《电力电子器件》PPT课件.ppt

1、第1章 电力电子器件 1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管 1.4 绝缘栅双极晶体管 1.5 电力电子器件的新发展 1.6 电力电子器件的应用问题,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的主要特征 1.1.2 电力电子器件的分类,2/109,1.1.1 电力电子器件的主要特征,电力电子器件一般工作于开关状态,导通（通态）时器件阻抗很小，接近于短路，管压降 接近于零，而电流由外电路决定； 阻断（断态）时器件阻抗很大，接近于断路，电流几 乎为零，而器件两端的电压由外电路决定。 工作特性接近于普通电力开关，因此常将电力电子器 件称为电力电子开关。 电路分析时用理想

2、开关代替。,电力电子器件一般需要专门的驱动电路,性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作于最佳的开关状态。,3/109,1.1.1 电力电子器件的主要特征,电力电子器件处理电功率的能力强,电力电子器件所能处理电功率的大小即其承受电压和电流的能力，额定电压和额定电流是其最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，一般都远大于处理信息的电子器件。,电力电子器件使用中一般要进行保护,半导体器件承受过电压、过电流的能力较弱。实际应用中，除选择电力电子器件时要留有足够的安全裕量外，还必须根据实际情况采取一定的过电压、过电流保护措施。,4/109,1.1.1 电力电子器件的主要特征,电力电子器件

3、一般需要安装散热器,图2-3-3晶闸管的散热器 （a）自冷（b）风冷（c）水冷,5/109,1.1.1 电力电子器件的主要特征,电力电子器件一般需要安装散热器,电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件，一般需要安装散热器。,电力电子器件的功率损耗： 通态损耗 功率损耗的主要成因 断态损耗 开关损耗开关频率较高时，可能成为器件功率 损耗的主要因素。 开通损耗 关断损耗,6/109,1.1.2 电力电子器件的分类,按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度,半控型器件 晶闸管 晶闸管派生器件 全控型器件 门极可关断晶闸管（GTO） 电力晶体管（GTR）、 电力场效应管（MOSFET）、

4、 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等等 不可控器件 整流二极管,7/109,1.1.2 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电的情况,单极型器件 电力MOSFET 静电感应晶体管（SIT） 双极型器件 电力二极管 晶闸管 GTO GTR 静电感应晶闸管（SITH）等 复合型器件 IGBT,8/109,1.1.2 电力电子器件的分类,按照驱动信号的性质,电流驱动型控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低，但容量较大。 晶闸管 GTO GTR 电压驱动型驱动电路简单、控制功率小、工作频率高、性能稳定，是电力电子器件的重要发展方向 电力MOSFET IGBT,9/109,1.2

5、电力二极管,1.2.1 电力二极管的结构及工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,10/109,1.2.1 电力二极管的结构及工作原理,电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同,图1-1 电力二极管的外形、基本结构、电气图形符号 (a)螺栓型(b)平板型(c)基本结构(d)电气图形符号,螺栓型， （200A以下）,平板型， （200A以上）,阳极,阴极,以半导体 PN结为基础 具有单向导通特性,11/109,1.2.1 电力二极管的结构及工作原理,电力二极管区别于信息电子二极管的主要特征：,图1-2 电力

6、二极管内部结构断面示意图,承受高电压、大电流,电力二极管承受高电压、大电流的原因,电力二极管大都是垂直导电结构而非横向导电结构,在 P区和N区之间多 了一层低掺杂 N 区 (用 N- 表示) ，也称 为漂移区,12/109,1.2.1 电力二极管的结构及工作原理,电力二极管电导调制效应 ( Conductivity Modulation ),低掺杂N区电阻率高，对电力二极管的正向导通不利 电导调制效应：,正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的 低掺杂 N 区的欧姆电阻，阻值较高且为常量，管压 降随正向电流的上升而增加; 正向电流较大时，由 P 区注入并积累在低掺杂 N区 的少子空穴浓度将

7、很大，为了维持半导体的电中性 条件，其多子浓度也相应大幅增加，使其电阻率明 显下降，即电导率大大增加。 电导调制效应使电力二极管在正向电流较大时压降 维持在1 V左右。,13/109,1.2.2 电力二极管的基本特性,静态特性,主要是指其伏安特性,图1-3 电力二极管的伏安特性,14/109, UUTO (门槛电压) ，正向电流 才开始 明显增加，处于稳定导通状态。 U0，只有少子引起的微小而恒定的 反向漏电流。P N 结具有一定的反向 耐压能力, 反向电压过大时反向 电 流急剧 增大, 反向击穿。 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿 热击穿。,1.2.2 电力二极管的基本特性,动态特性,电力二极管的

