电力电子器件概述(121)课件

1、电力电子器件概述(121)课件1-1第第1章章 电力电子器件电力电子器件电力电子器件概述(121)课件1-2 电子技术的基础电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路 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 本章主要内容：本章主要内容： 概述电力电子器件的概述电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类等问题。等问题。 介绍常用电力电子器件的介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要参数要参数以及选择和使用中应注意问题。以及选择和使用中应注意问题。第第1章章 电力电子器件电力电子器件引言引言电力电子器件概述(121)课件1

2、-31.1 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述(121)课件1-41 1）概念）概念 电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。子器件。 主电路（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。制任务的电路。2 2）分类）分类 电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然1.1.1 电力电子器件的概念和特

3、征电力电子器件的概念和特征电力电子器件电力电子器件电力电子器件概述(121)课件1-5 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。一般都要安装散热器。1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征）同处理信息的电子器件相

4、比的一般特征电力电子器件概述(121)课件1-6 通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损可能成为器件功率损耗的主要因素。耗的主要因素。主要损耗主要损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关断损耗关断损耗开通损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗电力电子器件概述(121)课件1-7电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。电力电

5、子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路V1V2保护保护电路电路在主电路在主电路和控制电和控制电路中附加路中附加一些电路，一些电路，以保证电以保证电力电子器力电子器件和整个件和整个系统正常系统正常可靠运行可靠运行1.1.2 应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离电气隔离控制电路控制电路电力电子器件概述(121)课件1-8l半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。其关断。l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSF

6、ET) ) 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关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。断，又称自关断器件。l不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, , 因此也就不因此也就不需要驱动电路。需要驱动电路。1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：电力电子器件概述(121)课件1-9l 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。关断的控制。l

7、 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。号就可实现导通或者关断的控制。1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：电力电子器件概述(121)课件1-10本章内容本章内容: :介绍各种器件的介绍各种器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以以及选择和使用中应注意的一些问题。及选择和使用中应注意的一些问题。集中讲述电力电子器件的集中讲述电力电子器件的驱动驱动、保护保护和和串串、并联使并联使用用这三个问题。这三个

8、问题。学习要点学习要点: :最重要的是掌握其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型号掌握电力电子器件的型号命名法命名法，以及其，以及其参数和特参数和特性曲线的使用方法性曲线的使用方法。可能会对主电路的其它电路元件有可能会对主电路的其它电路元件有特殊的要求特殊的要求。1.1.4 本章学习内容与学习要点本章学习内容与学习要点电力电子器件概述(121)课件1-111.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力电子器件概述(121)课件1-121.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引引言言整流二极管及模块整流二极管及模块电力电子器件概述(121)课件1-13电力二极管的

9、外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号1.2.1 PN结与电力二极管的工作原结与电力二极管的工作原理理AKAKa)IKAPNJb)c)AK电力电子器件概述(121)课件1-14 状态状态参数参数正向导通正向导通反向截止反向截止反向击穿反向击穿电流电流正向大正向大几乎为零几乎为零反向大反向大电压电压维持维持1V反向大反向大反向大反向大阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态 二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单向结的单向导电性这一主要特征导电性这一主要特征。1.2.1 PN结与电力二极管的工作原结与电

10、力二极管的工作原理理PN结的状态结的状态电力电子器件概述(121)课件1-151.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1) 静态特性静态特性电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU电力电子器件概述(121)课件1-162) 动态特性动态特性 b)UFPuiiFuFtfrt02V电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置ta)FUFtFt0trrtdtft1t2URURPIRPdiFdtiRdti 关断过程关断过程 开通过程开通过程1.2.2 电力二极管的基本

11、特性电力二极管的基本特性电力电子器件概述(121)课件1-17UFPuiiFuFtfrt02V开通过程开通过程1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt关断过程关断过程延迟时间：延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延恢复特性的软度：下降时间与延迟时间迟时间 的比值的比值tf /td，或称恢复系，或称恢复系数，用数，用Sr表示。表示。电力电子器件概述(121)课件1-18额定电流额定电流在指

12、定的管壳温度和散热在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大条件下，其允许流过的最大工频正弦半工频正弦半波电流波电流的平均值的平均值。1.2.3 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)2）正向压降正向压降UF在指定温度下，流过某一指定的稳态正在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。向电流时对应的正向压降。电力电子器件概述(121)课件1-19对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数3） 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM4

