电力电子器件.ppt

第二章、电力电子器件,2.1、电力电子器件的基本模型2.2、电力二极管2.3、晶闸管2.4、可关断晶闸管2.5、电力晶体管2.6、电力场效应晶体管2.7、绝缘栅双极型晶体管2.8、其它新型电力电子器件2.9、电力电子器件的驱动与保护,2.1、电力电子器件的基本模型,电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（PowerElectronicDevice）。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。,2.1.1电力电子器件的基本模型与特性,在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图2.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。,图2.1.1电力电子器件的理想开关模型,一、基本模型：,A,B,K,2.1.1电力电子器件的基本模型与特性,二、基本特性：（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电力电子器件的开关状态由（驱动电路）外电路来控制。（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。,2.1.2电力电子器件的种类,一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管（PowerDiode）；半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）、功率场效应管（PowerMOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor）等。,二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种：,电流控制型器件：此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；,电压控制半导体器件：这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。如：代表性器件为MOSFET管和IGBT管。,附表2.1.1:主要电力半导体器件的特性及其应用领域,第二章、电力电子器件,2.1、电力电子器件的基本模型2.2、电力二极管2.3、晶闸管2.4、可关断晶闸管2.5、电力晶体管2.6、电力场效应晶体管2.7、绝缘栅双极型晶体管2.8、其它新型电力电子器件2.9、电力电子器件的驱动与保护,2.2电力二极管,2.2.1电力二极管及其工作原理2.2.2电力二极管的特性与参数,2.2.1电力二极管及其工作原理,一、电力二极管：1、电力二极管（PowerDiode）也称为半导体整流器（SemiconductorRectifier，简称SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用,具有不可替代的地位。,二、PN结与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。以半导体PN结为基础。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。,图2.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符a）结构b）外形c）电气图形,二、PN结与电力二极管工作原理：,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结:内电场:空间电荷建立的电场,也称自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,二、PN结与电力二极管工作原理：,PN结的正向导通状态：电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态：PN结的单向导电性。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：有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。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，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。,图2.2.2电力二极管的伏安特性曲线,势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。,二、PN结与电力二极管工作原理：,2.2电力二极管,2.2.1电力二极管及其工作原理2.2.2电力二极管的特性与参数,2.2.2电力二极管的特性与参数,1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数,1、电力二极管的伏安特性,当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,图2.2.2电力二极管的伏安特性曲线,特性曲线:,2.2.2电力二极管的特性与参数,1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数,2、电力二极管的开关特性,（1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。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。在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。,定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。,图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形,电力二极管的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）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。,（2）开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。,图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形,2、电力二极管的开关特性：（续）,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。,图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形,2.2.2电力二极管的特性与参数,（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（RectifierDiode），多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在us以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在us以下的称为快恢复二极管（FastRecoveryDiode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平,多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。