8、PN结也存在电容效应 势垒电容 PN结加反向电压时，空间电荷区的宽度随外加电 压 的大小而改变，即耗尽层的电荷量随外加电压而变。 扩散电容,图1-4 电力二极管PN结两侧 少数载流子浓度分布情况,15/109,PN结加正向电压导通时，大量载流子流过 PN结形 成正向扩散 ( 导通)电流，同时产生 少数载流子的存储效应,1.2.2 电力二极管的基本特性,动态特性,16/109,结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置、反向偏置三种状态之间转换时，必然经历过渡过程。,过渡过程中，PN 结的一些区域需要一定时间来调整其电状态，其伏-安特性是随时间变化的电力二极管的动态特性，通常专指反映通态和断态之

9、间转换过程 的开关特性。 掌握下述概念有助于理解动态特性,少数载流子存储效应 电导调制效应,1.2.2 电力二极管的基本特性,动态特性,开通过程,图1-5 电力二极管开通过程的电压、电流,关断过程,图1-6 电力二极管关断过程的电压、电流,17/109,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(av),电力二极管长期运行时，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。,图1-7 电力二极管关断过程的电压、电流,18/109,1.2.3 电力二极管的主要参数,之所以对电流大小进行限制，是因为电流的热效应。 电流所产生热量的大小由其有效值决定。 设正向平均电

10、流IF(av)对应的有效值为I，电力二极管流 过的实际电流有效值为ID,二极管电流为非工频正弦半波电流时其额定电流的确定,I = ( 1.5 2 ) ID,工频正弦半波电流有效值和平均值的关系,I =（/2）Iav = 1.57 Iav,额定电流选择原则,IF(av) = ( 1.5 2 ) ID /1.57,( 1 -1 ),( 1 -4 ),( 1 -5 ),19/109,1.2.3 电力二极管的主要参数,在指定温度下，电力二极管流过某一指定的稳态正向 电流时对应的正向压降,正向压降UF,电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常 是其雪崩击穿电压UB 的2/3, 用URRM标称电力二

11、极管的额定电压UDN,反向重复峰值URRM,UDN = ( 2 3 ) URM,( 1 -6 ),URM：电力二极管在电路中可能承受的最高反向电压,20/109,1.2.3 电力二极管的主要参数,在 PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度, 通常在125 175 之间,最高工作结温 TJM,从电力二极管的正向电流降到 0 开始，由少数载流子 的存储效应产生反向电流，到反向电流及其变化率均 降至接近于0 的时间,反向恢复时间trr,电力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,浪涌电流 IFSM,21/109,1.2.4 电力二极管的主要类型,普通整流二极管 多用于1kHz以

12、下的整流电路中。 反向恢复时间较长，一般为 25s 几百s 额定电压、额定电流可达数 kV、数 kA。 快恢复二极管 适用于高频下的斩波和逆变电路中的整流或续流 反向恢复时间很短，一般 25s 用外延法制造的二极管反向恢复时间 100ns， 称作超快恢复二极管。 肖特基二极管 是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管 反向恢复时间很短，一般10 40 ns间 正向压降明显低于快恢复二极管 其弱点：反向耐压较低、漏电流较大且对温度敏感, 反向损耗不能忽视。,22/109,1.3 晶闸管,1.3.1 晶闸管的结构及工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4

13、 晶闸管的派生器件,23/109,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,晶闸管的结构,图1-9 晶闸管的外形 ( a )小电流塑封型 ( b )小电流螺栓型; ( c )大电流螺栓型 ( d )平板型,螺栓型， （200A以下）,平板型， （200A以上）,阳极,阴极,图1-8 晶闸管的内部结构和 电气图形符号 ( a )内部结构 ( b )电气图形符号,门极,24/109,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,晶闸管的散热器,图1-10 晶闸管的散热器 ( a )自冷 ( b )风冷 ( c )水冷,25/109,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,晶闸管的工作原理,图1-11 晶闸管工作原理实

14、验电路,反复的试验结果表明: 晶闸管的导通条件： 阳极加正向电压， 门极加正向电压， 即 UF 0 , UF 0 。,晶闸管的关断条件: 利用外加电压和外电路的作用，使阳极电流降到接 近于零的某一数值以下。,晶闸管导通后，门极电压不起作用。 门极电压只能控制晶闸管的导通,不能控制其关断。 晶闸管称为半控型器件。,26/109,1.3.1 晶闸管的结构和工作原理,晶闸管其它可能导通的情况,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; 结温过高; 光直接照射硅片，即光触发。 上述情况只有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，其他都因不

