电力电子技术课件 第2章(24--)1.ppt

1、电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文称为Power BJT. 它与晶闸管不同，具有线性放大特性，但在电力电子应用中却工作在开关状态，从而减小功耗。 GTR可通过基极控制其开通、关断，是典型的自关断器件。,2.4 电力双极型晶体管,2.4.1 电力晶体管的结构和工作原理,2.4 电力双极型晶体管,与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。 采用集成工艺将许多这种单元并联。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。,应用中，GTR一般采用共发射极接法； 集

2、电极电流ic与基极电流ib的比值为：,2.4 电力双极型晶体管,2.4.1 电力晶体管的结构和工作原理,称为GTR电流放大系数，它反映出基极电流对集电极电流的控制能力。 单管电流放大系数为10左右。 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 ic= ib +Iceo （2-15）,（1）单管GTR 单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。 （2）达林顿GTR 达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合而成。,2.4 电力双极型晶体管,2.4.2 GTR类型,达林顿结构的GTR电流放大倍数很大，可以达到几十至几千倍。 饱和管压降增加，增大了导通损耗，同时降低了管子工作

3、速度。,2.4 电力双极型晶体管,2.4.2 GTR类型,（3） GTR模块 它是将GTR管芯根据不同的用途将几个单元电路集成在同一硅片上。,提高了器件的集成度、工作的可靠性、性价比，同时也实现了小型轻量化。,2.4 电力双极型晶体管,2.4.2 GTR类型,（3） GTR模块 它是将GTR管芯根据不同的用途将几个单元电路集成在同一硅片上。,将6个相互绝缘的单元电路制在同一个模块内，很便于组成三相桥电路。,提高了器件的集成度、工作的可靠性、性价比，同时也实现了小型轻量化。,1 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态。 在开关过程中

4、，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区,2.4 电力双极型晶体管,2.4.3 GTR的特性,图2.28 共发射极接法时GTR的输出特性,2.4 电力双极型晶体管,2.4.3 GTR的特性,2 动态特性 开通过程： 延迟时间td 上升时间tr 关断过程： 储存时间ts 下降时间tf GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。,开通时间ton,关断时间toff,2.4.4 GTR的主要参数 1 电压参数 (1)最高电压额定值 主要是指集电极的击穿电压值。 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。 各种不同接法时的击穿电压的关系如

5、下： BUCBOBUCEXBUCESBUCERBUCEO 为了保证器件工作安全，GTR的最高工作电压UCEM应比最小击穿电压BUCEO要低。,2.4 电力双极型晶体管,(2)饱和压降UCES 处于深饱和时集电极与发射极间电压。 在大功率应用中它是一项重要指标，因为它关系到器 件导通的功率损耗。 单个GTR的饱和压降一般不超过11.5V。,2.4 电力双极型晶体管,2 电流参数 (1)集电极连续直流电流额定值IC 是指只要保证结温不超过允许的最高结温，晶体管允许连续通过的直流电流值。 (2). 集电极最大电流额定值ICM 最高允许结温下，不造成器件损坏的最大电流。 超过该额定值必将导致晶体管内部

6、结构的烧毁 实际使用时要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一点。 (3)基极电流最大允许值IBM IBM远小于ICM，通常IBM=(1/101/2)ICM, 而基极发射极间的最大电压额定值通常只有几伏。,2.4 电力双极型晶体管,3 其它参数 (1)最高结温TJM 塑封器件一般为120150，金属封装为150170。为了充分利用器件功率而又不超过允许结温，GTR使用时必须选配合适的散热器。 (2)最大额定功耗PCM 是指GTR在最高允许结温时，所对应的耗散功率。其大小主要由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定。 受环境温度和散热条件影响。,2.4 电力双极型晶体管,4 二次击穿与安全工作区

7、一次击穿：集电极发射极击穿电压BUCEO，Ic迅速增大。 如果能及时限制电流增长，使Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变 二次击穿：一次击穿发生后，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,2.4 电力双极型晶体管,2安全工作区（SOA-Safe Operating Area）,2.4 电力双极型晶体管,由GTR的 集射极最高电压UCEM 集电极最大电流ICM 集电极最大耗散功率PCM 二次击穿功率PSB 限制的区域。,图2.30 GTR的安全工作区,2.5 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管

8、（Static Induction TransistorSIT） 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET）,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，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。,2.5.1 电力场效应管的结构和工作原理,电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 按导电沟道产生的过程： 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。（栅极加电压导电沟道耗尽） 增强型对

9、于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 （栅极加电压导电沟道增强） 电力MOSFET主要是N沟道增强型。,2.5 电力场效应晶体管,2.5 电力场效应晶体管,图2.34 电力MOSFET的结构和电气图形符号,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，不同的生产厂家采用了不同设计。,电力MOSFET的结构,2.5 电力场效应晶体管,电力MOSFET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

