1-4变频器主电路常用电力半导体器件

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,变频器主电路常用的电力半导体器件,1,电力、电子器件,电子技术的基础,电力电子器件,电力电子电路的基础,电子器件：晶体管和集成电路,2,电力电子器件的概念和特征,电力电子电路的基础 ,电力电子器件,概念,:,电力电子器件,（,power electronic device）,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（,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,广义上分为两类,:,电真空器件,(,汞弧整流器、闸流管等电真空器件,),半导体器件,(,采用的主要材料仍然是硅,),3,同,处理信息的电子器件相比,，电力电子器件的,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,4,应用电力电子器件的系统组成,电力电子系统,：由,控制电路,、驱动电路和以电力电子器件为核心的,主电路,组成,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,V,1,V,2,电力电子器件在实际应用中的系统组成,1.1.2,5,电力电子器件的分类,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,半控型器件,绝缘栅双极晶体管（,Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT）,电力场效应晶体管（电力,MOSFET）,门极可关断晶闸管（,GTO）,不可控器件,电力二极管（,Power Diode）,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,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。,6,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：,1),电流驱动型,1),单极型器件,电力电子器件的分类,2),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,2),双极型器件,3),复合型器件,由一种载流子参与导电的器件,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,：,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,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,7,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,8,PN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,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,9,N,型半导体和,P,型半导体结合后构成,PN,结。,PN结的形成,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,，按所强调的角度不同也被称为,耗尽层,、,阻挡层,或,势垒区,。,空间电荷建立的电场被称为,内电场,或,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,。,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,，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,。,PN结与电力二极管的工作原理,10,PN,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1,V,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,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,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：,PN,结的电荷量随外加电压而变化，呈现,电容效应,，称为,结电容,C,J,，,又称为,微分电容,。,结电容按其产生机制和作用的差别分为,势垒电容,C,B,和,扩散电容,C,D,。,PN结与电力二极管的工作原理,11,造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管,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,d,i,/,d,t,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,12,电力二极管的基本特性,1. 静态特性,主要指其,伏安特性,电力二极管的伏安特性,当电力二极管承受的正向电压大到一定值（,门槛电压,U,TO,），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流,I,F,对应的电力二极管两端的电压,U,F,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。,13,2. 动态特性,电力二极管的基本特性,动态特性,关断过程,：,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。,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。,14,开通过程,：,电力二极管的正向压降先出现一个过冲,U,FP,，,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如,2,V）。,这一动态过程时间被称为正向恢复时间,t,fr,。,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，,U,FP,越高 。,2.,动态特性,电力二极管的基本特性,15,晶闸管,（,Thyristor,）：,晶体闸流管，可控硅整流器,（,Silicon Controlled RectifierSCR）,1956,年美国贝尔实验室（,Bell Lab）,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,半控器件晶闸管,16,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,引出阳极,A、,阴极,K,和门极（控制端,）,G,三个联接端,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,平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间,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,17,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,常用,晶闸管的结构,晶闸管的结构与工作原理,18,I,c1,=,1,I,A,+,I,CBO1,I,c2,=,2,I,K,+,I,CBO2,I,K,=,I,A,+,I,G,I,A,=,I,c,1,+,I,c,2,式中,1,和,2,分别是晶体管,V,1,和,V,2,的共基极电流增益；,I,CBO1,和,I,CBO2,分别是,V,1,和,V,2,的共基极漏电流。