13、）反向恢复时间）反向恢复时间trrtrr= td+ tf5）最高工作结温）最高工作结温TJMTJM是指在是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。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。周期的过电流。电力电子器件概述(121)课件1-201) 普通二极管普通二极管（高于5s ）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。1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类

14、型2) 快恢复二极管快恢复二极管 （可低于50ns ）3) 肖特基二极管肖特基二极管 (1040ns) 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（Schottky Barrier Diode SBD）。电力电子器件概述(121)课件1-211.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管电力电子器件概述(121)课件1-221.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言 晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）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AAGGKKb)c)a)AGKKGA

15、P1N1P2N2J1J2J3晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号电力电子器件概述(121)课件1-231.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构电力电子器件概述(121)课件1-241.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理电力电子器件概述(121)课件1-251.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本

16、特性（1）正向特性）正向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 静态特性静态特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG（2）反向特反向特性性电力电子器件概述(121)课件1-261.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（1） 开通过程100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA（2) 关断过2） 动态特性动态特性晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形电力电子器件概述(121)课件1-271.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极

17、断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。电力电子器件概述(121)课件1-281.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通态平均电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下

18、，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。2 2）电流定额电流定额维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。电力电子器件概述(121)课件1-291.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数

19、通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。电力电子器件概述(121)课件1-301.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor

20、FST)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10s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，不能忽略其开关损耗的发热效应。电力电子器件概述(121)课件1-311.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2 2）双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性OIGb)IU=0a)GT1T2

21、电力电子器件概述(121)课件1-321.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG= 0逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性电力电子器件概述(121)课件1-331.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)b)光强度弱强AKOUIA光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气

22、图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性电力电子器件概述(121)课件1-341.4 典型全控型器件典型全控型器件电力电子器件概述(121)课件1-351.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块电力电子器件概述(121)课件1-361.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)结构结构：c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO的内部结构和电气图形符号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并联单元

23、结构断面示意图1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通晶闸管的相同点相同点： 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不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。电力电子器件概述(121)课件1-37 工作原理工作原理：RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理电力电子器件概述(121)课件1-381.4.1 门极可关断晶

24、闸管门极可关断晶闸管OtiG0tiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性的动态特性电力电子器件概述(121)课件1-391.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTO的主要参数的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2） 关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。

25、许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。电力电子器件概述(121)课件1-401.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4） 电流关断增益电流关断增益 offGTO额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。GMATOoffII GTO的主要参数的主要参数电力电子器件概述(121)课件1-411.4.2 电力晶体管电力晶体管( (GTR) )1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构

26、断面示意图内部结构断面示意图 b) 电气图形符号电气图形符号 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动电力电子器件概述(121)课件1-421.4.2 电力晶体管电力晶体管( (GTR) )空穴流空穴流电电子子流流c)EbEcibic= ibie=(1+ ) )ib1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理电力电子器件概述(121)课件1-431.4.2 电力晶体管电力晶体管 (1) 静态特性静态特性截止区放大区饱和区ib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo电力电子器件概述(121)课件1-461.4.2 电力晶体管电力晶体管 通常规定为hFE下降到规定值的

27、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。 (2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM(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 。电力电子器件概述(121)课件1-471.4.2 电力晶体管电力晶体管一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 安 全 工 作 区 （安 全 工 作 区 （ S a f e Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大

28、电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作区(4) 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二次击穿二次击穿：一次击穿发生时，Ic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 。电力电子器件概述(121)课件1-481.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管(1)电力电力MOSFET的结构的结构N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力电力MOSFET的结构和电气图形符号的结构和电气图形符号1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理

29、的结构和工作原理电力电子器件概述(121)课件1-491.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 截止截止：漏源极间加正电源漏源极间加正电源，栅源极间电压为零栅源极间电压为零。 P基区与基区与N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PN结结J1反偏，漏源极之间无电流反偏，漏源极之间无电流流过。流过。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力电力MOSFET的结构和电气图形符号的结构和电气图形符号(2)电力电力MOSFET的工作原的工作原理理导电导电：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压UGS当当UGS大于大于UT时，时，P型半导体反型成型半导体反型成N型而

30、成为型而成为反型层反型层，该反型，该反型层形成层形成N沟道而使沟道而使PN结结J1消失，漏极和源极导电消失，漏极和源极导电 。电力电子器件概述(121)课件1-501.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 (1) 静态特性静态特性010203050402468a)ID/AUTUGS/V10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性2）电力）电力MOSFET的基本特性的

