4.1-4.3-典型全控型电力电子器件ppt课件(65页PPT)

1、全控型电力电子器件 学习目标 1. 掌握GT0、GTR、功率MOSFET、IGBT四种常见全控型电力电子器件的工作原理、特性、主要参数、驱动电路及使用中应注意的问题。 2. 熟悉常见全控型电力电子器件各自特点以及适用场合。 3. 了解新型电力电子器件的概况。1第1页，共65页。第一节 门极可关断晶闸管(GTO) 一、GTO的结构与工作原理 1基本结构 a)芯片的实际图形 b) GTO结构的纵断面 c) GTO结构的纵断面 d)图形符号 图4-1 GTO的内部结构和电气图形符号2第2页，共65页。GTO的外形图3第3页，共65页。2工作原理 图4-2 GTO的工作原理电路 当图中开关S置于“1”

2、时，IG是正向触发电流，控制GTO导通；S置于“2”时，则门极加反向电流，控制GTO关断。4第4页，共65页。 二、GTO的特性与主要参数 1GTO的开关特性 图4-3 GTO在开通和关断过程中电流的波形 5第5页，共65页。 2GTO的主要参数 GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同。 1) 反向重复峰值电压URRM： 不规定URRM值。 URRM值很低。 URRM略低于UDRM。 URRM = UDRM。 URRM略大于UDRM。 2）最大可关断阳极电流IATO：GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个因素限制。阳极电流过大，内部晶体管饱和深度加深，使门极关断失效。所以GTO必须规定一个最大

3、可关断阳极电流，也就是GTO的铭牌电流。 3）关断增益off 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益off。即6第6页，共65页。三、GTO的驱动与保护 1GTO门极驱动电路 对门极驱动电路的要求： 1）正向触发电流iG。由于GTO是多元集成结构，为了使内部并联的GTO元开通一致性好，故要求GTO门极正向驱动电流的前沿必须有足够的幅度和陡度，正脉冲的后沿陡度应平缓。 2）反向关断电流iG。为了缩短关断时间与减少关断损耗，要求关断门极电流前沿尽可能陡，而且持续时间要超过GTO的尾部时间。还要求关断门极电流脉冲的后沿陡度应尽量小。 图4-4 较为理想的门极电压和

4、电流波形 7第7页，共65页。 2GTO的驱动电路 a) b) 图4-5 GTO门极驱动电路 a)小容量GTO门极驱动电路 b)较大容量GTO桥式门极驱动电路8第8页，共65页。 3GTO的保护电路 a) b) c) d)图4-6 GTO的阻容缓冲电路 图4-6为GTO的阻容缓冲电路。图4-6a只能用于小电流；图4-6b加在GTO上的初始电压上升率大，因而在GTO电路中不推荐；图4-6c与图4-6d是较大容量GTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量使用速度快的，并使接线短，从而使缓冲器电容效果更显著。9第9页，共65页。第二节 电力晶体管(GTR)一、电力晶体管的结构与工作原理 1电力晶体管的结

5、构 a) b)图4-7 NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号 a) 内部结构 b) 电气图形符号10第10页，共65页。电力晶体管的外形图11第11页，共65页。 2工作原理 在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏(Ib0)时大电流导通；反偏(Ib0)时处于截止状态。因此，给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。12第12页，共65页。二、电力晶体管的特性与主要参数 1. GTR的基本特性 (1)静态特性 共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-8所示，可分为三个工作区： 截止区。在截止区内，

6、iB0，uBE0，uBC0，集电极只有漏电流流过。 放大区。iB 0，uBE0，uBC0，iC =iB。 饱和区。 ，uBE0，uBC0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。13第13页，共65页。 (2)动态特性 图4-8 GTR共发射极接法的输出特性 图4-9 GTR开关特性 14第14页，共65页。2GTR的参数 (1)最高工作电压 BUCBO：射极开路时，集-基极间的反向击穿电压。 BUCEO：基极开路时，集-射极之间的击穿电压。 BUCER：GTR的射极和基极之间接有电阻R。 BUCES：发射极和基极短路，集-射极之间的击穿电压。 BUCEX：发射结反向偏置时，集-射极之间的击

7、穿电压。其中BUCBO BUCES BUCES BUCER BUCEO，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUCEO低得多。 (2)集电极最大允许电流ICM (3)集电极最大允许耗散功率PCM (4)最高工作结温TJM 15第15页，共65页。3二次击穿和安全工作区 (1)二次击穿 二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。一般情况下，只要功耗不超过极限，GTR是可以承受的，但是在实际使用中，会出现负阻效应，使iE进一步剧增。由于GTR结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使GTR损坏。 (2)安全工作区 以直流极限参数ICM、

