第一章电力电子器件PPT课件

第一节 电力电子器件的基本模型及分类 一、基本模型 1.电力电子器件相当于开关，其理想模型就是开关。只工作于通、断两种状态。 2.实际应用时电力电子器件的特性（见书第五页）分3点。第1页/共121页第一节 电力电子器件的基本模型及分类 二、分类 1.按器件的开关控制特性分： （1）不可控器件；如电力二极管 （2）半控器件；如晶闸管及其派生器件等 （3）全控器件；如门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管等第2页/共121页第一节 电力电子器件的基本模型及分类 二、分类 2.按器件所受控制信号的特性分： （1）电流控制型器件；如晶闸管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管等。 （2）电压控制型器件；如功率场效应管、绝缘栅双极晶体管、静电感应晶体管等。第3页/共121页第一节 电力电子器件的基本模型及分类 二、分类 3.按器件内部载流子参与导电情况分： （1）双极型器件；如晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、静电感应晶闸管等。 （2）单极型器件；如功率场效应管、静电感应晶体管等。 （3）混合型器件；如绝缘栅双极晶体管、MOS晶闸管、集成门极换流晶闸管等。第4页/共121页第二节 电力二极管一、功率二极管的结构和工作原理 1. 功率二极管的结构第5页/共121页2. 功率二极管的工作原理及作用 由于PN结具有单向导电性，所以二极管是 一个正方向单向导电、反方向阻断的电力 电子器件。 其作用：不可控整流电路、电感性负载续流用、中高频整流、逆变电路和低压高频电路中。第6页/共121页二、 功率二极管的特性和主要参数1. 功率二极管的特性 (1) 功率二极管的伏安特性 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必 须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)，当外 加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅 二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth 后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极 管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压 超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿， 反向电流迅速增加。 第7页/共121页 功率二极管的伏安特性第8页/共121页(2) 功率二极管的开关特性 由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向 电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、 导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电 路参数以及反向电流di/dt等都有关。普通二 极管的trr=210s，快速恢复二极管的trr为 几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。第9页/共121页 功率二极管的开关特性第10页/共121页 2. 功率二极管的主要参数 (1) 反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80称为反 向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM小于二极管的 反向击穿电压URO。第11页/共121页(2) 额定电流IFR 二极管的额定电流IFR被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。其正向 导通流过额定电流时的电压降UFR一般为12V。当二极管在规定的环境温度为+40和 散热条件下工作时，通过正弦半波电流平 均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。 若正弦电流的最大值为IM，则额定电流为 第12页/共121页 (3) 最大允许的全周期均方根正向电流IFrms 二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时， 与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为 由式(1-1)和(1-2)可得 （1-3） 第13页/共121页(4) 最大允许非重复浪涌电流IFSM 这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。 功率二极管属于功率最大的半导体器件， 现在其最大额定电压、电流在6kV、6kA以 上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。第14页/共121页3、使用电力二极管的注意事项 （1）保证规定的冷却条件 （2）平板型元件的散热器不用自行拆装 （3）严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况第15页/共121页4、主要类型 （1）普通二极管：又称整流二极管，多用于1kHz以下电路中。反向恢复时间约25us。正想电流电压可达KA、KV级。 （2）快恢复二极管：反向恢复时间在5us以下，又称开关管。 （3）肖特基二极管：不采用半导体PN结而利用金属导体和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。用于200V以下的低压场合。第16页/共121页 第三节 晶闸管及其派生器件 晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通 晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一 种具有开关作用的大功率半导体器件。目 前，晶闸管的容量水平已达8kV6kA。第17页/共121页一、晶闸管的结构和工作原理1. 晶闸管的结构 晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两 种：螺栓型和平板型。