荷建立内电场或自建电场，阻止扩散漂移(drifting)稳定的空间电荷区或耗尽层，阻挡层，势垒区。,22,电导调制效应ConductivityModulation,结导通，流过较小电流时，电阻主要为基底低掺杂区的欧姆电阻，为常量，此时管压降随电流上升增加。结流过较大电流时，注入并积累在低掺杂区的少子空穴浓度很大，为维持半导体中性，多子浓度也增大，电阻率下降，即电导调制效应。此时压降左右，低阻状态。电导调制效应的存在，可允许器件流过较大电流。,23,二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,PN结的状态,电力二极管的工作原理,24,电力二极管的工作原理,PN结电荷量随外加电压变化，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(Potentialbarriercapacitor)CB和扩散电容(Diffusioncapacitor)CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。,PN结的结电容,Junctioncapacitor,25,电力二极管和信息二极管不同的因素：正向导通时流过大电流，电流密度大，额外载流子注入水平高，电导调制效应明显。引线和焊接电阻压降有明显影响。电流变化率di/dt较大，引线和器件自身的电感效应有较大影响。为提高反向耐压，掺杂浓度低，造成正向压降较大，1V左右，一般的为0.7V。,电力二极管的工作原理,26,电力二极管的基本特性,主要指其伏安特性I-Vcharacteristic门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电压即为正向压降UF。反向时，只有漏电流。,图1-4电力二极管的伏安特性,静态特性Staticcharacteristics,27,电力二极管的基本特性,动态特性Switching(dynamic)characteristics,偏值状态改变时的过渡过程。电压电流特性随时间变化。由于结电容的存在。,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。,28,电力二极管的动态特性,关断过程须经短暂时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断前有较大反向电流，并伴随明显反向电压过冲。,图1-5(b)关断过程,Turn-offtransient,Reverse-recoveryprocess:Reverse-recoverytime,reverse-recoverycharge,reverse-recoverypeakcurrent.,29,电力二极管的动态特性,正向压降先出现过冲UFP，经一段时间趋于稳态压降的某个值（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,开通过程：,Turn-ontransient,forward-recoverytime,30,电力二极管的主要参数,正向平均电流（额定电流）AveragerectifiedforwardcurrentIF(AV)定义：功率二极管长期运行时，在指定的管壳温度（即壳温）和散热条件下，结温稳定且不超过所允许的最高工作结温，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，即为正向平均电流。将此电流值取规定系列的电流等级值，即为元件的额定电流。,Specificationsofpowerdiode,31,电力二极管的主要参数,注意：正向平均电流按照发热条件定义。使用时，应按电流有效值相等原则选取，并留裕量。工作频率较高时，不能忽略开关损耗。采用反向漏电流较大的管子，应考虑断态损耗。,Specificationsofpowerdiode,换算关系：正弦半波电流有效值和平均值IF(AV)比：,32,电力二极管的主要参数,正向压降定义：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。有时也指在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时功率二极管的最大瞬时正向压降。,ForwardvoltageUF,Specificationsofpowerdiode,33,电力二极管的主要参数,反向重复峰值电压URRM定义：二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压UB的2/3。一般按电路中二极管可能承受的最高峰值电压的两倍选取。最高工作结温TJM结温TJ是pn结的平均温度。最高工作结温指在pn结不损坏前提下所能承受的最高平均温度TJM，通常在125C-175C。,Peakrepetitivereversevoltage,Maximumjunctiontemperature,34,电力二极管的主要参数,反向恢复时间指功率二极管由导通到关断时，从正向电流过零到反向电流下降到峰值的25%时的时间间隔。它与反向电流上升率、结温及正向导通时的最大正向电流有关。浪涌电流IFSM指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。一般用额定正向平均电流的倍数和相应的浪涌时间（工频周波数）来规定。,Reverse-recoverytimetrr,35,电力二极管的主要类型,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分类。,整流二极管(RectifierDiode)快恢复二极管（FastRecoveryDiode）肖特基二极管（SchottkyDiode）,36,即整流二极管（RectifierDiode）；多用于频率不高（1kHz以下）的整流电路；反向恢复时间较长,5微秒以上；正向电流定额和反向电压定额高。,普通二极管(GerneralPurposeDiode),37,快恢复二极管(FastRecoveryDiode),恢复过程短，特别是反向恢复过程较短（在5微秒以下）；分为快速恢复和超快速恢复。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长；后者则在100ns以下，甚至达到20-30ns。