8、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，如图4-10所示。 16第16页，共65页。图4-10 GTR安全工作区 17第17页，共65页。三、电力晶体管的驱动与保护 1GTR基极驱动电路 (1)对基极驱动电路的要求 由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。 在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗，如图4-11所示。 GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。 在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流(如

9、图4-11波形所示)，以加快关断速度，减小关断损耗。 应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。 图4-11 GTR基极驱动电流波形 18第18页，共65页。(2)基极驱动电路 图4-12 实用的GTR驱动电路 19第19页，共65页。 3GTR的保护电路 a) b) c) 图4-13 GTR的缓冲电路 图4-13a所示RC缓冲电路简单，对关断时集电极发射极间电压上升有抑制作用。这种电路只适用于小容量的GTR(电流10 A以下)。 图4-13b所示充放电型R、C、VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以用于大容量的GTR。但它的损耗(在缓冲电路的电阻上产生的)较大，不适合用于高频开关电路。 图

10、4-13c所示阻止放电型R、C、VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路，其最大优点是缓冲产生的损耗小。20第20页，共65页。第三节 电力场效应晶体管(Power MOSFET) 一、电力MOSFET的结构 电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。 a) b) 图4-14 电力MOSFET的结构和符号 a) MOSFET元组成剖面图 b) 图形符号21第21页，共65页。电力MOSFET的外形图22第22页，共65页。2电力MOSFET的工作原理 当漏极接电源正极，源极接电源负极

11、，栅源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。当uGS大于某一电压值UGS(th)时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。 此时，若在漏源极之间加正向电压，则电子将从源极横向穿过沟道，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流iD。电压UGS(th)称为开启电压，uGS超过UGS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流iD也越大。23第23页

12、，共65页。 二、电力MOSFET的特性 1转移特性 转移特性是指电力MOSFET的输入栅源电压uGS与输出漏极电流iD之间的关系，如图4-15a所示。由图可见，当uGS UGS(th)时，iD近似为零；当uGSUGS(th)时，随着uGS的增大，iD也越大。当iD较大时，iD与uGS的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为跨导gm，则有 24第24页，共65页。 二、电力MOSFET的特性 a) b) 图4-15 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 25第25页，共65页。 2输出特性 输出特性是指以栅源电压uGS为参变量，漏极电流iD与漏源电压uDS之间关系的

13、曲线，如图4-15b所示。 截止区。uGSUGS(th)，iD=0，这和电力晶体管的截止区相对应。 饱和区。uGSUGS(th)，uDSuGS -UGS(th)，当uGS不变时，iD几乎不随uDS的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。这里的饱和区对应电力晶体管的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。 非饱和区。uGSUGS(th)，uDSuGS -UGS(th)，漏源电压uDS和漏极电流iD之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。26第26页，共65页。 3开关特性 a) b） 图4-16 电力MOSFET的开关过程 a) 测

14、试MOSFET开关特性的电路 b) 开关特性曲线27第27页，共65页。 2电力MOSFET的主要参数 1）漏极电压UDS：即电力MOSFET的额定电压，选用时必须留有较大安全裕量。 2）漏极最大允许电流IDM：即电力MOSFET的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。 3）栅源电压UGS：栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过20 V，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。 总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电压、电流的额定等级都应留有较大裕量。 4）极间电容：电力MOSFET极间电容包括CGS、CGD和CDS，其中CGS为栅源电容，CGD是栅漏电容，是由器

15、件结构中的绝缘层形成的；CDS是漏源电容，是由PN结形成的。 28第28页，共65页。 三、电力MOSFET的驱动与保护 1电力MOSFET的驱动图4-18 电力MOSFET的一种驱动电路 29第29页，共65页。 三、电力MOSFET的驱动与保护 2MOSFET的保护 (1)防止静电击穿 在测试和接入电路之前器件应存放在静电包装袋，导电材料或金属容器中 。 将器件焊接时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时烙铁应断电。 在测试器件时，测量仪器和工作台都必须良好接地。 注意栅极电压不要过限。 (2)防止偶然性振荡损坏器件 (3)防止过电压 (4)防止过电流 (5)消除寄生晶体管和二极管的影响 3

16、0第30页，共65页。小结是一种压控型器件，用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，驱动功率小。单极型器件，开关时间短，开关速度快，工作频率高。不存在二次击穿电流容量小，耐压低，通态压降大。31第31页，共65页。第四节 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 一、基本结构 a) b) c) 图4-19 1GBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a)内部结构 b)简化等效电路 c)电气图形符号32第32页，共65页。IGBT的外形图33第33页，共65页。 二、工作原理 IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当uGE为正且大

