电力电子技术32课件

哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.1电力电子技术功率半导体器件(2)8.4 电力晶体管nGTRGTR的结构和工作原理的结构和工作原理采用采用多元集成结构多元集成结构，耐压高、电流大。，耐压高、电流大。单管单管GTRGTR的电流放大系数的电流放大系数 值比小功率的晶体管小得多，值比小功率的晶体管小得多，通常为通常为1010左右，采用左右，采用达林顿接法达林顿接法可有效增大电流增益。可有效增大电流增益。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.2电力电子技术功率半导体器件(2)共发射极接法时共发射极接法时GTRGTR的输出特性的输出特性截止区截止区放大区放大区饱和区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。低得多。nGTRGTR的主要参数的主要参数哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.5电力电子技术功率半导体器件(2)（2 2）集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcM通通常常规规定定为为hFE下下降降到到规规定定值值的的1/21/21/31/3时时所所对对应的应的I Ic c。实实际际使使用用时时要要留留有有裕裕量量，只只能能用用到到IcM的的一一半半或或稍多一点。稍多一点。（3 3）集电极最大耗散功率）集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。最高工作温度下允许的耗散功率。产产品品说说明明书书中中给给PcM时时同同时时给给出出壳壳温温TC，间间接接表表示了最高工作温度示了最高工作温度 。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.6电力电子技术功率半导体器件(2)安全工作区安全工作区（Safe Operating AreaSOASafe Operating AreaSOA）由最高电压由最高电压UceM、集电极最大电流、集电极最大电流IcM、最大耗散功、最大耗散功率率PcM、二次击穿临界线限定。、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM安全安全工作区工作区nGTRGTR的的安全工作区的的安全工作区哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.7电力电子技术功率半导体器件(2)n电力电力MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理电力电力MOSFETMOSFET的结构和电气图形符号的结构和电气图形符号8.4 电力场效应晶体管 单极型单极型晶体管（只有一种载流子参与导电）晶体管（只有一种载流子参与导电）,导电导电机理与小功率机理与小功率MOSMOS管相同，但结构上有较大区别。管相同，但结构上有较大区别。采用采用多元集成结构多元集成结构。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.8电力电子技术功率半导体器件(2)截截止止：漏漏源源极极间间加加正正电电源源，栅栅源源极间电压为零。极间电压为零。P P基基区区与与N N漂漂移移区区之之间间形形成成的的PNPN结结J1反反偏偏，漏漏源源极极之间无电流流过。之间无电流流过。导通导通：在栅源极间加正电压：在栅源极间加正电压UGS 当当UGS大大于于UT时时，P P型型半半导导体体反反型型成成N N型型而而成成为为反反型型层层，该该反反型型层层形形成成N N沟沟道道而而使使PNPN结结J J1 1消消失失，漏漏极极和和源源极极导导电电 。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.9电力电子技术功率半导体器件(2)010203050402468ID/AUTUGS/V电力电力MOSFET的转移特性的转移特性n电力电力MOSFETMOSFET的转移特性的转移特性漏极电流漏极电流ID和栅源间电压和栅源间电压UGS的关系称为的关系称为MOSFETMOSFET的的转移特性转移特性。表明栅极电压对漏极电流的控表明栅极电压对漏极电流的控制能力。制能力。ID较大时，较大时，ID与与UGS的关的关系近似线性，曲线的斜率系近似线性，曲线的斜率定义为跨导定义为跨导Gfs。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.10电力电子技术功率半导体器件(2)工工作作在在开开关关状状态态，即即在在截截止止区区和和非非饱饱和和区区之之间间来回转换。来回转换。漏漏源源极极之之间间有有寄寄生生二二极极管管，漏漏源源极极间间加加反反向向电电压时器件导通。压时器件导通。通通态态电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数，对对器器件件并并联联时时的的均均流有利。流有利。电力电力MOSFETMOSFET的输出特性的输出特性102030504001020305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/An电力电力MOSFETMOSFET的的漏极伏安特性的的漏极伏安特性哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.11电力电子技术功率半导体器件(2)a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfn电力电力MOSFETMOSFET的的开关特性的的开关特性开通过程开通过程开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断过程关断时间关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和关断延迟时间和下降时间之和哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.12电力电子技术功率半导体器件(2)MOSFETMOSFET的开关速度和的开关速度和C Cinin充放电有很大关系。充放电有很大关系。可可降降低低驱驱动动电电路路内内阻阻R Rs s减减小小时时间间常常数数，加加快快开开关关速度。速度。不存在少子储存效应不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。，关断过程非常迅速。开开关关时时间间在在1010100ns100ns之之间间，工工作作频频率率可可达达100kHz100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。