15、易 控制而难以应用于实践。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,27/109,1.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性,图1-13 晶闸管的伏安特性,28/109,1.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性,正向特性 正向阻断状态 IG= 0时，依靠增大阳极电 压而强迫晶闸管导通的方 式称为“ 硬开通” , 多次 “硬开通”会使晶闸管损坏 正向导通状态 晶闸管由正向导通恢复关断，只有逐步减小阳极电流 IA，至维持电流以下。 反向特性 阻断状态 反向击穿（会造成晶闸管永久性损坏）。,图1-13 晶闸管的伏安特性( IG2 IG1 0 ),29/109,1.3.2 晶闸管的基本

16、特性,晶闸管的开关特性,开通过程 td ：延迟时间 0.51.5s 管子内部正反馈 的建立需要时间 tr ：上升时间 0.5 3s tgt ：开通时间 tgt = td + tr 约为6s tgt与触发脉冲的大 小、陡度、结温以及主回路中的电感量等因素有关。 一般要求触发脉冲的宽度稍大于tgt,图1-14 晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形,30/109,1.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管的开关特性,关断过程 外电路电感的存在 trr：反向阻断 恢复时间 tgr：正向阻断 恢复时间 tq ：关 断时间 tq = trr + tgr 数百s,图1-14 晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形,

17、31/109,1.3.3 晶闸管的主要参数,额定电压UVN,断态重复峰值电压UDRM 门极开路及额定结温下, 允许重复施加于晶闸管阳 极和阴极之间的正向峰值 电压 反向重复峰值电压URRM 门极开路及额定结温下,允 许重复施加于晶闸管阳极和阴极之间的反向峰值电压 相关标准规定:,图1-13 晶闸管的伏安特性( IG2 IG1 0 ),32/109,1.3.3 晶闸管的主要参数,额定电压UVN,额定电压UVN: 取晶闸管的UDRM和URRM中较小的一个标值, 作为该 器件的额定电压。 考虑安全裕量,UVN =( 23 ) UAKM,( 1 -8 ),UAKM：晶闸管在电路中可能承受的最大 正向阳

18、极电压、最大反向阳极电 压中较大的一个,33/109,1.3.3 晶闸管的主要参数,额定电流IV(av),晶闸管在环境温度为40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。 流过晶闸管的电流非工频正弦半波电流时，考虑安全 裕量：,IV(av) = ( 1.5 2 ) IT /1.57,( 1 -9 ),IT: 晶闸管流过的实际电流有效值,34/109,1.3.3 晶闸管的主要参数,额定电流IV(av),【 例2 - 2 】晶闸管流过如图1-15所示波形的电流，试确定晶闸管的额定电流。,35/109,图1-15 例 2 - 2 电流波形,解：流过晶闸

19、管电流的有效值为,按标准电流等级，取额定电流为70A。,= 64.485.9A,1.3.3 晶闸管的主要参数,维持电流IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般数十 数 百mA。 结温越高，IH 越小。 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。 对同一晶闸管来说，通常 IL约为 2 4 IH。 浪涌电流ITSM 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。,36/109,1.3.3 晶闸管的主要参数,通态 ( 峰值)电压UTM 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬 态峰值电压。 断态电压临界上升率 du / dt

20、 在额定结温和门极开路的条件下，使晶闸管保持断态 所能承受的最大电压上升率。 通态电流临界上升率 di / dt 在规定条件下，用门极触发信号使晶闸管导通时，晶 闸管能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率,37/109,1.3.3 晶闸管的主要参数,38/109,1.3.4 晶闸管的派生器件,快速晶闸管,双向晶闸管 可认为是一对反并联连接 的普通晶闸管的集成,图1 - 1 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,39/109,1.3.4 晶闸管的派生器件,逆导晶闸管 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。无承受反向 电压的能

21、力。 与普通晶闸管相比，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, 可用于不需要阻断反向电 压的电路中,图1 - 1 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,40/109,1.3.4 晶闸管的派生器件,光控晶闸管 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。 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,图1 - 1 8 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,41/109,1.4 绝缘栅双极晶体管,1.4.1 绝缘栅双极晶体管的结构

22、及工作原理 1.4.2 绝缘栅双极型晶体管的静态特性和动 态特性 1.4.3 绝缘栅双极型晶体管的主要参数 1.4.4 绝缘栅双极型晶体管的模块结构 1.4.5 绝缘栅双极型晶体管设计、使用和保 管中的注意事项 1.4.6 其他全控型电力电子器件,42/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, IGBT，Insulated-Gate Bipolar Transistor， 绝缘栅双极晶体管 IGBT 是由GTR (Giant Transistor ，电力晶体管)和Power MOSFET (电力场效应晶体管)取长补短适当结合而成的复 合器件 GTR,20世纪80年代是GTR发展和应用的全

