吉林大学电力电子基础2

1、第二讲 电力电子器件1电力电子基础Fundamental Power Electronics第二讲 电力电子器件第二讲 电力电子器件2本讲要点本讲要点1.电力电子器件概述电力电子器件概述2.不可控器件不可控器件电力电力二极管二极管3.半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管4.典型全控型器件典型全控型器件5.其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件6.电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动7.电力电子器件的保护电力电子器件的保护8.电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用第二讲 电力电子器件31.电力电子器件概述电力电子器件概述n理想的开关导通时，电流按箭头流动导通零电阻，因此零损耗瞬时

2、开通、关断耐压、耐流能力无限n电力电子器件：由硅为主要材料制作的电子开关，直接用于主电路（Main Power Circuit）中，用于实现电能的变换。因此又可称为电力电子开关器电力电子开关器件件（Power Electronic Switching Device）第二讲 电力电子器件4电力电子器件主要特征电力电子器件主要特征n和理想开关相比，电力电子器件的主要区别和理想开关相比，电力电子器件的主要区别1.存在损耗：存在损耗：1.导通时存在导通压降导通时存在导通压降von，导致通态损耗，导致通态损耗Pon2.阻断时有微小的漏电流，有断态损耗阻断时有微小的漏电流，有断态损耗Poff，通常可忽略通

3、常可忽略3.开通需要时间开通需要时间ton，且存在开通损耗，且存在开通损耗4.关断需要时间关断需要时间toff，且存在关断损耗，且存在关断损耗5.器件在一定温度范围内正常工作器件在一定温度范围内正常工作2.电应力限制：电应力限制：1.器件只能承受一定电压和电流器件只能承受一定电压和电流2.器件只能承受一定的电压上升率器件只能承受一定的电压上升率du/dt、电流上升率、电流上升率di/dt3.驱动的要求：受控器件的开通与关断需要专门的驱动电路才能实驱动的要求：受控器件的开通与关断需要专门的驱动电路才能实现以满足门极驱动对电压、电流、耗能、隔离等要求现以满足门极驱动对电压、电流、耗能、隔离等要求n

4、具体使用时，必须保证电力电子器件的上述工作具体使用时，必须保证电力电子器件的上述工作参数在合理的范围之内，尽可能接近理想开关参数在合理的范围之内，尽可能接近理想开关散热器缓冲电路第二讲 电力电子器件5电力电子器件的分类电力电子器件的分类n依控制特性将器件分类：不控型：不能用控制信号来控制其通断, 不需要驱动电路，如功率二极管(Power Diode)半控型：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，如Thyristor（或称SCR）全控型：通过控制信号既可控制其导通和关断，又称自关断器件，如GTR, POWER MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT 等n依驱动信号的类型将

5、器件分类电流型控制：GTR、SCR、GTO等电压型驱动：MOSFET、IGBT、MCT等光控型驱动n依载流子分类单极型(Unipolar)双极型(Bipolar)复合型(Complex)MCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIAC LTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（图1-42GTR电力电子器件分类树第二讲 电力电子器件6电力电子器件的分类电力电子器件的分类n依器件的其他特性标准划分依据器件等级：如功率大小、开关速度、耐压高低等依材料种类：如硅、碳化硅等依封装和集成方式：如分立、模块、高压集成电路HVIC High Voltage IC

6、、智能功率集成电路SPIC Smart Power IC、智能功率模块IPM Intelligent Power Module等第二讲 电力电子器件72.不控器件不控器件-电力二极管电力二极管nPN结与电力二极管的工作原理n电力二极管的基本特性n电力二极管的主要参数n电力二极管的主要类型整流二极管及模块第二讲 电力电子器件8电力二极管工作原理电力二极管工作原理n基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。n由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。n从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK电力二极管 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号第二

