电力电子技术ppt课件

第1章 电力电子器件l1.1 电力电子器件概述l1.2 电力二极管l1.3 晶闸管及其派生器件l1.4 门极可关断晶闸管 l1.5 电力晶体管 l1.6 功率场效应晶体管 l1.7 绝缘栅双极性晶体管 l1.8 其他新型电力电子器件 l 本章小结1第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述11.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 电力电子器件的应用领域21.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.概念概念主电路（主电路（Power CircuitPower Circuit）在电气设在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。任务的电路。电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device)Power Electronic Device)直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。电能的变换或控制的电子器件。31.1.1 电力电子器件的概念和特征1.概念电力电子器件（P电力电子器件是功率半导体器件。电力电子器件是功率半导体器件。1 1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电电 子器件。子器件。2 2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损 耗、提高效率，一般都工作在开关状态。耗、提高效率，一般都工作在开关状态。3 3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4 4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器器 件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需需 要设计安装散热器。要设计安装散热器。2.2.特征特征4电力电子器件是功率半导体器件。2.特征41.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.按照电力电子器件的可控程度按照电力电子器件的可控程度半控型器件全控型器件通过控制信号可控制通过控制信号可控制其导通而其导通而不不能能控制其关断控制其关断晶闸管晶闸管及其派生器件及其派生器件关关 断断主主电电路路电电流流电电压压通过控制信号即可控制通过控制信号即可控制其导通又其导通又能能控制其关断控制其关断绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管自关断器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管处理兆瓦级处理兆瓦级大功率电能大功率电能51.1.2 电力电子器件的基本类型1.按照电力电子器件的可控不能不能用用控制信号控制控制信号控制其通断，其通断，不需要不需要驱动电路驱动电路电力二极管电力二极管不控型器件主主电电路路通通 断断电电流流电电压压只有两个端子只有两个端子2.2.按照驱动电路加在按照驱动电路加在电力电子电力电子器件上驱动信号的性质器件上驱动信号的性质电流驱动型电压驱动型控控制制端端通通 断断注注入入电电流流抽抽出出电电流流电压信号电压信号公公共共端端控控制制端端6不能用控制信号控制电力二极管不控型器件主通 断电电只有两3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况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由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件73.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1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件 最初是单管结构、分立器件电力电子设备 电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路结构松散、体积大、可靠性差、成本高电力电子器件的模块化与集成化 结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低81.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件 最初功率模块由若干功率开关器件与快速二极管组合而成由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片智能功率模块将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再度与电力电子器件集成再度与电力电子器件集成9功率模块由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块表1-1 电力电子器件类 型名称中文名称英文名称分立器件不可控器件电力二极管PowerDiode半控型器件晶闸管(可控硅)Thyristor(SCR)全控型器件电流控制器件电力晶体管(双极型晶体管)GTR(BJT)门极可关断晶闸管GTO电压控制器件电力场效应晶体管PowerMOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT场控晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成模块功率模块Power Module单片集成模块SystemonaChip智能功率模块IPM10表1-1 电力电子器件类 型名称中文名称英文名称分立不可控1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 电力电子器件的应用领域111.