伺服系统第2章课件电力电子器件

电力电子器件电力电子器件 第第2章章第第2章章 电力电子器件电力电子器件 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件：电力电子器件：可直接用于处理电能的可直接用于处理电能的主电路中实现电能的变换或控制的电子器主电路中实现电能的变换或控制的电子器件。件。主电路：在电气设备或电力系统中，主电路：在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。直接承担电能的变换或控制任务的电路。2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征电力电子器件的特征 n所能处理所能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压和的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。电流的能力，是其最重要的参数。n为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在在开关状态开关状态。n由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制,而且需要而且需要驱动电路驱动电路。n自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装在其工作时一般都需要安装散热器散热器。2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路控制电路、驱动驱动电路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一个系统。组成一个系统。电气隔离电气隔离图图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2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管晶闸管及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。流决定的。全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。断。不可控器件不可控器件 电力二极管电力二极管 不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断的控制。来实现导通或者关断的控制。(基于基于PN结的电力二极管、晶闸管、结的电力二极管、晶闸管、GTO和和GTR等。等。)电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现信号就可实现导通或者关断的控制导通或者关断的控制(MOSFET，IGBT)。按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外）脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器件的信号来实现器件的开通或者关断的控制开通或者关断的控制(晶闸管和晶闸管和GTO)。电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并电流信号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断并维持在阻断在导通状态或者关断并维持在阻断状态状态(MOSFET，IGBT)。2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。也称为场效应管.只有多子参与导电,少子不参与导电分为绝缘栅场效应管(MOS管)和结型场效应管(J-FET管).其中,MOS管还分为增强型和耗尽型两种.双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。BJT是双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）的缩写，又常称为双载子晶体管。复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)基本结构基本结构 c)电气图形符号电气图形符号肖特基势垒二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性 正向导通状态：正向导通状态：当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自在外电路上则形成自P区流入而从区流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF。反向截止状态：反向截止状态：当当PN结外加反向电压时（反向偏置）结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的时，反向偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过。，几乎没有电流流过。反向击穿：反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反结反向偏置为截止的工作状态。向偏置为截止的工作状态。按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式两种形式。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。齐纳击穿与雪崩击穿均为电击穿,电击穿是可逆的,只有在热击穿的情况下不可逆,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应结的电容效应 称为称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在高速开关，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。工作。2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性静态特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门槛门槛 电压电压UTO），正向电流才开始），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。明显增加，处于稳定导通状态。与与IF对应的电力二极管两端的对应的电力二极管两端的 电压即为其电压即为其正向电压降正向电压降UF。承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有少子少子 引起的微小而数值恒定的引起的微小而数值恒定的反向反向 漏电流漏电流。IOIFUTOUFU图图2-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV)指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，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，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。并应留有一定的裕量。正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。指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。使用时，应当留有两倍的裕量。2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数最高工作结温最高工作结温TJM 在在PN结不致损坏的前提下所能承受的结不致损坏的前提下所能承受的最高平最高平均温度均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。电力二极管小结n正向导通、反向关断、功率大、损耗大n主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV)正向压降正向压降UF反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRMn结电容影响开关频率2.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言晶闸管（晶闸管（Thyristor）是）是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。，以前被简称为可控硅。1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能承受的由于其能承受的电压和电流容量电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地的应用场合仍然具有比较重要的地位。位。晶闸管及模块晶闸管及模块注意注意，正常工作时，晶闸管散热器带电，严禁用手触及！正常工作时，晶闸管散热器带电，严禁用手触及！2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸从外形上来看，晶闸管也主要有管也主要有螺栓型螺栓型和和平平板型板型两种封装结构两种封装结构。引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制端）门极（控制端）G三个三个联接端。