第18页/共121页 晶闸管的结构和等效电路如图1-4 所示，晶 闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形 成3个PN结J1、J2和J3。 第19页/共121页2. 晶闸管的工作原理第20页/共121页(1)欲使晶闸管导通需具备几个条件： 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电 压。 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向 电压和电流。 门极与阴极要有足够的触发功率(2) 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用， 故晶闸管为半控型器件。(3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减 小到零或反向的方法来实现。第21页/共121页晶闸管的非正常导通情况 1.正向转折导通：正向电压高于正向转折电压使得晶闸管导通，称硬开通。 2.高温导通 3.阳极电压上升率导通第22页/共121页二、晶闸管的特性和主要参数1. 晶闸管的特性(1) 晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间 电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。第23页/共121页 晶闸管的伏安特性第24页/共121页(2) 晶闸管的门极伏安特性 由于实际产品的门极伏安特性分散性很大， 常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和 一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来 代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰 值电流IFGM允许的瞬时最大功率PGM和正 向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安 特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。 其中,0ABC0为不可靠触发区,ADEFGCBA 为可靠触发区第25页/共121页晶闸管的门极伏安特性第26页/共121页 (3) 晶闸管的开关特性 第一段延迟时间td，阳极电流上升到10所需时 间，也对应着从(1+2) 170)，在稳定的额定结温时所允许 的最大通态平均电流。第30页/共121页 晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示 第31页/共121页 它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为：v式中Kf为波形系数第32页/共121页 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值 相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时， 电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。 (3) 维持电流IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通 态后，从较大的通态电流降至维持通态所 必须的最小阳极电流。 (4) 擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号 之后，要器件维持通态所需要的最小阳极 电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住 电流IL约为维持电流IH的(24)倍。第33页/共121页 (5) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶 闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极 直流电流。 (6) 门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。 触发电路给门极的电压和电流应适当地大 于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰 值IGFM和 UGFM。第34页/共121页 (7) 断态电压临界上升率du/ dt在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断 态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压 上升率会使晶闸管误导通。 (8) 通态电流临界上升率di / dt在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时， 晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大 上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快， 会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使 晶闸管损坏。第35页/共121页 例1-1 两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图 所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值 IM=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值 IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值I1、I2第36页/共121页 解：如图所示的平均值和有效值可计算如下： 第37页/共121页晶闸管派生器件 1.双向晶闸管 2.快速晶闸管 3.逆导晶闸管 4.光控晶闸管第38页/共121页一、双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）结构与特性图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a)b)IOUIG= 0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极第一阳极T1和第二阳极T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。