10、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。,2.5 电力场效应晶体管,截止：当漏极D接电源正，源极S接电源负，栅极G和源极S之间电压为零，沟道不导电。 导通：栅极G和源极S之间加正向电压UGS ，并且使UGS大于等于管子的开启电压UT，在漏源极间流过电流ID。,UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流ID越大。,2.5.1 电力场效应管的结构和工作原理,1 静态特性 (1) 输出特性 即漏极的伏安特性。,非饱和：在UGS一定时，ID随UDS增加呈线性关系变化。,

11、饱和：漏极电流ID不随漏源电压UDS的增加而增加，是基本保持不变。,（b)输出特性曲线,2.5 电力场效应晶体管,截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区（对应GTR的饱和区）,工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。,（2）转移特性 漏极电流ID与栅源之间电压UGS的关系。 由于MOSFET是压控器件，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为： gmID/UGS UT为开启电压，只有当UGSUT时才会出现导电沟道，产生漏极电流ID,2.5 电力场效应晶体管,（a) 转移特性,2 主要参数 (1)漏极击穿电压BUD 不使器件击穿的极限参数，它大于漏极电压额

12、定值。 BUD 随结温升高而升高，与GTR和GTO不同。 (2)漏极额定电压UD 它是器件的标称额定值。 (3)漏极电流ID和IDM ID是漏极直流电流的额定参数， IDM是漏极脉冲电流幅值。,2.5 电力场效应晶体管,2.5 电力场效应晶体管,2 主要参数 (4)栅极开启电压UT 是开通Power MOSFET的栅源电压。(又称阈值电压)。 施加的栅源电压不能太大，UGS20V将导致绝缘层击穿。 (5)跨导gm 表征Power MOSFET栅极控制能力的参数。,2.5.3 电力场效应管的动态特性和主要参数,2.5 电力场效应晶体管,1 动态特性 单极型器件，靠多数载流子导电，因此开关速度快、

13、时间短，一般在纳秒数量级。,开通延迟时间td(on) 上升时间tr,2.5 电力场效应晶体管,开通过程：,开通时间ton ton=td(on) +tr,图2.36 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形,关断延迟时间td(off) 下降时间tf,2.5 电力场效应晶体管,关断过程：,图2.36 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形,关断时间toff toff=td(off)+tf,2 动态参数 （1）极间电容 通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss、反向转移电容Crss。它们之间的关系为： CiSSCGS C

14、GD CossCGDCDS CrssCGD,（2）漏源电压上升率 器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制，过高的du/dt可能导致电路性能变差甚至引起器件损坏。,2.5 电力场效应晶体管,1 正向偏置安全工作区 最大漏源电压极限线 最大漏极电流极限线 漏源通态电阻线 最大功耗限制线 四条边界极限所包围的区域。 四种情况：直流DC，脉宽10ms、1ms、10s。,图37 电力场效应管正向偏置的安全工作区,2.5.4 电力场效应管的安全工作区,2.5 电力场效应晶体管,2 开关安全工作区 开关安全工作区为器件工作的极限范围。 由最大峰值电流IDM 最小漏极击穿电压BUDS 最大结温TJM决定的，

15、超出该区域器件将损坏。,38 电力场效应管的开关安全工作区,2.5 电力场效应晶体管,2.5.4 电力场效应管的安全工作区,GTR是双极型电流控制器件 优点：通态压降低，有电导调制效应，通流能力很强； 缺点：开关速度低、所需驱动功率大、驱动电路复杂。 MOSFET是单极型电压控制器件 优点：开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动功率小、驱动电路简单； 缺点：通流能力低、通态压降大。,两类器件取长补短结合而成的复合器件。 绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT）,2.6 绝缘栅双极型晶体管,2.6.1 IGBT的结构和基本原理 IGBT

16、也是一种三端器件，它们分别是栅极G、集电极C和发射极E。,2.6 绝缘栅双极型晶体管,图2.40 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,E,2.6.2 IGBT的基本特性 1 IGBT的静态特性 IGBT的静态特性主要包括转移特性和输出伏安特性。,2.6 绝缘栅双极型晶体管,图2.41 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,2 IGBT的动态特性,开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton= td(on）+tr,关断延迟时间td(off) 电流下降时间tf 关断时间toff toff

17、=td(off)+ tf,2.6 绝缘栅双极型晶体管,图2.42 IGBT的动态特性,2.6.3 擎住效应和安全工作区 1 擎住效应 当IGBT集电极电流IC大到一定程度，可使寄生晶闸管导通，从而其栅极对器件失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。,原因：由于IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在。 措施：集电极电流不超过ICM，或增大栅极电阻，减缓IGBT的关断速度。,(a) IGBT内部结示意图,2.6 绝缘栅双极型晶体管,2 安全工作区 IGBT开通时对应的安全工作区，称为正向偏置安全工作区，即FBSOA。 最大集电极电流ICM 最大允许集电极电压UCEO 最大允许功耗 三条极限线所限定的区

