MOS-IGBT功率器件

1、1功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（MOSFET） 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT） 基础知识培训基础知识培训2l电力电子器件：用于主电路，实现电能的变换或控制的电子器件。早期为电真空器件，如今主要指半导体器件。l主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制的电路。RL主电路V1V2控制器驱动电路检测电路保护电路控制电路电气隔离（1）基本概念）基本概念1 电力电子器件的概念与特征电力电子器件的概念与特征3l电力电子器件处理电功率的能力，一般远大于信息处理中的电子器件。l电力电子器件一般都工作在开关状态。l电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制（控制电路，驱动电路）。

2、l电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都需要安装散热器（自然风冷、强迫风冷、水冷等）。1 电力电子器件的概念与特征电力电子器件的概念与特征（2）主要特征）主要特征41 电力电子器件的概念与特征电力电子器件的概念与特征（3）电力电子器件的功率损耗）电力电子器件的功率损耗l功率损耗主要包括：通态损耗、断态损耗和开关损耗。l通态损耗是通态电流与通态（管）压降作用的结果。l断态损耗是断态（漏）电流与断态电压作用的结果。l开关损耗又包括：开通损耗和关断损耗，是开关过程中电压与电流作用的结果。l因断态漏电流极小，一般认为通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要因素。l当器件工作频率较高时，开关损

3、耗可能成为电力电子器件功率损耗的主要因素。5l不可控器件（如：电力二极管）不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。l半控型器件（如：晶闸管/可控硅）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。l全控型器件（如：电力场效应管，绝缘栅双极晶体管）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。2 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型（1）按照器件被控程度分为三类）按照器件被控程度分为三类6l电流驱动型通过从控制端注入或者抽出一定的电流，实现器件的导通或关断控制。l电压控制型仅通过在器件控制端和公共端之间施加一定的电压信号，实现导通或者关断控制。2 电力电子器件的基本

4、类型电力电子器件的基本类型（2）可控器件按照驱动信号的性质分为两类）可控器件按照驱动信号的性质分为两类7l单极型器件只有一种载流子参与导电。l双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电。l混合型器件由单极型器件与双极型器件通过集成而构成的复合型器件。2 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型（3）按照器件内部载流子参与导电情况分为三类）按照器件内部载流子参与导电情况分为三类83 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件的模块化与集成化（1）电力电子器件模块化与集成化的研发是目前电力电子器件模块化与集成化的研发是目前重重要的发展方向要的发展方向。（2）模块化与集成化不仅可减小装置尺寸，更重要

5、模块化与集成化不仅可减小装置尺寸，更重要的是提高了装置的的是提高了装置的安全性安全性与与可靠性可靠性，缩短了装，缩短了装置的设计研发周期。置的设计研发周期。（3）特别值得一提的是特别值得一提的是智能功率模块智能功率模块（IPM），该），该功率模块同时具有功率模块同时具有驱动、控制、保护驱动、控制、保护等功能，等功能，整体性能大为提高。整体性能大为提高。（4）目前，在装置研发中目前，在装置研发中优先选用模块化器件优先选用模块化器件。94 电力电子器件的应用领域电力电子器件的应用领域10电力电子器件的制造水平电力电子器件的制造水平11 SIC 二极管二极管 大能量带隙材料SiC半导体、金刚石 IX

6、YS（德国）、美国Cree，Power MOSFET 和二极管 产品投入市场 更高的载流子迁移率 更短的载流子寿命 良好的电、热传到性 高功率密度、速度更快、低损耗、大功率 高频 SIC 肖特基二极管 1200V/42A，没有反向恢复时间。电力二极管电力二极管12l又称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier）l简称为可控硅（缩写为SCR）l1956年由美国贝尔实验室发明。l1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，且于1958年商业化。l晶闸管的诞生，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。l20世纪80年代以来，开始部分被全控型器件所

7、取代。l晶闸管承受压和通流的能力最高，工作可靠，应用成熟，在大容量的场合仍占有重要的不可替代的地位。晶闸管是晶体闸流管（Thyristor）的简称13 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理l螺栓型封装，通常螺栓一端是阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。l平板型晶闸管使用时是由两个散热器将其夹在中间。l模块使用时，金属底面（一般为铜质）要与散热器紧密接触，使元件内部的热量有效导出。（1）符号及外形）符号及外形l为三端四层元件，三端分别为阳极 A、阴极 K 和控制极 G。l外形有螺栓型、平板型和模块型三种封装形式。图形符号四层结构14 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理（1）符号

8、及外形）符号及外形15晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理（1）符号及外形）符号及外形16晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理（1）符号及外形）符号及外形17晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理（1）符号及外形）符号及外形18 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理（1）符号及外形）符号及外形19晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理l阳极电压升高至相当高的数值，造成雪崩效应l阳极电压上升率du/dt 过高l结温较高l光触发：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，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor

9、）。l只有门极触发才是精确、迅速而可靠的控制手段（包括光触发） 。（2）晶闸管其他几种可能导通的情况晶闸管其他几种可能导通的情况212121 ()GCBOCBOAIIII 20晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理l晶闸管在承受反向电压时，不论控制极是否有触发电流都不会导通。l晶闸管承受正向电压时，仅在控制极有触发电流的情况下才能开通。l晶闸管一旦导通控制极就失去控制作用。l要使晶闸管关断，只能使流过晶闸管的电流减小到接近于零的某一数值 。l显然，晶闸管为电流控制型器件。（3）晶闸管开通及关断条件晶闸管开通及关断条件21晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数 正向特性正向特性lIG

10、=0时，当器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，此为正向阻断状态。l正向电压超过正向转折电压UDB，则漏电流急剧增大，器件非正常开通。l随着门极电流幅值的增大，正向转折电压相应降低。l晶闸管一旦导通，其正向导通压降很小，约为1V左右。正向导通雪崩击穿OUAKURBIAIHIG2IG1IG=0UDBUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG0（4）静态特性）静态特性22 晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数 反向特性反向特性l反向特性类似于二极管的反向特性。l反向呈阻断状态时，只有极小的反向漏电流。l当反向电压达到反向击穿电压后，电流急剧增加，可能导致晶闸管发

11、热而永久损坏。（4）静态特性）静态特性正向导通雪崩击穿OUAKURBIAIHIG2IG1IG=0UDBUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG023 晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数开通过程开通过程l延迟时间td ：(约为0.51.5s)l上升时间tr ：(约为0.53s)l开通时间ton为以上两者之和： ton=td+tr（5）动态特性）动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形24 晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数关断过程关断过程l反向恢复时间trr阳极电流降为0，但还不能承受正

12、向电压！l门极恢复时间tgr可以承受正向电压！l关断时间toff 为以上两者之和： toff =trr+tgr此时晶闸管才真正的关断，即可承此时晶闸管才真正的关断，即可承受正向和反向电压，为下一次开关过程受正向和反向电压，为下一次开关过程做好准备。做好准备。l普通晶闸管的关断时间约为几十几百微秒。（5）动态特性）动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形25选用注意选用注意 晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数l正向断态重复峰值电压UDRM在门极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。l反向重复峰值电压UR

13、RM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。 取UDRM与URRM中较小值作为晶闸管的电压定额。 选用时应留有裕度，一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。（6）电压定额）电压定额l通态（峰值）电压UT（简称管压降）晶闸管通以额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。26选用注意选用注意 晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数l通态平均电流 IT(AV）：在环境温度为 40C 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时，将所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，标称为晶闸管的额定电流。（7）电流定额）电流定额使用时应根据实际通过电流的波形，按有效值相等（即等效发热

14、）的原则来选取。并需留有一定的裕量。27晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数（8）电流定额）电流定额l维持电流 IH ：能使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流。l擎（掣）住电流 IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持继续导通所需的最小电流。 通常I L=（ 24 ）I H（9）门极定额）门极定额l包括门极触发电压 U GT 与门极触发电流 I GT（几十mA）。l注意同一型号的器件存在较大的离散性。28 晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数（10）动态参数）动态参数l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，不会导致晶闸管从断态转换为通态的外

15、加电压最大上升率。由于结电容的存在，当电压上升率过大使充电电流足够大时，将会使晶闸管误导通 。 除了开通时间 ton 和关断时间 toff 外，动态参数还包括：加阻容吸收，限制电压上升率！29 晶闸管的特性及主要参数晶闸管的特性及主要参数（10）动态参数）动态参数l通态电流临界上升率di/dt ：指在规定条件下，晶闸管所能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。晶闸管导通时，电流在管芯硅片上有一个从门极附近向外扩散的过程，如果电流上升太快，可能造成门极附近局部电流密度过大，使晶闸管过热而损坏。除了开通时间 ton 和关断时间 toff 外，动态参数还包括：串接换流电抗，限制电流上升率！30（1）

16、快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching Thyristor） 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件l又分常规快速晶闸管（KK系列3kHz）和高频晶闸管（KG系列20V导致绝缘层击穿。l存放：三端短接；l取用：手环接地；l焊接：烙铁可靠接地或短时断电利用余热。 （3）漏极连续电流）漏极连续电流 ID 和漏极峰值电流幅值和漏极峰值电流幅值 IDM 功率MOSFET的电流定额，一般 IDM = (24) ID 。（4）极间电容）极间电容：决定了器件的开关速度。（5）正向通态电阻）正向通态电阻：决定了器件的通态损耗。（6）最大功耗）最大功耗：与：与管壳温度有关。43 功率功率MOSFET的优

17、缺点的优缺点l耐压低，通流能力弱。l高压、大电流器件制作困难，RDU2/Sl大功率装置需多管并联，增加了装置复杂程度。（1）优点）优点（2）缺点）缺点l输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单。l开关速度快，工作频率高，可达1MHz以上。l不存在二次击穿问题。l正温度系数正温度系数，易于并联扩大容量。44 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介）简介l绝缘栅双极晶体管的缩写来历（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）lGTR的优点是：耐压高，通流能力强，饱和压降低。lMOSFET的优点是：输入阻抗高，驱动功率小，开关速度快。lIGBT结合了GTR与