第39页/共121页第40页/共121页KS100-8-21：KS表示双向晶闸管，100表示额定电流100A，8表示断态重复峰值电压为8级800V，2表示断态电压临界上升率(du/dt)c为2级（不小于200V/us），1表示换向电流临界下降率(di/dt)c为1级（不小于1% IT（RMS） =1A/us）KS的额定通态电流IT（RMS） 以最大交流有效值表示。额定电流100A的KS管相当于两个反并联45A的普通晶闸管电流容量。计算ks峰值为100的根号2倍=141A，141A/=45A。第41页/共121页二、双向晶闸管的触发方式1.触发导通特点：正反压都能导通、门极正负信号都能触发；2.触发方式：（1）+触发方式 阳极电压为第一阳极T1为正，T2为负；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第一象限，为正触发。（2）-触发方式 阳极电压为第一阳极T1为正，T2为负；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第一象限，为负触发。（3）+触发方式 阳极电压为第一阳极T1为负，T2为正；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第三象限，为正触发。（4） -触发方式阳极电压为第一阳极T1为负，T2为正；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第三象限，为负触发。 第42页/共121页三、双向晶闸管主要参数选择为保证可靠性要求必须合理选择双向晶闸管（1）额定通态电流IT（RMS）的选择（2）额定电压UT的选择（3）换向能力(du/dt)c的选择第43页/共121页晶闸管的派生器件 2、快速晶闸管（FST） 开通、关断时间：微秒级使用频率可至几千赫芝多用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。型号KK表示。第44页/共121页3、逆导晶闸管（RCT） 是一个复合型器件；相当于图（b）所示。不具有承受反压的能力，一旦承受反压即导通。图形符号如图（a）。其优点：正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等；适用于：无需关断反向电压的电路中。用字母KN表示。第45页/共121页4、光控晶闸管 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。多用于高压大功率场合，可避免电磁干扰。第46页/共121页 1、GTO的结构 GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路及电气符号。第四节 门极可关断晶闸管（GTO）一、GTO的结构和工作原理第47页/共121页 2、GTO的工作原理 （1）开通过程 GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数值不同，其中1和2分别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益1+2常为1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。第48页/共121页 （2）关断过程 当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使1+21时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。 由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。第49页/共121页二、 GTO的主要特性 1、GTO的阳极伏安特性 第50页/共121页 2、GTO的开通特性 开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成第51页/共121页 3、GTO的关断特性 GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时间ts、下降时间tf及尾部时间tt。 存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。 下降时间tf ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程。 尾部时间tt ：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。第52页/共121页 GTO的关断特性(开关电压、电流及门极电流波形)第53页/共121页三、GTO的主要参数 GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。 （1）最大可关断阳极电流IATO电流过大时1+2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。 （2）关断增益 offGTO的关断增益 off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IgM之比 off ，通常只有5左右。第54页/共121页 （3）阳极尖峰电压 ：在GTO关断过程中，在下降时间的尾部出现了一个阳极尖峰电压，尖峰电压超过一定值会引起GTO失效。 （4）维持电流 ：GTO的维持电流是指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维持导通的电流值。当阳极电流略小于维持电流时，仍有部分GTO元维持导通，这时若阳极电流回复到较高数值，己截止的GTO元不能再导电，就会引起维持导通状态的GTO元的电流密度增大，出现不正常的状态。 （5）擎住电流 ：擎住电流是指GTO元经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值。pUHILI第55页/共121页四、GTO的驱动信号和驱动电路 1、对、对GTO门极驱动信号的要求门极驱动信号的要求 GTO门极电流电压控制波形分为开通和关断两部分，推荐波形如下图所示。图中实线为 波形，虚线为 波形。