电力电子技术7汇编

1、电力电子(dinz)变流技术第 二十七 讲主讲教师(jiosh)：隋振学时：321共五十页第7章 自关断器件(qjin)7.1 电力晶体管7.2 可关断晶闸管7.3 电力场效应晶体管7.4 绝缘栅双极晶体管7.5 驱动(q dn)电路2共五十页7.1 电力(dinl)晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。耐高电压、大电流(dinli)的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。DATASHEET 1 2应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT

2、和电力MOSFET取代。术语用法：3共五十页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(jchng-dinl)工艺将许多这种单元并联而成 。7.1 电力(dinl)晶体管1）GTR的结构和工作原理图7-1 GTR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 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动4共五十页7.1 电力(dinl)晶体管在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为（7-2） GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能

3、力 。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （7-1）单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大(zn d)电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的结构和工作原理5共五十页7.1 电力(dinl)晶体管 (1) 静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力(dinl)电子电路中GTR工作在开关状态。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。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BU

4、cer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数8共五十页7.1 电力(dinl)晶体管通常规定为hFE下降到规定值的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。 3) 集电极最大耗散(ho sn)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 。 2)集电极最大允许电流IcM9共五十页7.1 电力(dinl)晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速(xn s)增大。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿：一次击穿发生时，

5、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 。安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图7-5 GTR的安全工作区GTR的二次击穿现象与安全工作区10共五十页7.2 可关断晶闸管结构：与普通晶闸管的相同点： 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：GTO是一种多元(du yun)的功率集成器件。图7-6 GTO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(pili)的图形

6、 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1）GTO的结构和工作原理11共五十页7.2 可关断晶闸管工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图7-7所示的双晶体管模型(mxng)来分析。 图7-7 晶闸管的双晶体管模型(mxng)及其工作原理 1+2=1是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。12共五十页7.2 可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下(rxi)区别：设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近(jijn)1，导通时接近(jijn)临界饱和，有利门极控制关断，但导通

7、时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 图7-7 晶闸管的工作原理13共五十页7.2 可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是(zhsh)导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。 由上述分析我们可以得到以下(yxi)结论：14共五十页7.2 可关断晶闸管开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间(shjin)ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf 尾部时间tt 残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉

8、冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图7-8 GTO的开通和关断过程电流(dinli)波形GTO的动态特性15共五十页7.2 可关断晶闸管GTO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(dinli)的增大而增大。 一般(ybn)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(ybn)小于2s。（2） 关断时间toff（1）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 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介

9、绍意义不同的参数。16共五十页7.2 可关断晶闸管（3）最大可关断阳极(yngj)电流IATO（4） 电流(dinli)关断增益off off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO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。17共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要(zhyo)指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（St

10、atic Induction TransistorSIT）特点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。开关速度快，工作频率高。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10kW的电力电子装置 。电力场效应晶体管18共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型对于N（P）沟道器件(qjin)，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。电力MOSFET主要是N沟道增强型。DATASHEET1）电力MOSFET的结构和工作原理19共五十页7.3 电力(di

11、nl)场效应晶体管电力(dinl)MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS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。图7-9 电力MOSFET的结构和电气图形符号20共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构(jigu)，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器

12、件为例进行讨论。电力MOSFET的结构21共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电(dodin)：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。图7-10电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理22共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管(1) 静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率(x

13、il)定义为跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图7-11 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2）电力MOSFET的基本特性23共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压(diny)时器件

14、导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图7-12电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性MOSFET的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A24共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管开通过程(guchng)开通延迟时间td(on) 上升时间tr开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff关断延迟时

15、间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图7-13 电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(2) 动态特性25共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存(chcn)效应，关断过程非常迅速。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。场控器件，

16、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。MOSFET的开关速度26共五十页7.3 电力(dinl)场效应晶体管3) 电力(dinl)MOSFET的主要参数 电力MOSFET电压定额(1)漏极电压UDS (2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3) 栅源电压UGS UGS20V将导致绝缘层击穿 。 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有： (4)极间电容极间电容CGS、CGD和CDS27共五十页7.4 绝缘(juyun)栅双极晶体管两类器件取长补短(q

17、 chng b dun)结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 )GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO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，驱动电路复杂。 MOSFET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。28共五十页7.4 绝缘(juyun)栅双极

18、晶体管1) IGBT的结构和工作原理(yunl)三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图7-14 IGBT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 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号29共五十页7.4 绝缘(juyun)栅双极晶体管图1-22aN沟道(u do)VDMOSFET与GTR组合N沟道(u do)IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。图7-15 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)

19、 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 IGBT的结构30共五十页7.4 绝缘(juyun)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：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加(b ji)信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 IGBT的原理31共五十页a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th

20、)UGE增加7.4 绝缘(juyun)栅双极晶体管2) IGBT的基本(jbn)特性 (1)IGBT的静态特性图7-16 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th)输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。32共五十页7.4 绝缘(juyun)栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图7-17 IGBT的开关(kigun)过程IGBT的开通过程 与MOS

21、FET的相似开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。 (2)IGBT的动态特性33共五十页7.4 绝缘(juyun)栅双极晶体管图7-18 IGBT的开关(kigun)过程关断延迟时间td(off）电流下降时间 关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。 IGBT的关断过程ttt

22、10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM34共五十页7.4 绝缘(juyun)栅双极晶体管3) IGBT的主要参数正常工作温度下允许(ynx)的最大功耗 。(3) 最大集电极功耗PCM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (2) 最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1) 最大集射极间电压UCES35共五十页7.4 绝缘(juyun)栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点(tdin)可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。

23、相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR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 。 36共五十页7.4 绝缘(juyun)栅双极晶体管擎住效应(xioyng)或自锁效应(xioyng)： IGBT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 。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。 反向偏置安全工作区（RBSOA）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。 正偏安全工作区（FBSOA）动态

24、擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的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，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。37共五十页7.5 驱动(q dn)电路使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置(zhungzh)的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通

25、控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路主电路与控制电路之间的接口38共五十页7.5 驱动(q dn)电路 驱动电路(dinl)还要提供控制电路(dinl)与主电路(dinl)之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器图7-19 光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型39共五十页7.5 驱动(q dn)电路按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路

26、。为达到参数最佳配合，首选所用(su yn)器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类40共五十页7.5 驱动(q dn)电路(一)晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有(yn yu)足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4图7-20理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（

27、1.5IGT2IGT）晶闸管的触发电路41共五十页7.5 驱动(q dn)电路(一) 晶闸管的触发电路V1、V2构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路(dinl)构成脉冲输出环节。V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。图7-21 常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路42共五十页7.5 驱动电路(dinl)(二) 全控型器件的驱动电路(1) GTOGTO的开通控制(kngzh)与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。图7-22推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG1) 电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开

28、通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。43共五十页7.5 驱动电路(dinl)(二) 全控型器件的驱动电路直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到(d do)较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。图7-23 典型的直接耦合式GTO驱动电路44共五十页7.5 驱动(q dn)电路(二) 全控型器件的驱动电路开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗(snho)。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib 图7-24 理想的GTR基极驱动电流波形(2) GTR45共五十页7.5 驱动(q dn)电路(二) 全控型器件的驱动电路GTR的一种驱动电路，包括(boku)电气隔离和晶体管放大电路两部分。图7-25GTR的