23、盛期，尤其是电压 等级AC200 400V、功率等级数kW 数百kW的各类逆 变电源、变频调速器、UPS等主要选用GTR。随着IGBT 的兴起，目前 GTR作为大功率开关器件的地位已逐步被 IGBT 所取代。,43/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, GTR,GTR 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单元并联而成。 单管的GTR结构与普通的双极结型晶体管类似。多采用 NPN结构，共发射极接法。,图1 - 1 9 GTR 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,4

24、4/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, GTR,GTR的二次击穿现象 GTR的C-E极间最高电压UCEO又称为一次击穿电压 发生一次击穿时集电极电流迅速增加，这种击穿一 般是雪崩击穿。如果有外接电阻限制电流的增长， 一般不会引起 GTR 特性变坏。,发生一次击穿后，若集电极电流没有得到外接电阻的限制而继续增加，在电流增大到某个临界点时，集电极电压突然降低，产生工作点向低阻抗区高速移动的负阻现象。这种现象称为 GTR 的二次击穿。,图1 2 0 GTR 的二次击穿特性,45/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, GTR,GTR的安全工作区 最高C-E极电压UCEM 、 最大

25、集电极电流I CM 、 最大集电极耗散功率 PCM 、 二次击穿临界线， 规定了 GTR 的安 全工作区 ( Safe Operating Area，SOA),图1 2 1 GTR 的安全工作区,46/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, Power MOSFET Power MOSFET 的结构和特点 Power MOSFET中，主要是 N 沟道增强型。 其结构大都采用垂直导电结构，以提高器件的耐压 和耐电流能力。 为多元集成结构，一个器件由许多个小MOSFET 元 组成。,图1 2 2 电力 MOSFET 的结构和电气图形符号 ( a )内部结构断面示意图 ( b )电气图形符号

26、,47/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, Power MOSFET Power MOSFET 的结构和特点 导通时只有多子参与导电，属单极型晶体管。无少 数载流子导电所需的存储时间，因此具有较高的开 关速度，工作频率可达100 k Hz以上( 是目前电力电 子器件中开关速度最高的) 。 一般不存在二次击穿问题,48/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, Power MOSFET 转移特性和输出特性 转移特性：漏极直流电流ID 和栅源间电压UGS的关系。 它反映了输入电压和输出电流的关系 输出特性：漏极伏安特性,图1 2 3 电力 MOSFET 转移特性和输出特性 ( a

27、 )转移特性 ( b )输出特性,49/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, Power MOSFET 开关特性 电力 MOSFET 内寄生着两种类型的电容: 与 MOS 结构有关的 MOS 电容，如CGS、CGD; 与 PN 结有关的电容，如CDS。 极间电容的充放电影响了Power MOSFET的开通、关断,图1 2 4 电力 MOSFET 的极间电容等效电路,图1 2 5 电力 MOSFET 开关过程的电压波形,50/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, IGBT的结构和工作原理 GTR： 双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通 流能力很强，但开关速度较慢，

28、所需驱动功率大，驱动电路复杂。 Power MOSFET： 单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热 稳定性好， 所需驱动功率小且驱动电路简单。 IGBT： Power MOSFET和GTR相互取长补短适当结合而成的 复合型器件。,51/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, IGBT的结构和工作原理,图1 2 6 IGBT的基本结构、简化等效电路和电气图形符号 （a）基本结构 （b）简化等效电路 （c）电气图形符号,集电极,发射极,门(栅)极,IGBT 比 PowerMOSFET 多一层P+注入区，形成大面积 PN结J1，使IGBT导通时由于J1结的电导调制作用，具 有很强的通

29、流能力。,52/109,1.4.1 IGBT的结构及工作原理, IGBT的结构和工作原理 IGBT的驱动原理与PowerMOSFET基本相同，是一种场 控器件，其开通和关断由门射极电压UGE决定 UGEUT (开启电压) 时，Power MOSFET 内部形成沟 道，并为晶体管提供基极电流，使IGBT导通。 由于PN结 J1 的电导调制效应，使 IGBT 的通态压降比 Power MOSFET更小 UGE为负或不加信号时，PowerMOSFET内的沟道消失， 晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。 UGE 为负时，J1 结处于反向偏置，类似于反偏二极管， 器件呈反向阻断状态。说明IGBT具