GFiGFu第56页/共121页 开通时，门极电流脉冲前沿陡度大，一般为510A/S，门极正脉冲电流的幅度比规定的额定直流触发电流应大310倍，正脉冲宽度一般为1060S，而后沿应尽量平缓些。 关断时，关断脉冲电流上升率一般为1050A/S。脉冲应具有一定的宽度，关断脉冲电流的幅度一般为(1/81/3) ，其后沿也应尽量平缓些。ATOI第57页/共121页(2)GTO的门控驱动电路实例第58页/共121页第五节 电力晶体管（GTR） 电力晶体管也称巨型晶体管（GTRGiant Transistor），是一种双极型、大功率、高反压晶体管(Bipolar Junction Transistor-BJT)。GTR和GTO一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。GTR已实现了大功率、模块化、廉价化。 第59页/共121页一、 GTR的结构与工作原理 1 1、功率晶体管的结构、功率晶体管的结构 结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为B(基极)、C(集电极)、E(发射极)。GTR属三端三层两结的双极型晶体管，有两种基本类型，NPN型和PNP型。GTR的基本结构及电气符号如下图所示。第60页/共121页 2、功率晶体管的工作原理、功率晶体管的工作原理 以NPN型晶体管为例，若外电源使UBC0，则发射结的PN结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为： （1）由于UBC0，发射结处于正偏状态，P区的多数载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流IPE，N区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流INE。第61页/共121页二、 GTR的特性与主要参数1、 GTR的输出特性的输出特性 指在一定的基极电流IB下，集射极电压UCE同集电极电流IC的关系特性。晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。 截止区：GTR的e结和c结均承受高反偏电压，相当于开关断开。 放大区：e结正偏、c结反偏，此时GTR功耗很大。 饱和区：特点是e结和c结均正偏。GTR饱和导通，相当于开关闭合。 GTR作开关时，其断态工作点须在截止区，通态工作点须在饱和区。第62页/共121页 共射极电路的输出特性曲线 第63页/共121页 2、GTR的动态（开关）特性的动态（开关）特性 晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。GTR主要应用于开关工作方式。 在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流IB2迫使GTR关断，由于GTR 不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。第64页/共121页GTR的开关响应特性 延迟时间td：加入IB 1后一段时间里，iC仍保持为截止状态时的很小电流，直到iC上升到0.1I CS。 上升时间tr：iC不断上升，直到iC=ICS，GTR进入饱和状态。tr指iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需要的时间。 GTR的开通时间ton：延迟时间td和上升时间tr之和。即 ton=td+tr第65页/共121页 当基极电流突然从正向IB1变为反向IB2时，GTR的集电极电流iC并不立即减小，仍保持ICS，要经过一段时间才下降。 存储时间ts：把基极电流从正向IB1变为反向IB2时到iC下降到0.9ICS所需的时间。 下降时间tf：iC继续下降，iC从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。 此后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时BJT完全恢复到截止状态。 BJT的关断时间toff：存储时间ts和下降时间tf之和，即 toff=ts+tf 第66页/共121页三、三、GTR的主要参数的主要参数(1)(1)电压参数 电压参数体现了GTRGTR的耐压能力(2)(2)集电极电流额定值(3)(3)最大耗散功率 (4)(4)直流电流增益 (5)(5)开关频率(6)(6)最高结温额定值第67页/共121页四、 GTR的二次击穿与安全工作区 1、二次击穿、二次击穿 GTR的一次击穿是指集电结反偏时，空间电荷区发生载流子雪崩倍增，集电极电流骤然上升的现象。特点是：击穿发生时，虽然集电极电流急剧增大，但集电结电压基本不变。在发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流的进一步增加，一般不会引起GTR的性能变坏。 在发生一次击穿后，若不有效地限制集电极电流，则在电流继续增加的同时伴随着集射极电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。发生二次击穿后，在ns数量级的时间内，器件内部出现明显的电流集中和过热点，轻者使GTR耐压降低、特性变差；重者使c结和e结熔通，造成GTR永久性损坏。第68页/共121页2、安全工作区、安全工作区 （1）正向偏置安全工作区GTR的正向偏置安全工作区是由最大集电极电流IC M、集电极最大允许耗散功率PC M、二次击穿限制值PS B和集射极最大电压UCEmax所组成的区域。第69页/共121页五、 GTR的驱动信号和驱动电路 1、GTR的驱动信号的驱动信号 GTR理想的基极电流波形如下图所示。第70页/共121页 2、GTR的驱动电路的驱动电路 固定反偏互补驱动电路如图示。当ui为高电平时，晶体管V1及V2导通，正电源+VCC经过电阻R3及V2 向GTR提供正向基极电流，使GTR导通。当ui 为低电平时， V1 及V2 截止而V3导通，负电源- VCC 加于GTR的发射结上，GTR迅速关断。第71页/共121页第六节 功率场效应晶体管 功率场效应晶体管，简称P-MOSFET。特点是：属电压全控型器件、控制极静态内阻极高、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽和跨导线性度高等。但P-MOSFET的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。 