31、基本特性 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。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。电力电子器件概述(121)课件1-511.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管关断过程关断过程a）RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEOuptb)iDOOttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf电力电力MOSFET的开关过程的开关过程a) 测试电路测试电路 b) 开关过程波形开关过程波形(2) 动态特性动态特性开通过程开通过程电力电子器件概述(121)课件1-521.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管3) 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数

32、电力电力MOSFET电压定额电压定额(1) 漏极电压漏极电压UDS (2) 漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力电力MOSFET电流定额电流定额(3) 栅源电压栅源电压UGS UGS 20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿 。 除跨导除跨导Gfs、开启电压、开启电压UT以及以及td(on)、tr、td(off)和和tf之外还有：之外还有： (4) 极间电容极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和和CDS电力电子器件概述(121)课件1-531.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1) IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理EGCN+N-a)PN+N+

33、PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 简化等效电路简化等效电路 c) 电气图形符号电气图形符号电力电子器件概述(121)课件1-541.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 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。 导通：导通：uGE大于开启电压大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成沟道，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，为晶体管提供基

34、极电流，IGBT导通。导通。 通态压降通态压降：电导调制效应电导调制效应使电阻使电阻RN减小，使通态减小，使通态压降减小压降减小。关断关断：栅射极间施加栅射极间施加反压或不加信号时反压或不加信号时，MOSFET内的沟道内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。关断。 IGBT的原理的原理电力电子器件概述(121)课件1-55a)b)O有源区饱和区反向阻断区正向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的静态特性的静态特性 I

35、GBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性a) 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。电力电子器件概述(121)课件1-561.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管ttt10%10%90%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程的开关过程 (2) IGBTIGBT的动态特性的动态特性电力电子器件概述(

36、121)课件1-571.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管3) IGBT的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗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包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP 。 (2) 最大集电极电流最大集电极电流由内部由内部PNP晶体管的击穿电压确定。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UCES电力电子器件概述(121)课件1-581.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT的特性和参数的特性和参数特点特点可以总结如下可以总结如下：v 开关开关速度高速度

37、高，开关，开关损耗小损耗小。 v 相同电压和电流定额时，相同电压和电流定额时，安全工作区比安全工作区比GTR大大，且，且 具有耐脉冲电流冲击能力。具有耐脉冲电流冲击能力。v 通态压降通态压降比比VDMOSFET低低。v 输入阻抗高输入阻抗高，输入特性与，输入特性与MOSFET类似。类似。v 与与MOSFET和和GTR相比，相比，耐压和通流能力耐压和通流能力还可以进还可以进一步一步提高提高，同时保持开关频率高的特点，同时保持开关频率高的特点 。 电力电子器件概述(121)课件1-591.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应： 动态擎住效应动态擎住效应比比

38、静态擎住效应静态擎住效应所允许的集电极电流小。所允许的集电极电流小。NPN晶体管基极与发射极之间存在晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻体区短路电阻，P形体区的形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对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，结施加正偏压，一旦一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)电力电子器件概述(121)课件1-601.5 其他

39、新型电力电子器件其他新型电力电子器件电力电子器件概述(121)课件1-611.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管( (MCT) MCT结合了二者的优点：结合了二者的优点： 承受极高承受极高di/dt和和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。快速的开关过程，开关损耗小。 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。 一个一个MCT器件由数以万计的器件由数以万计的MCT元组成。元组成。 每个元的组成为：一个每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸晶闸管，一个控制该晶闸管开通的管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的，和一个控制该晶闸管关断的MO

40、SFET。 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未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。达到预期的数值，未能投入实际应用。 MCT（MOS Controlled Thyristor） MOSFET与晶闸管的复合与晶闸管的复合电力电子器件概述(121)课件1-621.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT 多子导电的器件，工作频率与电力多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。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

41、和高在雷达通信设备、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。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，称为栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通正常导通型型器件，使用不太方便。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。电子设备中得到广泛应用。SIT（Static Induction Transistor） 结型场效应晶体管结型场效应晶体管电力电子器件概述(121)课件1-631.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH SIT

42、H是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，应，通态压降低通态压降低、通流能力强通流能力强。 其很多其很多特性与特性与GTO类似类似，但开关速度比，但开关速度比GTO高得多，是高得多，是大容量的快速器件。大容量的快速器件。 SITH一般也是一般也是正常导通正常导通型，但也有正常关断型。此外，型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（Static Induction Thyristor） 场控晶闸管（场控晶闸管（FCT）电力电子器件概述(121)课件1-641.5

