电力电子器件课件

电力电子技术主讲：郑连清重庆大学电气工程学院11.1电力电子器件概述1.2不可控器件电力二极管1.3半控型器件晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件1.6电力电子器件的驱动1.7电力电子器件的保护1.8电力电子器件的串联和并联使用本章小结电力电子器件电力电子器件第1章2 电子技术的基础电子技术的基础介绍各种常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本基本特性、主要参数特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题简要概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分类分类等问题本章主要内容本章主要内容：电力电子器件电力电子器件 电力电子电路的基础电力电子电路的基础电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路 引言引言电力电子器件电力电子器件第1章3电力电子器件的概述电力电子器件的概述1.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2应用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类1.1.4本章内容和学习要点1.14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电路的基础电力电子电路的基础电力电子器件电力电子器件1.概念概念:电力电子器件电力电子器件（powerelectronicdevice）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件。主电路（主电路（mainpowercircuit）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.广义上分为两类广义上分为两类:电真空器件电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件半导体器件(采用的主要材料仍然是硅)1.1.153.同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征一般特征：能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.16主主要要损损耗耗通态损耗：通态损耗：断态损耗：断态损耗：开关损耗：开关损耗：开通损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗：关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗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，开关损耗开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.1导通时器件上有一定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流流过7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电力力电电子子系系统统：由控控制制电电路路、驱驱动动电电路路和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.28控制电路控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。整个系统的功能。有的电力电子系统中，还需要有检测电路检测电路。广义上往往将其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号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1.1.29由由于于主主电电路路中中往往往往有有电电压压和和电电流流的的过过冲冲，而而电电力力电电子子器器件件一一般般比比主主电电路路中中普普通通的的元元器器件件要要昂昂贵贵，但但承承受受过过电电压压和和过过电电流流的的能能力力却却要要差差一一些些，因因此此，在在主主电电路路和和控控制制电电路路中中附附加加一一些些保保护护电电路路，以以保保证证电电力力电电子子器器件件和和整整个个电电力力电电子子系系统统正正常常可可靠靠运运行行，也也往往往往是是非非常常必必要的。要的。器件一般有三个端子（或称极或管脚），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。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1.1.210电力电子器件的分类电力电子器件的分类按按照照器器件件能能够够被被控控制制电电路路信信号号所所控控制制的的程程度度，分为以下三类：分为以下三类：1)半控型器件半控型器件1.1.3绝 缘 栅 双 极 晶 体 管（Insulated-Gate BipolarTransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3)不可控器件不可控器件电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。11按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：性质，分为两类：按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：情况分为三类：1)电流驱动型电流驱动型 1)单极型器件单极型器件电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.32)电压驱动型电压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2)双极型器件双极型器件3)复合型器件复合型器件由一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由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件12本章内容和学习要点本章内容和学习要点本章内容本章内容:介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、驱动、保护和串、并联使用并联使用这三个问题。学习要点学习要点:最重要的是掌握其基本特性。基本特性。掌握电力电子器件的参数和特性曲线的使用方法参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求。1.1.413不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型1.214PowerDiode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。不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.215PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。以半导体PN结为基础。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1.2.116N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。图1-3 PN结的形成交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷空间电荷。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1.2.1空间电荷建立的电场被称为内电场内电场或自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层耗尽层、阻挡层阻挡层或势垒区势垒区。17PN结的正向导通状态结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态结的反向截止状态PN结的单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应：结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电电容容效效应应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势势垒垒电电容容CB和扩散电容扩散电容CD。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1.2.118势势垒垒电电容容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。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1.2.1扩扩散散电电容容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结结电电容容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。19造造成成电电力力二二极极管管和和信信息息电电子子电电路路中中的的普普通通二极管区别的一些因素：二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。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1.2.120电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.静态特性静态特性主要指其伏安特性伏安特性图1-4电力二极管的伏安特性1.2.2当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电门槛电压压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。212.动态特性动态特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.2.2动态特性动态特性关断过程关断过程：开关特性开关特性须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。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。反映通态和断态之间的转换过程因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。22开通过程开通过程：电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。2.动态特性（续）动态特性（续）电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.2.223延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示图1-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.2.224电力二极管的主要参数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)额额定定电电流流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有有效效值值相相等等的的原原则则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。1.2.3252.正向压降正向压降UF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有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3.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通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.2.3264.最高工作结最高工作结温温TJM结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最最高高工工作作结结温温是指在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125175C范围之内。5.反向恢复时间反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。6.浪涌电流浪涌电流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电力二极管的主要参数1.2.327电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、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。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。1.普通二极管普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。1.2.4282.快恢复二极管快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2.4恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 s以下）的二极管，也简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构采用外延型PiN结构的的快快恢恢复复外外延延二二极极管管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V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。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。293.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特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD），简称为肖特基二极管。20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。肖特基二极管的肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下。反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。肖特基二极管的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。