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和1.1.4 电力电子器件的应用领域电力电子器件 应用广泛电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域121.1.4 电力电子器件的应用领域电力电子器件 应用广泛电1.2 电力二极管结构和原理简单结构和原理简单工作可靠工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管电力二极管（半导体整流管）（半导体整流管）2020世纪世纪5050年代年代初获得应用初获得应用应用应用快恢复二极管快恢复二极管肖特基二极管肖特基二极管斩波、逆变斩波、逆变高频低压仪表、高频低压仪表、开关电源开关电源131.2 电力二极管结构和原理简单工作可靠现在仍大量应用于1.2 1.2 电力二极管电力二极管l1.2.1 PN结的工作原理l1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 l1.2.3 电力二极管的主要参数 l1.2.4 电力二极管的主要类型141.2 电力二极管1.2.1 PN结的工作原理141.2.1 PN结的工作原理 电力二极管在本电力二极管在本质上是一个质上是一个PNPN节，节，只是加上电极引线、只是加上电极引线、管壳封装。管壳封装。PNPN节的节的工作原理已经在模工作原理已经在模拟电子技术课程中拟电子技术课程中涉及，不再展开讨涉及，不再展开讨论。论。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号151.2.1 PN结的工作原理 电力二极管在本质上是一PNPN结的单向导电性：承受正向结的单向导电性：承受正向电压导通，承受反向电压截止电压导通，承受反向电压截止PNPN结的正向导通状态结的正向导通状态 PN结在正向电流很大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻状态。PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 微弱的反向电流。16PN结的单向导电性：承受正向电压导通，承受反向电压截止PN结PNPN结反向击穿结反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结的反向截止状态PNPN结反向击穿结反向击穿反向电流急剧增大17PN结反向击穿施加PN结反反向电流破坏PN结的反向截止状态P1.2.2 电力二极管的结构与基本特性1.1.静态特性静态特性图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管电力二极管静态特性静态特性伏安特性伏安特性正向电压为零，电流为零。正向电压较小，正向电流很小，几乎为零。正向电压升高至UTO，正向电流明显增加。门槛、阈值电压正向电压大于UTO，正向电流线性增长。181.2.2 电力二极管的结构与基本特性1.静态特性图1-41.2.2 电力二极管的结构与基本特性1.1.静态特性静态特性图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管电力二极管静态特性静态特性伏安特性伏安特性值定一到大压电向正承受反向电压时只有微小而数值恒定的反向漏电流。正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。191.2.2 电力二极管的结构与基本特性1.静态特性图1-4零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中，其电压电流关系随时间而变化2.2.动态特性动态特性电力二极管的动态状态电力二极管的动态状态反映通态和断态之间转换过程的开关特性20零偏置正向反向过渡过程中，其电压电流关系随时间而变化2.动电力二极管的关断电力二极管的关断在tF时刻外加电压突然反向。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。td=t1-t0延迟时间tf=t2-t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间普通：5几十微秒快速：几百纳秒肖特基：几十纳秒a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURttFt0URP在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。21电力二极管的关断td=t1-t0延迟时间a)IFtdt 注意：电流、电压反向问题注意：电流、电压反向问题 过冲过冲正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的开通时间很短；但在关断时，它需要一个反向恢复时间（reverser-recoverytime）。影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。22 注意：电流、电压反向问题 过冲221.2.3 电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV)在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定的裕量。正向压降正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。231.2.3 电力二极管的主要参数正向平均电流IF(AV)正1.2.3 电力二极管的主要参数浪涌电流浪涌电流最高工作结温最高工作结温反向恢复时间反向恢复时间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。额定电压。23倍裕量。