,电力二极管的主要类型：,2.2.2电力二极管的特性与参数,1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数,3、电力二极管的主要参数,额定正向平均电流在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）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。设该正弦半波电流的峰值为Im,则额定电流(平均电流)为:,（2.2.5）,（2.2.4）,（2.2.6）,（2.2.7）,可求出正弦半波电流的波形系数:,定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示：,额定电流有效值为:,（1）额定正向平均电流IF(AV),（1）额定正向平均电流IF(AV)（续）,正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.52倍的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。,指器件中结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。jM通常在125175范围内。,3、电力二极管的主要参数,（2）反向重复峰值电压RRM：,指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压U的2/3。,（3）正向压降F：,指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降)。,（4）反向漏电流RR：,指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。,（5）最高工作结温jM：,第二章、电力电子器件,2.1、电力电子器件的基本模型2.2、电力二极管2.3、晶闸管2.4、可关断晶闸管2.5、电力晶体管2.6、电力场效应晶体管2.7、绝缘栅双极型晶体管2.8、其它新型电力电子器件2.9、电力电子器件的驱动与保护,表2.2.1部分电力二极管主要性能参数,2.3、晶闸管,2.3.1晶闸管及其工作原理2.3.2晶闸管的特性与主要参数2.3.3晶闸管的派生器件,2.3、晶闸管,晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛,因此在无特别说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。普通晶闸管：也称可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),简称SCR。由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域,成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。,2.3.1晶闸管及其工作原理,（1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A以上),分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。（2）晶闸管有三个电极,它们是阳极A,阴极K和门极(或称栅极)G,它的电气符号如图2.3.1(e)所示。,图2.3.1晶闸管的外型及符号,1、晶闸管的结构：,1、晶闸管的结构（续）,晶闸管是大功率器件,工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上,采用自然散热冷却方式,如图2.3.2(a)所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间,散热方式可以采用风冷或水冷,以获得较好的散热效果,如图2.3.2(b)、(c)所示。,图2.3.2晶闸管的散热器,2、晶闸管的工作原理,图2.3.3晶闸管的内部结构和等效电路,1）导通：晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极G也加正向电压Ug,门极电流Ig经三极管T2放大后成为集电极电流Ic2，Ic2又是三极管T1的基极电流,放大后的集电极电流Ic1进一步使Ig增大且又作为T2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管T1、T2都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。此时若撤除Ug,T1、T2内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。,晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极正偏。,2）阻断：当晶闸管A、K间承受正向电压，而门极电流Ig=0时,上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管A、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。,2、晶闸管的工作原理,图2.3.3晶闸管的内部结构和等效电路,2.3、晶闸管,2.3.1晶闸管及其工作原理2.3.2晶闸管的特性与主要参数2.3.3晶闸管的派生器件,2.3.2晶闸管的特性与主要参数,定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。,图2.3.4晶闸管阳极伏安特性,UDRM、URRM正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM正、反向断态不重复峰值电压；UBO正向转折电压；URO反向击穿电压。,.晶闸管的伏安特性：,.晶闸管的伏安特性（续）：,晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,图2.3.4晶闸管阳极伏安特性,（1）晶闸管的反向特性：,.晶闸管的伏安特性（续）：,IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压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。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,图2.3.4晶闸管阳极伏安特性,（2）晶闸管的正向特性：,2.晶闸管的开关特性,晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。,2.3.5晶闸管的开通和关断过程波形,延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr普通晶闸管延迟时为0.51.5s，上升时间为0.53s。,2.晶闸管的开关特性（续）,2.3.5晶闸管的开通和关断过程波形,1)开通过程：,正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr,2.晶闸管的开关特性（续）,2.3.5晶闸管的开通和关断过程波形,2)关断过程,（1-7),普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间,（3）晶闸管的开通与关断时间,1）开通时间tgt：普通晶闸管的开通时间tgt约为6s。