在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2.430半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.331晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）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，开始被性能更好的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往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.332晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理v外形有螺栓型和平板型两种封装；v引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端；v对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；v平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号1.3.133 Ic1=1 IA+ICBO1（1-1）Ic2=2 IK+ICBO2（1-2）IK=IA+IG（1-3）IA=Ic1+Ic2（1-4）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（1-1）（1-4）可得（1-5）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)工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.134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。阻阻断断状状态态：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。开开通通（门门极极触触发发）：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。晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.135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过高结温较高光直接照射硅片，即光触发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，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光光控控晶晶闸闸管管（LightTriggeredThyristorLTT）。只只有有门门极极触触发发（包包括括光光触触发发）是是最最精精确确、迅迅速速而而可可靠靠的控制手段的控制手段晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.136晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.静态特性静态特性总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：1)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。2)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。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。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。1.3.237晶闸管的伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.2381)正向特性vIG=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Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。v随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。v导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。v晶闸管本身的压降很小，在1V左右。v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。晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.2392)反向特性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，只有极小的反相漏电流流过。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，导致晶闸管发热损坏。晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.2402.动态特性动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.2411)开通过程开通过程延延迟迟时时间间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上上升升时时间间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开开通通时时间间tgt以上两者之和，tgt=td+tr（1-6）普通晶闸管延迟时 为 0.51.5 s，上 升 时 间 为0.53 s。晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.2422)关断过程关断过程反反向向阻阻断断恢恢复复时时间间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正正向向阻阻断断恢恢复复时时间间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。关关断断时时间间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr（1-7)）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.2431.3.3SCR的主要参数UDRM（90%UDSM）门极断开，结温为额定值，允许重复加在器件上的正向峰值电压；URRM(90%URSM)门极断开，结温为额定值，允许重复加在器件上的反向峰值电压；UTM晶闸管通以倍或规定倍数额定通态平均电流值（IT（AV）时的瞬态峰值电压；额定电压UT通常取UDRM和URRM中较小的那个数值。实际应用中，一般取正常工作时所承受峰值电压的23倍。44IT（AV）环境温度40，规定的冷却条件下，晶闸管中通过单相工频半波电流，导通角不小于120，电阻性负载，所允许通过的最大通态平均电流，又称额定电流；举例说明举例说明:实际应用中，由于流过晶闸管的电流波形通常不是正弦半波电流，此时允许的电流平均值应根据有效值相等的原则来确定：45对于正弦半波电流，电流有效值I1.57Id1.57IT（AV）对于任意波形，电流有效值IKfId由II1.57IT（AV）KfId所以a.已知IT（AV）可求出任意电流波形的Id或Imb.已知任意电流波形的Id或Im可求出IT（AV）IH晶闸管从较大的通态电流降至能保持通态所需的最小阳极电流；IL晶闸管加上触发电流（压）后，刚从断态转为通态就撤除触发信号并能维持通态所需的最小阳极电流；ITSM晶闸管通以额定通态平均电流，稳定后在工频正弦波半周期间器件能承受的最大过载电流。晶闸管的型号KP-通态平均电压组别额定电压等级（100V或200V一级）额定电流系列（1,3,5,10,20,30,50,100,200,300,400,500,600,800,1000A）例如KP10012G46晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 1.1.快快速速晶晶闸闸管管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，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，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。1.3.4472.2.双双向向晶晶闸闸管管（TriodeACSwitchTRIAC或或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.3.4可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。电流值。483.逆逆 导导 晶晶 闸闸 管管（ReverseConductingThyristorRCT）图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.3.4将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。494.光光 控控 晶晶 闸闸 管管（LightTriggeredThyristorLTT）图1-12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.3.4又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。50典型全控型器件典型全控型器件1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.2 电力晶体管电力晶体管1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.451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，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。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。典型全控型器件典型全控型器件1.452门极可关断晶门极可关断晶闸管闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用1.4.1531.GTO1.GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构：结构：与普通晶闸管的相相同同点点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不不同同点点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图1-13GTO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b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号门极可关断晶门极可关断晶闸管闸管1.4.1幻灯片1254工作原理：工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。门极可关断晶门极可关断晶闸管闸管1.4.155GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别区别：门极可关断晶门极可关断晶闸管闸管1.4.1（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。（2）导 通 时1+2更 接 近1（1.05，普 通 晶 闸 管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。图1-7 晶闸管的工作原理56由上述分析我们可以得到以下结论结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。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+2BUcexBUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。电力晶体管电力晶体管1.4.2682)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。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产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。电力晶体管电力晶体管1.4.2694.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一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。电力晶体管电力晶体管1.4.270安全工作区（安全工作区（SafeOperatingAreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。图1-18GTR的安全工作区电力晶体管电力晶体管1.4.271也分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistorFET）但通常主要指绝绝缘缘栅栅型型中的MOS型型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）电力场效应晶体管电力场效应晶体管特点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。1.4.3721.电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理电力电力MOSFET的种类的种类按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道耗耗尽尽型型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增增强强型型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强沟道增强型型电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.373电力电力MOSFET的结构的结构电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.3导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号74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）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的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器件为例进行讨论电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.375电力电力MOSFET的工作原理的工作原理截止：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：导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反反型型层层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.3绝缘栅双极晶体管761)静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转转移特性。