,38,肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode),以金属和半导体接触形成的势垒为基础的为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）,简称肖特基二极管。优点：反向恢复时间很短（10-40ns）；正向恢复过程无有明显电压超调；反向耐压较低时正向压降小，明显低于快恢复二极管。因此，开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小。缺点：反向耐压提高时，正向压降会高得无法接受反向漏电流较大且对温度敏感。多用于200V以下的场合；,39,常用电力二极管型号及主要参数,常用电力二极管型号额定正向反向重复反向电流正向平恢复时间平均电流A峰值电压均电压usZP1-40001-4000A50-5000V1-40mA0.4-1V10uSZP3-20003-2000A100-4000V1-40mA0.4-1V10uS快恢复二极管（美国MOTOROLA）MR86750A600V50uA1.4VIG,反向特性类似二极管。反向阻断时，只有极小反相漏电流。反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。,57,晶闸管的动态特性,Switchingcharacteristics,开通过程tgt延迟时间td(0.51.5s)上升时间tr(0.53s)开通时间为以上两者之和，tgt=td+tr,58,晶闸管的动态特性,Switchingcharacteristics,100%,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,图1-9晶闸管的开通和关断过程波形,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普通晶闸管的关断时间约几百微秒,59,晶闸管的主要参数Specificationsofthyristor,电压定额断态不重复峰值电压（PeakNon-repetitiveForwardblockingVoltage）反向不重复峰值电压(PeakNon-repetitiveReverseblockingVoltage)断态重复峰值电压UDRM（PeakRepetitiveForwardBlockingVoltage）反向重复峰值电压URRM(PeakRepetitivePeakReverseVoltage)额定电压（VoltageRating）通态平均电压（AverageVoltageDrop）,60,门极开路，晶闸管额定结温时，管子阳极电压升到正向转折电压之前，即管子正向漏电流开始急剧增大，伏安特性曲线急剧弯曲处，此时对应的阳极电压称为断态不重复峰值电压。此电压不可连续施加且持续时间不大于10ms的最大脉冲电压，且一般小于转折电压。晶闸管承受的电压若超过断态不重复峰值电压几次即会损坏报废。,断态不重复峰值电压,61,反向不重复峰值电压,门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应反向漏电流开始急剧增大的电压值称为反向不重复峰值电压。该电压是不可连续施加且持续时间不大于10ms的反向最大脉冲电压。当晶闸管承受反向电压超过此值一次即可发生破坏性击穿而损坏。,62,断态重复峰值电压和反向重复峰值电压,断态不重复峰值电压的80%为断态重复峰值电压。该电压是晶闸管门极开路时，可以连续施加、重复频率为每秒50次、持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。反向不重复峰值电压的80%为反向重复峰值电压。该电压是晶闸管门极开路时，可以连续施加、重复频率为每秒50次、持续时间不大于10ms的反向最大脉冲电压。,63,额定电压,断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中小的数值，按标准电压等级取整，为晶闸管额定电压。晶闸管工作时，外加电压峰值瞬时超过不重复峰值电压，即可造成永久性损坏，且由于环境温度升高或散热不良，均可能使正反向转折电压下降。因而选晶闸管额定电压应为其正常工作峰值电压的-倍，作为安全裕量。,64,通态平均电压,晶闸管通以额定通态平均电流，待结温稳定时，阳极与阴极之间电压降的平均值定义为通态平均电压，通称管压降。根据通态平均电压的不同数值，将其分成几组。选用时应尽量选择值小的晶闸管，以便减少管的损耗和发热。,65,晶闸管的主要参数Specificationsofthyristor,电流定额通态平均电流IT（AV）（ConductingAverageCurrent）维持电流IH(HoldingCurrent)擎住电流IL(LatchingCurrent)断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR浪涌电流ITSM(SurgeCurrent),66,通态平均电流,环境温度+40和规定冷却条件下，晶闸管在阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170电路中，结温稳定并不超过额定结温时，允许通过的最大平均电流。此电流按晶闸管标准电流系列取相应等级，为额定电流。注意：晶闸管额定电流按正向电流造成器件本身的通态损耗发热效应来定义的。使用时应按实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等原则选晶闸管额定电流，并考虑一定裕量。一般取1.5-2倍。,67,波形系数：任一含有直流分量的电流波形，电流有效值I与平均值Id之比，即,通态平均电流,正弦半波电流的波形系数计算：设该正弦波峰值电流为，则其通态平均电流为：,根据有效值的定义，其有效值为：,故正弦半波电流的波形系数是：,68,通态平均电流,额定电流为100A的晶闸管，允许通过电流有效值为157A；相同平均值而波形不同的电流，因波形系数不同而有效值不同，流经同一晶闸管时发热也不相同，根据有效值相等发热相同的原理，将非正弦半波电流平均值Id折算成等效的正弦半波电流的平均值IT，即,69,通态平均电流,额定电流为100A的晶闸管，只有在正弦半波电流情况下，允许通过的平均值才是100A，其它情况下，允许通过的电流平均值都不是100A。