根据导电沟道的半导体材料类型可分为N沟道和P沟道两大类； 根据零栅压时器件的导电状态分为耗尽型和增强型两类； 目前功率MOSFET的容量水平为50A500V，频率为100kHz。第72页/共121页一、 P-MOSFET的结构与工作原理1、P-MOSFET的结构的结构 P-MOSFET和小功率MOS管导电机理相同，但在结构上有较大的区别。小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其 栅 极 G 、 源 极 S 和 漏 极 D 在 芯 片 的 同 一 侧 。 而 P -MOSFET主要采用立式结构，其三个外引电极与小功率MOS管相同，为栅极G、源极S和漏极D，但不在芯片的同一侧。功率场效应管的导电沟道分为N沟道和P沟道，栅偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（N沟道）才存在导电沟道的称为增强型。 下图是P-MOSFET的结构示意图和电气图形符号。第73页/共121页第74页/共121页第75页/共121页第76页/共121页第77页/共121页 上图是P-MOSFET的电气图形符号，图a表示N沟道功率场效应管，电子流出源极；图b表示P沟道功率场效应管，空穴流入源极。 从结构上看，P-MOSFET还含有一个寄生二极管，该寄生二极管的阳极和阴极就是功率MOSFET的S极和D极，它是与MOSFET不可分割的整体，使P-MOSFET无反向阻断能力。图中所示虚线为寄生二极管。第78页/共121页2、P-MOSFET的工作原理的工作原理 (1)栅源极电压UGS0时，栅极下的P型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使在漏源之间施加电压，MOS管也不会导通。如图a所示。 (2)当栅源极电压UGS0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时MOS管仍保持关断状态。如图b所示。 (3)当栅源极电压UGS达到或超过一定值时，栅极下面的硅表面从P型反型成N型，形成N型沟道把源区和漏区联系起来，从而把漏源沟通，使MOS管进入导通状态。如图c所示。第79页/共121页二、 P-MOSFET的主要特性 1、转移特性、转移特性 转移特性是指在输出特性的饱和区内，UDS维持不变时，UGS与ID之间的关系曲线，如右图所示。转移特性表征器件输入电压对输出电流的控制作用和放大能力。图中UT是P-MOSFET的开启电压(又称阀值电压)。第80页/共121页2、P-MOSFET的输出特性的输出特性GSU第81页/共121页 P-MOSFET输出特性反映的是：当UGS一定时， ID与UDS间的关系曲线族.它分为三个区域，即（可调电阻区）线性导电区I，饱和恒流区II和雪崩击穿区III。 P-MOSFET开关状态是在截止区和可调电阻区来回切换。 在线性导电区内，ID与UDS几乎呈线性关系。 在饱和恒流区中，当UGS不变时，ID趋于不变。 当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区，直至器件损坏。 当P-MOSFET用作电子开关时，导通时它必须工作在线性导电区I。P-MOSFET无反向阻断能力，在D-S极间加反向电压时器件导通，可看作是逆导器件。第82页/共121页3、P-MOSFET的开关特性的开关特性 因为MOSFET存在输入电容Ci， Ci有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升，当UGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD，从脉冲电压的前沿到iD出现，这段时间称为开通延迟时间td。 随着UGS增加，iD上升，从有iD到iD达到稳态值所用时间称为上升时间tr。开通时间ton可表示为 tontdtr 当脉冲电压下降到零时，栅极输入电容Ci通过信号源内阻RS和栅极电阻RG开始放电，栅极电压UGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，漏极电流才开始减小，这段时间称为关断延迟时间ts。第83页/共121页 之后，Ci 继续放电，从iD减小，到UG SUT沟道关断，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断时间toff可表示为 tofftstf 由上分析可知，改变信号源内阻RS，可改变Ci 充、放电时间常数，影响开关速度。 第84页/共121页（1）漏源击穿电压BUDS：该电压决定了P-MOSFET的最高工作电压。（2）栅源击穿电压BUGS ：该电压表征了P-MOSFET栅源之间能承受的最高电压。（3）漏极最大电流ID：表征P-MOSFET的电流容量。（4）开启电压UT：又称阈值电压，它是指P-MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。（5）通态电阻Ron：通态电阻Ron是指在确定的栅源电压UGS下，功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。三、 P-MOSFET的主要参数第85页/共121页 （6）极间电容：P-MOSFET的极间电容是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为CGS和CGD，它们由MOS结构的绝缘层形成，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是CDS，它由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。 厂家提供的是漏源短路时的输入电容Ci、共源极输出电容Cout及反馈电容Cf，它们与各极间电容关系表达式为 CiCGSCGD ；CoutCDSCGD ；CfCGD 显然，CiCout和Cf均与漏源电容CGD有关。 第86页/共121页 功率MOSFET没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高电压范围内，但是P-MOSFET的通态电阻比较大，所以在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。正向偏置安全工作区四、 P-MOSFET的安全工作区第87页/共121页 （1）正向偏置安全工作区(FBSOA) 正向偏置安全工作区是由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线， （2）开关安全工作区(SSOA) 开关安全工作区(SSOA)表示器件工作的极限范围。