电力电子器件概述

第2章 电力电子器件电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的基础 电力电子器件本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。第2章 电力电子器件引言 电力电子器件概述1 1）概念:电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（Main Power Circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2 2）分类:电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然 电力电子器件的概念和特征电力电子器件电力电子器件 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。电力电子器件的概念和特征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗关断损耗关断损耗开通损耗开通损耗 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗电力电子系统：由电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。组成。图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2保护保护电路电路在主电路在主电路和控制电和控制电路中附加路中附加一些电路，一些电路，以保证电以保证电力电子器力电子器件和整个件和整个系统正常系统正常可靠运行可靠运行 应用电力电子器件系统组成电气隔离电气隔离控制电路控制电路半控型器件（Thyristor）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（IGBT,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(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路。电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：电流驱动型 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 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。电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：本章内容:介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。学习要点:最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。可能会对主电路的其它电路元件有特殊的要求。本章内容和学习要点 不可控器件电力二极管 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。不可控器件电力二极管引言整流二极管及模块整流二极管及模块 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气电力二极管的外形、结构和电气图形符号图形符号 a)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要结的单向导电性这一主要特征特征。PN结的反向击穿（两种形式结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿均可能导致热击穿均可能导致热击穿2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结的状结的状态态主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图图2-4 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性 电力二极管的基本特性1)静态特性静态特性IOIFUTOUFU 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，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。电力二极管的主要参数1)正向平均电流正向平均电流IF(AV)mmAVFIttdII)(sin210)(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。3）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。4）反向恢复时间trr trr=td+tf 电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UF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125175 C范围之内。6)浪涌电流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。电力二极管的主要参数5）最高工作结温）最高工作结温TJM1)普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。特别是反向恢复特性的不同介绍。电力二极管的主要类型 简称快速二极管 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。2)快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点 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。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。电力二极管的主要类型3.肖特基二极管肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。）。半控型器件晶闸管 半控型器件晶闸管引言 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。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。晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整：晶体闸流管，可控硅整流器流器（Silicon Controlled RectifierSCR）图图2-17 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号 晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 晶闸管的结构与工作原理 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1-27应在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加正向电压和电流。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。(半控型器件)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，或承受反向电压 。为什么会有上述的开关特性呢？为什么会有上述的开关特性呢？欲使晶闸管导通须具备以下两个条件：欲使晶闸管导通须具备以下两个条件：晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的结构与工作原理式中 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 ：图图2-18 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型双晶体管模型 b)工作原理工作原理 按晶体管的工作原理按晶体管的工作原理 ，得：，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-10）1-29 晶闸管的结构与工作原理图图2-18 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型双晶体管模型 b)工作原理工作原理合S，IG0 Ib2Ic2(Ib1)Ic1 晶闸管的结构与工作原理 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。(形成强烈正反馈，维持器件自锁导通，不再需要触发电流)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(门极触发)：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 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。)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-10）晶闸管的结构与工作原理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（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。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，或承受反向电压 。DATASHEET晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管的基本特性 当IG=0时，UAK0，处于阻断状态，漏电流很小；当UAK正向转折电压UbO时，IA急剧，开通，UAK1V；IG越大，电压转折值越小；若IG0，且IA至IH（维持电流），则回到正向阻断状态；当UAKIG1IG1-34 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。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 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端2.3.2 晶闸管的基本特性1-35 晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出 门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的 晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。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可靠触发区。2.3.2 晶闸管的基本特性1-36晶闸管的门极伏安特性 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PGMBCDAEGFLK0IFGMUGTUFGMIGTUGTUGDIGTIGDABCIHJ图2-20 晶闸管门极伏安特性2.3.2 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 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。