第1章_电路运行条件对电力电子器件性能的影响

1、第1章电路运行条件对电力电子器件性能的影响1.1概述1.4绝缘栅晶体管(IGBT)1.1概述1.1.1决定电力电子器件实际效能的主要因素1.1.2电力电子器件的分类1.1.1决定电力电子器件实际效能的主要因素 所有电力电子器件在其装置中的实际效能取决于两方所有电力电子器件在其装置中的实际效能取决于两方面：一是电力电子器件的设计和制作面：一是电力电子器件的设计和制作( (参数设计、结构安排、参数设计、结构安排、材料性能、工艺水平和散热能力等材料性能、工艺水平和散热能力等) )；二是器件所在电路的；二是器件所在电路的运行条件运行条件( (电路结构、负载性质、控制信号、开关频率、环电路结构、负载性质

2、、控制信号、开关频率、环境温度和冷却条件等境温度和冷却条件等) )。前一个因素属于器件的设计制作，。前一个因素属于器件的设计制作，后一个因素则与器件的选择和使用有关。后一个因素则与器件的选择和使用有关。半控型器件（如半控型器件（如SCRSCR） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（如全控型器件（如GTRGTR、GTOGTO、IGBTIGBT、Power Power MOSFET)MOSFET) 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件不可控器件(Power Diode)(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电

3、路。1.1.2 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按器件受控程度可分为以下三类：按器件受控程度可分为以下三类：电流驱动型（如电流驱动型（如GTRGTR、SCRSCR、GTOGTO） 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型（如电压驱动型（如IGBTIGBT、 Power MOSFETPower MOSFET ） 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。1.1.2 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按驱动信号的性质可分为以下二类：按驱动信号的性质可分为以下二类：单极型器件（如单极型器件（如Power MOSFETPower MOSFE

4、T） 由一种载流子参与导电的器件。双极型器件（如双极型器件（如GTOGTO、GTRGTR、SCRSCR、SBD)SBD) 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。复合型器件复合型器件( (如如IGBT)IGBT) 由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。1.1.2 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况电的情况可分为以下三类：可分为以下三类： 典型电力电子器件的输出容量、工作频率及主要应用领域典型电力电子器件的输出容量、工作频率及主要应用领域 晶闸管晶闸管（SCRSilicon Controlled Recti

5、fierSCRSilicon Controlled Rectifier） KP200-5 KP200-5，表示该元件，表示该元件额定电流为额定电流为200A200A，额定电，额定电压为压为500V500V的普通晶闸管。的普通晶闸管。)(121CBO2CBO1G2AIIII常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构晶闸管晶闸管（SCRSilicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled Rectifier） 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（ GTO GTO Gate-Turn-Off Thyristor Gate-Turn-Off

6、 Thyristor ）GTOGTO通过门极关断的原因通过门极关断的原因设计设计 2 2较大，使晶体管较大，使晶体管V V2 2控制灵敏，易于门极关断。控制灵敏，易于门极关断。导通时导通时 1 1+ + 2 2更接近更接近1 1，导通时接近临界饱和，有利门极，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。控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P P2 2基区横向电阻很小，能从门极抽基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流出较大电流。 电力晶体管（电力晶体管（ GTR GTR Giant TransistorGiant Transistor）基本原理与普通

7、双极结型晶体管相同。基本原理与普通双极结型晶体管相同。主要特性：导通内阻低、阻断电压高、输入阻抗低、主要特性：导通内阻低、阻断电压高、输入阻抗低、开关频率低。开关频率低。通常采用达林顿接法组成单元结构。通常采用达林顿接法组成单元结构。 功率场效应晶体管功率场效应晶体管（Power MOSFETPower MOSFET）N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19导电机理与小功率导电机理与小功率MOSMOS管相同。管相同。主要特性：导通压降高、开关容量低、输入阻抗高、主要特性：导通压降高、开关容量低、输入阻抗高、开关频率高。开关频率高。小功率小功率MOSMOS