移特性。ID较 大 时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2.电力电力MOSFET的基本特性的基本特性电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.377MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：截截止止区区（对应于GTR的截止区）饱饱和和区区（对应于GTR的放大区）非非饱饱和和区区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET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。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.3782)动态特性动态特性开通过程开通过程开开通通延延迟迟时时间间td(on)up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。上上升升时时间间tr uGS从从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开开通通时时间间ton开通延迟时间与上升时间之和。图1-21电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.379关断过程关断过程关关断断延延迟迟时时间间td(off)up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。下下降降时时间间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：824)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容CrssCiss=CGS+CGD（1-14）Crss=CGD（1-15）Coss=CDS+CGD（1-16）输入电容可近似用Ciss代替。这些电容都是非线性的。漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。实际使用中仍应注意留适当的裕量。电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.383绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR和和GTO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，通通流能力很强，开关速度较低，所需驱流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。动功率大，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，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。1.4.4841.IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图1-22IGBT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绝缘栅双极晶体管1.4.485IGBT的结构的结构图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT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。图1-22IGBT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绝缘栅双极晶体管1.4.486IGBT的原理的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导导通通压压降降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。关关断断：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。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4电力电子器件比较.ppt电力电子器件器件的驱动872.IGBT的基本特性的基本特性1)IGBT的静态特性的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.488转转移移特特性性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开开启启电电压压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(th)随温度升高而略有下 降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V。输输出出特特性性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4892)IGBT的动态特性的动态特性图1-24IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.490IGBT的开通过程的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。开开通通延延迟迟时时间间td(on)从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%ICM。电电流流上上升升时时间间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开开通通时时间间ton开通延迟时间与电流上升时间之和。uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两 段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降 过 程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。图1-24IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.491IGBT的关断过程的关断过程关关断断延延迟迟时时间间td(off)从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM。电电流流下下降降时时间间iC从90%ICM下 降 至 10%ICM。关关断断时时间间toff关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和 tfi2两 段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。图1-24IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.492IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4通过对IGBT的基本特性的分析，可以看出：933.IGBT的主要参数的主要参数绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4正常工作温度下允许的最大功耗。3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。2)最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。1)最大集射极间电压最大集射极间电压UCES94IGBT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：绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。(3)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)与MOSFET和GTR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。954.IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区寄寄生生晶晶闸闸管管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成。图1-22IGBT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绝缘栅双极晶体管1.4.496擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4IGBT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。最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）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。正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。97其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.5.1 MOS MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT1.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT1.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH1.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT1.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.598MOSMOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCTMCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点：MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。晶闸管的高电压大电流、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。MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，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。1.5.199静电感应晶体管静电感应晶体管SITSITSIT（StaticInductionTransistor）1970年，结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。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。缺点缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正正常常导导通通型型器件，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。1.5.2100静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITHSITH（StaticInductionThyristor）1972年，又 被 称 为 场 控 晶 闸 管（Field ControlledThyristorFCT）。比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，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，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。1.5.3101集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCTIGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）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，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。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。1.5.4102功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路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。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，称为功功率率集成电路集成电路（PowerIntegratedCircuitPIC）。1.5.5103类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。高高压压集集成成电电路路（HighVoltageICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智智能能功功率率集集成成电电路路（SmartPowerICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智智能能功功率率模模块块（IntelligentPowerModuleIPM）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（IntelligentIGBT）。功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.5.5104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。功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.5.5105电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述1.6.2