学习-ghr电力电子技术课件

电力电子器件概电力电子器件的不断涌现和发展是电力电子技术产生和发展的基电力电子技术的不断进步及其应用领域的拓促进着电力电子器件的不断完善和发 1、电力电子器件的应用特有别于一般的有别于一般的“电子元件”（信息处理用率容量处理功率的能力—→所能承受的电压、电流的能关工作方功率电子开关。尤其要关注开关动态过程及特性受控（可控）器件—→弱电控制—→驱动电路重要如何可靠实现开关控如何获得良好的通态、断态性能和动态开关性耗与散通态损耗、开关损耗—→温升—→散热（器 1、电力电子器件的应用特有别于一般的有别于一般的“电子元件”（信息处理用正、反向阻断电压高，断态漏电流近似为努*方向漏阻抗r努*方向流通电流能力大，且管压降近似为通态电RON开关控制无延迟、开关动作瞬时完

容易驱动，驱动功率近似为PG— 2、电力电子器件的发①第一代电力电子器件（50年代末——70年代末分立、换流关断型器结构上——分立单元胞结构；功能上——半控②第二代电力电子器件（70年代末— 至 集成、自关断型器结构上——多元胞并联集成结构；功能上——全控③第三代电力电子器件（80年代中后期— 至 功率集成电路结构上——功率器件与电路的集成；功能上——强弱电结 3、电力电子器件的分根据导通、关断的受控情况分类

全控型器按器件内部载流子参与导电情况分类

复合型器按驱动信号的性质不同分类

电压控制型器各类器件具有各自优缺点各类器件具有各自优缺点及其 功率二极管——不可控器 1、PN结、二极管的基本原▲▲正（反）▲阳极伏安特性2、功率二极管PIN结 1、PN结、二极管的基本原2、功率二极管的PIN结3、特别提

硅片厚0.5mm硅电阻率100R硅片厚0.5mm硅电阻率100

——对以下三种物理现象的理解和掌①电导调制效 ★★★

实际上：UT≈1VR 1②反向雪崩击穿与热击③ 1、PN结、二极管的基本原2、功率二极管的PIN结3、特别提醒4、静态特性及参 5、动态（开关）特、开通特

开通初期呈现明显的电感效应——对di/dt敏感，出现较高的瞬态压当电流增大后，电导调制效应的作用逐渐明U——管压降减小为UF Ufp——正向恢复峰值电tfr——正向恢复时

5、动态（开关）特(2)、关断特t1-t2：PN结两侧的大量少子在ER作用下被反抽而形成irr→直至t2→Irp维持Irp→irr因dirr/dt产生感应电压与ER叠加→

irr——反向恢复电流trr——反向恢复时间 6、功率二极管的主要类普通（整流）二极

5s( f1快恢复二极

trr 超快恢复二极管trr100肖特基（势垒）二极

10~40

且通态压降低（约SBD利用某些金属与半导体表面非欧姆接触制成,没有少子和电荷的问题——开关速度快！缺点：（反SBD利用某些金属与半导体表面非欧姆接触制成,没有少子和电荷的问题——开关速度快！SiC二极——几乎没有反向恢复过相比于Si材料器件，SiC①击穿电场强度 ②热稳定性 ③载流子饱和漂移速度 ④热导率★相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高8-10倍（基片可更薄)Si的2Si片的百分之一（更低的通态阻抗）★Si材料的3倍以上。SiC器件的工作温度可以达到600℃（可在的高温下正常工作），而一般的Si器件最多能坚持到150SiC可以用来制造各种耐高温的高频、大功率器件，应用于Si 晶闸管（Thyristor）——半控型器全称：硅晶体闸流管——闸流特性——用途：电子开普通晶闸管（称：可控硅，SiliconControlledRectifier,SCR晶闸管的结构与工作原 1、晶闸管的封装外形 2.3.1晶闸管的结构与工作原2、晶闸管的管芯结构和电气图形符 2.3.1晶闸管的结构与工作原简画的四层三端结构A K

