学习情境二电力电子器件及其驱动保护2

1、会计学1学习情境二电力电子器件及其驱动保护学习情境二电力电子器件及其驱动保护223456 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗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7按照器件能够按照器件能够被控制的程度被控制的程度，分为以下三类，分为以下三类半控型器件（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。如晶闸管及其大部分派生器件其关断。如晶闸管及其大部分派生器件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

2、器件。断，又称自关断器件。GTOGTO，MOSFETMOSFET，IGBTIGBT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。如电力二极管需要驱动电路。如电力二极管8 按照按照驱动电路信号驱动电路信号的性质，分为两类：的性质，分为两类：9 按照载流子参与导电的情况，分为三类：1011 Power DiodePower Diode结构和原理简单，工作可靠，自结构和原理简单，工作可靠，自2020世世纪纪5050年代初期就获得应用。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

3、整流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，具有不可替代的和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。地位。12AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-1 电力二极管的外形、结构和电气图形电力二极管的外形、结构和电气图形符号符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号阳极阳极阴极阴极13 PN结的状态结的状态 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

4、管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿（高压）雪崩击穿（高压）齐纳击穿（低压）齐纳击穿（低压）两种击穿均可能导致热击穿两种击穿均可能导致热击穿14 PN结的电容效应：结的电容效应：151) 静态特性静态特性图图2-2 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性16延迟时间：延迟时间：t td d= = t t1 1- - t t0 0, , 电流下降时间：电流下降时间：t tf f= = t t2 2- - t t1 1反向恢复时间：反向恢复时间：t trrrr= = t td d+ + tf正向恢

5、复时间：正向恢复时间：t tfr fr恢复特性的软度：下降时间与延迟时间恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值的比值t tf f / /t td d，或称恢复系数，用，或称恢复系数，用S Sr r表示表示。图图2-3 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t0PN结结PN结结1) 额定电流（正向平均电流）额定电流（正向平均电流）IF(AV)57. 1)25 . 1 ()(IIAVFF式中的系数式中的系数1.51.52 2是安全系数是安全系数201(sin)()22mFIItdt()(

6、)1.571.572FfFFAVFAVIKIII，电流的有效值：电流的有效值：波形系数波形系数Kf：()01sin()2mF AVmIIItdt实际应用中，实际应用中，额定电流额定电流一般选择为一般选择为 fK电 流 有 效 值电 流 平 均 值正弦半波电流的波形系数正弦半波电流的波形系数Kf：ImIF(AV)182301( )23mdmIII d t23201( )0.5823mTmmIIId tI0.5813mfmIK =1.74IId1.57 100=45.12A2 1.74135.36mdIA=3I =3 45.12解：实际电流平均值解：实际电流平均值电流有效值电流有效值波形系数波形系

7、数100A100A的晶闸管实际允许通过的电流平均值的晶闸管实际允许通过的电流平均值最大电流最大电流iIm2/32fAVTdkII)25 . 1 (57. 1)(在给定晶闸管的额定电流之后，在给定晶闸管的额定电流之后，任意波形任意波形的实际允许电流平均值的实际允许电流平均值为为192）正向平均电压正向平均电压UF205）最高工作结温最高工作结温TJM21按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，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。特别是反向恢复特性的不同介绍。222) 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）233. 肖特基二

8、极管肖特基二极管 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（势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。）。242526晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整：晶体闸流管，可控硅整流器流器（Silicon Controlled RectifierSCR）27 图图2-4 晶闸管的外形晶闸管的外形a）d），电气图形符号），电气图形符号e），结构），结构f）外形有外形有塑封型塑封型，螺栓型螺栓型和和平板型平板型三种封装。三种封装。有三个联接端。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳

9、极，能与散热器紧密联接且安装方便螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。2829 按晶体管的工作原理按晶体管的工作原理 ，得得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（3-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）图图2-5 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3031其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：32晶闸管正常工作时的特性

10、总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：331 1） 静态特性静态特性正向正向阻断阻断反向反向阴断阴断图图2-6 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG34（2）反向特性反向特性URO图图2-7 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG352） 动态特性动态特性(2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关断时间关断时间t tq q以上两者之和以上两者之和tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒普通晶闸管的关断时间约几百微秒图图2-8 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361）电压定额电压

