电力电子器件57277学习教案

会计学1电力电力(dinl)电子器件电子器件57277第一页，共88页。2/89第1页/共88页第二页，共88页。3/89第2页/共88页第三页，共88页。4/89第3页/共88页第四页，共88页。5/89通态损耗(snho)断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗第4页/共88页第五页，共88页。6/89 电气(dinq)隔离图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成第5页/共88页第六页，共88页。7/89第6页/共88页第七页，共88页。8/89第7页/共88页第八页，共88页。9/89第8页/共88页第九页，共88页。10/89第9页/共88页第十页，共88页。11/89第10页/共88页第十一页，共88页。12/89整流(zhngli)二极管及模块第11页/共88页第十二页，共88页。13/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK图2-2 电力二极管的外形、结构和电气(dinq)图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气(dinq)图形符号第12页/共88页第十三页，共88页。14/89第13页/共88页第十四页，共88页。15/89第14页/共88页第十五页，共88页。16/89IOIFUTOUFU图2-5 电力二极管的伏安(f n)特性第15页/共88页第十六页，共88页。17/89a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 图2-6 电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换(zhunhun)为反向偏置 零偏置转换(zhunhun)为正向偏置 动态特性 因为结电容的存在，电压电流特性是随时间(shjin)变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间(shjin)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。 延迟时间(shjin)：td=t1-t0 电流下降时间(shjin)：tf =t2- t1 反向恢复时间(shjin)：trr=td+ tf 恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系 数，用Sr表示。t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻第16页/共88页第十七页，共88页。18/89UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置 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）。 正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大量少子需要(xyo)一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；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。 图2-6 电力二极管的动态过程(guchng)波形 b) 零偏置转换为正向偏置 第17页/共88页第十八页，共88页。19/89第18页/共88页第十九页，共88页。20/89第19页/共88页第二十页，共88页。21/89第20页/共88页第二十一页，共88页。22/89第21页/共88页第二十二页，共88页。23/89第22页/共88页第二十三页，共88页。24/89第23页/共88页第二十四页，共88页。25/89晶闸管及模块(m kui)第24页/共88页第二十五页，共88页。26/89 图2-7 晶闸管的外形(wi xn)、结构和电气图形符号 a) 外形(wi xn) b) 结构 c) 电气图形符号 第25页/共88页第二十六页，共88页。27/89图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作(gngzu)原理 a) 双晶体管模型 b) 工作(gngzu)原理 晶闸管的工作(gngzu)原理 按照晶体管工作(gngzu)原理，可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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。第26页/共88页第二十七页，共88页。28/89)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上(yshng)式（2-1）（2-4）可得(2-5)第27页/共88页第二十八页，共88页。29/89第28页/共88页第二十九页，共88页。30/89第29页/共88页第三十页，共88页。31/89 图2-9 晶闸管的伏安(f n)特性 IG2 IG1 IG 正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第30页/共88页第三十一页，共88页。32/89反向特性 其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，只有极小的反向漏电流通过。 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大，导致(dozh)晶闸管发热损坏。 图2-9 晶闸管的伏安(f n)特性 IG2IG1IG正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第31页/共88页第三十二页，共88页。33/89 图2-10 晶闸管的开通和关断过程(guchng)波形阳极电流稳态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳态值的10%第32页/共88页第三十三页，共88页。34/89图2-10 晶闸管的开通和关断过程(guchng)波形100%反向恢复电流最大值尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第33页/共88页第三十四页，共88页。35/89第34页/共88页第三十五页，共88页。36/89第35页/共88页第三十六页，共88页。37/89第36页/共88页第三十七页，共88页。38/89第37页/共88页第三十八页，共88页。39/89第38页/共88页第三十九页，共88页。40/89a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对(y du)反并联联 接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管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。图2-11 双向晶闸管的电气图形符号(fho)和伏安特性a) 电气图形符号(fho) b) 伏安特性 第39页/共88页第四十页，共88页。41/89a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是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，不具有(jyu)承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。 具有(jyu)正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。 图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安(f n)特性 a) 电气图形符号 b) 伏安(f n)特性 第40页/共88页第四十一页，共88页。42/89AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免(bmin)电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。图2-13 光控晶闸管的电气图形(txng)符 号和伏安特性 a) 电气图形(txng)符号 b) 伏安特性 第41页/共88页第四十二页，共88页。43/89第42页/共88页第四十三页，共88页。44/89电力(dinl)MOSFETIGBT单管及模块第43页/共88页第四十四页，共88页。45/89图2-14 GTO的内部结构和电气图形(txng)符号各单元的阴极、门极间隔排列的图形(txng) 并联单元结构断面示意图 电气图形(txng)符号 第44页/共88页第四十五页，共88页。