8、管采用管采用横向导电横向导电结构，电力结构，电力MOSFETMOSFET大都采用大都采用垂直导电垂直导电结构，又称为结构，又称为VMOSFETVMOSFET（Vertical MOSFETVertical MOSFET）。）。图1-6功率MOSFET单胞结构示意图a)N沟道VDMOSb)N沟道VVMOSc)N沟道型器件符号d)P沟道型器件符号1源极2栅极3SiO24源区5沟道体区6漂移区(外延层)7衬底8沟道功率场效应晶体管功率场效应晶体管（Power MOSFETPower MOSFET）1.4绝缘栅晶体管(IGBT)1.4.1IGBTIGBT的结构和工作原理的结构和工作原理1.4.5驱动电

9、路驱动电路三端器件：栅极三端器件：栅极GG、集电极、集电极C C和发射极和发射极E EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRona)GCb)图图1-25 IGBT1-25 IGBT的简化等效电路和电气图形符号的简化等效电路和电气图形符号图图1-241-24 内部结构断面示意图内部结构断面示意图1.4.1IGBT的结构和工作原理1.4.1IGBT的结构和工作原理11发射区发射区2Si2SiO O2 233栅区栅区44沟道沟道55源区源区66沟道体区沟道体区77漏区漏区( (漂移区漂移区) )88衬底衬底(

10、 (注入区注入区) )99缓冲区缓冲区图图1-311-31N N沟道沟道PTPT型型IGBTIGBT单胞结构单胞结构剖面示意图剖面示意图1.4.1IGBT的结构和工作原理图图1-321-32IGBTIGBT的等效电路及其图形符号的等效电路及其图形符号a)a)静态等效电路静态等效电路b)b)简化等效电路简化等效电路c)c)、d)Nd)N沟道型的两种图形符号沟道型的两种图形符号e)e)、f)Pf)P沟道型的图形符号沟道型的图形符号a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加补充：补充：IGBTIGBT的基本特性的基本特性补图补图

11、1 IGBT1 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性a) a) 转移特性转移特性 b) b) 输出特性输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)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。IGBTIGBT的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比相同电压和电流定额时，安全工作区比GTRGTR大，大，且具有耐脉冲电流冲击能力。且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比通态压降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性与输入阻

12、抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似。类似。与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐压和通流能力还可以相比，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进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。 150KHz150KHz的的IGBTIGBT已商品化；已商品化；0.5kV/0.6kA0.5kV/0.6kA的高压的高压IGBTIGBT已走向应用。已走向应用。 电流擎住现象电流擎住现象 IGBTIGBT常与快速二极管反并联封装制成模块，成为逆导器件常与快速二极管反并联封装制成模块，成为逆导器件 。IGBTIGBT可用移去栅压关断但其可用移去栅压关断但其NN漂移区无外引线

13、，故不漂移区无外引线，故不可能用抽流方式降低该区的过剩载流子浓度，这些空穴只能可能用抽流方式降低该区的过剩载流子浓度，这些空穴只能靠自然复合消失。靠自然复合消失。 电流拖尾现象电流拖尾现象V V2 2（NPNNPN晶体管）基极与发射极之间存在晶体管）基极与发射极之间存在沟道体区的薄沟道体区的薄层电阻层电阻RsRs，其端压大于，其端压大于0.7V0.7V时，时，V V2 2将自行导通，当将自行导通，当 1+ 2 1时，栅极便失去控制作用，这就是电流擎住现象。时，栅极便失去控制作用，这就是电流擎住现象。1.4.5驱动电路EXB840系列集成式驱动芯片1、主要性能指标。2、工作原理分析GMXD1B1、主要性能指标（1 1）最高工作频率：）最高工作频率：40kHz40kHz（2 2）驱动输出电压：）驱动输出电压：20V20V（3)3)光耦输入电流：光耦输入