11、定额URO选用时，一般取额定选用时，一般取额定电压为正常工作时晶电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压闸管所承受峰值电压23倍，即：倍，即：UTe=(23)UTM3757. 1 /) 25 . 1 ()(TAVTII()01sin()2mT AVmIIItdt2 2）电流定额电流定额额定通态平均电流额定通态平均电流 I IT(AVT(AV）在环境温度为在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，晶闸管导通角和规定的冷却状态下，晶闸管导通角不小于不小于170的电阻性负载电路中，当稳定结温不超过额定结的电阻性负载电路中，当稳定结温不超过额定结温时所允许流过的工频正弦半波电流温时所允许流过的工频正弦半波电

12、流的平均值的平均值。将该电流按。将该电流按晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流额定电流。使用时应按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。考虑来选取晶闸管。考虑1.52倍裕量。倍裕量。38fAVTdkII)25 . 1 (57. 1)(201(sin)()22mTIItdt()()1.571.572TTT AVT AVdIIIIITfd，I波形系数:K =， 为任意波形的允许平均电流I电流波形的有效值：电流波形的有效值：有效值与平均值之比：有效值与平均值之比：在给定晶闸管的额定电流在给定晶闸管的额定电流之后，任意波形的之后，任意波

13、形的实际实际允允许电流平均值为许电流平均值为()01sin()2mT AVmIIItdt39331sin()0.2424mdmmIIItdtI23113(sin)()0.462616TmmItdtIImfm0.46IK =1.920.24IId1.57 100=41A2 1.92171mIAdI41=0.240.24解：实际电流平均值解：实际电流平均值电流有效值电流有效值波形系数波形系数100A100A的晶闸管实际允许通过的电流平均值的晶闸管实际允许通过的电流平均值最大电流最大电流40413 3）动态参数动态参数421)1)双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或B

14、idirectional triode thyristor） 可认为是一对反并联联接的普可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。通晶闸管的集成。 有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门，一个门极极G。图图2-9 2-9 双向晶闸管双向晶闸管43(2) 伏安特性与参数伏安特性与参数有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个，一个门极门极G。在第在第和第和第IIIIII象限有对称的象限有对称的伏安特性。伏安特性。不用平均值而用有效值来表不用平均值而用有效值来表示其额定电流值示其额定电流值(I (IT T（RMSRMS）) )。双向晶闸管与普通晶闸管额双向晶闸管与普通晶闸管额定电流换算关系。

15、定电流换算关系。()()()20.45T AVT RMST RMSTII图图2-10 2-10 双向晶闸管的电气图双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性44表表2 2-1 -1 双向晶闸管的工作模式双向晶闸管的工作模式452) 2) 快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)46将晶闸管反并联一将晶闸管反并联一个二极管制作在同个二极管制作在同一管芯上的功率集一管芯上的功率集成器件。不具有承成器件。不具有承受反向电压的能力受反向电压的能力。具有正向压降小、具有正向压降小、关断时间短、高温关断时

16、间短、高温特性好、额定结温特性好、额定结温高等优点。高等优点。a)KGA图图2-11 逆导晶闸管的电气图逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性47又称光触发晶闸管，又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光是利用一定波长的光照信号触发导通的晶照信号触发导通的晶闸管。闸管。光触发保证了主电路光触发保证了主电路与控制电路之间的绝与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干缘，且可避免电磁干扰的影响。扰的影响。因此目前在高压大功因此目前在高压大功率的场合。率的场合。AGKa)图图212 光控晶闸管的电气图形符号光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏

17、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48492.4.1 引言引言 2.4.2 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理2.4.3 GTO的动态特性的动态特性2.4.4 GTO的主要参数的主要参数50门极关断晶闸管门极关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）51图图2-13 GTO2-13 GTO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) 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) b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) c) 电气图形符号电气图形符号AKGC）c)图 1-13AGK

18、GGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGKN2P2N2N1P1A52RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图2-13 2-13 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由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分别具有共分别具有共基极电流增益基极电流增益 1 1和和 2 2 。 53设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控控 制制灵敏，晶体管灵敏，晶体管V1饱和度较浅，饱和度较浅，易于易于GTO控制。控制。导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通时，导通时接近临界饱

19、和，有利门极控制接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区（基区（较薄）横向电阻很小，能从门较薄）横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。极抽出较大电流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图图2-14 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理54 结论：结论：55Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图图215 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形56 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，许多参数和普通晶闸管相应的参数