30、有反向阻断能力。,53/109,1.4.2 IGBT的静态特性和动态特性, IGBT的静态特性 转移特性：描述 IC 与 UGE 间的关系， 与 Power MOSFET的转移特性类似。 输出特性(也称伏安特性) ：描述以UGE为参考变量时， IC 与UCE间的关系。 与GTR的输出特性相似。,图1 2 7 IGBT的转移特性和输出特性 （a）转移特性 （b）输出特性,54/109,1.4.2 IGBT的静态特性和动态特性, IGBT的静态特性 开启电压UGE(th)：IGBT能实现电导调制而导通的最低UGE。 UGE(th)随温度升高而略有下降，温度每升高1C，其值 下降5mV左右。+25C

31、时，UGE(th ) 一般为26V。 IGBT输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区、 饱和区，uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。,图1 2 7 IGBT的转移特性和输出特性 （a）转移特性 （b）输出特性,电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，在正向阻断区和饱和区之间来回转换。,55/109,1.4.2 IGBT的静态特性和动态特性, IGBT的动态特性 IGBT开通运行时，其电流、 电压波形与Power MOSFET 开通时波形相似。 IGBT关断运行时， 关断延迟时间td(off)由IGBT 中MOSFET决定， tfi1由该MOSFET的关断过 程决定，较快； tfi2由器

32、件内的PNP型晶体 管中存储电荷决定，较长。,图1 2 8 IGBT的开关过程,56/109,1.4.2 IGBT的静态特性和动态特性, IGBT的动态特性 IGBT中双极型PNP晶体管 带来了电导调制效应的好处， 引入了少子储存现象，使IGBT的开关速度 Power MOSFET。,57/109,1.4.3 IGBT的主要参数, IGBT的主要参数 集电极-发射极阻断电压UCES：栅极-发射极短路情况下， 允许的断态集电极-发射极最高电压。 目前三菱的IGBT最高耐压的是6500V 栅极-发射极电压UGES：集电极-发射极短路情况下，允 许的栅极-发射极最高电压。 集电极电流IC：最大允许的

33、直流电流。 三菱 IGBT 6500V系列最大电流为1200A， 1700V系列最大电流是2400A。 集电极峰值电流ICM：最大允许的集电极峰值电流 (Tj150)。 集电极功耗PC：在25条件下，每个IGBT开关最大允 许的功率损耗。,58/109,1.4.3 IGBT的主要参数, IGBT的主要参数 续流二极管电流：最大允许的直流续流二极管电流。 续流二极管峰值电流：最大允许的峰值续流二极管电 流( Tj150) 。 结温Tj：工作期间IGBT的结温。 储存温度Tstg：无电源供应下的允许温度。 绝缘耐压UISO：所有外接端子短路条件下，基板与模 块端子间最大绝缘电压。 扭矩F：端子-固

34、定螺栓间最大允许扭矩。,59/109,1.4.3 IGBT的主要参数, IGBT的主要参数,表1-4-1 富士2MB100-120 的最大额定值（Tc25）,60/109,1.4.3 IGBT的主要参数, IGBT的参数特性 开关速度高，开关损耗小。 1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与 电力MOSFET相当。 在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区 比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。 高压时IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在 电流较大的区域。 IGBT输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 与电力MOSFET和GTR相比，IG

35、BT的耐压和通流能力 还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。,61/109,1.4.3 IGBT的主要参数, IGBT的擎住效应和安全工作区 IGBT结构中寄生着PNPN四层结 构即晶闸管 P区的横向电流会在体区电阻Rbr 上产生一定压降。 擎住效应： IC大到一定程度时， Rbr上的正偏压足以使NPN型晶 体管导通，进而使NPN和PNP 型晶体管互锁，进入饱和状态， 寄生晶闸管开通，门极失去控制 作用。,图1 2 9 IGBT的寄生晶闸管 等效电路,62/109,1.4.3 IGBT的主要参数, IGBT的擎住效应和安全工作区 产生擎住效应的原因 IC ICM ，产生静态擎住效应。

36、IGBT关断时， 由于tfi1阶段总电流下降很快而产生 动态擎住效应。 温度过高。 避免发生擎住效应的措施 限制 IC不超过ICM 。 加大门极电阻RG延长IGBT的关断时间。 IGBT的安全工作区：最大集电极电流、最大集射极间 电压、最大集电极功耗确定了IGBT在导通工作状态的 参数极限范围，即正向偏置安全工作区(Forward Biased Safe Operating Area，FBSOA) 。,63/109,1.4.4 IGBT的模块结构,图1 3 部分IGBT模块内部结构图 （a）（e）为一单元封装模块 （f）（g）为两单元封装模块 （h）四单元封装模块 （i）六单元封装模块 （j）