241.2.3 电力二极管的主要参数浪涌电流最高工作结温反向恢1.2.4 电力二极管的主要类型普通二极管普通二极管(整流二极管）整流二极管）多用于开关频率多用于开关频率不高（不高（1 1kHz以下）以下）的整流电路中的整流电路中 反向恢复时间长反向恢复时间长一般在一般在5s以上以上正向电流定额和正向电流定额和反向电压定额很反向电压定额很高，分别可达数高，分别可达数千安和数千伏以上千安和数千伏以上 251.2.4 电力二极管的主要类型普通二极管多用于开关频率反快恢复二极管快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5s以下，数百ns）的二极管，简称快速二极管。26快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5s以肖特基二极管肖特基二极管导通压降只有0.30.6V，反向恢复时间短，1040ns。缺点：漏电流很大、耐压低。27肖特基二极管导通压降只有0.30.6V，反向恢复时间短，1.3 晶闸管及其派生器件l1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理l1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数 l1.3.3 1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件281.3 晶闸管及其派生器件1.3.1 晶闸管的结构及1.3.1晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKA AK KG图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 a)c)b)AGKGKA291.3.1晶闸管的结构与工作原理P1J1J2J3AGKAKG 晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等效为可控的单向导电开关。反向承受一定电压，处于阻断（截止）状态。正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高阻抗的阻断工作状态和低阻抗的导通工作状态。30 晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等图1-7 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)产生注入门极的触发电流IG的电路触发触发门极触发电路门极触发电路对晶闸管的驱动反向截止反向截止正向阻断正向阻断31图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理产生注入门极的触晶闸管工作原理如以下方程所示晶闸管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1 (1-1)Ic2=a2IK+ICBO2 (1-2)IK=IA+IG (1-3)IA=IC1+IC2 (1-4)a1和a2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。由式（1-1）式（1-4）得：(1-5)32晶闸管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICB晶体管的特性是：晶体管的特性是：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（门极触发）：开通（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的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。33晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流晶闸管的开通、关断规律：晶闸管的开通、关断规律：1)承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管均不导通。2)承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管开通。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。即使去除门极触发信号，仍然维持导通。自锁、掣住4)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。维持电流34晶闸管的开通、关断规律：承受反向电压时，不论门极是否有触发电1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数1.1.阳极伏安特性及静态参数阳极伏安特性及静态参数IG2IG1 IG 第象限是正向特性第象限是反向特性351.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数1.阳极伏安特性及静态 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压UDB，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。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称为维持维持电流。电流。36 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，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。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管反向击穿、损坏。37 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管晶闸管的静态参数lUDB、URB 正向转折电压和反向击穿电压；UDSM、UDRM 正向断态不重复峰值电压和重复峰值电压；lURSM、URRM 反向不重复峰值电压和重复峰值电压；l不重复峰值电压是指不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一l般不允许多次施加。