联接端。内部是内部是PNPN四层半四层半导体结构。导体结构。图图2-7 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 晶闸管导通的条件是：晶闸管导通的条件是：n1）要有适当的正向阳极电压；）要有适当的正向阳极电压；n2）还要有适当的正向门极电压，且晶闸管一）还要有适当的正向门极电压，且晶闸管一旦导通，门极将失去作用旦导通，门极将失去作用晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的电流降到晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（称为维持电流）以下。接近于零的某一数值（称为维持电流）以下。2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理当晶闸管承受反向阳压时，当晶闸管承受反向阳压时，V1、V2因反压无法导通；因反压无法导通；当晶闸管承受正向阳压当晶闸管承受正向阳压时，时，V1、V2才得到正确才得到正确的工作电源，这时再加的工作电源，这时再加入门极触发电流入门极触发电流IG，并，并在管子内部形成强烈的在管子内部形成强烈的正反馈过程：正反馈过程：从而使从而使V1、V2迅速饱和，即晶闸管导通。而对于已导迅速饱和，即晶闸管导通。而对于已导通的晶闸管，若去掉门极触发电流，由于其内部已完通的晶闸管，若去掉门极触发电流，由于其内部已完成了强烈的正反馈，所以它仍会维持导通。成了强烈的正反馈，所以它仍会维持导通。2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外除门极触发外其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高，造成阳极电压升高至相当高，造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 n承受反向电压承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通闸管都不会导通。n承受正向电压承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸管才能开通。n晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。n要使已导通的晶闸管关断要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。的某一数值以下。2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 阻断：阻断：当当IG=0时，如时，如果在器件两端施加正果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处向电压，则晶闸管处于正向于正向阻断状态阻断状态，只，只有很小的正向漏电流有很小的正向漏电流流过。流过。强强迫迫导通：通：如果正如果正向电压超过临界极限向电压超过临界极限即即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件器件开通开通。图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性n正常导通：正常导通：通过增大门通过增大门极电流，正向转折电压极电流，正向转折电压而降低，晶闸管导通。而降低，晶闸管导通。晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。n恢复阻断恢复阻断：如果门极电流为零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。图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的反的反向特性。向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的只有极小的反向漏电流反向漏电流通过。通过。当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是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。重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是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。重复加在器件上的反向峰值电压。2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV）稳定结温不超过额定结温时所允许流过的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。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。2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH 指使晶闸管维持导通所必需的指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，通常电流，通常为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。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，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的能维持导通所需的最小最小电流，约为电流，约为IH的的24倍倍2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸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管从断态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。电电压上升率过大，会使晶闸管误导通压上升率过大，会使晶闸管误导通 。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率最大通态电流上升率。电流上升太快，可能造成电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。局部过热而使晶闸管损坏。晶闸管小结n晶闸管特性n阳极阳极A、阴极阴极K和和门极门极G、晶闸管符号、晶闸管符号晶闸管导通的条件晶闸管导通的条件晶闸管关断的条件晶闸管关断的条件晶闸管主要参数：额定电压、通态平均电流。晶闸管主要参数：额定电压、通态平均电流。断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO 2.4.2 电力晶体管电力晶体管GTR 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、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。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管-GTOn晶闸管的一种派晶闸管的一种派生器件：阳极生器件：阳极-阴阴极极-门极。门极。n可以通过在门极可以通过在门极施加负的脉冲电施加负的脉冲电流使其关断。流使其关断。n属于全控型器属于全控型器件。件。图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b)并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号电气图形符号d)（Gate-Turn-Off Thyristor）2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管-GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半导体结四层半导体结 构构。是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出个器件，虽然外部同样引出个 极，但内部则包含数十个甚极，但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的至数百个共阳极的小小GTO 元元，这些，这些GTO元的元的阴极阴极和和门门 极极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。在一起。图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b)并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号电气图形符号d)2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时只不过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，器件退出出电流，器件退出饱和饱和而关断。而关断。GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。2.4.2 电力晶体管电力晶体管GTR电力晶体管电力晶体管-一种耐高电压大电流的一种耐高电压大电流的双极结型晶体管双极结型晶体管（BJT）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 原理与普通原理与普通BJT相同。