以上，是主要电力电子器件中最高的。场场控控器器件件，静静态态时时几几乎乎不不需需输输入入电电流流。但但在在开开关关过过程程中中需需对对输输入入电电容容充充放放电电，仍仍需需一一定定的的驱驱动动功功率。率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFETMOSFET的开关速度的开关速度哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.13电力电子技术功率半导体器件(2)n电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数 电力电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额(1)(1)漏极电压漏极电压UDS(2)(2)漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力电力MOSFETMOSFET电流定额电流定额(3)(3)栅源电压栅源电压UGS UGS 20V20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿 。除跨导除跨导Gfs、开启电压、开启电压UT以及以及td(on)、tr、td(off)和和tf之外还有：之外还有：(4)(4)极间电容极间电容极间电容极间电容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.14电力电子技术功率半导体器件(2)绝绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管(IGBT)(IGBT)，是是GTRGTR和和MOSFETMOSFET两两类类器器件件取长补短结合而成的取长补短结合而成的复合器件复合器件Bi-MOSBi-MOS器件。器件。19861986年年投投入入市市场场，是是中中小小功功率率电电力力电电子子设设备备的的主主导导器器件件。继继续续提提高高电电压压和和电电流流容容量量，以以期期再再取取代代GTOGTO的的地地位。位。GTR的的特特点点双双极极型型，电电流流驱驱动动，有有电电导导调调制制效效应应，通通流流能能力力很很强强，开开关关速速度度较较低低，所所需需驱驱动动功功率率大，驱动电路复杂。大，驱动电路复杂。MOSFET的的优优点点单单极极型型，电电压压驱驱动动，开开关关速速度度快快，输输入入阻阻抗抗高高，热热稳稳定定性性好好，所所需需驱驱动动功功率率小小而而且驱动电路简单。且驱动电路简单。8.5 绝缘栅双极晶体管哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.15电力电子技术功率半导体器件(2)EGCN+N-PN+N+PN+N+P+发射极发射极栅极栅极集电极集电极注入区注入区缓冲区缓冲区漂移区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonGCEN N沟道沟道VDMOSFETVDMOSFET与与GTRGTR组合组合NN沟道沟道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一层多一层P P+注入区，增强了通流能力。注入区，增强了通流能力。简简化化等等效效电电路路表表明明，IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组组成成的的达达林林顿顿结构，一个由结构，一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNPPNP晶体管。晶体管。R RN N为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。nIGBTIGBT的结构和工作原理的结构和工作原理哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.16电力电子技术功率半导体器件(2)驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFETMOSFET基基本本相相同同，场场控控器件器件，通断由栅射极电压，通断由栅射极电压uGE决定。决定。导导通通：uGE大大于于开开启启电电压压UGE(th)时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，为为晶晶体体管管提提供供基极电流，基极电流，IGBTIGBT导通。导通。通通态态压压降降：电电导导调调制制效效应应使使电电阻阻RN减小，使通态压降减小。减小，使通态压降减小。关关断断：栅栅射射极极间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，MOSFETMOSFET内内的的沟沟道道消消失失，晶晶体体管的基极电流被切断，管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRon哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.17电力电子技术功率半导体器件(2)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IGBTIGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性转移特性转移特性I IC C与与U UGEGE间间的关系的关系(开启电压开启电压U UGE(th)GE(th)输出特性输出特性分分为为三三个个区区域域：正正向向阻阻断断区区、有有源区和饱和区。源区和饱和区。nIGBTIGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.18电力电子技术功率半导体器件(2)ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBTIGBT的开关过程的开关过程IGBTIGBT的的开开通通过过程程与与MOSFETMOSFET的相似。的相似。nIGBTIGBT的开关特性的开关特性uCE的下降过程的下降过程分为分为两段两段：tfv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET单独单独工作的电压工作的电压下降过程下降过程tfv2MOSFETMOSFET和和PNPPNP晶体管晶体管同时工作的同时工作的电压下降过电压下降过程。程。