l重复电压是指晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的最大瞬时电压。l取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向重复峰值电压。l取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。38晶闸管的静态参数UDB、URB 正向转折电压和反向击穿电压晶闸管的静态参数l取晶闸管的UDRM和URRM中较小者作为额定电压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。l正向通态电压正向通态电压 指晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压降，也称管压降，该参数直接反映了器件的通态损耗特性。若通过晶闸管的电流为通态平均电流，则电压降为通态平均管压降。39晶闸管的静态参数取晶闸管的UDRM和URRM中较小者作为额定l额定电流、通态平均电流额定电流、通态平均电流I IT(AVT(AV)l晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却条件下，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。l晶闸管的额定电流以工作波形的平均值定义。选择晶闸管时根据有效值相等的原则，在选择晶闸管定额电流时，通常需要根据电流波形，做平均值与有效值的换算。以正弦半波为例。l考虑到实际散热条件、过载现象，留有1.52倍的裕度。40额定电流、通态平均电流IT(AV)晶闸管l维持电流维持电流 I IH H l晶闸管维持导通所必需的最小电流。l若晶闸管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。l掣住电流掣住电流I IL Ll晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持其导通所必需的最小阳极电流。对同一晶闸管来说，通常I IL L 约为 I IH H 的24倍。lIL是晶闸管的临界开通电流，若阳极电流IA未达到IL时就去掉门极信号，晶闸管将自动返回阻断状态。在感性负载电路中，由于阳极电流上升到IL需要一定的时间，若门极信号持续时间低于此值，晶闸管则不能维持住导通状态。41维持电流 IH 412.2.动态特性及其参数动态特性及其参数 动动态态特特性性：晶晶闸闸管管在在阻阻断断、导导通通这这两两种种状状态态变变换换过过程程中所体现的特性，包括开通特性和关断特性。中所体现的特性，包括开通特性和关断特性。开开通通特特性性：晶晶闸闸管管在在正正向向偏偏置置并并受受到到理理想想电电流流触触发发时时的导通情况。的导通情况。关关断断特特性性：已已导导通通的的晶晶闸闸管管在在施施加加反反向向电电压压时时的的关关断断情况。情况。422.动态特性及其参数 42开通过程开通过程延迟时间延迟时间td 从门极电流阶跃时刻开始，阳极电流上升到额定值的10%所需时间上升时间上升时间tr阳极电流从额定值10%上到90%所需时间开通时间开通时间tgt tgt=td+tr普通晶闸管的延迟时间为0.5us，上升时间为0.53us。其延迟时间随门极电流的增大而减小。强触发43开通过程延迟时间td 43关断过程关断过程反反向恢复时间向恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至近于零的时间。恢复对反向电压的阻断能力。门极门极恢复时间恢复时间tgr晶闸管完全关断至恢复阻断能力所需时间。恢复对正向电压的阻断能力。关断时间关断时间tqtq=trr+tgr普通晶闸管的时间约为几百微秒44关断过程反向恢复时间trr 44l断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dtdu/dt l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。过大，误导通l通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt l在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。过大，门极局部过热45断态电压临界上升率du/dt 451.3.3 晶闸管的派生器件快速晶闸管快速晶闸管普通晶闸管开通和关断时间较长，允许的电开通和关断时间较长，允许的电流上升率较小，其工作频率受到流上升率较小，其工作频率受到限制，主要用于工频电路中。限制，主要用于工频电路中。快速晶闸管工作频率高，高于工作频率高，高于400Hz400Hz，开关，开关时间短，时间短，t toffoff50s50s，通态压，通态压降和开关损耗低；降和开关损耗低；应用于斩波器、应用于斩波器、中频逆变电源等电力电子装置中。中频逆变电源等电力电子装置中。高频晶闸管工作频率高于工作频率高于10KHz10KHz461.3.3 晶闸管的派生器件快速晶闸管普通晶闸管开通和关断时逆导晶闸管逆导晶闸管 图1-12 逆导晶闸管的符号和静态伏安特性(a)符号；(b)静态伏安特性 逆导晶闸管是一个反向导通的晶闸管，即将一个逆阻型晶闸管与一个二极管反并联集成在同一硅片上构成的新器件。正向可控闸流特性与逆阻型晶闸管相同，反向则表现为二极管的正向特性。逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、允许结温高、体积小的优点，可用于反向不需要承受阻断电压但需要二极管续流的电路中。47逆导晶闸管 图1-12 逆导晶闸管的符号和双向晶闸管双向晶闸管 图1-13 双向晶闸管的符号和静态伏安特性(a)符号；(b)静态伏安特性 具有正、反两个方向都能控制导通的特性，可以看成一对反并联的普通晶闸管，但其具有触发电路简单、工作稳定可靠的优点。用于交流电力控制电路中。额定电流用有效值表征48双向晶闸管 图1-13 双向晶闸管的符号和光控晶闸管光控晶闸管 图1-14 光控晶闸管的符号和静态伏安特性(a)符号；(b)静态伏安特性 光控晶闸管是一种利用一定波长的光照信号作为触发信号的晶闸管。