由以上式可得,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,19,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：,I,G,=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）：,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,I,A,（,阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通,。,I,A,实际由外电路决定。,晶闸管的结构与工作原理,20,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,d,u,/,d,t,过高,结温较高,光直接照射硅片，即,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,光控晶闸管,（,Light Triggered,Thyristor,LTT）。,只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,晶闸管的结构与工作原理,21,晶闸管的基本特性,1. 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：,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 。,22,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,晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,晶闸管的基本特性,23,1),正向特性,I,G,=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,U,bo,，,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,1,V,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,I,H,以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。,I,H,称为维持电流。,晶闸管的伏安特性,晶闸管的基本特性,24,2),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,25,2. 动态特性,晶闸管的开通和关断过程波形,晶闸管的基本特性,26,1) 开通过程,延迟时间,t,d,：,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。,上升时间,t,r,：,阳极电流从,10%,上升到稳态值的,90%,所需的时间。,开通时间,t,gt,以上两者之和，,t,gt,=,t,d,+,t,r,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,27,2) 关断过程,反向阻断恢复时间,t,rr,：,正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间,正向阻断恢复时间,t,gr,：,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。,关断时间,t,q,：,t,r,r,与,t,gr,之和，即,t,q,=,t,rr,+,t,gr,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,28,晶闸管的派生器件,1. 快速晶闸管（,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,d,u,/,d,t,和,d,i,/,d,t,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,。,29,2.双向晶闸管,（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,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,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,T,1,和,T,2,，,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电流值。,30,3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,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,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。,31,4. 光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,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,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。,32,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,33,门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管（,Gate-Turn-Off,Thyristor,GTO）,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,34,1. GTO的结构和工作原理,结构：,与普通晶闸管的,相同点,：,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,不同点,：,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。,GTO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,门极可关断晶闸管,35,工作原理：,与普通晶闸管一样，可以用图,1,示的双晶体管模型来分析。,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,+,2,1,时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当,1,+,2,1,时，不能维持饱和导通而关断。,由,P,1,N,1,P,2,和,N,1,P,2,N,2,构成的两个晶体管,V,1,、V,2,分别具有共基极电流增益,1,和,2,。,门极可关断晶闸管,36,GTO,能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下,区别,：,门极可关断晶闸管,（1）,设计,2,较大，使晶体管V,2,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,+,2,1.15）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P,2,基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流 。