20、意义相同，以下只介绍意义不同的参数以下只介绍意义不同的参数。（1）开通时间开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12 s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。（2） 关断时间关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于尾部时间。下降时间一般小于2 s。不少不少GTO都制造成逆导型都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管类似于逆导晶闸管，需承需承受反压时受反压时，应和电力二极管串联应和电力二极管串联 。57GTO额定电流（总方均根值）。额定

21、电流（总方均根值）。（4） 电流关断增益电流关断增益 offoff 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。GMATOoffII off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 585960术语用法术语用法：61图图2-16 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

22、符号 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动e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 。62bciiic= ib +Iceo631211211121212(1)()CCCBBBIIIIII 1式中, =图图2-17 达林顿管达林顿管64图图2-18 共发射极接法时共发射极接法时GTR的的输出特性输出特性652) 动态特性动态特性ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontr

23、td图图2-19 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形6667 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM684) 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安全工作区安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压最高电压UceM、集电极最大、集电极最大电流电流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图2-20 GTR的安全工作区的安全工作区69项目项目晶闸管晶闸管BJT最高耐压最高耐压额定电流额定电流12000V4000A1200V600A开通时

24、间开通时间几微秒几微秒几微秒几微秒关断时间关断时间几十至几百微秒几十至几百微秒几微秒几微秒正向压降正向压降12V0.10.7V（单管）（单管）0.82.1V（达林顿管）（达林顿管）漏电流漏电流几毫安以下几毫安以下几百微安以下几百微安以下开关方法及开关方法及所需能量所需能量开通：控制极触发电流（功率为几瓦以开通：控制极触发电流（功率为几瓦以下）下）关断：阴极加负电压关断：阴极加负电压开通：基极流过电流（功率为几瓦以下开通：基极流过电流（功率为几瓦以下）关断：基极电流消失关断：基极电流消失关断时的保护关断时的保护用缓冲电路抑制反峰电压及用缓冲电路抑制反峰电压及du/dt用缓冲电路将电压电流限制在安

25、全工作用缓冲电路将电压电流限制在安全工作区区浪涌冲击浪涌冲击10倍的额定电流（重复性）倍的额定电流（重复性）20倍的额定电流（非重复性）倍的额定电流（非重复性）二倍的额定电流（非重复性）二倍的额定电流（非重复性）误动作误动作（控制可靠性）（控制可靠性）控制极干扰信号，过大的控制极干扰信号，过大的du/dt会引起误触发，会引起误触发，故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件基极干扰信号，过大基极干扰信号，过大du/dt造成瞬时导通，但可造成瞬时导通，但可复原，不致引起损坏。若是电源短路，工作点超复原，不致引起损坏。若是电源短路，工作点超出安全工作区，会损坏元件出安

26、全工作区，会损坏元件维护维护无活动部件，不易损坏部件，需维护无活动部件，不易损坏部件，需维护（同晶闸管（同晶闸管）寿命寿命半永久性半永久性半永久性半永久性二次击穿二次击穿不存在不存在存在存在7071 特点特点用栅极电压来控制漏极电流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。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于热稳定性优于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的电力电子装置的电力电子装置 。电力场效应晶体管电力场效应晶体管7273N+GSDP 沟道b)N+N-SGD

27、PPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道图1-19是单极型晶体管。是单极型晶体管。导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计：采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计： 1.1.国际整流器公司（国际整流器公司（International RectifierInternational Rectifier）的）的HEXFETHEXFET采用了六边形单元采用了六边形单元 2. 2.西门子公司（西门子公司（SiemensSiemens）的）的SIPMOSFETSIPMOSFET采用了正方形单元采用了正

28、方形单元 3. 3. 摩托罗拉公司（摩托罗拉公司（MotorolaMotorola）的）的TMOSTMOS采用了矩形单元按采用了矩形单元按“品品”字形排列字形排列 图图2-21 电力电力MOSFET的结的结构和电气图形符号构和电气图形符号74BG栅栅极极D漏极漏极SiO2P型硅衬底型硅衬底S源极源极图图2-22 2-22 小功率小功率MOSMOS管结构图管结构图N+N+75VVMOSFET和和VDMOSFET 图图2-23 VVMOSFET和和UMOSFET基本结构基本结构 电场集中电场集中，不易提，不易提高耐压高耐压76电力电力MOSFET的工作原理的工作原理N+GSDP 沟道b)N+N-S

29、GDPPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道图1-19图图2-24 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77图图2-25 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78 MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图图2-25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)