阻断状态分析（IG=0☞外施正向阳极电压J1、J3结正偏，而J2结反——J2结阻断外施正向电——正向阻断状态→不导通☞外施反向阳极电压J2结正偏，但J1、J3结反——J1、J3共同阻断反向电具有正、反向电压阻断能力具有正、反向电压阻断能力 2.3.1晶闸管的结构与工作原3、晶闸管的等效双晶体管模 2.3.1晶闸管的结构与工作原3、晶闸管的等效双晶体管模AAGK 2.3.1晶闸管的结构与工作原3、晶闸管的等效双晶体管模？导通后，IG可撤除？导通后，IG可撤除管压降约为0.3~1V如有如A 2IGICA1(12☞若IG=0，则IA≈IC0

α1α2都很若向门极注入正向电流:IG……活性放大（正反馈）……导通 晶闸管的结构与工作原3、晶闸管的等效双晶体管模4、导通原理与导通条①承受正向阳极电压，即——必要条②门极注入正向电流，即不具门极关断能力 晶闸管的结构与工作原3、晶闸管的等效双晶体管模4、导通原理与导通条IA2IGIA2IGIC 1(12①外施正向阳极电压太J2结反向雪崩击穿温太——α1α2增大到一定程度du/dt太——J2结电容的作用影响④光触发——光控晶闸管 晶闸管的结构与工作原①SCR不仅具有反向电压阻断能力，而且具有与二极管不同的向电压阻断能力②导通条件——承受正向阳极电压是SCR导通的必要条件，而入正向门极电流则是其导通的充分条件，两 ③SCR一旦导通后，门极失去控制作用；导通后，IA完全由外主电路条件（EA、R）决定，管压降 0.3-1V④使关断的唯一条件是：使IA减小至IH值以下。（加反压、或小EA/R通过门极只能控制其导通，而不能控制其关半控型器件 晶闸管的结构与工作原6、举例理解 晶闸管的基本特性和参1、静态特性——阳极伏安特☞如何驱动（控制导通和关断☞其它应用参数如ton.toff.du/dt

高阻特性 晶闸管的基本特性和参1、静态特性——阳极伏安特

主要静态参数额定电流III通态平均电压（管压降 (2)电路换向关断过程(2)电路换向关断过程关断时间：toff=trr+tgr2、动态特性——开关特

toff(tq

t2

t5

tton(tgt0

t(1门极触发开通过程开通时间：tontd

t 晶闸管的基本特性和参3、主要动态参开关时td——延迟时 tr——上升时开通时间：tontdtr关断时间：tofftrr影响开通速度的几个主要因素（UAK、TJ、驱动通态电流临界上升率晶闸管的派生器件— 典型全控型器门极可关断晶闸管 目前（2009年资料）最高制造产品化制造容量水平：8kA/8kV开关速度慢、开关损耗大——适合低频应不能通过门极控制关断，需要依靠辅助换流电路或电网、负载来实现关 直流斩波调压（调速）装 典型全控型器门极可关断晶闸管 目前（2009年资料）最高制造产品化制造容量水平：8kA/8kV开关速度慢、开关损耗大——适合低频应不能通过门极控制关断，需要依靠辅助换流电路或电网、负载来实现关 直流斩波调压（调速）装 E

典型全控型器门极可关断晶闸管 目前（2009年资料）最高制造产品化制造容量水平：8kA/8kV开关速度慢、开关损耗大——适合低频应不能通过门极控制关断，需要依靠辅助换流电路或电网、负载来实现关

M主控管最小导通时间电容电压与E叠加，输出出现2E尖峰电

DepartmentofElectricalEngineg电流叠加，主控管a典型全控型器门极可关断晶闸管GTO（Gate-Turn-OffThyrister）——具有自关断能力——全控——继承了SCR高耐压、大电流的优同时具有比SCR更高的du/dt、di/dt承受能力——允许较高开关频目前（2009年资料）最高科研研制水平：8kA8kV5主要不足：关断过程非均匀——反向驱动难度大，甚至