,晶闸管的工作原理,37,由上述分析我们可以得到以下,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,I,b2,减小，,使,I,K,和,I,c2,减小，,I,c2,的减小又使,I,A,和,I,c1,减小，又进一步减小,V,2,的基极电流。当,I,A,和,I,K,的减小使,1,+,2,1,时，器件退出饱和而关断。,多元集成结构还使,GTO,比普通晶闸管开通过程快，承受,d,i,/,d,t,能力强 。,门极可关断晶闸管,38,术语用法：,电力晶体管（,Giant TransistorGTR，,直译为巨型晶体管）,耐高电压、大电流的双极结型晶体管（,Bipolar Junction TransistorBJT），,英文有时候也称为,Power BJT。,在电力电子技术的范围内，,GTR,与,BJT,这两个名称等效。,应用,20,世纪,80,年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被,IGBT,和电力,MOSFET,取代。,电力晶体管,39,电力晶体管,GTR有三种类型,*单管非隔离型,*非隔离型达林顿电力晶体管,*模块型电力晶体管,一单元结构,二单元结构,四单元结构,六单元结构,一单元结构就是在一个模块内有一个电力晶体管和一个续流二极管反向并联,40,1. GTR的结构和工作原理,电力晶体管,与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。,主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。,通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。,采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。,41,在应用中,，,GTR,一般采用共发射极接法。,集电极电流,i,c,与基极电流,i,b,之比为,GTR,的,电流放大系数,，反映了基极电流对集电极电流的控制能力,当考虑到集电极和发射极间的漏电,流,I,ceo,时，,i,c,和,i,b,的关系为,i,c,=,i,b,+,I,ceo,产品说明书中通常给直流电流增益,h,FE,在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为,h,FE,。,单管,GTR,的,值比小功率的晶体管小得多，通常为,10,左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。,电力晶体管,42,2. GTR的基本特性,(1),静态特性,共发射极接法时的典型输出特性：,截止区,、,放大区,和,饱和区。,在电力电子电路中,GTR,工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区,在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区,共发射极接法时GTR的输出特性,电力晶体管,43,(2),动态特性,开通过程,延迟时间,t,d,和上升时间,t,r,，,二者之和为,开通时间,t,on,。,t,d,主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大,i,b,的幅值并增大,d,i,b,/,d,t,，,可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 。,GTR的开通和关断过程电流波形,电力晶体管,44,关断过程,储存时间,t,s,和下降时间,t,f,，,二者之和为,关断时间,t,off,。,t,s,是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。,减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流,I,b2,的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。,负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降,U,ces,增加，从而增大通态损耗。,GTR,的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和,GTO,都短很多 。,GTR的开通和关断过程电流波形,电力晶体管,45,GTR主要参数,开路阻断电压U,CEO,基极开路时，集电极与发射极间能承受的持续电压。,反映GTR的耐压能力,集电极最大持续电流I,CM,当基极正向偏置时集电极能流入的最大电流。,开断阻断电压和集电极最大持续电流,体现了GTR的容量,46,GTR主要参数,电流增益H,FE,电流放大倍数。,数值越大,，管子驱动电路功率越小，则,越好,开关频率通过开通时间、存储时间、下降时间估算出GTR的最高工作频率。,47,电力晶体管,一次击穿：,集电极电压升高至击穿电压时，,I,c,迅速增大。,只要,I,c,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,，如不能有效的限制电流，,I,c,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（,Safe Operating AreaSOA,）,最高电压,U,ceM,、,集电极最大电流,I,cM,、,最大耗散功率,P,cM,、,二次击穿临界线限定。,GTR,的二次击穿现象与安全工作区,48,GTR的选择方法,开路阻断电压U,CEO,选择方法通常按电源线电压,峰值2倍选择,。,集电极电流最大电流ICM选择方法按额定,电流峰值的2倍进行选择,49,GTR,的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分,二极管,VD,2,和电位补偿二极管,VD,3,构成,贝克箝位电路,，也即一种,抗饱和,电路，负载较轻时，如,V,5,发射极电流全注入,V，,会使,V,过饱和。有了贝克箝位电路，当,V,过饱和使得集电极电位低于基极电位时，,VD,2,会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持,U,bc,0。,C,2,为加速开通过程的电容。开通时，,R,5,被,C,2,短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。,图1-31GTR的一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,1.6.3,50,电力场效应晶体管,-Power MOSFET,特点:,Power MOSFET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10,kW,的电力电子装置,分类,结型,绝缘栅型,主要指,绝缘栅型,中的,MOS,型,（Metal Oxide Semiconductor FET）,一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT,51,绝缘栅,双极晶体管IGBT,GTR,和,GTO,的特点双极型，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,MOSFET,的优点单极型，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,两类器件取长补短结合而成的复合器件,Bi-MOS,器件,52,绝缘栅双极晶体管 (,Insulated-gate Bipolar Transistor, ,IGBT,或,IGT）,是,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,绝缘栅,双极晶体管,53,1. IGBT的结构和工作原理,三端器件：栅极,G、,集电极,C,和发射极,E,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,54,IGBT,的结构,图1-22,aN,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,J,1。