小功率光控晶闸管只有两个电极(A、K)，大功率光控晶闸管还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。常用于高电压电路中，如高压直流输电等。49光控晶闸管 图1-14 光控晶闸管的符号和1.4 门极可关断晶闸管晶闸管由于耐压高、电流大和相对较强的过载能力，在高压大功率领域将继续广泛应用。半控型器件，如何关断即换流？必须借助外部手段使其电流小于维持电流。为此必须附加强迫换流电路，使电力电子装置复杂化。为满足现场实际的需要，在晶闸管基础之上研制成功门极可关断晶闸管，GTO。全控型器件电压、电流容量高于其它全控型器件，但驱动技术复杂、价位高，使其推广受到限制。501.4 门极可关断晶闸管晶闸管由于耐压高、电流大和相对较强1.4.1 GTO GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构结构511.4.1 GTO的结构和工作原理结构51与晶闸管的相同点与晶闸管的相同点PNPN四层半导体结构阳极A、阴极K、门极G不同点不同点多元功率集成器件 内部包含数百个小GTO元GTO元阳极共有GTO元阴极、门极在器件内部并联阴极呈岛状结构，周围被门极所包围，以减小门极和阴极之间的距离。阴极宽度越窄、门极与阴极距离越短（横向电阻小），越利于关断。52与晶闸管的相同点PNPN四层半导体结构不同点多元功率集成器件GTO导通过程与普通晶闸管相同，如何？只是导通时饱和程度较浅、临界饱和状态。工作原理工作原理导通：V1、V2饱和1+21，1+21；关断：V1、V2是不饱和的，1+21临界饱和：1+21晶闸管导通时1+21.15GTO导通时1+21.0553GTO导通过程与普通晶工作原理导通：V1、V2饱和晶闸管导GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则IB2减小，使IK和IC2减小，IC2的减小又使IA和IC1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+2UT（UT为开启电压或阈值为开启电压或阈值电压）时，漏极和源极导电，流过漏电压）时，漏极和源极导电，流过漏极电流。极电流。68DGSN沟道当漏、源极间加正向电压，栅、源极间UGS=0时，1.6.2 特性、1.6.3 参数与MOSFET类似，不再展开讨论。69Power Electronics1.6.2 特性、1.6第1章 电力电子器件l1.1 电力电子器件概述l1.2 电力二极管l1.3 晶闸管及其派生器件l1.4 门极可关断晶闸管 l1.5 电力晶体管 l1.6 功率场效应晶体管 l1.7 绝缘栅双极性晶体管 l1.8 其他新型电力电子器件 l 本章小结70第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述70绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。1.7 绝缘栅双极晶体管IGBT显著优点：显著优点：它将它将MOSFET 和和GTR的优点集于一身，的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好 。中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电流容量的不断升高，有进一步取代流容量的不断升高，有进一步取代GTO的趋势的趋势 。71绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。1.7 绝缘栅1.7 绝缘栅双极晶体管l1.7.1 结构与工作原理l1.7.2 特性 l1.7.3 参数l1.7.4 掣住效应与安全工作区721.7 绝缘栅双极晶体管1.7.1 结构与工作原理721.7.1 结构和工作原理N沟道沟道MOSFET与双极型晶体管复合而成与双极型晶体管复合而成；以；以GTR为主导元件、为主导元件、N沟道沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结为驱动元件的达林顿结构。等效电路中构。等效电路中Rdr是是GTR基区内的扩展电阻。基区内的扩展电阻。731.7.1 结构和工作原理N沟道MOSFET与双极型晶体管复IGBT的开通与关断由栅极电压控制。以的开通与关断由栅极电压控制。以N沟道沟道IGBT为为例，栅极施以正电压时，例，栅极施以正电压时，MOSFET内形成导电沟道，为内形成导电沟道，为PNP晶体管提供基极电流，晶体管提供基极电流，IGBT导通。在栅极施以负导通。在栅极施以负压时，压时，MOSFET内导电沟道消失，内导电沟道消失，PNP晶体管无基极电晶体管无基极电流，流，IGBT关断。关断。74IGBT的开通与关断由栅极电压控制。以N沟道IGBT为例，栅1.7 绝缘栅双极晶体管l1.7.1 结构与工作原理l1.7.2 特性 l1.7.3 参数l1.7.4 掣住效应与安全工作区751.7 绝缘栅双极晶体管1.7.1 结构与工作原理751.7.2 1.7.2 特性特性静态特性静态特性输出特性输出特性 以栅射电压以栅射电压UGE为参变量，为参变量，反映集电极电流反映集电极电流IC与集电极、发射极电压与集电极、发射极电压UCE间关系的曲线间关系的曲线族族 761.7.2 特性静态特性输出特性 以栅射电压UGE当当UGEUT时，时，IGBT处于截止状态，处于截止状态，微弱漏电流微弱漏电流。77当UGEUT时，时，IGBT处于放大区。集电极电流处于放大区。集电极电流I IC C大小大小几乎不随几乎不随u uCECE而变化，其大小取决于而变化，其大小取决于u uGEGE，正常情况下，正常情况下不会进入击穿区。不会进入击穿区。78当UGEUT时，IGBT处于放大区。集电极电流IC大小几乎当当UGEUT，集电极电流，集电极电流I IC C与与u uCECE成线性关系，不随成线性关系，不随u uGEGE而变化，而变化，IGBT处于饱和区，导通压降较小。处于饱和区，导通压降较小。