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.19电力电子技术功率半导体器件(2)tttUCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBTIGBT的开关过程的开关过程IGBTIGBT的关断过程的关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off）电流下降时间电流下降时间tf关断时间关断时间toff电电流流下下降降时时间间又又可可分分为为tfi1和和tfi2两段两段。tfi1IGBTIGBT器器 件件内内部部的的MOSFETMOSFET的的关关断断过过程程，iC下下降较快。降较快。tfi2IGBTIGBT内内 部部的的PNPPNP晶晶体体管管的的关关断断过过程程，iC下下降降较慢。较慢。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.20电力电子技术功率半导体器件(2)正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。(3)(3)最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM包括额定直流电流包括额定直流电流I IC C和和1ms1ms脉宽最大电流脉宽最大电流I ICP CP。(2)(2)最大集电极电流最大集电极电流由内部由内部PNPPNP晶体管的击穿电压确定。晶体管的击穿电压确定。(1)(1)最大集射极间电压最大集射极间电压U UCESCESnIGBTIGBT的主要参数的主要参数哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.21电力电子技术功率半导体器件(2)最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。极功耗确定。正偏安全工作区（正偏安全工作区（FBSOAFBSOA）擎住效应擎住效应曾限制曾限制IGBTIGBT电流容量提高，电流容量提高，2020世纪世纪9090年代年代中后期开始逐渐解决。中后期开始逐渐解决。IGBTIGBT内部还存在一个寄生晶闸管，当集电极电流内部还存在一个寄生晶闸管，当集电极电流大到一定程度，会造成寄生晶闸管开通，导致栅极失大到一定程度，会造成寄生晶闸管开通，导致栅极失去控制作用，这就是去控制作用，这就是自锁效应自锁效应。IGBTIGBT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，成为块，成为逆导器件逆导器件 。擎住效应擎住效应或自锁效应：或自锁效应：哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.22电力电子技术功率半导体器件(2)IGBTIGBT的特性和参数特点可以的特性和参数特点可以总结如下总结如下：开关速度高开关速度高，开关损耗小。，开关损耗小。相相同同电电压压和和电电流流定定额额时时，安安全全工工作作区区比比GTRGTR大大，且具有耐脉冲电流冲击能力。且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降通态压降比比VDMOSFETVDMOSFET低低。输入阻抗高输入阻抗高，输入特性与，输入特性与MOSFETMOSFET类似。类似。与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR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 。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.23电力电子技术功率半导体器件(2)。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。晶闸管晶闸管问世问世IGBT及功率及功率集成器件出现集成器件出现和发展时代和发展时代晶闸管晶闸管时代时代水银（汞水银（汞弧）整流弧）整流器时代器时代电子管问世全控型器件全控型器件迅速发展时迅速发展时期期史前期史前期（黎明期）（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管晶体管诞生诞生8.6 电力电子器件的发展趋势哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.24电力电子技术功率半导体器件(2)2020世世纪纪8080年年代代中中后后期期开开始始，新新型型电电力力电电子子器器件件不不断断涌涌现现的的同同时时，出出现现模模块块化化趋趋势势，将将多多个个器器件件封封装装在在一个模块中，称为一个模块中，称为功率模块功率模块。优点是可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。优点是可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对对工工作作频频率率高高的的电电路路，可可大大大大减减小小线线路路电电感感，从从而而简化对保护和缓冲电路的要求。简化对保护和缓冲电路的要求。目目前前的的趋趋势势是是将将器器件件与与逻逻辑辑、控控制制、保保护护、传传感感、检检测测、自自诊诊断断等等信信息息电电子子电电路路制制作作在在同同一一芯芯片片上上，称称为为功功率率集集成成电电路路（Power Power Integrated Integrated CircuitCircuitPICPIC）。）。功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.25电力电子技术功率半导体器件(2)高高压压集集成成电电路路（High High Voltage Voltage ICICHVICHVIC）一一般般指指横横向向高高压压器器件件与与逻逻辑辑或或模模拟拟控控制制电电路路的的单单片片集集成。成。智智能能功功率率集集成成电电路路（Smart Smart Power Power ICICSPICSPIC）一一般般指指纵纵向向功功率率器器件件与与逻逻辑辑或或模模拟拟控控制制电电路路的的单单片集成。片集成。智智能能功功率率模模块块（Intelligent Intelligent Power Power ModuleModuleIPMIPM）则则专专指指IGBTIGBT及及其其辅辅助助器器件件与与其其保保护护和和驱驱动动电电路的单片集成，也称智能路的单片集成，也称智能IGBTIGBT。功率集成电路的种类功率集成电路的种类哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.26电力电子技术功率半导体器件(2)功功率率集集成成电电路路的的主主要要技技术术难难点点：高高低低压压电电路路之之间间的的绝缘问题绝缘问题以及以及温升和散热的处理温升和散热的处理。以以前前功功率率集集成成电电路路的的开开发发和和研研究究主主要要在在中中小小功功率率应应用场合。用场合。智智能能功功率率模模块块在在一一定定程程度度上上回回避避了了上上述述两两个个难难点点,最近几年获得了最近几年获得了迅速发展迅速发展。