开通时间与触发脉冲的陡度与电压大小、结温以及主回路中的电感量等有关。2）关断时间tq：普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒。关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。,3.晶闸管的主要特性参数,1）正向重复峰值电压UDRM:门极断开(Ig=0),元件处在额定结温时,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM(此电压不可连续施加)的80%所对应的电压(此电压可重复施加,其重复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms)。2）反向重复峰值电压URRM:元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压URRM的80%所对应的电压。3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值,选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。,（1）晶闸管的重复峰值电压额定电压Ute,（2）晶闸管的额定通态平均电流额定电流IT(AV),在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.52的安全系数，使其有一定的电流裕量。,1）定义：在环境温度为40和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。,这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为IT=KfIT(AV)=157A。,2）IT(AV)计算方法：,（2.3.3）,（2.3.4）,（2.3.5）,（2.3.4）,根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。设该正弦半波电流的峰值为Im,则额定电流(平均电流)为：,额定电流有效值为：,现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示：,根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：,（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT,1）定义：在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。2）晶闸管由于门极特性的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。3）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响很大，温度升高，UGT、IGT值会显著降低，温度降低，UGT、IGT值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT大几倍。,（4）通态平均电压UT(AV),1）定义：在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降)2）其数值按表2.3.3分组在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择T(AV)小的晶闸管。,表2.3.3晶闸管通态平均电压分组,（5）维持电流和掣住电流L,1）维持电流：在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流H。维持电流与元件容量、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH的实测值。2）掣住电流L：给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流L。对同一晶闸管来说，掣住电流L要比维持电流H大24倍。,（6）通态电流临界上升率di/dt,1、定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率di/dt。2、影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。,（7）断态电压临界上升率du/dt,1）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。2）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。,2.3、晶闸管,2.3.1晶闸管及其工作原理2.3.2晶闸管的特性与主要参数2.3.3晶闸管的派生器件,2.3.3晶闸管的派生器件,可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(FastSwitchingThyrister，简称FST)，开关频率在10KHZ以上的称为高频晶闸管。快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。快速晶闸管du/dt的耐量较差，使用时必须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的du/dt，当开关频率升高时，du/dt耐量会下降。,1.快速晶闸管(FastSwitchingThyristerFST,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。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,2.3.3晶闸管的派生器件,图2.3.6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,2.双向晶闸管(TRIAC),2.3.3晶闸管的派生器件,1)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。2)与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点；3)根据逆导晶闸管的伏安特性可知，它的反向击穿电压很低；因此只能适用于反向不需承受电压的场合；4)逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流管区之间的隔离区；5)逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管和整流管的额定电流表示；,图2.3.7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,3.逆导晶闸管(RCT),1)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。2)小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。3）大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。4）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，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。