在功率MOSFET换流过程中，当器件体内反并联二级管从导通状态进入反向恢复期时，如果漏极电压上升过大，则很容易造成器件损坏。二极管反向恢复期内漏源极的电压上升率称为二极管恢复耐量，二极管恢复耐量是功率MOSFET可靠性的一个重要参数。 第88页/共121页五、 P-MOSFET的栅极驱动电路1 P-MOSFET的栅极驱动电路的主要要求 1）脉冲前后沿要求陡峭； 2）开关速度要快； 3）触发脉冲电压高压开启电压，提高触发可靠性；截止时提供负的栅极电压，防止误触发； 4）极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。第89页/共121页 2.驱动电路实例 （1）栅极直接驱动电路栅极直接驱动的电路原理图（a）用一个晶体管直接驱动 （b）用推挽电路驱动第90页/共121页 (2(2）隔离式栅极驱动电路 根据隔离元件的不同可分为电磁隔离和光电隔离两种。 隔离第91页/共121页 光电耦合隔离驱动电路 第92页/共121页六、 P-MOSFET在使用中的静电保护措施 1静电击穿的形式 1）电压型：栅极的薄氧化层发生击穿形成针孔，使栅极和源极短路，或者使栅极和漏极短路； 2）功率型：金属化薄膜铝条被熔断，造成栅极开路或者是源极开路。第93页/共121页2防止静电击穿注意事项 1）器件存放应抗静电； 2）取用时，工作人员必须通过腕带良好接地，且应拿在管壳部分而不是引线部分； 3）接入时，工作台要接地，焊接烙铁要接地或断电焊接； 4）测试器件时，仪器和工作台都要良好接地。第94页/共121页第七节 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor)。是由P-MOSFET与双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断器件。它将P-MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。IGBT的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量。第95页/共121页一、 IGBT的结构和工作原理 1、IGBT的基本结构的基本结构 IGBT是在P-MOSFET基础上发展起来的集成新型器件，其结构是以GTR为主导元件，P-MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其结构、电路符号、等效电路如下图示。外部有三个电极(G栅极、C集电极、E发射极)。第96页/共121页 2、IGBT的工作原理的工作原理 当IGBT栅极加上正电压时，MOSFET内形成沟道，使IGBT导通；当IGBT栅极加上负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT关断。 当UCE0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。 当UCE0时，分两种情况： （1）若栅极电压UGEUT（开启电压），沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。 （2）若栅极电压UGEUT ，栅极下的沟道形成，从而使IGBT导通。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通态压降。第97页/共121页二、 IGBT的主要特性 1、静态特性、静态特性 IGBT的静态特性主要有输出（伏安）特性及转移特性，如下图所示。 （1）IGBT的输出（伏安）特性 以栅射电压UGE为参变量，集电极电流IC和集射电压UCE间的关系曲线。IGBT的输出特性分为饱和区、放大区和击穿区三个部分。在正向导通的大部分区域内，IC与UCE呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。对应着输出特性的弯曲部分，IC与UCE呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。开关器件IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。第98页/共121页 IGBT的输出（伏安）特性和转移特性第99页/共121页 （2）IGBT的转移特性 是指输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGEUT时，IGBT处于关断状态。当UGEUT时，IGBT导通。IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。2、IGBT动态特性 第100页/共121页 IGBT的动态特性包括开通和关断过程两方面，如下图示。 IGBT的开通过程是从正向阻断状态到正向导通的过程。在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的。td为开通延迟时间，tr为电流上升时间，开通时间为：ton=td+tr。 而集射电压UCE下降分为tfu1和tfu2两段。 tfu1段为MOSFET单独工作时的电压下降时间； tfu2为MOSFET和PNP管两个器件同时工作，PNP管从放大进入饱和时的电压下降时间。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程，关断时间为：toff=ts+tf 式中ts关断储存时间； tf电流下降时间。又可分为tf1和tf2两段，tf1对应MOSFET的关断过程； tf2对应于PNP晶体管的关断过程。第101页/共121页IGBT动态特性第102页/共121页三、 IGBT的锁定效应 1、IGBT的锁定效应的锁定效应 IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻， P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通；当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是锁定效应。第103页/共121页 （1）集射极额定电压UCES 栅射极短路时的IGBT最大耐压值。 （2）栅射极额定电压UGES UGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏。 （3）栅射极开启电压UT 使IGBT导通所需的最小栅-射极电压。 （4）集电极额定电流IC 在额定的测试温度(壳温为25)条件下，IGBT所允许的集电极最大连续电流 （5）通态压降UCE(on) 指IGBT处于导通状态时集射极间的导通压降。 四、 IGBT的主要参数第104页/共121页 IGBT开通时的正向偏置安全工作区由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM是根据避免动态擎住而确定的，最大集射极电压UCEM是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压所确定；最大功耗则由最高允许结温所决定。 IGBT关断时的反向偏置安全工作区与IGBT关断时的du/dt有关，du/dt越高，RBSOA越窄。五、 IGBT的安全工作区第105页/共121页IGBT的安全工作区第106页/共121页六、 IGBT的驱动电路 1、IGBT对驱动信号的要求对驱动信号的要求 （1）充分陡的脉冲上升沿和下降沿：前沿很陡的栅极电压加到G-E极间，可使IGBT快速开通，减小开通损耗；后沿足够陡的关断电压，并在G-E极间加一适当的反偏压，有助于IGBT快速关断，减少关断损耗。用内阻小的驱动源对G极电容充放电，可以保证UGE有足够陡的前后沿。 （2）足够大的驱动功率：IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率及电压、电流幅值，使IGBT总处于饱和状态，不因退出饱和而损坏。 （3）合适的正向驱动电压UGE ：在有短路过程的设备中，建议选用UGE =15Vl0%。 第107页/共121页 （4）合适的负偏压-UGE：在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，缩短关断时间，需施加负偏压-UGE ，同时还可防止关断瞬间因du/dt过高造成误导通，并提高抗干扰能力。反偏压 -UGE一般取-2-10V。 （5）合理的栅极电阻RG：在开关损耗不太大的情况下，应选用较大的RG 。 RG的范围为1400。 （6）IGBT多用于高压场合，故驱动电路与整个控制电路应严格隔离。 （7）利用门极控制特性，实现对IGBT的过电流、短路、管芯过热等保护。 符合上述要求的IGBT典型驱动电压波形如下图所示。第108页/共121页 符合基本要求的IGBT典型驱动电压波形第109页/共121页2、IGBT的驱动电路实例的驱动电路实例 （1）阻尼滤波门极驱动电路 阻尼滤波门极驱动电路如下图a所示，为消除可能的振荡，IGBT的栅射极间接上RC网络组成的阻尼滤波器，且连线采用双绞线。第110页/共121页 （2）光耦合器门极驱动电路 如图b所示，它使信号电路与门极驱动电路隔离。驱动电路的输出级采用互补电路以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。第111页/共121页 （3）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路 该电路由控制脉冲形成单元产生的脉冲信号经晶体管V进行功率放大后，加到脉冲变压器Tr，并由Tr隔离耦合经稳压管VDZ1、VDZ2限幅后驱动IGBT，由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构，且工作频率较高。第112页/共121页 (4)定时器555组成的IGBT驱动电路 555外接适当的电阻和电容就能构成多谐振荡器、单稳态电路和双稳态电路。在IGBT的驱动电路中，555的2、6端子接在一起，组成了双稳态电路结构。控制脉冲信号经光耦VL隔离后将信号经由、传送至555的2、6端。当控制信号为高电平时，2端有效，使555输出端3为低电平；当控制信号为低电平时，6端有效，使555输出端3为高电平。额定输出电流为200mA。第113页/共121页 (5)IGBT专用驱动模块的应用 大多数IGBT生产厂都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系列、东芝的TK系列、三菱的M579XX系列，美国摩托罗拉的MPD系列等。东芝的M57962L型IGBT专用驱动模块是N沟道大功率IGBT模块的驱动电路，能驱动600V/400A和l200V/400A的IGBT，其原理方框图如下左图，应用电路如下右图。第114页/共121页第八节其他新型电力电子器件一、静电感应晶体管SIT 1SIT是一种靠场效应引起元件中导电沟道形成或消失来实现开关功能的器件。 2SIT的三个极：门极G、漏极D和源极S 3SIT分类：N沟道和P沟道两种。 4SIT的漏极受控于：门极和漏极电压 5特点 工作频率高、输出功率大、线形性好、失真小、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好和抗辐射能力强的优点。 6应用 雷达通信设备、超声波功率放大、开关电流、脉冲功率放大和高频感应加热等方面获得广泛应用。 第115页/共121页二、静电感应晶闸管SITH 1原理 SITH又称为场控晶闸管，它是利用电场效应来控制器件的导通能力。 2特点 正向压降小、开关速度快。3应用 高压直流输电系统、高频感应加热装置及高频逆变器。第116页/共121页三、MOS控制晶闸管（MCT） 1MCT是80年代末出现的一种新型的电压控制型全控器件，它将MOSFET的高输入阻抗、快开关速度的特性结合在一起产生出比较理想的功率器件特性。 2MCT的控制信号以阳极为基准。 3特点 电压电流容量大、通态压降小、电压电流上升率耐压高、开关速度快、工作温度高、即使关断失败也不会损坏。 4应用 主要用于大电流、低通态损耗领域。第117页/共121页四、电子注入增强型栅极晶体管（IEGT） 1IEGT融合了IGBT与GTO的优点第118页/共121页五、功率集成电路（PIC）1PIC是电力电子技术与微电子技术的有机融合体，将电力电子器件及其具有逻辑、控制、驱动、保护、传感、检测和自诊断等功能的电路集成在一块芯片上。2分类两类 1）高压集成电路 2）智能功率集成电路第119页/共121页本章小结 晶闸管的工作原理及结构特点 晶闸管的主要参数计算 熟悉：电力晶体管的特点,电力晶体管的结构掌握：电力晶体管的工作原理 熟悉：关断晶闸管的特点,可关断晶闸管的结构 掌握：可关断晶闸管的工作原理 熟悉：功率场效应晶体管的特点,功率场效应晶体管的结构 掌握：功率场效应晶体管的工作原理 熟悉：绝缘栅双极晶体管的特点,绝缘栅双极晶体管的结构 掌握：绝缘栅双极晶体管的工作原理 了解：电力电子器件的缓冲电路的基本原理 掌握：电力电子器件的缓冲电路的实现方法 了解：其他新型电力电子器件的结构 熟悉：其他新型电力电子器件的特点和方法第120页/共121页感谢您的观看！第121页/共121页