L

GTO应用中的关——门极关断技发展MCT、—— 2.4典型全控型器2.41门极A K 2.4典型全控型器44①承受正向阳极电压，即②门极注入正向电流，即等效晶体管饱和条件α1IA+IG>(1-α2)α2IK>(1-α1)IIG1(12)A2也具有与SCR类似的非常规导通模式 2.4典型全控型器2.4.1释SCR不能自关断，但可用于简单说GTO自关断过程强度的关断（反向驱动）信号-IG……使电流减小正反馈得以维持以至(α1+α2)<1——GTO可关断使等效晶体管退出饱和的条件|-IG|>IC1-(1-α2)=α1IA-(1-α2)(IA-G(12)1A2——被关断的IA越大，所需IG大；被关断GTO饱和越深，所需IG 典型全控型器.4.1GO可以自关断、而SCR不能——关键点在于对“横向压降效应”的认识和处–EG迫使IA门极流出形成-IG。由于–EG的作用，了由阴极向P2 门极可关断晶闸管为何相同的等效双晶体管模型，GTO可以自关断、而SCR不能——关键点在于对“横向压降效应”的认识和处但必须注意到——由于–IG流经P2区时遭遇一横向体电阻RGK，并在RGK上产 SCR是单元结构，门阴极中心间距关断过程无法维持（仅部分关断区） 会出现因电流局部集中造成器件损坏。 要解决横向压降效应问门极可关断晶闸管（GTO）必须从结构工艺上采取措1、多阴极并联的多元胞集成结构2、提高了J3结反向击穿耐压GTO结构特 3、(α1+α2)― 1较容易地使器件α1α2)<AGK 门极可关断晶闸管主要应用特继承了SCR的高耐压大电流的特点，且具有自关断能比SCR更大的di/dt和du/dt承受能力——开关速度、工作频率反向驱动难度大（——关断过程非均匀！——关断特性与参数——书上P.27——特 ：门极关断特性与门极反向驱最大可关断阳极电流集集成门极换流晶闸管 mutated 门极可关断晶闸管集成集成门极换流晶闸管 mutatedC已成功应用到05MVA范围扩展到几百MV45V/4A的C在无缓冲条件时可在6A电流（）。发展及趋势——中高压（4~10kV）大容量（MW级）变流器中，IGCT已成为优选器件，正逐步取代GTO。——风电、电力机车、 功率晶体管GTR是一种耐高压、能承受大电流的三极管——全控型——双极70年代末至90年代初，GTR的应用对电力电子技术的发展发挥过巨大作用！曾在中频中小功率领域取代SCR， 逆变/变频技术发展初期的“功臣主要不足：1、二次击穿问题！——可靠性——影响其发展与应2、电流控制型，电流增益小——驱动负担3、开关频率不够高（双极型——饱和——关断速度随 的迅速崛起——90年代GTR逐渐淡出（至90年代末，其原有应用领域完全 或V-MOS挤占 功率晶体管RR器件工作状态的三种物理效应，即基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应大电流效应影响的结果主要体现在两个方面1、电流增β下2、容易出现电流局部集中而导致的局部过为削弱上述物理效应的影响，必须在结构和制造工艺上采取适措施，以满足大功率应用的需 功率晶体管GTR在器件结构和制造工艺上具有以下特点——三重扩散台面首先，基极与发射极在一个平面上做成叉指状结构，大大增加了基其次，第三，在集电区引入低掺杂浓度、高电阻率的N以PN-N+ 功率晶体管GTR的应用对电力电子技术的发展发挥过巨大的作 逆变技术、变频技术但也存在不足（尤其 相比1、二次击穿问2、开关速度（双极型——饱和——关断速度3、驱动（电流控制型 随着 的迅速崛起—— 至20世纪末，原属GTR的应用领域已 挤占 功率场效应晶体管（Power应用特点①开关速度快(ns级)、适用于高频（开关频率可达1000kHz②输入阻抗高(可达40MΩ以上)，所需驱动功率小、驱动电路简单③栅 能力强（但注意防静电击穿④热稳定性好——过载能力强、易于并联⑤电流容量小，耐压低。一般只适用功率不超过5kW的电力电子装 功率场效应晶体管（Power普通MOSFET结构原理与应用特MOS结构及其电场效外施电压下的电场效应 功率场效应晶体管（Power1.普通MOSFET结构原理与应用特工作原 功率场效应晶体管（Power普通MOSFET结构原理与应用特应用特★绝缘栅结构、电场控制、全控——电压控制型器件、易驱★单极型器件——无电导调制效——开关速度快、适用频率——RON大、UT较★表面反型层导电沟——横向导电——沟道——RON大、通流能力 2.4.3功率场效应晶体管（PowerV-MOSFET结构特普通MOSFET的不足：横向导电、沟道窄——RON大、通流能力★如何降低RON？——垂直导电机制？！——V-VVMOSFET VDMOSFET 2.4.3功率场效应晶体管（PowerV-MOSFET结构特底部安装漏极、多元胞并联集成，不仅实现了垂直导电（通过对两次扩散深度差的精确控制，实现短沟道结构(1~2μm) ，低了沟道电设置了高电阻率的N漂移区以提高电压耐 2.4.3功率场效应晶体管（Power 要注意体内二极管的反向恢特性及其影响 6.2.3erSFTo静态特性及参1、漏源输出特 的是，对于不同的UGS，在该