,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。,R,N,为晶体管基区内的调制电阻。,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,55,IGBT,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,u,GE,决定。,导通,：,u,GE,大于,开启电压,U,GE(,th,),时，,MOSFET,内形成沟道，为晶体管提供基极电流，,IGBT,导通。,导通压降,：电导调制效应使电阻,R,N,减小，使通态压降小。,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。,绝缘栅双极晶体管,56,2. IGBT的基本特性,1),IGBT的静态特性,IGBT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,57,转移特性,I,C,与,U,GE,间的关系，与,MOSFET,转移特性类似。,开启电压,U,GE(,th,),IGBT,能实现电导调制而导通的最低栅射电压。,U,GE(,th,),随温度升高而略有下降，在,+25,C,时，,U,GE(,th,),的值一般为,26,V。,输出特性,（伏安特性）,以,U,GE,为参考变量时，,I,C,与,U,CE,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。,u,CE,0,时，,IGBT,为反向阻断工作状态。,IGBT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,58,2),IGBT的动态特性,IGBT的开关过程,t,t,t,10%,90%,10%,90%,U,CE,I,C,0,O,0,U,GE,U,GEM,I,CM,U,CEM,t,fv1,t,fv2,t,off,t,on,t,fi1,t,fi2,t,d(off),t,f,t,d(on),t,r,U,CE(on),U,GEM,U,GEM,I,CM,I,CM,绝缘栅双极晶体管,59,IGBT,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。,开通延迟时间,t,d(on),从,u,GE,上升至其幅值,10%,的时刻，,到,i,C,上升至,10%,I,CM,。,电流上升时间,t,r,i,C,从10%,I,CM,上升至,90%,I,CM,所需时间。,开通时间,t,on,开通延迟时间与电流上升时间之和。,u,CE,的下降过程分为,t,fv1,和,t,fv2,两段,。,t,fv1,IGBT,中,MOSFET,单独工作的电压下降过程；,t,fv2,MOSFET,和,PNP,晶体管同时工作的电压下降过程,。,IGBT的开关过程,t,t,t,10%,90%,10%,90%,U,CE,I,C,0,O,0,U,GE,U,GEM,I,CM,U,CEM,t,fv1,t,fv2,t,off,t,on,t,fi1,t,fi2,t,d(off),t,f,t,d(on),t,r,U,CE(on),U,GEM,U,GEM,I,CM,I,CM,绝缘栅双极晶体管,60,IGBT,的关断过程,关断延迟时间,t,d(off),从,u,GE,后沿下降到其幅值,90%,的时刻起，,到,i,C,下降至,90%,I,CM,。,电流下降时间,i,C,从90%,I,CM,下降至,10%,I,CM,。,关断时间,t,off,关断延迟时间与电流下降之和。,电流下降时间又可分为,t,fi1,和,t,fi2,两段。,t,fi1,IGBT,内部,的,MOSFET,的关断过程,，,i,C,下降较,快；,t,fi2,IGBT,内部的,PNP,晶体管的关断过程,，,i,C,下降较慢。,IGBT的开关过程,t,t,t,10%,90%,10%,90%,U,CE,I,C,0,O,0,U,GE,U,GEM,I,CM,U,CEM,t,fv1,t,fv2,t,off,t,on,t,fi1,t,fi2,t,d(off),t,f,t,d(on),t,r,U,CE(on),U,GEM,U,GEM,I,CM,I,CM,绝缘栅双极晶体管,61,IGBT,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,通过对,IGBT,的基本特性的分析，可以看出：,62,IGBT,的,主要参数,集电极发射极额定电压,U,CES,：,栅极与发射极短路时，,IGBT,能承受的耐压。,栅极发射极额定电压,UGES：,栅极控制信号的额定值,额定集电极电流：,IGBT,在导通时能流过管子的持续最大电流。,集电极发射极饱和电压：此值越小，管子损耗越小。,开通时间和关断时间：与,GTR,的定义基本相同,绝缘栅双极晶体管,63,IGBT,的特性和参数特点可以总结如下：,绝缘栅双极晶体管,(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 。,64,IGBT驱动电路,特点：驱动模块内装有2500V的高隔离电压的光耦合器，,有过流保护,和过电流保护端子。,65,智能电力模块器件IPM,智能电力模块器件（Intelligent power module）简称IPM,智能电力模块器件是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内。,66,IPM主要特点,内含驱动电路，设定了最佳的IGBT驱动条件,内含过电流保护（OC），任一个IGBT过电流均可受到保护,控制电源欠电源保护（UV），当控制电压小于规定值时进行欠电压保护。,内含过热保护（OH）在IGBT内部设有温度检测元件，当芯片因冲击电流过热时，输出结温过高信号,67,IPM主要特点,内含报警输出（ALM）该信号送给控制系统中的微型机，使系统停止工作。,散热效果好。,68,智能模块内部基本结构,69,IPM驱动控制要求,提供15V稳定的驱动电源（模块要求在13.516.5之间）和开关控制信号,具有良好的电气隔离性能；,信号传输延迟时间在0.5微秒以内并尽可能少,提供低电平控制相应IGBT导通，高电平关断,驱动电路简单可靠，体积小，成本低。,70,本节小结,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。,集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。,电力电子器件类型归纳,单极型,：电力,MOSFET,和,SIT,双极型,：电力二极管、晶闸管、,GTO、GTR,和,SITH,复合型,：,IGBT,和,MCT,电力电子器件分类“树”,71,电压驱动型,：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的,SITH,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。,本节小结,72,当前的格局,:,IGBT,为主体，第四代产品，制造水平,2.5,kV / 1.8kA，,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,6,kV / 6kA。,光控晶闸管,：功率更大场合，,8,kV / 3.5kA，,装置最高达,300,MVA，,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。,本节小结,73,