46/89 图2-8 晶闸管的双晶体管模型 及其工作(gngzu)原理 a) 双晶体管模型 b) 工作(gngzu)原理GTO的工作原理 仍然可以用如图2-8所示的双晶体管模型来分析，V1、V2的共基极电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。 GTO与普通晶闸管的不同 设计2较大，使晶体管V2控制 灵敏，易于GTO关断。 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元(du yun)集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 第45页/共88页第四十六页，共88页。47/89第46页/共88页第四十七页，共88页。48/89图2-15 GTO的开通和关断过程电流(dinli)波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间 残存载流子复合所需时间 第47页/共88页第四十八页，共88页。49/89第48页/共88页第四十九页，共88页。50/89第49页/共88页第五十页，共88页。51/89图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部(nib)载流子的流动a) 内部(nib)结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部(nib)载流子的流动+表示高掺杂浓度，-表示低掺杂浓度 第50页/共88页第五十一页，共88页。52/89Iiiceobc空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib图2-16 c) 内部(nib)载流子的流动 iibc在应用中，GTR一般(ybn)采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为 称为GTR的电流放大系数，它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Iceo时，ic和ib的关系为 单管GTR的 值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)第51页/共88页第五十二页，共88页。53/89截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图2-17 共发射极接法时GTR的输出特性第52页/共88页第五十三页，共88页。54/89ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图2-18 GTR的开通和关断过程电流(dinli)波形主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。 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。 第53页/共88页第五十四页，共88页。55/89 实际使用(shyng)GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得 多。BUBUBUBUBUceocercescexcbo第54页/共88页第五十五页，共88页。56/89第55页/共88页第五十六页，共88页。57/89SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图2-19 GTR的安全(nqun)工作区二次击穿功率 安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线。 GTR工作时不仅不能超过最高电压 UceM，集电极最大电流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超过二次击穿临界线。第56页/共88页第五十七页，共88页。58/89第57页/共88页第五十八页，共88页。59/89第58页/共88页第五十九页，共88页。60/89N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图2-20 电力MOSFET的结构(jigu) 和电气图形符号内部结构(jigu)断面示意图 b) 电气图形符号第59页/共88页第六十页，共88页。61/89第60页/共88页第六十一页，共88页。62/89GSDfsddUIG 图2-21 电力MOSFET的转移(zhuny)特性和输出特性 a) 转移(zhuny)特性(2-11) 是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。第61页/共88页第六十二页，共88页。63/89输出特性 是MOSFET的漏极伏安特性。 截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再(b zi)增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。 图2-21 电力(dinl)MOSFET的转移特性和输出特性 b) 输出特性第62页/共88页第六十三页，共88页。64/89信号(xnho)iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd (off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE图2-22 电力MOSFET的开关过程 a)测试电路 b) 开关过程波形up为矩形脉冲电压信号源，Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。 (a)(b)第63页/共88页第六十四页，共88页。65/89需要一定的驱动功率，开关频率需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需越高，所需要的驱动功率越大。要的驱动功率越大。第64页/共88页第六十五页，共88页。66/89第65页/共88页第六十六页，共88页。67/89第66页/共88页第六十七页，共88页。68/89图2-23 IGBT的结构(jigu)、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构(jigu)断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号RN为晶体管基区内的调制电阻。 第67页/共88页第六十八页，共88页。69/89第68页/共88页第六十九页，共88页。70/89（a）图2-24 IGBT的转移(zhuny)特性和输出特性 a) 转移(zhuny)特性 第69页/共88页第七十页，共88页。71/89输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。 分为三个区域：正向(zhn xin)阻断区、有源区和饱和区。 当UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。 在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向(zhn xin)阻断区和饱和区之间来回转换。 (b)图2-24 IGBT的转移(zhuny)特性和输出特性 b) 输出特性 第70页/共88页第七十一页，共88页。72/89图2-25 IGBT的开关(kigun)过程第71页/共88页第七十二页，共88页。73/89第72页/共88页第七十三页，共88页。74/89第73页/共88页第七十四页，共88页。75/89NoImage第74页/共88页第七十五页，共88页。76/89NoImage第75页/共88页第七十六页，共88页。77/89第76页/共88页第七十七页，共88页。78/89第77页/共88页第七十八页，共88页。79/89第78页/共88页第七十九页，共88页。80/89第79页/共88页第八十页，共88页。81/89第80页/共88页第八十一页，共88页。82/89第81页/共88页第八十二页，共88页。83/89第82页/共88页第八十三页，共88页。84/89第83页/共88页第八十四页，共88页。85/89第84页/共88页第八十五页，共88页。86/89图2-26 电力(dinl)电子器件分类“树”第85页/共88页第八十六页，共88页。87/89第86页/共88页第八十七页，共88页。88/89电力电力MOSFET和和IGBT中的中的技术创新仍然在继技术创新仍然在继续，续，IGBT还在不断夺取传统上还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用属于晶闸管的应用领域领域(ln y) 。宽禁带半导体材料由于其各宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料半导体材料 。第87页/共88页第八十八页，共88页。