17、于开启电压uGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。 PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图4-19c所示。对应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT统称为IGBT。由于实际应用中以N沟道IGBT为多。34第34页，共65页。三、1GBT的基本特性 a) b)图4-20 1GBT的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性35第35页，共65页。三、1GBT的基本特

18、性 图4-20a为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流iC与栅射电压uGE之间的关系，与功率MOSFET的转移特性相似。开启电压uGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。uGE(th)随温度升高而略有下降，温度升高1，其值下降5 mV左右。 图4-20b为IGBT的输出特性，也称为伏安特性，它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。此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压uGE，GTR为基极电流iB 。IGBT的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。

19、此外，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，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。36第36页，共65页。三、1GBT的基本特性 动态特性： 图4-21 1GBT的开关过程 37第37页，共65页。四、主要参数 集电极-发射极额定电压UCES：这个电压值是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规定的，是栅极-发射极短路时IGBT能承受的耐压值，即UCES值小于或等于雪崩击穿电压。 栅极-发射极额定电压UGES：IGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，而UGES就是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT的UGES值大部分为+2

20、0 V，使用中不能超过该值。 额定集电极电流ICS：该参数给出了IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。 38第38页，共65页。 五、IGBT的擎住效应和安全工作区 在IGBT内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶体管。一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高而损坏。这种电流失控的现象，被称为擎住效应或自锁效应。引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大(静态擎住效应)，也可能是最大允许电压上升率duCEdt过大(动态擎住效应)，温度升高也会加重发生擎住效应的危险。 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大

21、集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作电压(FBSOA)；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作电压(RBSOA)。39第39页，共65页。 六、IGBT的驱动 (1)对驱动电路的要求 IGBT是电压驱动的，具有2.55.0 V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压uGE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽

22、量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。 驱动电路中的正偏压应为1215 V，负偏压应为210 V。 IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。 驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。 若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制didt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。40第40页，共65页。 六、IGBT的驱动 (2)驱动电路 在用于驱动电动机的逆变器电路中，为使IGBT能够稳定工作，要求IGBT的驱动电路采用正负偏压双电源的工作方式。为了使驱动电路与信号电隔离，应采用抗

23、噪声能力强，信号传输时间短的光耦合器件。基极和发射极的引线应尽量短，基极驱动电路的输入线应为绞合线，其具体电路如图4-22所示。 41第41页，共65页。 七、 IGBT保护 因为IGBT是由MOSFET和GTR复合而成的，所以IGBT的保护可按GTR、MOSFET保护电路来考虑，主要是栅源过电压保护、静电保护、采用R、C、VD缓冲电路等等。另外，也应在IGBT电控系统中设置过压、欠压、过流和过热保护单元，以保证安全可靠工作。应该指出，必须保证IGBT不发生擎住效应。具体做法是使IGBT使用的最大电流不超过其额定电流。42第42页，共65页。第五节 其他新型电力电子器件 一、集成门极换流晶闸管

24、（IGCT） 集成门极换流晶闸管IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor) 是1996年问世的一种新型半导体开关器件。IGCT是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。43第43页，共65页。二、MOS控制晶闸管(MCT) 1MCT的结构与工作原理 MCT是在晶闸管结构基础上又

25、制作了两只MOSFET，其中用于控制MCT导通的那只 MOSFET称为开通场效应晶体管(ON-FET)，用于控制阻断的那只MOSFET称为关断场效应晶体管(OFF-FET)。根据开通场效应晶体管的沟道类型不同，可分为P-MCT和N-MCT。 a) b) 图4-24 P-MCT 单胞的等效电路及图形符号 44第44页，共65页。二、MOS控制晶闸管(MCT) 由图4-24可见，MCT的电极和晶闸管一样也是阳极A、阴极K和门极G，但MCT是电压控制器件；晶闸管的控制信号加在门极与阴极两端，而MCT控制信号是加在门极与阳极两端。当门极G相对于阳极A加负电压脉冲时，ON-FET导通 。 当门极相对于阳

26、极加正电压脉冲时，OFF-FET导通，PNP晶体管的基极电流经OFF-FET流向阳极，使PNP管截止，从而破坏了晶闸管的正反馈，使MCT关断。 一般使MCT导通的负脉冲电压为515V，使MCT关断的正脉冲电压为+10+20V。 45第45页，共65页。 三、静电感应晶体管SIT SIT器件在结构设计上能方便地实现多胞合成， SIT的单元胞结构如图4-26所示。 a)单元胞结构 b)电气图形符号图4-26 SIT的原理结构及其电气图形符号46第46页，共65页。静电感应晶体管SIT的控制 SIT的开通和关断机理可以用沟道夹断机理来说明。如图4-26a所示，两个门极区之间形成一个沟道。当门源电压为