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。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。通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小中较小的标值作为该器件的标值作为该器件的的额定电压额定电压UTN。选用时，一般取额选用时，一般取额定电压为正常工作定电压为正常工作时晶闸管所承受峰时晶闸管所承受峰值电压值电压23倍。倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额国标系列：国标系列：1 1，2 2，3 3，1010，1212，1414，1-38 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1）电压定额电压定额通态平均值电压（管压降）通态平均值电压（管压降）)(AVTU 晶闸管的主要参数通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40 C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。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。(有效值为1.57 1.57 IT(AV）)维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。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。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。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 。2 2）电流定额电流定额1-40举例说明：举例说明：正弦半波电流平均值IT(AV)、电流有效值IT 和电流最大值Im三者的关系为：mmAVTIttdII)(sin210)(2)()sin(2102mmTItdtII各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I与平均值Id之比，称为这个电流的波形系数，用Kf 表示。因此，在正弦半波情况下电流波形系数为：57.12)(AVTTfIIK2.3.3 晶闸管的主要参数1-412.3.3 晶闸管的主要参数1-422.3.3 晶闸管的主要参数1-43电流系列值：1,3,5,10,20,50，100 2.3.3 晶闸管的主要参数UmUTN)32(57.1)25.1()(TAVTIISCR的使用：选择器件时，1-44例 两个不同的电流波形（阴影斜线部分）如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A，试计算各波形下晶闸管的电流平均值IdT1、IdT2，电流有效值IT1、IT2。A)(2.270.272 1222dsin21m4/mmdT1IIttII解：)A(7.47477.0324dsin21mm4/2mT1IIttIIA)(3.33333.03 3221mmmdT2IIII)A(7.57577.033221mm2mT2IIII1-45 型号：举例 KP100-10E 国产晶闸管的型号命名（JB1144-75部颁发标准）主要由四部分组成，各部分的含义见下表。第一部分用字母“K”表示主称为晶闸管。第二部分用字母表示晶闸管的类别。第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值。第四部分用数字表示重复峰值电压级数。第五部分用字母表示管压降等级2.3.3 晶闸管的主要参数1-46 晶闸管的主要参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt 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。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。通态电流临界上升率di/dt 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。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数2.3.4 晶闸管的派生器件 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10 s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。在火车机车上使用。在火车机车上使用。DATASHEET1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)2.3.4 晶闸管的派生器件2 2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）图图2-24 2-24 双向晶闸管的电气双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性图形符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。接的普通晶闸管的集成。有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门极一个门极G。在第在第和第和第IIIIII象限有对象限有对称的伏安特性。称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。应用在交流调压、调功应用在交流调压、调功(率率)电路、固态开关电路、固态开关(无无触点触点)DATASHEET)()(2RMSTAVTII2.3.4 晶闸管的派生器件逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图图2-25 逆导晶闸管的电气逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性图形符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性将晶闸管反并联一将晶闸管反并联一个二极管制作在同个二极管制作在同一管芯上的功率集一管芯上的功率集成器件。成器件。具有正向压降小、具有正向压降小、关断时间短、高温关断时间短、高温特性好、额定结温特性好、额定结温高等优点。高等优点。2.3.4 晶闸管的派生器件光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度光强度强强弱弱b)OUIA图图2-26 光控晶闸管的电气光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性图形符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性又称光触发晶闸管，又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光是利用一定波长的光照信号触发导通的晶照信号触发导通的晶闸管。闸管。光触发保证了主电路光触发保证了主电路与控制电路之间的绝与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干缘，且可避免电磁干扰的影响。扰的影响。因此目前在高压大功因此目前在高压大功率的场合。率的场合。1-52作业题作业题：图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，求其电流平均值求其电流平均值IdT和电流有效值和电流有效值IT。如果晶闸管的额定电。如果晶闸管的额定电流为流为100A，不考虑安全裕量，允许流过以上波形的平均电，不考虑安全裕量，允许流过以上波形的平均电流是多少？流是多少？1-53如图所示，试画出负载如图所示，试画出负载Rd上的电压波上的电压波形形(不考虑管子的导通压降不考虑管子的导通压降)。2.4 典型全控型器件2.4 典型全控型器件引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。2.4 典型全控型器件引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块1-572.4.1 门极可关断晶闸管GTO GTO（Gate Turn-Off Thyristor），门极信号不仅能控制其导通，也能控制其关断。门极施加负的脉冲电流使其关断（阳极）A（阴极）KG（门极）可关断的两个主要因素：结构：内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起。参数：晶闸管导通后V1和V2的总回路增益1+2常为左右；而GTO的1+2非常接近1，处于临界饱和状态。1-582.4.2 电力晶体管BJT/GTR 结构 工作原理工作原理与三极管的工作原理相同 输出特性输出特性PNPb）（CEBNPNa）（CEBPPNBCEPNNBCE截止区截止区放大区放大区饱和区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce1-592.4.2 电力晶体管一次击穿：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。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。安 全 工 作 区（安 全 工 作 区（S a f e Operating AreaSOA）最高电压最高电压UceM、集电极最大、集电极最大电流电流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图2-18 GTR的安全工作区的安全工作区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2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管P-MOSFETP-MOSFET 主要是N沟道增强型特点特点用栅极电压来控制漏极电流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。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过不超过10kW的电力电子装置的电力电子装置。2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。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，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图2-28 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。0 0101020203030505040402 24 46 68 8a)101020203030505040400 0b)10102020 303050504040饱和区饱和区非非饱饱和和区区截止区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图图2-30 电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a)转移特性转移特性 b)输出特性输出特性2）电力）电力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 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。