37、带单相整流桥的六单元封装模块 （k）同时带有温度传感器、直流侧电流传感器及独立三相整流桥的六单元封装模块,64/109, 部分IGBT模块内部结构图,1.4.5 IGBT设计、使用和保管中的注意事项, IGBT门极电路设计中的注意事项 正向驱动电压UGE，一般应在1218V之间，应用中推荐 UGE15V，允许波动率小于10%。 负驱动电压-UGE ，应不小于5V，以有效避免管子的误导 通。 门极电阻RG 管子导通时，RG可减小集电极电流上升率dic/dt，防止 门极电流振荡； 管子关断时，RG可减小集电极电压上升率du/dt，避免 动态擎住效应的发生。 RG会增大IGBT的开通、关断时间，增加

38、IGBT开关损 耗。应根据IGBT的电压、电流定额，选择合适的RG。,65/109,1.4.5 IGBT设计、使用和保管中的注意事项, IGBT门极电路设计中的注意事项 门极电阻RG,表1-4 门极电阻RG的推荐值,图1 3 3 IGBT的门极稳压保护,门-射极间加一对反向串联的稳压二 极管，钳制UGE的突然上升，防止 门极绝缘层被击穿。 驱动电路应与整个控制电路在电位 上严格隔离。可采用光耦合隔离或 磁隔离。,66/109,1.4.5 IGBT设计、使用和保管中的注意事项, IGBT门极电路设计中的注意事项 驱动电路与IGBT之间的引线应为采用双绞合线或同轴 电缆屏蔽线，并应尽量短，以减少寄

39、生电感。不同 IGBT门极驱动线不应捆扎在一起。 门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的保护 功能，并有较强的抗干扰能力。,67/109,1.4.5 IGBT设计、使用和保管中的注意事项, IGBT使用中的注意事项 IGBT的栅极通过一层很薄的氧化膜与发射极实现电隔 离。该氧化膜的击穿电压为2030V。静电导致栅极击 穿是IGBT失效的常见原因之一。 IGBT使用注意事项 尽量不用手触摸驱动端子部分，必须触摸时，要先 将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再 触摸。 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好 之前先不要接上模块。 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在安装或更换

40、IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与 散热片的接触面状态和拧紧程度。,68/109,1.4.5 IGBT设计、使用和保管中的注意事项, IGBT保管中的注意事项 一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不 应偏离太大。常温的规定为535，常湿的规定在45 75%左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿。 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合。 IGBT模块应放在温度变化较小的地方。 不要在IGBT模块上堆放重物。 装IGBT模块的容器，应不带静电。,69/109,1.4.6 其它全控型电力电子器件, GTO GTO是一种重要的全控型器件。 是晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不

41、久出现。 商品化的GTO可以做到耐压6kV，电流6kA的水平，目 前在特大功率的场合仍发挥重要作用。 内部结构与晶闸管相同，都是PNPN四层三端结构。 和普通晶闸管不同的是：GTO是一种多元功率集成器件， 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元胞，这些 GTO元胞的阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件 的功率可以达到相当大的数值。,70/109,1.4.6 其它全控型电力电子器件, GTO,图1 3 4 GTO的内部结构和电气图形符号 （a）各单元阴极、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,需要指出的是，不少GTO都制成逆导型，类似于逆导晶 闸管。当需要承

42、受反向电压时，应和电力二极管串联使 用。,71/109,1.5 电力电子器件的新发展,1.5.1 功率晶闸管的新发展 1.5.2 新型大功率IGBT模块电子注入增强栅 晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor， IEGT） 1.5.3 MOS控制晶闸管（MOS Controlled Thyristor， MCT） 1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型电力电子 器件 1.5.5 功率集成电路与集成电力电子模块,72/109,1.5.1 功率晶闸管的新发展,超大功率晶闸管 日本能稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发 晶闸管(Ligh

43、t Triggered Thyristor，LTT)。 美国和欧洲主要生产电触发晶闸管 (ElectricTriggered Thyristor，ETT)。 2010年投运的向家坝-上海800kV、6400MW特高压 直流输电工程的复龙站换流阀，应用了8500V/4500A的 6英吋晶闸管。,73/109,1.5.1 功率晶闸管的新发展,理想电力电子器件应具有理想的静态和动态特性： 阻断状态时能承受高电压； 导通状态时，具有高的电流密度和低的导通压降； 开关状态转换时，具有短的开、关时间; 能承受高的di/dt和du/dt; 具有全控功能。 脉冲功率闭合开关晶闸管(Pulse Power Cl