27、零，也即门源极短路时，门源结形成的耗尽层不可能在沟道中心相遇，因而电子流不会被夹断。 当门源之间加负电压，也即门源结处于反向偏置时，门源间PN结耗尽区的宽度增加，特别是uGS=UGS(off)时，耗尽层在沟道中心相遇，沟道中的电流即被夹断。这就是SIT的关断原理。UGS(off)称为夹断电压。 SIT的漏极电流不但受门极电压控制，同时也受漏极电压的控制，这种情况与真空三极管非常相似。因此，SIT呈现类似真空三极管的特性。 47第47页，共65页。四、静电感应晶闸管SITH SITH是在SIT基础上发展起来的新型电力电子器件。SITH的单元胞结构如图4-27所示。由图可以看出其结构与SIT的差别

28、仅在于将漏极的N+ 区换成了P+ 区，显然在阳极处多了一个P+ N结。栅极的控制方式也与SIT类似，所不同的是器件通态时，在漂移区产生很强的电导调制效应。在开态呈现与整流器类似的特性，其正、反向工作时都具有阻断能力，故又称为场控晶闸管 。 a)单元胞结构 b)电气图形符号图4-27 SITH的结构及其电气图形符号48第48页，共65页。静电感应晶闸管SITH的特点 SITH是大功率场控开关器件，与晶闸管和GTO相比，它有许多优点，例如SITH的通态电阻小，通态电压低，开关速度快，开关损耗小，正向电压阻断增益高，开通和关断的电流增益大，didt及dudt的耐压高。近几年SITH发展很快，目前SI

29、TH的产品容量已达到100 A2500 V，2200A450V，400A4500V。由于SITH的工作频率可达100kHz以上，所以在高频感应加热电源中，SITH可取代传统的真空三极管。 49第49页，共65页。五、功率集成电路PIC PIC应用可以分为三个领域： 低压大电流PIC，主要用于汽车点火、开关电源和同步发电机等。 高压小电流PIC，主要用于平板显示、交换机等。 高压大电流PIC，主要用于交流电动机控制、家用电器等。50第50页，共65页。1PIC的典型构成 图4-28 功率集成电路的典型构成 51第51页，共65页。2PIC的分类与发展 功率集成电路还可分为智能功率集成电路(SPI

30、C)和高压功率集成电路(HVIC) 两类。SPIC是指一个(或几个)具有纵形结构的功率器件与控制和保护电路的集成。HVIC是由多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路集成在一块芯片上，其功率器件是横向的，处理电流能力较低。 随着半导体技术的发展和工艺技术的进步，PIC发展的动向必然是高压化(1001200 V)和智能化。同时，随着芯片制造技术的改进及成本的降低，单片化、模块化成为今后的发展方向。52第52页，共65页。 3SPIC的基本功能 SPIC的三个基本功能是功率控制、传感、保护和接口。功率控制部分具有处理高电压大电流或两者兼有的能力。其驱动电路一般设计成能在直流30V下工作，这样才能对MO

31、S器件的栅极提供足够的电压。另外，驱动电路必须能使控制信号传递到高压侧。 IC的保护电路一般通过含有高频双极晶体管的反馈电路来完成。反馈环路的响应时间对于良好的关断是很关键的，由于在发生故障期间系统电流以很快的速度增加，因此这一部分需要由高性能模拟电路实现。 SPIC的接口功能是通过完成编码操作的逻辑电路来实现的。IC片不仅需要对微处理器 的信号作出反应，而且必须传送与工作状态或负载检测有关的信息，如过热关断、无负载等。 53第53页，共65页。 六、智能功率模块(1PM) 智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)是电子集成电路PIC(Power Integrat

32、ed Circuits)的一种。它将高速度、低功耗的IGBT，与栅极驱动器和保护电路一体化，因而具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特点。由于高度集成化使模块结构十分紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟等带来的一系列技术难题。IPM的智能化表现为可以实现控制、保护、接口三大功能，构成混合式电力集成电路。 54第54页，共65页。1.IPM的结构 图4-29 大功率IPM的封装剖面示意图1电源端子 2特殊防护层 3集成电路 4内连线 5环氧树脂 6信号端子 7密封盒 8基板 9IGBT芯片 10陶瓷基板 11硅胶55第55页，共65页。IPM有4种功率电路结构类型 图4-30 IPM的电路结构类型 a) 单管型 b) 双管型c) 6管型 d) 7管型56第56页，共65页。2. IPM的保护功能图 图4-31 IPM的保护功能图 57第57页，共65页。IPM的保护功