18、域。 导通时间增加安全工作区减小， 直流工作时安全工作区最小。,(a) 正向安全工作区,2.6 绝缘栅双极型晶体管,2 安全工作区 IGBT关断时对应的安全工作区，称为反向偏置安全工作区，即RBSOA。 最大集电极电流ICM 最大允许集电极电压UCEO 电压上升率dUCE/dt 三条极限线所限定的区域。,dUCE/dt越大，安全工作区越小， 可以通过适当选择栅射极电压UGE和栅极驱动电阻来控 制dUCE/dt，扩大安全工作区。,(b) 反向安全工作区,2.6 绝缘栅双极型晶体管,2.7 其他新型电力电子器件,2.7.1 静电感应晶体管SIT 2.7.2 静电感应晶闸管SITH 2.7.3 MO

19、S控制晶闸管MCT 2.7.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.7.5 功率集成电路和智能功率模块,2.7.1 静电感应晶体管(SITStatic Induction Transistor) SIT是一种结型场效应管，多子导电,单极型压控器件； 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。 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。 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。,2.7 其他新型电力电子器件,2.7.2

20、 静电感应晶闸管(SITHStatic Induction Thyristor） 又称场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）属于两种载流子导电的双极型器件。 SITH有三极，即门极G、阳极A和阴极K。 优点：具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强、开关速度快、损耗小、开通的电流增益大等。 缺点：SITH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。,2.7 其他新型电力电子器件,2.7.3 MOS控制晶闸管(MCTMOS Controlled Thyristor) MOSFET与晶闸管的复合。结合二者的优点： 承受极

21、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。 20世纪80年代末成为研究热点问题。 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。,2.7 其他新型电力电子器件,2.7.4 集成门极换流晶闸管(IGCTIntegrated Gate Commutated Thyristor),2.7 其他新型电力电子器件,20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。 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

22、率场合的位置。,2.7 其他新型电力电子器件,2.7.5 功率集成电路和智能功率模块,20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。 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（Power Integrated CircuitPIC）。,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。 智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）

23、一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）一般指将IGBT或MOSFET功率器件以及辅助器件、保护电路和驱动电路集成在一个芯片上封装的电路。,2.7.5 功率集成电路和智能功率模块,2.7 其他新型电力电子器件,实际应用电路,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,2.8.1 缓冲电路 1 缓冲电路的作用和基本类型 电力电子器件的缓冲电路也称为吸收电路。 作用：内因过电压和du/dt、过电流和di/dt，减少开关损耗。 关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗

24、。 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。 按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,图2.50 IGBT的缓冲电路和开关过程的电压和电流波形,缓冲电路作用分析,设关断前的工作点在A点。,图2.51 IGBT关断过程的负载曲线,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,缓冲电路的主要作用可归纳如下： 抑制过渡过程中器件的电压和电流，将开关动作轨迹限定在安全区之内。 防止因过大的di/dt、du/dt造成器件的误触发，甚至导致器件的损坏。 抑制开关

25、过渡过程中电压和电流的重叠现象，以减少器件的开关损耗。 在多个器件串联的高压电路中起一定的均压作用。,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,2 缓冲电路的基本结构,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,图2.53 电力电子器件的其他缓冲电路,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,2 缓冲电路的基本结构 通过适当演变,2.8.2 电力电子器件的串并联 目的：当器件额定电压小于要求时，可以串联。 当器件额定电流小于要求时，可以并联。 降低成本。 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使 器件电压分配不均匀。 并联会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。,2.8 电力电子器件

26、的缓冲电路和串并联,1器件的串联与均压 相同的漏电流，但由于器件特性的分散性，各器件所承受的电压却不相等。,图2.54晶闸管的串联 a)伏安特性差异b)串联均压措施,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,静态均压: (1)应选择特性和参数比较一致的器件; (2) 并联电阻RP来均压。当RP远小于器件的漏电阻时，串联器件上的电压就主要取决于RP。但RP值过小会产生损耗过大： 式中，UR晶闸管的额定电压；IDRM断态重复峰值电流。 均压电阻功率可按下式估算：,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,动态均压: 考虑结电容，触发特性，开关时间， 应在晶闸管两端并联阻容RC（R防止di/dt过大）

27、RC选取，一般根据经验选取：,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,晶闸管的选择：,2器件的并联与均流 当单个器件的额定电流小于实际需要时，可以用多个同型号的器件相并联起来。 同一个压降UT的情况下，它们所流过的电流相差甚远。,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,2器件的并联与均流,均流措施： 挑选特性参数尽量一致的器件。 采用电阻均流，电感均流。 用门极强脉冲触发有助于动态均流。 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。,2.8 电力电子器件的缓冲电路和串并联,晶闸管的选择：,本章介绍了功率二极管、晶闸管SCR及其派生器件、电力晶体管GTR、电力场效应管Power MOSFET、绝缘栅