44、osing Switch Thyristor，PPCST） 特别适用于传送极强的峰值功率(数MW)、极短的持续时 间(数百ns )的放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。 能在数 kV 的高压下快速开通，不需要放电电极; 具有很长的使用寿命，体积小、价格较低; 可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火 花间隙开关或真空开关等。,74/109,1.5.1 功率晶闸管的新发展,新型GTO器件集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT） 高功率的IGBT模块和新型GTO派生器件IGCT，是 两种常规的GTO替代品。 IGCT是20世纪

45、90年代后期出现的新型大功率器件。 IGCT的容量与普通GTO相当，但开关速度比普通GTO 快10倍。 可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路。 所需的驱动功率仍然很大。,75/109,1.5.2 新型大功率IGBT模块电子注入增强栅晶 体管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT), IEGT IEGT是日本东芝公司近年来开发出的一种IGBT派生器 件。 综合了IGBT的电压驱动、控制功率小、安全工作区宽、 开关损耗小及GTO的输出功率大、低通态压降、载流子 密度高等优点。 摒弃了IGBT的高饱和压降、发射极载流子密度低及GTO 的安全工作区窄、

46、电流驱动功率大、开关损耗大等缺点。 额定容量已达到 3kA/4.5kV。 栅极驱动功率比GTO小两个数量级，吸收回路的功耗为 GTO的1/10以下。,76/109,1.5.3 MOS控制晶闸管（MOS Controlled Thyristor，MCT）, MCT MCT是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。 MCT特点 承受高电压、大电流、高载流密度、低通态压降。 其通态压降只有GTR的1/3左右，硅片的单位面积连续 电流密度在各种器件中是最高的。 可承受极高的du/dt、di/dt，使得其保护电路可以简化。 MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也小。 MCT关键技术问题没有大的突破，

47、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。,77/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,硅 从整流二极管到晶闸管，再到IGBT，都是硅制造的器 件。 晶闸管问世后的40多年里，人们对电力电子器件的研究 集中在对器件原理和结构的改进和创新，在材料的使用 上则始终没有突破硅的范围。 随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件的性能逐 步趋近其理论极限，而电力电子技术的发展却不断对电 力电子器件的性能提出了更高的要求，尤其是希望器件 的功率和频率能得到更高程度的兼顾。 越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半 导体材料制造。 研究结果表明，就电力电子器件

48、而言，比较理想的材料 应当是宽禁带半导体材料！,78/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,宽禁带半导体材料 禁带宽度在 3.0eV 及以上的半导体材料称为宽禁带半导 体材料。硅的禁带宽度为1.12eV。 典型的宽禁带半导体材料： 碳化硅（SiC） 氮化镓（GaN） 金刚石,79/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,碳化硅是一种性能优越的材料 性能指标较氮化镓还要高一个数量级，与其他材料比较， 它具有 高禁带宽度 高饱和电子漂移速度 高击穿强度 低介电常数 高热导率等特征 使用碳化硅制造的电力电子器件，有可能将半导体器件 的极限工作温度提高

49、到600以上，至少可以在硅器件 难以承受的高温下长时间稳定工作。 额定阻断电压相同的前提下，碳化硅器件通态电阻很低， 工作频率也比硅器件高 10 倍以上。 碳化硅器件在高温、高频、高功率容量的应用场合是极 为理想的电力电子器件。,80/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,碳化硅肖特基势垒二极管（SBD） 本世纪初，美国Cree 公司、德国Infineon 公司率先推 出耐压600V、电流分别为12A和10A以下的系列产品。 最近，普渡大学制造出了阻断电压高达4.9kV 的4H-SiC SBD ，这是目前碳化硅SBD的最高水平。 市面上的SBD 最高耐压可达 1200

50、V，最大电流可达20A。 碳化硅 SBD 器件具有预期的优点: 反向漏电流极小 几乎没有反向恢复时间 高温性能异常优越 一些大公司在其IGBT 变频或逆变装置中采用碳化硅 SBD代硅SBD 。,81/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,碳化硅场效应器件 碳化硅场效应器件的开发优势在于能够兼顾阻断电压和 通态电阻，而且结构与硅场效应器件没有太大区别，因 而可以充分利用硅MOS 的成熟技术。 1994 年首次报道的碳化硅场效应器件，耐压只有260V， 2004 年其耐压已经达到了硅器件无法达到的10kV 水平， 2012年8月召开的第44届国际大电网会议上，日本专家 介