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。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图图2-30电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a)转移特性转移特性 b)输出特性输出特性MOSFET的漏极伏安特性：的漏极伏安特性：0 0101020203030505040402 24 46 68 8a)101020203030505040400 0b)1010 2020 303050504040饱和区饱和区非非饱饱和和区区截止区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 绝缘栅双极晶体管IGBTIGBTGTR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。目前，IGBTIGBT的容量水平已达3000V/1800A3000V/1800A，工作频率达40kHz40kHz以上。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和和GTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，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。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的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻单极型，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。抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管1)IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极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+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图2-35 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 绝缘栅双极晶体管 N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。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。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)图2-35 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 IGBT的结构的结构 绝缘栅双极晶体管 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。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。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。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。IGBT的原理的原理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 绝缘栅双极晶体管2)IGBT的基本特性 (1)IGBT的静态特性图2-36 IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性 b)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。绝缘栅双极晶体管 IGBT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GTR大，且大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比通态压降比VDMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。类似。与与MOSFET和和GTR相比，耐压和通流能力还可以进相比，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一步提高，同时保持开关频率高的特点。绝缘栅双极晶体管 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件块，成为逆导器件。高 低 电力电子器件容量 SCRGTOIGBTBJT功率MOSFET 器件的工作频率 功率MOSFETIGBTBJTGTOSCR2.5 其他新型电力电子器件 MOS控制晶闸管MCT 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。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。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。MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合与晶闸管的复合(DATASHEET)2.5.2 静电感应晶体管SITSIT 多子导电的器件，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。SIT（Static Induction Transistor）结型场结型场效应晶体管效应晶体管2.5.3 静电感应晶闸管SITHSITH SITH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。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。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。SITH（Static Induction Thyristor）场场控晶闸管（控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCTIGCT 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在大功率场合的位置。DATASHEET 1 2IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）GCT（Gate-Commutated Thyristor）1-762.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件硅的禁带宽度为电子伏特（eV），而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在电子伏特左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 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）。DATASHEET基本概念基本概念高压集成电路（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）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）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）。实际应用电路实际应用电路2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 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。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。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。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。发展现状发展现状2.6 功率集成电路与集成电力电子模块图2-42电力电子器件分类“树”本章小结 主要内容全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳单极型单极型：电力MOSFET和SIT双极型双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH 复合型复合型：IGBT和MCT分类：DATASHEET 本章小结 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型：双极型器件中除SITH外 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。电压驱动型电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH 本章小结 IGBT为主体，第四代产品，制造水平，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。光控晶闸管：功率更大场合，装置最高达300MVA，容量最大。电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。当前的格局当前的格局:1-83复习题 1、写出下列典型全控型器件的中文：GTO：、GTR：、P-MOSFET：、IGBT：。2、GTO的_结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。3、MOSFET的漏极伏安特性中的三个区域与GTR共发射极接法时的输出特性中的三个区域有对应关系，其中前者的截止区对应后者的_、前者的饱和区对应后者的_、前者的非饱和区对应后者的_。4、电力MOSFET的通态电阻具有_温度系数。5、IGBT 的开启电压UGE（th）随温度升高而_，开关速度_电力MOSFET。6、IGBT是由 和 两类器件取长补短结合而成的复合器件。7、GTO的关断是靠门极加 来实现的。8、电力MOSFET是一种性能优良的电子器件，是用 极电压来控制 极电流的，因此它显著特点是：，但是 缺点是 和 。1-84 9、按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，可将电力电子器件分为_和_两类。10、在如下器件：电力二极管（Power Diode）、SCR、GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT中，属于不可控器件的是_，属于半控型器件的是_，属于全控型器件的是_；属于单极型器件的有_，属于双极型器件的有_，属于复合型器件的有 _；在可控的器件中，容量最大的是_，工作频率最高的是_，属于电压驱动的是_，属于电流驱动的是_。11、某半导体器件的型号为KP508E的，其中KP表示该器件的名称为 ，50表示 ，8表示 ，E表示 。