,2.3.3晶闸管的派生器件,图2.3.8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,4.光控晶闸管(LTT),第二章、电力电子器件,2.1、电力电子器件的基本模型2.2、电力二极管2.3、晶闸管2.4、可关断晶闸管2.5、电力晶体管2.6、电力场效应晶体管2.7、绝缘栅双极型晶体管2.8、其它新型电力电子器件2.9、电力电子器件的驱动与保护,2.4可关断晶闸管,可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。,2.4可关断晶闸管,2.4.1可关断晶闸管及其工作原理2.4.2可关断晶闸管的特性与主要参数,2.4.1可关断晶闸管及其工作原理,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，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。,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、可关断晶闸管的结构,2.4.1可关断晶闸管及其工作原理,2、可关断晶闸管的工作原理1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的,但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。,2.4可关断晶闸管,2.4.1可关断晶闸管及其工作原理2.4.2可关断晶闸管的特性与主要参数,2.4.2可关断晶闸管的特性与主要参数,导通过程与SCR一样，只是导通时饱和程度较浅。需经过延迟时间td和上升时间tr。,图2.4.2可关断晶闸管的开关特性,1）开通过程：,1、可关断晶闸管的特性,2）关断过程：与普通晶闸管不同储存时间ts：抽取饱和导通时储存的大量载流子，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf：等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小。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，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短。门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间。,图2.4.2可关断晶闸管的开关特性,2.4.2可关断晶闸管的特性与主要参数,1、可关断晶闸管的特性,2.4.2可关断晶闸管的特性与主要参数,（1）开通时间ton:延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；（2）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。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s；（3）最大可关断阳极电流IATO:它是GTO的额定电流；,2、可关断晶闸管的主要参数,2.4.2可关断晶闸管的特性与主要参数,GTO的门极可关断能力可用电流关断增益off来表征，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；通常大容量GTO的关断增益很小，不超过35。这正是GTO的缺点。一个1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。,（2.4.3）,（4）电流关断增益off：,2.4.2可关断晶闸管的特性与主要参数,2）使用时必须注意：,3、可关断晶闸管的应用,1）GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。,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。,用门极正脉冲可使GTO开通，用门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的/左右。GTO的通态管压降比较大，一般为23V。GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。,2.1、电力电子器件的基本模型2.2、电力二极管2.3、晶闸管2.4、可关断晶闸管2.5、电力晶体管2.6、电力场效应晶体管2.7、绝缘栅双极型晶体管2.8、其它新型电力电子器件2.9、电力电子器件的驱动与保护,第二章、电力电子器件,2.5、电力晶体管,1)术语用法：电力晶体管（GiantTransistorGTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistorBJT），英文有时候也称为PowerBJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效2）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。,2.5.1电力晶体管及其工作原理2.5.2电力晶体管的特性与主要参数,2.5、电力晶体管,2.5.1电力晶体管及其工作原理,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。,图2.5.2GTR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,产品说明书中通常给直流电流增益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。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。,2.5.1电力晶体管及其工作原理,（2.5.1）,IC=IB+ICEO,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,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,（2.5.2）,2.5、电力晶体管,2.5.1电力晶体管及其工作原理2.5.2电力晶体管的特性与主要参数,2.5.2电力晶体管的特性与主要参数,深饱和区：UBE0,UBC0，IB变化时IC不再改变，管压降UCES很小，类似于开关的通态。,图2.5.3共发射极接法时GTR的输出特性,1、GTR共射电路输出特性,输出特性：截止区(又叫阻断区)、线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。,截止区：IB0(或IB=0)，UBE0，UBC0，GTR承受高电压，且有很小的穿透电流流过，类似于开关的断态；,线性放大区：UBE0，UBC0，IC=IB，GTR应避免工作在线性区以防止大功耗损坏GTR；,准饱和区：随着IB的增大，此时UBE0，UBC0，但IC与IB之间不再呈线性关系，开始下降，曲线开始弯曲；,2.5.1电力晶体管及其工作原理,1）延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。2）td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。,图2.5.4GTR的开通和关断过程电流波形,2、GTR的开关特性,（1）开通过程：,关断时间tof为：存储时间ts和与下降时间tf之和。