当时，由于折算的等效平均电流IT将大于实际的平均电流Id，故该管允许通过的实际的平均电流Id应小于100A；反之允许通过的平均电流Id可大于100A。考虑一定裕量：,70,维持电流,晶闸管被触发导通后，在室温和门极开路条件下，晶闸管从较大通态电流到恰能、保持其导通的最小阳极电流，称维持电流IH。维持电流的大小与晶闸管结温有关，结温越高，维持电流越小。维持电流大的管子容易关断。同一型号的晶闸管，其维持电流也各不相同。,71,擎住电流和浪涌电流,擎住电流IL:晶闸管加上触发电压后，从阻断状态刚转为导通状态时就去掉触发电压。在这种情况下要保持晶闸管导通所需要的最小阳极电流，称为擎住电流IL。对同一个晶闸管来说，通常其擎住电流要大于维持电流。,浪涌电流ITSM:在规定条件下，工频正弦波半周期内所允许的最大过载峰值电流。,72,晶闸管的主要参数Specificationsofthyristor,动态参数,断态电压临界上升率du/dt(CriticalRateofRiseofOff-StateVoltage),通态电流临界上升率di/dt(CriticalRateofRiseofOn-StateCurrent),73,通态电流临界上升率,规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率。晶闸管电流上升率太大，会造成局部过热而使晶闸管损坏。,74,晶闸管关断时电压变化率超过此值，可能使晶闸管误导通。,断态电压临界上升率,额定结温和门极开路条件下，使元件保持断态所能承受的最大电压上升率，一般用每微秒若干伏表示。,75,晶闸管的派生器件Thefamilyofthyristors,快速晶闸管FastswitchingthyristorFST双向晶闸管TriodeACswitchTRIACBi-directionaltriodethyristor逆导晶闸管Reverse-conductingthyristorRCT光控晶闸管Light-triggered(activited)thyristorLTT,76,快速晶闸管,普通快速晶闸管：可应用于400Hz的斩波或逆变电路中。高频晶闸管：可应用于10kHz以上斩波或逆变电路中。管芯结构和制造工艺进行改进，快速晶闸管的开关时间及du/dt和di/dt的耐量都有明显改善。关断时间：普通晶闸管为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管为10微秒左右。缺点：电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。,77,双向晶闸管,一对反并联的普通晶闸管的集成。两个主电极T1和T2，一个门极G。一、三象限有对称伏安特性。,78,双向晶闸管,与一对反并联晶闸管相比经济，且控制电路简单，在交流调压、固态继电器（SolidStateRelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多。用有效值来表示其额定电流值由于双向晶闸管通常在交流电路中，因此不用平均值。,79,逆导晶闸管,a),K,G,A,晶闸管反并联一二极管制作在同一管芯上。正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温。,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,80,光控晶闸管,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，利用一定波长的光照信号触发导通。保证主电路与控制电路之间绝缘，避免电磁干扰。用在高压大功率场合。,81,流经晶闸管的电流波形如图所示。试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流平均值和最大值是多少？解：电流平均值：电流有效值：,例题2-1,82,波形系数：100A的晶闸管允许通过的电流平均值：电流最大值：注：kf=I/Id1.57IT=kfId,例题2-1,83,2.4典型全控型器件Typicalfully-controlleddevices,门极可关断晶闸管(Gato-Turn-offThyristor-GTO)电力晶体管(GiantTransisitor-GTR)电力场效应晶体管(PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor-FET)绝缘栅极双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor-IGBT),84,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,85,门极可关断晶闸管GTO,晶闸管的一种派生器件；可通过在门极施加负脉冲电流关断；电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,86,门极可关断晶闸管GTO的结构,四层三端，阳极、阴极和门极三个电极。多元集成器件，由数百个共阳极的小GTO单元组成，为便于实现门极控制关断特殊设计。,87,门极可关断晶闸管GTO的工作原理,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。,当，器件临界导通，不能维持饱和导通关断，两个晶体管过饱和，器件导通普通晶闸管，两互补的等效晶体管处于深度饱和状态,88,门极可关断晶闸管GTO的特殊结构,特点：较大，NPN管控制灵敏，使GTO易关断结构设计时，使更接近于1，普通晶闸管一般为，GTO设计为，更接近于临界饱和，为门极关断提供有利条件。缺点：未进入深饱和，器件导通压降大。多元集成结构，阴极面积小，门、阴极间距离短，P2基区横向电阻小，从门极抽出较大电流成为可能。多元集成结构使GTO开通过程快，承受di/dt能力强。,89,门极可关断晶闸管GTO的动态特性,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,图1-14GTO的开通和关断过程电流波形,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。,90,SpecificationsofGTO,最大可关断阳极电流IATO,电流关断增益off,off一般很小，5左右，这是GTO的一个主要缺点。