第2章_理想开关和半导体开关

1、赵春柳 第第2章章 理想开关和半导体开关理想开关和半导体开关 理想开关理想开关 1.开关处于关断状态时流过的漏电流为零开关处于关断状态时流过的漏电流为零 2.开关处于导通时开关的电压降为零开关处于导通时开关的电压降为零 3.开关的关断状态和导通状态的切换时间为零开关的关断状态和导通状态的切换时间为零 理想开关和半导体开关理想开关和半导体开关 理想开关半导体开关 开关导通时间电压降为零存在正向压降 开关关断时间完全关断存在漏电流 开关动作时间无需要一定时间 2.1 用开关来进行电能变换用开关来进行电能变换 1.理想开关进行电能变换，其开关器件没有能量 损耗，半导体开关器件存在能量损耗； 2.用开

2、关来进行电能变换的控制方式有移相控制 和PWM控制； 3.电能变换后一半采用LC低通滤波器来滤除高频 成分；在采用PWM控制方式中，LC滤波器在设 计时使其谐振频率为开关器件的开关频率的十分 之一左右。 2.2 电力半导体器件的分类电力半导体器件的分类 u 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： n 1）半控型器件）半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 l 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 l 器件的关断由其在主电路中承受的电压和 电流决定 u 2）全控型器件）全控型器件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 n 绝缘栅双极

3、晶体管（IGBT） n 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称 为电力MOSFET） n 门极可关断晶闸管（GTO） u 3）不可控器件）不可控器件不能用控制信号来控制其 通断，因此也就不需要驱动电路 n 电力二极管 n 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 u 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： n 1）电流驱动型）电流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 n 2）电压驱动型）电压驱动型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 n 电压驱动型器件实际上是通过加在控制

4、端上的 电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的 电场来改变流过器件的电流大小和通断状态， 所以又称为场控器件(Field Controlled Device)， 或场效应器件 u 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： n 1）单极型器件）单极型器件由一种载流子参与导 电的器件 n 2）双极型器件）双极型器件由电子和空穴两种载 流子参与导电的器件 n 3）复合型器件）复合型器件由单极型器件和双极 型器件集成混合而成的器件 2.3 电力二极管电力二极管 A K AK a) I KA PN J b) c) I O IF UTOUFU 2.4 晶闸管晶闸管 u晶闸管晶闸管：晶体

5、闸流管，可控硅整流器（SCR） n1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管 n1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品 n1958年商业化 n开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 n20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取 代 n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 u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 u外形有螺栓型和平板型两种封装 u引出阳极A、阴极K和门极控制端）G三个联接端 u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 u平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其

6、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 A A G G K K b)c)a) A G K K G A P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 u其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况： n阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 n 阳极电压上升率du/dt过高 n结温较高 n光直接照射硅片，即光触发光触发 n 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之外，其 它都因不易控制而难以应用于实践，称为光光 控晶闸管控晶闸管（LTT） u只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速

7、而可靠的控制手段而可靠的控制手段 u 静态特性静态特性 n 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 n 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 n 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用 n 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 u晶闸管的阳晶闸管的阳 极伏安特性极伏安特性 u第I象限的是 正向特性 u第III象限的 是反向特性 晶闸管阳极伏安特性 IG2IG1IG 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA-UA -IA IA IH IG2IG1IG=0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM uIG=0时，器件两端施加正向电压，正向

8、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。这种开通叫“硬开通”， 一般不允许硬开通。 u随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 u导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 u晶闸管本身的压降很小，在1V左右 u 动态特性动态特性 u u 图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr U RRM IRM iA 2.5 电力晶体管电力晶体管 uGTR的结构和工作原理的结构和工作原理 n与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 n主要特性是耐压高、电流大、开关特性好

9、 n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 n采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 n共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱 和区 n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 n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 共发射极接法时共发射极接法时GTR的输出特性的输出特性 截止区 放大区 饱和区 图1-16 O I c i b3 i b2 i b1 i b1 i b2 i b3 U ce 2.6 电力电力MOSFET u也分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET） u但通常

10、主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET） u简称 电力电力MOSFET（Power MOSFET） u结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶 体管（Static Induction TransistorSIT） u 特点特点用栅极电压来控制漏极电流 n驱动电路简单，需要的驱动功率小 n开关速度快，工作频率高 n热稳定性优于GTR n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 u电力电力MOSFET的种类的种类 n 按导电沟道可分为 P沟道沟道 和N沟道沟道 n 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之 间就存在导电沟

11、道 n增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极 电压大于（小于）零时才存在导电沟道 n 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型 u MOSFET的开关速度的开关速度 n MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 n 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减 小时间常数，加快开关速度 n MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应， 因而关断过程非常迅速 n 开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz 以上，是主要电力电子器件中最高的 n 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关 过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功 率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大

12、。 P-MOSFET通态导电时的等效电通态导电时的等效电 阻具有正温度系数，电流具有负温度系阻具有正温度系数，电流具有负温度系 数（即温度升高时等效电阻加大，电流数（即温度升高时等效电阻加大，电流 减小），因此结温升高，其等效电阻变减小），因此结温升高，其等效电阻变 大，电流变小，不易产生内部局部热点，大，电流变小，不易产生内部局部热点， 这一特点还使多个器件并联工作时能自这一特点还使多个器件并联工作时能自 动调节、均匀负载电流。动调节、均匀负载电流。 2.7 IGBT uGTR和和GTO的特点的特点双极型，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

13、杂 u MOSFET的优点的优点单极型，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 u 两类器件取长补短结合而成的复合器件 Bi-MOS器件 u绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar u Transistor IGBT或或IGT） u GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有 好的特性 u 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 u 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的 地位 nIGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射 极E IGBT的结构、简

14、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 EG C N + N - a) P N + N + P N + N + P + 发射极 栅极 集电极 注入区 缓冲区 漂移区 J 3 J 2 J 1 G E C + - +- + - I D R N I C V J1 I D R on b) G C c) 2.9 缓冲电路缓冲电路 u缓冲电路缓冲电路（吸收电路）：吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、 过电流和di/dt，减小器件的开关损耗 n关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关 断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗 n开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时 的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗 n将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复 合缓冲电路 n其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 （无损吸收电路） n通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电 路叫做di/dt抑制电路 a) b) 图1-38 Ri VD L V di dt抑制电路 缓冲电路 Li VDi Rs Cs VDs t uCE iC O di dt抑制电路 无时 di dt抑