30、 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性79图图226 226 功率功率MOSFETMOSFET极间电容分布及其等效电路极间电容分布及其等效电路 Cin=CGS+CGDCout=CDS+CGDCf=CGD80 2) 动态特性动态特性 开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) up前沿时前沿时刻到刻到uGS=UT并开始出现并开始出现iD的时刻间的时刻间的时间段。的时间段。上升时间上升时间tr uGS从从uT上升到上升到MOSFET进入非饱和区的栅压进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。的时间段。 iD稳态值由漏极电源电压稳态值由漏极电源电压UE和漏极和漏极负载电阻决定。负载电阻决定。

31、 UGSP的大小和的大小和iD的稳态值有关的稳态值有关 UGS达到达到UGSP后，在后，在up作用下继续作用下继续升高直至达到稳态，但升高直至达到稳态，但iD已不变。已不变。开通时间开通时间ton开通延迟时间与上开通延迟时间与上升时间之和。升时间之和。图图2-27 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up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻，RG栅极电阻，栅极电阻，RL负载电阻，负载电阻，RF检测漏极电流检测漏极电流81图图2-28 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

32、波形up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻，RG栅极电阻，栅极电阻，RL负载电阻，负载电阻，RF检测漏极电流检测漏极电流82MOSFET的开关速度的开关速度83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： (1) 漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS 电力电力MOSFET电压定额（电压定额（一般为实际工作电压的一般为实际工作电压的23倍倍）(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) 栅源击穿电压栅源击穿电压BUGS UGS 20V将导致绝

33、缘层击穿将导致绝缘层击穿 。 84（4)4)极间电容极间电容 极间电容极间电容CGS、CGD和和CDS 厂家提供：漏源极短路时的输入电容厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电、共源极输出电容容Coss和反向转移电容和反向转移电容CrssCiss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 输入电容可近似用输入电容可近似用Ciss代替。代替。 这些电容都是非线性的。这些电容都是非线性的。 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力了电力MOSFETMOSFET的安全工作区。的安全工作区。 一般来

34、说，电力一般来说，电力MOSFETMOSFET不存在二次击穿问题，这是不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。它的一大优点。 实际使用中仍应注意留适当的裕量。实际使用中仍应注意留适当的裕量。8586图图2-29 1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模块模块 GTR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。力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗

35、高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单，不存在二次击穿问题，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单，不存在二次击穿问题，但存在通态压降大，电流容量低等问题，难制成高电压、大电流器件。但存在通态压降大，电流容量低等问题，难制成高电压、大电流器件。两类器件取长补短结合而成的复合器件两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOSBi-MOS器件器件绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Insulated-gate Bipolar TransistorBipolar TransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）GTRGTR和和MOSFETMOSFET复

36、合，结合二者的优复合，结合二者的优点。点。19861986年投入市场，是中小功率电力电子年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。87图图3-30a3-30aN N沟道沟道VDMOSFETVDMOSFET与与GTRGTR组合组合N N沟道沟道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一层多一层P P+ +注入区，具有很强的通流能力。注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSF

37、ET组成的达林顿结构，组成的达林顿结构，一个由一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNPPNP晶体管。晶体管。R RN N为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。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)图图2-30 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88图图2-31 双载流子参与导电示意图双载流子参与导电示意图8

38、9 IGBT的原理的原理90a)b)O有源区有源区正向阻断区正向阻断区饱饱和和区区反向阻断区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加图图2-32 IGBT2-32 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性a) a) 转移特性转移特性 b) b) 输出特性输出特性转移特性转移特性IC与与UGE间的关系间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：正分为三个区域：正向阻断区、有源区向阻断区、有源区和饱和区。和饱和区。91 2) IGBTIGBT的动态特性的动态特性图图2-33 IGBT的开关过程的开关过程92 IGBT的

39、关断过程的关断过程图图2-34 IGBT的开关过程的开关过程93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最大集电极连续（直流）电流最大集电极连续（直流）电流IC额定电流；额定电流；为避免擎住效应，规定了为避免擎住效应，规定了ICM ， ICM2 IC(2) 最大集电极连续（直流）电流最大集电极连续（直流）电流IC和最大峰值电流和最大峰值电流ICM由内部由内部PNPPNP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UCES94开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时

40、，安全工作区比相同电压和电流定额时，安全工作区比GTRGTR大，且大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比通态压降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似。类似。与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐压和通流能力还可以相比，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进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。 95图图2-35 IGBT的结构、具有寄生晶闸管的等效电路的结构、具有寄生晶闸管的等效电路左：左： 内部结构断面示意图内部结构断面示意图 右：右： 等效电路等效电路