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。,2.5.1电力晶体管及其工作原理,图2.5.4GTR的开通和关断过程电流波形,2、GTR的开关特性,（1）关断过程：,集电极电流最大值ICM：一般以值下降到额定值的1213时的IC值定为ICM；基极电流最大值IBM：规定为内引线允许通过的最大电流，通常取IBM(1/21/6)ICM；,2.5.1电力晶体管及其工作原理,3、GTR的主要参数,(1)电压定额,(2)电流定额,集基极击穿电压BUCBO：发射极开路时，集射极能承受的最高电压；集射极击穿电压BUCEO：基极开路时，集射极能承受的最高电压；,(3)最高结温TjM：GTR的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管TjM为125150，金封硅管TjM为150170，高可靠平面管TjM为175200。(4)最大耗散功率PCM：即GTR在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热，如果散热条件不好，GTR会因温度过高而迅速损坏。,2.5.1电力晶体管及其工作原理,3、GTR的主要参数（续）,(5)饱和压降UCES：为GTR工作在深饱和区时，集射极间的电压值。由图可知，UCES随IC增加而增加。在IC不变时，UCES随管壳温度TC的增加而增加。,表示GTR的电流放大能力。高压大功率GTR(单管)一般10；,2.5.1电力晶体管及其工作原理,图2.5.5饱和压降特性曲线,3、GTR的主要参数（续）,(6)共射直流电流增益：,=ICIB,一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。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增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。,2.5.1电力晶体管及其工作原理,4、二次击穿和安全工作区,（1）二次击穿,图2.5.6一次击穿、二次击穿原理,图2.5.7二次击穿临界线,按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。,2.5.1电力晶体管及其工作原理,4、二次击穿和安全工作区,（2）安全工作区,安全工作区SOA(SafeOperationArea)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。,正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条件下由GTR的最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压BUCEO、最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域。,反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE、电流IC限制界线所围成的区域。,2.5.1电力晶体管及其工作原理（2）、安全工作区,图2.5.9GTR的反偏安全工作区,图2.5.8GTR正偏安全工作区,正偏安全工作区FBSOA,反偏安全工作区RBSOA,2.1、电力电子器件的基本模型2.2、电力二极管2.3、晶闸管2.4、可关断晶闸管2.5、电力晶体管2.6、电力场效应晶体管2.7、绝缘栅双极型晶体管2.8、其它新型电力电子器件2.9、电力电子器件的驱动与保护,第二章、电力电子器件,2.6电力场效应晶体管,1）分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属-氧化物-半导体场效应管（简称MOSFET）。,2）通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。,3）,4）特点：输入阻抗高(可达40M以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电力电子装置。,2.6、电力场效应晶体管,2.6.1电力场效应管及其工作原理2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数,2.6.1电力场效应管及其工作原理,早期的电力场效应管采用水平结构(PMOS)，器件的源极S、栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧(与小功率MOS管相似)。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低等缺点。20世纪70的代中期将LSIC垂直导电结构应用到电力场效应管的制作中，出现了VMOS结构。大幅度提高了器件的电压阻断能力、载流能力和开关速度。20世纪80年代以来，采用二次扩散形成的P形区和N+型区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度(12m)，研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称为VDMOS。目前生产的VDMOS中绝大多数是N沟道增强型，这是由于P沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是N型器件的23倍。因此今后若无特别说明，均指N沟道增强型器件。,1、电力场效应管的结构,特点：(1)垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；(2)设置了高电阻率的N区以提高电压容量；(3)短沟道(12m)降低了栅极下端SiO2层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；(4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。,2.6.1电力场效应管及其工作原理,VDMOS的典型结构,1、电力场效应管的结构（续）,图2.6.1N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号,VDMOS的漏极电流ID受控于栅压UGS；,2.6.1电力场效应管及其工作原理,图2.6.1N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号,2、电力场效应管的工作原理,（1）截止：,栅源电压UGS0或0UGSUT(UT为开启电压，又叫阈值电压)；,（2）导通：,UGSUT时，加至漏极电压UDS0；,（3）漏极电流ID：,2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数,在不同的UGS下，漏极电流ID与漏极电压UDS间的关系曲线族称为VDMOS的输出特性曲线。如图2.6.2所示，它可以分为四个区域：,1）截止区：当UGSUT(UT的典型值为24V)时；2）线性(导通)区：当UGSUT且UDS很小时，ID和UGS几乎成线性关系。又叫欧姆工作区；3）饱和区(又叫有源区)：在UGSUT时，且随着UDS的增大，ID几乎不变;4）雪崩区：当UGSUT，且UDS增大到一定值时；,1、静态输出特性,图2.6.2VDMOS管的输出特性,沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为VDMOS管的阈值电压。一般情况下将漏极短接条件下，ID=1mA时的栅极电压定义为UT。实际应用时，UGS=(1.52.5)UT，以利于获得较小的沟道压降。