UT=26V，UGE=15V79当UGEUT，集电极电流IC与uCE成线性关系，不随uGE1.7.2 1.7.2 特性特性静态特性静态特性转移特性转移特性 集电极电流集电极电流IC和栅射电压和栅射电压UGE的关系，它表征的关系，它表征UGE对对IC的控制能力。的控制能力。801.7.2 特性静态特性转移特性 集电极电流IC和当当UGE小于开启电压时，小于开启电压时，IGBT处于关断状态；当处于关断状态；当UGE大大于开启电压时，于开启电压时，IGBT 开通，导通后，开通，导通后，IC 与与UGE 基本呈基本呈线性关系。线性关系。81当UGE小于开启电压时，IGBT处于关断状态；当UGE大于开1.7.2 1.7.2 特性特性动态特性动态特性 输入电压（输入电压（uGE）和集电极电流（）和集电极电流（IC）、输出）、输出电压（电压（uCE）的关系）的关系 821.7.2 特性动态特性 输入电压（uGE）和集电极延迟时间延迟时间td 从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值10%时刻开始，到集电极电流iC上升至其幅值的10%所需时间上升时间上升时间tr集电极电流iC从其幅值10%上升至90%所需时间开通时间开通时间ton ton=td+tr83延迟时间td 83集射电压集射电压uCE的的下降过程分为下降过程分为tfv1和和tfv2两段。两段。tfv1 MOSFET单独工作时的电压下降时间tfv2 MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降时间只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态84集射电压uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。84关断延迟时间关断延迟时间ts 从驱动电压uGE的后沿下降至其幅值90%时刻开始，到集电极电流iC下降至其幅值的90%所需时间电流下降时间电流下降时间tf集电极电流iC从其幅值90%下降至10%所需时间关断时间关断时间toff toff=ts+tf85关断延迟时间ts 85集电极电流集电极电流iC的的下降过程分为下降过程分为tfi1和和tfi2两段。两段。tfi1 对应对应MOSFET的关断过程tfi2 对应PNP晶体管的关断过程，集电极电流集电极电流iC下下降较慢。集射电降较慢。集射电压压uCE建立，功建立，功耗较大耗较大开通开通 tfv286集电极电流iC的下降过程分为tfi1和tfi2两段。861.7 1.7 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.7.1 结构与工作原理1.7.2 特性 1.7.3 参数1.7.4 掣住效应与安全工作区871.7 绝缘栅双极晶体管1.7.1 结构与工作原理871.7.3 主要参数集射极击穿电压集射极击穿电压UCES 决定器件的最高工作电压，由内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。随温度的升高而增大。最大栅射极电压最大栅射极电压 栅射极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所限制的，为了限制故障电流、确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20V之内，其最佳值一般取15V左右。881.7.3 主要参数集射极击穿电压UCES 集电极连续电流集电极连续电流IC、集电极峰值电流、集电极峰值电流ICM 表征电流容量，额定电流。集电极连续电流IC主要受结温限制。集电极峰值电流ICM为避免掣住效应而定义。只要不超过额定结温，IGBT可以工作在峰值电流范围内，峰值电流大约是额定值的2倍。最大集电极功率最大集电极功率PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。89集电极连续电流IC、集电极峰值电流ICM 1.7 绝缘栅双极晶体管l1.7.1 结构与工作原理l1.7.2 特性 l1.7.3 参数l1.7.4 掣住效应与安全工作区901.7 绝缘栅双极晶体管1.7.1 结构与工作原理90掣住效应（自锁效应）掣住效应（自锁效应）IGBT内部存在寄生晶闸管，若集电极电流过大或duCE/dt过大，寄生晶闸管将开通，栅极就失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件损坏。这种电流失控现象被称为掣住效应或自锁效应。静态、动态。温度升高动态掣住效应比静态掣住效应所允许的集电极电流小。因此IGBT所允许的最大集电极电流实际上根据动态掣住效应确定。限制电流容量原因之一1.7.4 IGBT1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区的掣住效应和安全区91掣住效应（自锁效应）1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区1.7.4 IGBT1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区的掣住效应和安全区正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区 规范开通过程、通态工作点规范开通过程、通态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定IGBT在导通工作状态的参数极限 范围。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区 规范关断过程、断态工作点规范关断过程、断态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大允许电压上升率确定IGBT在阻断工作状态的参数极限 范围。921.7.4 IGBT的掣住效应和安全区正向偏置安全工作区 第1章 电力电子器件l1.1 电力电子器件概述l1.2 电力二极管l1.3 晶闸管及其派生器件l1.4 门极可关断晶闸管 l1.5 电力晶体管 l1.6 功率场效应晶体管 l1.7 绝缘栅双极性晶体管 l1.8 其他新型电力电子器件 l 本章小结93第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述931.8 其他新型电力电子器件1.8.11.