41、# # 寄生晶闸管寄生晶闸管由一个由一个N N- -PNPN+ +晶体管和作为主开关器晶体管和作为主开关器件的件的P P+ +N N- -P P晶体管组成。晶体管组成。96擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应： IGBTIGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件块，成为逆导器件 。最大集电极电流最大集电极电流、最大集射极间电压最大集射极间电压和和最大允许电压上升率最大允许电压上升率d du uCECE/dt/dt确定。确定。 反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA） 正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）动态擎住效

42、应动态擎住效应比比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。擎住效应曾限制擎住效应曾限制IGBTIGBT电流容量提高，电流容量提高，2020世纪世纪9090年代中后期开年代中后期开始逐渐解决。始逐渐解决。NPNNPN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 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J J3 3结施加正偏压，结施加正偏压，一旦一旦J J3 3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。最大集电极

43、电流最大集电极电流、最大集射极间电压最大集射极间电压和和最大集电极功耗最大集电极功耗确定。确定。9798驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口99ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图图2-36 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100分类分类101图图2-37 2-37 推荐的推荐的GTOGTO门极电压电流波形门极电压电流波形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GTOGTO驱动电路通常包括驱动电路通常包括开通驱动开通驱动电路电路、关断驱动电路关断驱动电

44、路和和门极反偏门极反偏电路电路三部分，可分为三部分，可分为脉冲变压器脉冲变压器耦合式耦合式和和直接耦合式直接耦合式两种类型。两种类型。102图图2-38 2-38 典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驱动电路驱动电路 该电路的电源由高频电源经二极管整流后提供，二极管该电路的电源由高频电源经二极管整流后提供，二极管VD1VD1和电容和电容 C1 C1 提供提供 +5V +5V 电压，电压，VD2VD2、VD3VD3、C2C2、 C3 C3 构成倍压整流电路提供构成倍压整流电路提供15V 15V 电压，电压，VD4 VD4 和电和电容容 C4 C4 提供提供 15V 15V 电压。场效应管

45、电压。场效应管 Vl Vl 开通时，输出正强脉冲；开通时，输出正强脉冲；V2 V2 开通时输出正开通时输出正脉冲平顶部分；脉冲平顶部分；V2 V2 关断而关断而 V3 V3 开通时输出负脉冲；开通时输出负脉冲；V3 V3 关断后电阻关断后电阻 R3 R3 和和R4 R4 提供提供门极负偏压。门极负偏压。 103tOib 图图2-39 理想的理想的GTR基极基极驱动电流波形驱动电流波形(2) GTR104VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2图图2-40GTR的一种驱动电路的一种驱动电路二极管二极管VDVD2 2和电位补偿二极管和

46、电位补偿二极管VDVD3 3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如负载较轻时，如V V5 5发射极电流全注入发射极电流全注入V V，会使，会使V V过饱和。有了贝克箝位电路，过饱和。有了贝克箝位电路，当当V V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VDVD2 2会自动导通，使多余的驱会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持动电流流入集电极，维持U Ubcbc00。 C C2 2为加速开通过程的电容。开通时，为加速开通过程的电容。开通时，R R5 5被被C C2 2短路。可实现驱动电流的过短路。可实现驱动电

47、流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。冲，并增加前沿的陡度，加快开通。1052) 电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路106图图2-40电力电力MOSFET的一种驱动电的一种驱动电路路无输入信号时高速放大器无输入信号时高速放大器A A输出负电平输出负电平,V,V3 3导通输出负驱动电压。导通输出负驱动电压。 当有输入信号时当有输入信号时A A输出正电平，输出正电平，V V2 2导通输出正驱动电压导通输出正驱动电压 专为驱动电力专为驱动电力MOSFETMOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918LM57918L，其输入信号电流幅值为其输入信

48、号电流幅值为16mA16mA，输出最大脉冲电流为，输出最大脉冲电流为+2A+2A和和-3A-3A，输出，输出驱动电压驱动电压+15V+15V和和-10V-10V。107图图2-41M57962L型型IGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的常用的有三菱公司的M579系列（如系列（如M57962L和和M57959L）和富士公司的）和富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。 内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。，并向外部电路给出故障信号。 M57962L输出的正驱动电压均为输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为左右，负驱动电压为 -10V。 多采用专用的混合集成驱动器多