7、讲 电力电子器件9电力二极管工作原理电力二极管工作原理nPN结单向导电性nPN结的反向击穿nPN结的电容效应PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，称为结电结电容容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散电扩散电容容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压0.41.2V反向大反向大阻态低阻态高阻态第二讲 电力电子器件10电力二极管基本特性电力二极管基本特性n 静态特性静态特性-伏安特性伏安特性p门槛电压门槛电压UTO0.5V,正向电流IF开始明显增加所对应

8、的电压。p与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降正向电压降UF 。p承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFUURRMIRRM反向漏电流第二讲 电力电子器件11电力二极管基本特性电力二极管基本特性n动态特性动态特性: :关断过程关断过程：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。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。开通过程开通过程：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值。电流上升率越大，UFP越高 。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtb)UFPuiiF

9、uFtfrt02V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正向恢复时间：tfr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。反向恢复电流第二讲 电力电子器件12电力二极管的主要技术参数电力二极管的主要技术参数n正向平均电流正向平均电流IF(AV)：额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效有效值相等的原则值相等的原

10、则(有效值有效值=1.57 IF(AV)来选取电流定额，并应留有一定的裕量。n正向压降正向压降UF：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。n反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM：对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时应当留有两倍的裕量。 第二讲 电力电子器件13电力二极管的主要技术参数电力二极管的主要技术参数n 反向恢复时间反向恢复时间trr： trr= td+ tfn 最高工作结温最高工作结温TJM：结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。n 浪涌电流浪涌电

11、流IFSM：指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 第二讲 电力电子器件14电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型n普通二极管普通二极管(General Purpose Diode):又称整流二极管(Rectifier Diode),用于开关频率不高(1kHz以下)电路中。其反向恢复时间较长，一般在5 s以上正向电流定额可达数千安以上，反向电压定额可达数千伏以上n快恢复二极管快恢复二极管(Fast Recovery DiodeFRD)反向恢复过程很短(5 s以下)的二极管。快速恢复等级-反向恢复时间为数百纳秒或更长，超快速恢复则在100ns以下，甚至达到2030ns快恢复

12、外延二极管快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED)，其反向恢复时间更短(可低于50ns50ns)，正向压降也很低(0.9V左右)，但其反向耐压多在400V以下n肖特基二极管肖特基二极管(Schottky Barrier Diode SBD)反向耐压等级低，多用于200V以下，反向漏电流较大且对温度敏感反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高第二讲 电力电子器件153.半控器件半控器件-晶闸管晶闸管n晶闸管的

13、结构与工作原理n晶闸管的基本特性n晶闸管的主要参数n晶闸管的派生器件第二讲 电力电子器件16晶闸管结构与工作原理晶闸管结构与工作原理n晶闸管(Thyristor): 又称SCR (Silicon Controlled Rectifier) 。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位外形有螺栓型和平板型两种封装。n螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。n平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。有三个联接端。有控制用门极。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶闸管a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号第二讲 电力电子器件

14、17常用晶闸管结构与外观常用晶闸管结构与外观螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第二讲 电力电子器件18晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ：晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理n 按晶体管的工作原理晶体管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）第二讲 电力电子器件19晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理n基本

15、工作原理分析：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。阻断状态阻断状态：IG=0,1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。n几种可能导通的情况几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高光触发：光触发：光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorL

16、TT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。第二讲 电力电子器件20晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性n承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。n承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。n晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。n要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。第二讲 电力电子器件21晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性n 正向特性正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。这种开通叫“硬

17、开通硬开通”，一般不允许硬开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管导通压降很小，在1V左右。n 反向特性反向特性 反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第二讲 电力电子器件22晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性n 开通过程开通过程延迟时间延迟时间td (0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开通时间开通时间tgt=td+ trn 关断过程关

18、断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关断时间关断时间tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形第二讲 电力电子器件23晶闸管的主要技术参数晶闸管的主要技术参数电压定额电压定额n断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。n反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。n通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍

19、数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，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。注意事项：注意事项：第二讲 电力电子器件24晶闸管的主要技术参数晶闸管的主要技术参数电流定额电流定额n通态平均电流通态平均电流 IT(AV） 在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。n维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。n