减小，相同UDS下ID大。（所以该区又

-

UBR而当UDS较大后，它对沟道的影响就不容忽视了。一方面，靠近漏区一端的沟道 2.4.3功率场效应晶体管（Power1.静态特性及参1、漏源输出特 有源区：当UDS继续增大，以至靠近漏区一端的沟道被夹断，或沟道电子达到散射极限速度，此后ID趋于稳定不变。

-O

UBR 2.4.3功率场效应晶体管（Power1.静态特性及参 1、漏源输出特相关参数导通电阻

器件其N－漂移区越厚,导通电阻就越大。-影响Ron

UBRTjRon越大UGS越大，Ron越小（导电沟道宽）

漏源击穿电压BUDS决定器件最高最大漏极电流IDM 2.4.3功率场效应晶体管（Power静态特性及参2、转移特 相关参数：(1)开启（阀值）电压 需的最低栅源电压温度Tj高则UGS(th)小。实际使用时,所加栅压一般为(1.5~2.5)UGS(th。gm用来表征UGS对IDm m

vDS栅源击穿电压BUGS一般为±20V。 2.4.3功率场效应晶体管（Power动态特性及参1、极间电容——对开关过程具有重大影CGS和CGD是由MOS电容形成的CDS主要是漏极PN结的结电容 6.2.3erSFTo2.动态特性及参 2.4.3功率场效应晶体管（Power2.动态特性及参

、开通过t0~t1:t0开始，驱动源对CGS正向充小于uGS(th)，MOSFET仍未开通t1~t2t1起uGSuGS(th)，器件开始开通，iD遵转移特性随uGS升高而增大（iVD0同步下降）。I0由原来经t2~t3:t2时iVD0降为0、VD0自然关由于密勒电容CGD急速放电抽取全部iG——uGS几乎不升——平台t3~t4:t4时器件进入欧姆电阻区，驱动源对CiSS=CGS+CGD正向充电（“过驱动”——Ron低,但将影关断延迟 2.4.3功率场效应晶体管（Power2.动态特性及参2、开关波及开关时

、关断过但降至uGSP前仍未脱离欧姆电阻区t6~t7t6起开始进入有源区并快速向截CGD放电抽取全部iG——uGS几乎不降—通全部I0——iD=I0、直至t7。t7~t8:t7时uDS稍大于UD——VD0导通iDI0逐渐降为0（iVD0同步增大），uGS随iD减小而下降。 关断快 ,但将影响开通延迟 2.4.3功率场效应晶体管（Power2.动态特性及参、开关时开通时间：tontd(ontd(on)——开通延迟时tr——上升时关断时间：tofftd(off)tf典型开关时间：70~100 2.4.3功率场效应晶体管（Power2.动态特性及参2、开关波 (4)、影响开关速度的外在因及开关时☞驱动源电压幅值UG——尤其对td(on)和td(off)迟多——应适度，通常开通驱动时取☞驱动源内阻RG——相同UG下RG☞主电路（分布）电感——影响从tr和tf（实际上还影响关断过电压及动态du/dt）——尽量 2.4.3功率场效应晶体管（Power动态特性及参3、du/dt耐静态du/dt是指断态下UDS动态du/dt是指关断过程中由于快速切断电流而产生的UDS二极