相同。最主要的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关开关特性好。特性好。双极型晶体管也称晶体三极管，它是一种电流控制型器件，由输入电流控制输出电流，其本身具有电流放大作用。它工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。2.4.2 电力晶体管电力晶体管GTRGTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典 型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放 大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。在电力电子电路中，在电力电子电路中，GTR工作在工作在开关状态开关状态，即工，即工 作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时，一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图图2-17 共发射极接法时共发射极接法时GTR的输出特性的输出特性共发射极：输入和输出共发射极：输入和输出共用发射极共用发射极2.4.3 电力电力MOSFET(Power MOSFET）电力电力MOSFET是用是用栅极栅极电压来控制电压来控制漏极漏极电流的，电流的，它的特点它的特点有：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，多用于功率不超过电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。的电力电子装置。2.4.3电力电力MOSFET电力电力MOSFET 是单极型晶体管。是单极型晶体管。与小功率与小功率MOS管相比，耐压和耐电流能力大大提高。管相比，耐压和耐电流能力大大提高。多元结构多元结构漏极-D源极-S栅极-G2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管-IGBTGTR和和GTO是双极型电流驱动器件，通流能力很强，是双极型电流驱动器件，通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。电路简单。Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT 单极型晶体管也称场效应管，简称FET(Field Effect Transistor)。它是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制输出电流的大小。它工作时只有一种载流子(多数载流子)参与导电，故称为单极型晶体管。2.4.4 IGBTn三端器件，具有三端器件，具有栅极栅极G、集电极集电极C和和发射极发射极E。nIGBT综合了综合了GTR和和MOSFET的优点的优点2.4.4 IGBTnIGBT的工作原理的工作原理n IGBT的驱动原理与电力的驱动原理与电力MOSFET基本相同，基本相同，是一种是一种场控器件场控器件。其开通和关断是由栅极和发。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压射极间的电压UGE决定的。决定的。n当当UGE为正且大于开启电压为正且大于开启电压UGE(th)时，时，IGBT导通。导通。n当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，IGBT关断。关断。2.4.4 IGBT输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性）描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电为参考变量时，集电极电流流IC与集射极间电压与集射极间电压UCE之间的关系。之间的关系。分为三个区域：分为三个区域：正向正向阻断区阻断区、有源区有源区和和饱和区饱和区。当当UCE0时，时，IGBT为为反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。在电力电子电路中，在电力电子电路中，IGBT工作在工作在开关状态开关状态，因而是在因而是在正向阻断区正向阻断区和和饱饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。Saturation Cut-off Active(b)图图2-24 IGBT的转的转移特性和输出特性移特性和输出特性 b)输出特性输出特性 2.4.4 IGBT的主要参数的主要参数 导通时间导通时间Ton（50ns）。最大集射极间电压最大集射极间电压UCES（1700V）由器件内部的由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所晶体管所能承受的击穿电压所确定的。确定的。最大集电极电流最大集电极电流Icm（800A）最大集电极功耗最大集电极功耗PCM（3000w）在正常工作温度下允许的最大耗散功率。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。最高工作频率最高工作频率fm（150kHz）2.4.4 IGBTIGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下：开关速度开关速度高，高，开关损耗开关损耗小。小。通态压降通态压降比电力比电力MOSFET低，特别是在电流较低，特别是在电流较大的区域。大的区域。输入阻抗输入阻抗高，其输入特性与电力高，其输入特性与电力MOSFET类类似。似。与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐压耐压和和通流能力通流能力还可以进一步提高，同时保持还可以进一步提高，同时保持开关频率开关频率高高的特点。的特点。IGBT专用驱动芯片 M57959L2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块基本概念基本概念 20世纪世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为个器件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。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，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。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，称为诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率功率集成电路（集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。LMD18200 3A 55V小结n什么是电力电子器件n晶闸管-门极G、阳极A、阴极KnGTO-门极G、阳极A、阴极K nGTR-基极B、集电极C、发射极EnMOSFET-栅极G、漏极D、源极SnIGBT-栅极G、集电极C、发射极E本章小结本章小结电力电子器件归类电力电子器件归类 按照器件内部按照器件内部电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电的情况两种载流子参与导电的情况单极型单极型：电力：电力MOSFET。双极型双极型：电力二极管、晶闸管、：电力二极管、晶闸管、GTO和和GTR等。等。复合型复合型：IGBT。图图2-26 电力电子器件分类电力电子器件分类“树树”本章小结本章小结按驱动类型按驱动类型 电压电压驱动型器件驱动型器件 单极型器件和复合型器件。（电力单极型器件和复合型器件。（电力MOSFET、IGBT）共同特点是：共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。率高。电流电流驱动型器件驱动型器件 双极型器件双极型器件-晶闸管、晶闸管、GTO、GTR。共同特点是：共同特点是：通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。功率大，驱动电路也比较复杂。按控制信号的波形按控制信号的波形 电平电平控制型器件控制型器件 电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如GTR）脉冲脉冲触发型器件触发型器件 部分电流驱动型器件（如晶闸管和部分电流驱动型器件（如晶闸管和GTO）本章小结本章小结电力电子器件的现状和发展趋势电力电子器件的现状和发展趋势 20世纪世纪90年代中期以来，逐渐形成了年代中期以来，逐渐形成了小功率小功率（10kW以下）以下）场合以场合以电力电力MOSFET为主，为主，中、大中、大功率功率场合以场合以IGBT为主的压倒性局面，在为主的压倒性局面，在10MVA以以上或者数千伏以上上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关的应用场合，如果不需要自关断能力，那么断能力，那么晶闸管晶闸管仍然是目前的首选器件仍然是目前的首选器件。电力电力MOSFET和和IGBT中的技术创新仍然在继中的技术创新仍然在继续，续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域领域。