51、绍了利用SiC电力电子器件研制的100kVA 的配电网静 止同步补偿器（D-STATCOM）。在无滤波器情况下利 用器件的高速开断能力得到了理想的电压波形。,82/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,碳化硅IGBT 1999年才首见报道，阻断电压只有790V 的P沟道4H-SiC IGBT，且其通态压降很高, 在电流密度为75 A/cm2时就 高达15V，这说明碳化硅 IGBT 在阻断电压不高的情况 下，相对于硅场效应器件没有什么优势, 其优越性只在 10kV 以上的高压领域。 近年来，碳化硅高压IGBT 的研发工作已有较大进展， 目前遇到的主要困难在于：P沟道IG

52、BT的源极接触电阻 偏高，而N沟道IGBT 又需要用P型碳化硅材料做衬底。 碳化硅IGBT 研发工作的实质性进展，还有待于材料和 工艺技术的进一步发展。,83/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,84/109,碳化硅双极型器件 碳化硅可以制造阻断电压很高的双极型器件，如高压二极 管、晶闸管等。 2000 年5 月，美国Cree 公司与日本关西电力公司(KEPCO) 联合研制成功世界上第一只耐压超过10kV的碳化硅PN结 二极管，其反向阻断电压为12.3kV，正向压降在电流密度 为100 A/cm2时只有4.9V。 2001年，碳化硅二极管的阻断电压可达到20kV 水

53、平，相 应的反向漏电流密度为2.7mA/cm2，正向压降在电流密度 为100 A/cm2时只有6.5V。 2002年Sugawara等人研制成功了100 A/5200V 大功率碳化 硅PN结二极管, 在300和100 A正向电流下的压降为4.2V。 利用碳化硅材料研制的晶闸管、GTO、GCT等器件近年来 均有相关报道，但这些器件离实际工业应用还有一段距离。,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,碳化硅双极型器件 硅晶闸管和碳化硅晶闸管性能比较。,表1-5 硅晶闸管和碳化硅晶闸管的主要参数比较,碳化硅晶闸管的耐压比硅晶闸管的耐压高得多，对于 耐压200kV的单阀，需要硅晶闸管的

54、串联数为67个， 而碳化硅晶闸管的串联数仅为12个。 碳化硅晶闸管的额定结温比硅晶闸管的额定结温高得 多，可以极大地提高换流阀的电流容量，并极大地降 低对冷却设备的要求。,85/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,碳化硅双极型器件 硅晶闸管和碳化硅晶闸管性能比较。,表1-7 碳化硅晶闸管和硅晶闸管开通损耗比较,表1-6 碳化硅晶闸管和硅晶闸管通态损耗比较,86/109,87/109,1.5.4 采用新型半导体材料制造的新型 电力电子器件,碳化硅双极型器件 硅晶闸管和碳化硅晶闸管性能比较。,表1-8 碳化硅晶闸管和硅晶闸管关断损耗比较,碳化硅晶闸管的损耗要比硅晶闸管的

55、损耗低得多。 采用碳化硅等新型材料制造电力电子器件，预示在不 远的将来会诞生集高耐压、大电流、高工作频率、无 吸收电路、简单门极驱动、低损耗等优点于一身的新 型器件，实现人们对“理想器件”的追求。,1.5.5 功率集成电路与集成电力电子模块,功率集成器件（PID） 就器件内部结构而言，功率MOSFET、IGBT和IGCT 都是PID，如一只IGBT是由105个单胞集成而来的。 就PID的外部结构而言，早期却都是分立式的，实用时 必须为每一个器件安置独立的散热器， 功率模块（PM） 多个PID按电路拓扑安置在一起以构成功率模块(PM)， PM的外壳是导热的绝缘体，因而可共用一个散热器， 这就明显

56、提高了电路的功率密度。 智能模块（IPM） 模块内部除主电路功率器件之外吗，还包含相应的各种 接口电路、保护电路（含过电流、过电压、欠电压和过 热保护等保护）和驱动电路。,88/109,1.5.5 功率集成电路与集成电力电子模块,功率集成电路（PIC） 将控制电路也包含在IPM内便称为PIC 同一芯片上高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的有效处理，是功率集成电路的主要技术难点，短期内难以有较大的突破。 电力电子电路的封装集成 小功率情况下，将不同器件和电路通过专门设计的引线 或导体连接起来并封装在一起，称为电力电子电路的封 装集成。 封装集成为处理高低压电路之间的绝缘问题以及温升和 散热问题提供了有效思路。目前最新的智能功率模块产 品已大量用于电机驱动、汽车电子乃至高速子弹列车牵 引这样的大功率场合。,89/109,90/109,1.6 电力电子器件的应用问题,1.6.1 电力电子器件的驱动 1.6.2 电力电子器件的保护 1.6.3 电力电子器件的散热 1.6.4 电力电子器件的串并联,91/109,1.6.1 电力电子器件的驱动,驱动电路的功能 将信息电子电路传来