43、.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT 20世纪世纪90年代后期出现，结合了年代后期出现，结合了IGBT与与GTO的优点，的优点，容量与容量与GTO相当，开关速度快相当，开关速度快10倍倍。 可省去可省去GTO复杂的缓冲电路，但复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大驱动功率仍很大。 目前正在与目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取等新型器件激烈竞争，试图最终取代代GTO在大功率场合的位置。在大功率场合的位置。IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）电力电子器件概述(

44、121)课件1-651.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 20世纪世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件年代中后期开始，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。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。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，称为信息电子电路制作

45、在同一芯片上，称为功率集成电路功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。）。基本概念基本概念电力电子器件概述(121)课件1-661.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块智能功率模块（Intel

46、ligent Power ModuleIPM）则专指则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。）。实际应用电路实际应用电路电力电子器件概述(121)课件1-671.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 功率集成电路的主要技术难点：功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘高低压电路之间的绝缘问题问题以及以及温升和散热的处理温升和散热的处理。 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。合。 智能功率模

47、块在一定程度上回避了上述两个难点智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几最近几年获得了年获得了迅速发展迅速发展。 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。化的理想接口。发展现状发展现状电力电子器件概述(121)课件1-68全控电力电子器件参数比较全控电力电子器件参数比较 元件名称GTRGTOIGBTMOSFETSITSITHMCT控制方式电流电流电压电压电压电压电压常态阻断阻断阻断阻断开通/阻断开通/阻断阻断反向电压650V6500V2500V400V400V4500V3000V断态电压1400V9000V2500

48、V1000V1500V4500V1000V正向电流400A3500A450A100A200A2200A600A浪涌电流3IN10IN5IN5IN5IN10IN5IN电流密度（A/cm2）304060630500600最大开关速度（KHZ）501010010000100001001000抗辐射能力差很差中中好好好电力电子器件概述(121)课件1-69全控电力电子器件参数比较全控电力电子器件参数比较 元件名称GTRGTOIGBTMOSFETSITSITHMCT电路符号du/dt中低高高高高高di/dt中低高高高中高通态压降2.5V2.2-2.53.0V9.0V7.0V4.0V1.0V制造工艺复杂复

49、杂很复杂很复杂很复杂很复杂很复杂缺点二次击穿擎柱效应功率（KVA）1021041030.6*102101.5*1035*103KGAGSDGSD功率排序 SCRGTOSITHMCTIGBTGTRSITMOSFET电力电子器件概述(121)课件1-701.6 电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动电力电子器件概述(121)课件1-711.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述光耦合器的类型及接法光耦合器的类型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高传输比型高传输比型ERa)UinUoutR1ICIDERb)R1ERc)R1电力电子器件概述(121)课件1-7

50、21.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路IIM理想的晶闸管触发脉冲电流波形理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（脉冲前沿上升时间（1 s）t1t3强脉宽度强脉宽度IM强脉冲幅值（强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度脉冲宽度I脉冲平顶幅值（脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路tt1t2t3t4常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路电力电子器件概述(121)课件1-731.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路推荐的推荐的GTO门极电压电流波形门极电压电流波形tOuGOtiG1) 电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型

51、器件的驱动电路正的门极电流正的门极电流5V5V的负偏压的负偏压(1)GTO(1)GTO电力电子器件概述(121)课件1-741.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驱动电路驱动电路1) 电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路电力电子器件概述(121)课件1-751.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路tOib理想的理想的GTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形(2) GTRVD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2GTR的一种驱动电路的一种驱动电路

52、1) 电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路电力电子器件概述(121)课件1-761.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(1) 电力电力MOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路电力电力MOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路2) 电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路电力电子器件概述(121)课件1-771.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(2) IGBT的驱动的驱动M57962L型型IGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图 多采用专用的混合集成驱动器多采用专用的混合集成驱动器电力电子器件概述(121)课件1-781.7

53、 电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护电力电子器件概述(121)课件1-791.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路电力电子器件概述(121)课件1-801.7.2 过电流保护过电流保护过电流过载过载和短路短路两种情况保护措施负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器过电流保护措施及配置位置电力电子器件概述(121)课件1-811.7.3 缓冲电路缓冲电路v关断缓冲电路关断缓冲电路（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。v开通缓冲电路开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开