20、擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来对同一晶闸管来说说，通常通常IL约为约为IH的的24倍倍。n浪涌电流浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。第二讲 电力电子器件25晶闸管的主要技术参数晶闸管的主要技术参数动态参数动态参数n开通时间开通时间tgtn关断时间关断时间tqn断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt p指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。p电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 n通态电流临

21、界上升率通态电流临界上升率di/dt p指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。p如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。第二讲 电力电子器件26晶闸管的门极特性与参数晶闸管的门极特性与参数n门极正向峰值电压UFGMn门极正向峰值电流IFGMn门极峰值功率PGMn门极触发电压UGn门极触发电流IGTn门极平均功率PG门极伏安特性注意事项：注意事项：为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在由可靠触发区 。图中ABCGFED所围成的区域为可靠触发区；图中阴影部分为不触发区；图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区。 PGM B C D

22、A E G F L K 0 IFGM UGT UFGM IGT UGT UGD IGT IGD A B C I H J 第二讲 电力电子器件27晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件n快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching Thyristor)有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。第二讲 电力电子器件28晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件n双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC Swi

23、tch TRIAC或Bidirectional Triode Thyristor）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。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管a) 电气图形符号 b) 伏安特性第二讲 电力电子器件29晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件n逆导晶闸管逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）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。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。a)KGAb)UOIIG=0逆导

24、晶闸管a) 电气图形符号 b) 伏安特性第二讲 电力电子器件30晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件n光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）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。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。AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管a) 电气图形符号 b) 伏安特性第二讲 电力电子器件314.典型的全控器件典型的全控器件n门极可关断晶闸管(GTO)n电力晶体管(GTR)n电力场效应晶体管(MOSFET)n绝缘栅双极晶体管(IGBT)第二讲 电力电子器件

25、32门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）n门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。n结构：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。c)图1-13AG KGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO的内部结构第二讲 电力电子器件33门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）n工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-

26、7所示的双晶体管模型来分析。 n由P1N1P2和N1P2 N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 ,其中1+ 2=1是器件临界导通的条件。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理第二讲 电力电子器件34门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）nGTO能够通过门极关断是因为其与普通晶闸管有如下区别：设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1(1.05，普通晶闸管1+21.15)，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。 多元集成结构，使

27、GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。n总体归纳起来如下：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 GTO的工作原理第二讲 电力电子器件35门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）nGTO的动态特性的动态特性开通过程开通过程：与普通晶闸管相同关断过程关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 残存载流子复合。n通常tf比ts小得多，而

28、tt比ts要长。n门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开通和关断过程电流波形第二讲 电力电子器件36门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）nGTO的主要参数：的主要参数：许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。开通时间开通时间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的增大而增大。关断时间关断时间toff： 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。n不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，

29、应和电力二极管串联 。n最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO: GTO额定电流。n电流关断增益电流关断增益 off= IATO / IGM ：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。off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。ATOoffGMII第二讲 电力电子器件37电力晶体管（电力晶体管（GTR）n电力晶体管(Giant TransistorGTR)或耐高电压、大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction TransistorBJT),有时亦作Power BJT。n20世纪80

30、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。第二讲 电力电子器件38电力晶体管（电力晶体管（GTR）n基本原理与普通的双极结型晶体管一样。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 。应用中GTR一般采用共发射极接法。n集电极电流ic与基极电流ib之比为 =ic/ib,其中 为为GTR的电流放大系数的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。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。n当考虑到集电极和发射极间的

31、漏电流漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic = ib +Iceon直流电流增益直流电流增益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 hFEGTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动第二讲 电力电子器件39电力晶体管（电力晶体管（GTR）静态特性静态特性p共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放放大区大区和饱和区饱和区。p在电力电子电路中GTR工作在开关状态。p在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。p实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得

32、多。n集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICMn通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。n实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。第二讲 电力电子器件42电力晶体管（电力晶体管（GTR）GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区n一次击穿一次击穿：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。n 二次击穿二次击穿：一次击穿发生时，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 。n安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOA）：）：由