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT1.8.2 MOS1.8.2 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT1.8.3 1.8.3 集成门极换向型晶闸管集成门极换向型晶闸管IGCTIGCT1.8.4 1.8.4 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势941.8 其他新型电力电子器件1.8.1 静电感应晶体管S1.8.1 1.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSITl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。l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。l缺点缺点：l栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通正常导通型型器件，使用不太方便。l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。SITSIT 结型场效应晶体管结型场效应晶体管951.8.1 静电感应晶体管SITSIT 结型场效应晶1.8.2 MOS1.8.2 MOS控制晶体管控制晶体管MCTMCTlMCT结合了二者的优点：l承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。l高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。l一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。l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。l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。MCTMCT MOSFET与晶闸管的复合961.8.2 MOS控制晶体管MCTMCT结合了二者的优点：1.8.3 1.8.3 集成门极换向型晶闸管集成门极换向型晶闸管 l20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。l可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。l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。IGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）GCT（Gate-Commutated Thyristor）971.8.3 集成门极换向型晶闸管 20世纪90年代后期出现1.8.4 1.8.4 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势 l电力半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子技术的应用范围。l电力电子器件按其控制机理不同，可分为电压控制型、电流控制型器件和功率集成电路(PIC)。l高频电力电子技术要求电力电子器件具有高开关速度和低通态损耗、高输入阻抗和高工作温度、优良的热稳定性和良好的抗辐射能力。l随着电力电子装置不断向大容量、高频率、易驱动、低损耗等方向发展，可以预测，现代电力电子器件未来发展趋势是：快速高频化；高容量化；多功能集成化；小型、轻量、廉价化；绿色化(污染小)，包括减小生产和原材料应用中的污染，尤其是指减小器件使用中的电磁干扰和射频干扰；增加耐用度和可靠性，使用更方便。981.8.4 电力电子器件的发展趋势 电力半导体器件的飞速发第1章 电力电子器件l1.1 电力电子器件概述l1.2 电力二极管l1.3 晶闸管及其派生器件l1.4 门极可关断晶闸管 l1.5 电力晶体管 l1.6 功率场效应晶体管 l1.7 绝缘栅双极性晶体管 l1.8 其他新型电力电子器件 l 本章小结99第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述99本章小结本章小结l主要内容主要内容l集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。l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。l电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳l单极型：电力MOSFET和SITl双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITHl 复合型：IGBT和MCT100本章小结主要内容电力电子器件类型归纳100器件优点缺点应用领域GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题UPS、空调等中小功率中频场合GTO电压、电流容量很大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。MOSFET开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿电流容量小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品IGBT开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代GTR。应用最广泛的电力电子器件。101器件优点缺点应用领域GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能