功功率率集集成成电电路路实实现现了了电电能能和和信信息息的的集集成成，成成为为机机电电一体化的理想接口。一体化的理想接口。功率集成电路的发展现状功率集成电路的发展现状哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.27电力电子技术功率半导体器件(2)本章总结 8.1 8.1 电力二极管电力二极管 8.2 8.2 晶闸管晶闸管 8.3 8.3 可关断晶闸管可关断晶闸管 8 8.4 4 电力晶体管电力晶体管 8.5 8.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 8.6 8.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 8.7 8.7 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势1.本章内容哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.28电力电子技术功率半导体器件(2)电力电子器件分类电力电子器件分类“树树”2.本章概要哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.29电力电子技术功率半导体器件(2)电力电子器件分类之二电力电子器件分类之二 （驱动控制的情况）（驱动控制的情况）电压驱动型电压驱动型：单极型器件和复合型器件：单极型器件和复合型器件特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。单，工作频率高。电流驱动型电流驱动型：双极型器件：双极型器件特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通特点：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，所需驱动功率大损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动驱动电路较复杂。电路较复杂。电力电子器件分类之一电力电子器件分类之一（载流子参与导电的情况）（载流子参与导电的情况）单极型单极型：电力：电力MOSFETMOSFET双极型双极型：电力二极管、晶闸管、：电力二极管、晶闸管、GTOGTO、GTRGTR复合型复合型：IGBTIGBT哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.30电力电子技术功率半导体器件(2)IGBTIGBT为为主主体体，第第四四代代产产品品，制制造造水水平平2.5kV 2.5kV/1.8kA1.8kA，兆兆瓦瓦以以下下首首选选。仍仍在在不不断断发发展展，试试图图在在兆兆瓦以上取代瓦以上取代GTOGTO。GTOGTO：兆瓦以上兆瓦以上首选，制造水平首选，制造水平6kV/6kA6kV/6kA。光光控控晶晶闸闸管管：功功率率更更大大场场合合，8kV 8kV/3.5kA3.5kA，装装置置最高达最高达300MVA300MVA，容量最大。，容量最大。电电力力MOSFETMOSFET：长长足足进进步步，中中小小功功率率领领域域特特别别是是低低压压，地位牢固。地位牢固。功功率率模模块块和和功功率率集集成成电电路路是是现现在在电电力力电电子子发发展展的的一一个共同趋势。个共同趋势。当前的应用格局当前的应用格局:哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.31电力电子技术功率半导体器件(2)器件参数比较器件参数比较1 1:哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.32电力电子技术功率半导体器件(2)器件参数比较器件参数比较2 2:哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.33电力电子技术功率半导体器件(2)3.本章复习重点第第8 8章章 习题习题结束v基本结构基本结构v工作原理工作原理v基本特性基本特性v主要参数主要参数重点掌握各种主要电力电子器件的重点掌握各种主要电力电子器件的哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.34电力电子技术功率半导体器件(2)q9、春去春又回，新桃春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一阳光，心情像桃花一样美美丽，日子像桃子一，日子像桃子一样甜蜜甜蜜。7月月-247月月-24Thursday,July 4,2024q10、人的志向通常和他们的能力成正比例人的志向通常和他们的能力成正比例。22:52:3822:52:3822:527/4/2024 10:52:38 PMq11、夫学须志也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学夫学须志也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学。7月月-2422:52:3822:52Jul-2404-Jul-24q12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。22:52:3822:52:3822:52Thursday,July 4,2024q13、志不立，天下无可成之事志不立，天下无可成之事。7月月-247月月-2422:52:3822:52:38July 4,202414、Thank you very much for taking me with you on that splendid outing to London.It was the first time that I had seen the Tower or any of the other famous sights.If Id gone alone,I couldnt have seen nearly as much,because I wouldnt have known my way about.。04 七月七月 202410:52:38 下午下午22:52:387月月-24q15、会当凌会当凌绝顶，一，一览众山小众山小。七月七月 2410:52 下午下午7月月-2422:52July 4,2024q16、如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风。2024/7/4 22:52:3822:52:3804 July 2024q17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。10:52:38 下午下午10:52 下午下午22:52:387月月-24谢谢观看THE END