33、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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作区第二讲 电力电子器件43电力场效应晶体管电力场效应晶体管n 分为结型结型和绝缘栅型。绝缘栅型。通常主要指绝缘栅型绝缘栅型MOSMOS型型(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称电力MOSFET (Power MOSFET)n 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction TransistorSIT)n 特点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。

34、热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号第二讲 电力电子器件44电力场效应晶体管电力场效应晶体管n导通时只有一种极性的载流子参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的厂家采用了不同设计。n电力电力MOSFET的种类的种类按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道。沟道。 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零

35、时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型。沟道增强型。n电力电力MOSFET的结构的结构小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，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（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。第二讲 电力电子器件45电力场效应晶体管电力场效应晶体管n电力电力MOSFET的工作原理的工作原理n截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与

36、N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流。n导电导电：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型而成为反型层反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19第二讲 电力电子器件46电力场效应晶体管电力场效应晶体管静态特性静态特性n漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。转移特性。nID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非

37、饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力MOSFET a) 转移特性 b) 输出特性第二讲 电力电子器件47电力场效应晶体管电力场效应晶体管MOSFET漏极伏安特性漏极伏安特性n截止区截止区(对应GTR截止区)n饱和区饱和区(对应GTR放大区)n非饱和区非饱和区(对应GTR饱和区)n工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。n漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。n通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。010203050402468a)10203050400b)102

38、0 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力MOSFET a) 转移特性 b) 输出特性第二讲 电力电子器件48电力场效应晶体管电力场效应晶体管动态特性动态特性n开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) 上升时间上升时间tr开通时间开通时间ton：开通延迟时间与上升时间之和n关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)下降时间下降时间tf关断时间关断时间toff：关断延迟时间和下降时间之和电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号

39、源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf第二讲 电力电子器件49电力场效应晶体管电力场效应晶体管n MOSFET的开关速度的开关速度pMOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。p可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。p不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。p开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。p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，仍需一定的驱动功率。p开关

40、频率越高，所需要的驱动功率越大。第二讲 电力电子器件50电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的主要参数的主要参数n跨导跨导Gfs、开启电压、开启电压UT 、 td(on)、tr、td(off)和和tfn漏极电压漏极电压UDS:电力MOSFET电压定额n漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM:电力MOSFET电流定额n栅源电压栅源电压UGS: UGS20V将导致绝缘层击穿 。n极间电容极间电容:极间电容CGS、CGD和CDS第二讲 电力电子器件51绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）n 两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器

41、件n 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。第二讲 电力电子器件52绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT结构结构n 栅极G、集电极C和发射极En 沟道V

42、DMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。n IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。n 简 化 等 效 电 路 表 明 ，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。n RN为晶体管基区内的调制电阻。EGCN+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+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBTa)内部结构断面示意图b) 简化等效电路 c) 电气图形符号第二讲 电力电子器件53绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT的原理

43、的原理n 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。n 导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。n 通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。n 关断关断：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。第二讲 电力电子器件54绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）静态特性静态特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的转移特性和输出特性

44、a) 转移特性 b) 输出特性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。转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启开启电压电压UGE(th)第二讲 电力电子器件55绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）动态特性动态特性n IGBT的开通过程的开通过程与MOSFET的相似p 开通延迟时间开通延迟时间td(on) p 电流上升时间电流上升时间tr p 开通时间开通时间tonp uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。其中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。ttt10%90%10%90%UCE

45、IC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程第二讲 电力电子器件56绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）动态特性动态特性n IGBT的关断过程的关断过程p 关断延迟时间关断延迟时间td(off）p 电流下降时间电流下降时间p 关断时间关断时间toffp 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。tf i 2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。ttt10%90%10%9

46、0%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程第二讲 电力电子器件57绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）nIGBT的主要参数的主要参数最大集射极间电压最大集射极间电压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定。最大集电极电流最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗 nIGBT的特性和参数特点的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安

47、全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。通态压降比VDMOSFET低。与MOSFET和GTR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 。 第二讲 电力电子器件58绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）n 擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年