UT还与结温Tj有关，Tj升高，UT将下降(大约Tj每增加45，UT下降10%，其温度系数为-6.7mV)。,2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数,2、主要参数,(1)通态电阻Ron,在确定的栅压UGS下，VDMOS由可调电阻区进入饱和区时漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻Ron。Ron是影响最大输出功率的重要参数。在相同条件下，耐压等级越高的器件其Ron值越大，另外Ron随ID的增加而增加，随UGS的升高而减小。,(2)阈值电压UT,IDM表征器件的电流容量。当UGS=10V，UDS为某一数值时，漏源间允许通过的最大电流称为最大漏极电流。,（2.6.1）,2、主要参数（续）,(3)跨导gm,跨导gm定义,表示UGS对ID的控制能力的大小。实际中高跨导的管子具有更好的频率响应。,(4)漏源击穿电压BUDS,BUDS决定了VDMOS的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数。,(5)栅源击穿电压BUGS,BUGS是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介电击穿而设立的参数。一般BUGS=20V。,(6)最大漏极电流IDM,2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数,图2.6.3VDMOS极间电容等效电路,（2.6.2）,2、主要参数,(7)最高工作频率fm,定义；,式中CIN为器件的输入电容,一般说来，器件的极间电容如图2.6.3所示。图中,输入电容：,输出电容：,反馈电容：,（2.6.3）,（2.6.4）,（2.6.5）,2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数,图2.6.4VDMOS开关过程电压波形图,（2.6.7）,（2.6.6）,(8)开关时间ton与toff,开通时间：,延迟时间td：对应输入电压信号上升沿幅度为10%Uim到输出电压信号下降沿幅度为10%Uom的时间间隔。,上升tr时间：对应输出电压幅度由10%Uo变化到90%Uom的时间，这段时间对应于Ui向器件输入电容充电的过程。,关断时间:,存储ts时间：对应栅极电容存储电荷的消失过程。,下降时间tf在VDMOS管中，ton和toff都可以控制得比较小，因此器件的开关速度相当高。,1）漏源通态电阻限制线I(由于通态电阻Ron大，因此器件在低压段工作时要受自身功耗的限制)；2）最大漏极电流限制线；3）最大功耗限制线；4）最大漏源电压限制线；,2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数,图2.6.5VDMOS的FBSOA曲线,3、安全工作区,VDMOS开关频率高，常处于动态过程，它的安全工作区分为三种情况：,正向偏置安全工作区(FBSOA)：,四条边界极限：,导通时间越短，最大功耗耐量越高。,如图2.6.6所示。曲线的应用条件是：结温TJ150，ton与toff均小于1s。,2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数,图2.6.6VDMOS的SSOA曲线,3、安全工作区,开关安全工作区(SSOA),开关安全工作区(SSOA)反应VDMOS在关断过程中的参数极限范围；,由最大峰值漏极电流IDM、最小漏源击穿电压BUDS和最高结温TJM所决定；,在换向速度(寄生二极管反向电流变化率)一定时，CSOA由漏极正向电压UDS(即二极管反向电压UR)和二极管的正向电流的安全运行极限值IFM来决定。,2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数,图2.6.7VDMOS的CSOA曲线,3、安全工作区,换向安全工作区(CSOA),换向安全工作区(CSOA)是器件寄生二极管或集成二极管反向恢复性能所决定的极限工作范围。,如图2.6.7所示,2.1、电力电子器件的基本模型2.2、电力二极管2.3、晶闸管2.4、可关断晶闸管2.5、电力晶体管2.6、电力场效应晶体管2.7、绝缘栅双极型晶体管2.8、其它新型电力电子器件2.9、电力电子器件的驱动与保护,第二章、电力电子器件,2.7、绝缘栅双极型晶体管,IGBT：绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。,2.7.1绝缘栅双极型晶体管及其工作原理2.7.2缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,2.7、绝缘栅双极型晶体管,2.7.1绝缘栅双极型晶体管及其工作原理,1.IGBT的结构IGBT的结构如图2.7.1(a)所示。简化等效电路如图2.7.1(b)所示。电气符号如图1.7.1（c）所示它是在VDMOS管结构的基础上再增加一个P+层，形成了一个大面积的P+N结J1，和其它结J2、J3一起构成了一个相当于由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR;IGBT有三个电极:集电极、发射极和栅极;,图2.7.1IGBT的结构、简化等效电路与电气符号,IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅极电压UGE控制集电极电流的栅控自关断器件。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。导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。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。,2.7.1绝缘栅双极型晶体管及其工作原理,图2.7.2IGBT伏安特性,2.IGBT的工作原理,2.7.1绝缘栅双极型晶体管及其工作原理2.7.2缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,2.7、绝缘栅双极型晶体管,2.7.2缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,（1）IGBT的伏安特性（如图a)反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流Ic的关系。IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。,图2.7.2IGBT的伏安特性和转移特性,1、IGBT的伏安特性和转移特性,UGEUGE(TH)(开启电压,一般为36V)；其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系；,图2.7.2IGBT的伏安特性和转移特性,2.7.2缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,1、IGBT的伏安特性和转移特性,（2）IGBT的转移特性曲线（如图b）,IGBT关断：,IGBT开通：,UGEUGE(TH)；,2、IGBT的开关特性（1）IGBT的开通过程：从正向阻断状态转换到正向导通的过程。开通延迟时间td(on)：IC从10%UCEM到10%ICM所需时间。电流上升时间tr：IC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间ton：ton=td(on)+tr