18、MOSFET二者的优点复合而成。l相当于利用MOSFET来驱动GTR。l显然属于电压控型自关断器件。l1986年投放市场，目前是中大功率电力电子设备的主导器件。45 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介）简介l塑料封装适用于小功率器件。l小功率的晶闸管、MOSFET等往往也采用此种封装形式。 46 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介）简介模块上面的螺丝用于固定主回路接线模块右侧的焊片为控制极47 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介）简介侧面是模块的型号、生产厂家及其内部的接线图注意此模块为逆导型48 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简

19、介）简介模块使用时，金属底面（一般材质为导热性能好的铜）要与散热器紧密接触，将元件工作时内部产生的热量有效导出。49 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介）简介FF450R12ME350 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介）简介51 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介）简介50A，1200V IPM52 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介）简介高压大功率IGBT模块。53 IGBT的结构与工作原理的结构与工作原理（1）IGBT的结构的结构lIGBT为三端器件：栅极G、集电极C和发射极E。 l其内部是由GTR与MOSFET组成的达林顿

20、结构。l是一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。54 IGBT的结构与工作原理的结构与工作原理l 导通：n栅极和发射极间uGE大于开启电压UT，IGBT导通。n开启电压与温度有关，在25C时约为26V。n为了可靠开通，栅射极间的驱动电压一般取+15V，小于+20V。l 关断：n栅极和发射极间施加不加信号或反压，IGBT关断。n为可靠关断，并减少关断时间和关断损耗，关断时栅射极间一般施加5 15V的负驱动电压。（2）IGBT的工作原理的工作原理55 IGBT的主要参数的主要参数（1）集射极击穿电压）集射极击穿电压UCES 为IGBT的最高工作电压，由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。

21、（2）最大栅射极电压）最大栅射极电压 20V，以+15V、-10V左右为宜。（3）集电极连续电流和峰值电流）集电极连续电流和峰值电流 为IGBT的额定电流，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。通常峰值电流为额定直流电流的2倍左右，主要受结温的制约。（4）最大集电极功耗）最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大耗散功率。56 IGBT的特殊问题的特殊问题（1）掣住效应（自锁效应）掣住效应（自锁效应） 撤销触发信号后器件仍维持导通，第4代器件已经解决。（2）正向偏置安全工作区（）正向偏置安全工作区（FBSOA） 由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。（3）反向

22、偏置安全工作区（）反向偏置安全工作区（RBSOA） 由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。（4）制成逆导型器件）制成逆导型器件 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起。57 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT） MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 集成门极换向型晶闸管（集成门极换向型晶闸管（IGCT） 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势581. 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT）l缺点：n 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不太方便。n 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电

23、力电子设备中得到广泛应用。lSIT（Static Induction Transistor）又称结型场效应晶体管l工作频率与电力MOSFET相当，适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。l日本研发，市场小，应用很少。592. MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）l MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合l MCT结合了二者的优点：n 承受极高di/dt和du/dt，开关过程快速，开关损耗小。n 高电压、大电流、高载流密度、低导通压降。l 一个MCT器件由数以万计的MCT单元组成。l 每个单元

24、的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。l 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，因而未能投入实际应用。603. 集成门极换向型晶闸管（集成门极换向型晶闸管（IGCT）l IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）l 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，其容量与GTO相当，其开关速度比GTO快10倍。l可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍较大。l目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。613. 集成门极换

25、向型晶闸管（集成门极换向型晶闸管（IGCT）624. 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势l自20世纪80年代中后期开始，电力电子器件趋向于模块化方向发展，即将多个器件封装在一只模块中，称为功率模块。l模块化可缩小装置体积，降低成本，提高运行可靠性。l对工作频率较高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。l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，称为功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。（1）基本概念）基本概念634. 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势l高压集成电路（High Volt

26、age ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。l智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。l智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。（2）实际应用）实际应用644. 电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势l早期功率集成电路的研究与开发主要面向中小功率应用场合，目前大容量的功率集成电路的研发已成为热点。l功率集成电路的主要技术难点是高低压电路之间的绝缘问题以及温升与

27、散热的有效处理。l智能功率模块（IPM）在一定程度上回避了上述两个难点，只是将保护、驱动与IGBT器件封装在一起。l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，具有广阔的应用前景。（3）发展现状）发展现状65电力电子器件的保护电力电子器件的保护过电压的产生及其保护过电压的产生及其保护过电流的产生及其保护过电流的产生及其保护66过电压的产生及其保护过电压的产生及其保护l外因过电压：主要指雷击和系统操作过程等外界因素。n 雷击过电压：由雷电引起。n 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。l内因过电压：主要指电力电子装置内部器件的开关过程中，电流突变在线路电感上感应出的高电压。n 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会因线路电感的存在在器件两端感应出过电压。n 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。（1）电力电子装置可能遇到的过电压）电力电子装置可能遇到的过电压67过电压的产生及其保护过电压的产生及其保护（2）过电压保护措施的配置）过电压保护措施的配置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R