48、代中后期开始逐渐解决。n 正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）：由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。n 反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）:由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。n IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件 。第二讲 电力电子器件595.其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件nMOS控制晶闸管MCTn静电感应晶体管SITn静电感应晶闸管SITHn集成门极换流晶闸管IGCTn功率模块与功率集成电路第二讲 电力电子器件60MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）n MCT（MOS

49、 Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合。MCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。n 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。n 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。第二讲 电力电子器件61静电感应晶体管静电感应晶体管（ SIT ）SIT(Static Induction Transistor)结型场效应晶体管n 多子导电的器件

50、，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。n 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。n 缺点缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。第二讲 电力电子器件62静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（ SITHSITH ）静电感应晶闸管静电感应晶闸管 (Static Induction Thyristor- SITH)nSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。n其很多特

51、性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。nSITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。第二讲 电力电子器件63集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管(IGCT)IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor) n20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。n可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。第二讲 电力电子器件64功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成

52、电路基本概念基本概念n20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模功率模块块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。n将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。实际应用实际应用n高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。n智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般

53、指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。n智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。第二讲 电力电子器件65功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路发展现状发展现状n 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。n 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。n 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。n 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。第二

54、讲 电力电子器件666.电力电子器件的驱动概述电力电子器件的驱动概述n驱动电路驱动电路将电力开关器件由关断状态变为导通导通n将器件的开通时间最小化n提供足够的驱动电力使电力开关器件保持导通将电力开关器件由导通状态变为关断关断n将器件的关断时间最小化n提供偏置电能确保电力开关器件保持关断当检测到过电压或过电流过电压或过电流时实现电力开关器件的保护保护用于放大控制信号放大控制信号以满足驱动开关器件的电力要求在有需要时提供电力开关器件和逻辑级信号处理电路及控制电路之间的电气隔离。电气隔离。一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器光耦合器；磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压器。第二讲 电力电子

55、器件67电力电子器件的驱动概述电力电子器件的驱动概述分类分类n 按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型电流驱动型和电压驱电压驱动型动型。n 驱动电路具体形式可为分立元件分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。第二讲 电力电子器件68晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路n 功能：功能：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。n 晶闸管触发电路应满足晶闸管触发电路应满足：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超

56、过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。IIMt1t2t3t4理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）第二讲 电力电子器件69晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路n V1、V2构成脉冲放大环节。n 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。n V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。n VD1和R3是为了V1 、 V2由导通变为截止时脉冲变压器T

57、M释放其储存的能量而设 晶闸管基本触发电路第二讲 电力电子器件70典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1.电流驱动型电流驱动型nGTOGTO的开通控制开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流使GTO关断关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力GTO驱动电路通常包括开通开通驱动电路驱动电路、关断驱动电路关断驱动电路和门极反偏电路门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式脉冲变压器耦合式和直接直接耦合式耦合式两种类型。OttOuGiG推荐的GTO门极电压电流波形正的门极电流

58、5V的负偏压第二讲 电力电子器件71典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路n直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低n典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驱动电路驱动电路：二极管VD1和电容C1提供+5V电压VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路倍压整流电路提供+15V电压VD4和电容C4提供-15V电压V1开通时，输出正强脉冲V2开通时输出正脉冲平顶部分V2关断而V3开通时输出负脉冲V3关断后R3和R4提供门极负偏压50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1V

59、D2VD3VD4典型的直接耦合式GTO驱动电路第二讲 电力电子器件72典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTRn 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。n 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。n 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib理想的GTR基极驱动电流波形第二讲 电力电子器件73典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTR驱动电路驱动电路n二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路贝克箝位电路，也即一种抗饱和抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入V，会使V过饱和

60、。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc0。nC2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2GTR的一种驱动电路的一种驱动电路（含电气隔离和晶体管放大电路两部分）（含电气隔离和晶体管放大电路两部分）第二讲 电力电子器件74典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路2.电压驱动型电压驱动型n电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。n为快速建立驱动电压，要求驱