,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）,91,SpecificationsofGTO,延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间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2s。,关断时间toff,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。,92,电力晶体管GTR,GiantTransistorGTR，巨型晶体管。耐高压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistorBJT），也称PowerBJT。20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,93,与普通的双极结型晶体管基本原理一样；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。,StructuresofGTR,94,PhysicsofGTRoperation,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GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流控制能力,95,PhysicsofGTRoperation,考虑漏电流Iceo，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo单管GTR的值比小功率晶体管小得多，为10左右，达林顿接法可增大电流增益。,96,StaticcharacteristicsofGTR,共发射极接法输出特性：截止区、放大区和饱和区。工作在开关状态。开关过程中，要经过放大区。,图1-16共发射极接法时GTR的输出特性,97,SwitchingcharacteristicsofGTR,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：增大基极驱动电流的幅值和di/dt。上升时间主要是由于基区电荷储存需要时间造成的，增大基极驱动电流的幅值和di/dt，可加快开通过程。,98,SwitchingcharacteristicsofGTR,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：减小导通时饱和深度以减小储存载流子，或增大基极抽取负电流的幅值和负偏压，可缩短储存时间，加快关断速度。开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO短。,99,GTR的主要参数,除电流放大倍数、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：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；BUcboBUcexBUcesBUcerBuceo；使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,100,GTR的主要参数,通常规定为直流电流放大系数hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，取IcM的一半或稍多。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。,集电极最大允许电流IcM,101,SecondbreakdownofGTR,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，如不能有效地限制电流，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。二次击穿对GTR有极大危害。,102,Safeoperatingarea(SOA)ofGTR,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2-18GTR的安全工作区,103,电力场效应晶体管Powermetal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistorPowerMOSFET,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（StaticInductionTransistorSIT）,104,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，适用于功率不超过10kW的电力电子装置。,PowerMOSFET,105,StructuresofPowerMOSFET,电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道；耗尽型栅极电压为零时漏源极间就存在导电沟道；增强型栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道；电力MOSFET主要是N沟道增强型。,106,StructuresofPowerMOSFET,单极型晶体管；导电机理与小功率MOS管相同，结构上有较大区别；多元集成结构，不同的生产厂家采用不同设计。,图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号,107,StructuresofPowerMOSFET,小功率MOS管是横向导电器件；电力MOSFET采用垂直导电结构，又称VMOSFET（VerticalMOSFET）；按垂直导电结构不同，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）。,108,PhysicsofPowerMOSFETOperation,截止状态：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区的PN结J1反偏，无电流流过。,109,PhysicsofPowerMOSFETOperation,导电状态：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，J1消失，漏极和源极导电。,110,StaticcharacteristicsofPowerMOSFET,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,111,StaticcharacteristicsofPowerMOSFET,截止区饱和区非饱和区工作在开关状态漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时导通通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利,MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：,112,SwitchingcharacteristicsofPowerMOSFET,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,113,PowerMOSFET的开关速度,和Cin充放电有关；可降低驱动电路内阻Rs，减小时间常数，加快开关速度；无少子储存效应，关断迅速；开关时间在10-100ns之间，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，仍需一定驱动功率；开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,114,powerMOSFET的主要参数,电力MOSFET电压定额,漏极电压UDSDrain-sourcebreakdownvoltage,漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,栅源电压UGS,UGS20V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：,极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,Continuousdraincurrent,Peakpulseddraincurrent,Inter-terminalcapacitances,115,绝缘栅极双极性晶体管IGBT,Insulated-gatebipolartransistor,IGBT-CombinationofMOSFETandGTRGTR，GTOlowconductionlosses(especiallyatlargerblockingvoltages)longerswitchingtimescurrent-drivenMOSFETfasterswitchingspeedeasytodrive(voltage-driven)largerconductionlosses(especiallyforhigherblockingvoltages),116,FeaturesofIGBT,On-statelossesaremuchsmallerthanthoseofapowerMOSFET,andarecomparablewiththoseofaGTREasytodrivesimilartopowerMOSFETFasterthanGTR,butslowerthanpowerMOSFET,ApplicationofIGBTThedeviceofchoicein500-1700Vapplications,atpowerlevelsofseveralkWtoseveralMW,117,StructureofIGBT,三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,118,StructureofIGBT,沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBTIGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力GTR与MOSFET组成达林顿结构，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,119,PrincipleofIGBT,IGBT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。,120,StaticcharacteristicsofIGBT,转移特性：集电极电流与栅射电压之间的关系，与功率场效应管的转移特性相似。开启电压:是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。随温度升高而略有下降。在+25时，的值一般为2-6V。,121,当0时，IGBT反向阻断。电力电子电路中，IGBT工作在开关状态。,StaticcharacteristicsofIGBT,输出特性：即伏安特性，以栅射电压为参变，集电极电流与集射电压间的关系。有正向阻断区、有源区和饱和区。,122,SwitchingcharacteristicsofIGBT,图1-24IGBT的开关过程,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。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,123,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。tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,SwitchingcharacteristicsofIGBT,图1-24IGBT的开关过程,IGBT的关断过程,124,SpecificationofIGBT,正常工作温度下允许的最大功耗。,最大集电极功耗PCMMaximumpowerdissipation,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。,最大集电极电流collectorcurrent,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,最大集射极间电压UCESCollector-emitterbreakdownvoltage,125,有