电力电子1-器件课件

PowerElectronicsTechnology电力电子技术SouthChinaUniversityofTechnology第二部分电力电子器件6SouthChinaUniversityofTechnology2.1、功率器件部分电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：(1)

半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的分类按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：单极型器件——由一种载流子参与导电的器件双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件——由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的分类电力电子技术第二部分电力电子器件——功率器件的分类电力电子技术第二部分电力电子器件——当前的格局

IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTOGTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固2.1.1功率二极管电力电子技术第二部分电力电子器件——功率二极管PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的从外形上看，主要有螺栓型和平板型以及模块封装

AKAK电力电子技术第二部分电力电子器件——PD等效模型势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分电力电子技术第一部分绪论——静态特性uDiDmAA~m反向阻断雪崩击穿0.5~1.2V主要指其伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。电力电子技术第二部分电力电子器件——动态特性开通过程：势垒电容体电感正向恢复时间动态特性——因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的电力电子技术第二部分电力电子器件——动态特性参数延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类1.普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上

电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类2.快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（1s以下）的二极管，也简称快速二极管适用频率：20～100kHzMUR系列MUR162016A200V电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类3.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势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度电力电子技术第二部分电力电子器件——PD的分类肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高适用频率：1MHzMBR系列MBR252025A20V电力电子技术第二部分电力电子器件——二极管特性仿真电力电子技术第二部分电力电子器件——电压波形1N40071N4148MUR1620MBR25202.1.2功率晶体管电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的结构★三重扩散台面型结构：GTR-GiantTransistorBJT-BipolarJunctionTransistor台面结构面积大→I大，但β小；单管：β=10~15，驱动电流大电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR静态特性准饱和区深饱和区截止区二次击穿区二次击穿临界曲线放大区★安全工作区SOASOA—SafeOperationArea电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的驱动基本要求：

Ic较大时，增IB可降Uces；深度饱和与快速关断相矛盾。

增IBP-可加速关断，但电流变化率增大。一般取：电力电子技术第二部分电力电子器件——关于驱动电路

驱动电路——主电路与控制电路之间的接口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，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义对器件或整个装置的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：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号

对半控型器件只需提供开通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电力电子技术第二部分电力电子器件——驱动电路的隔离驱动电路还要提供控制电路与主电路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光耦合器的类型及接法a)普通型

b)高速型c)高传输比型电力电子技术第二部分电力电子器件——电流型和电压型驱动电流驱动型和电压驱动型

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

为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路电力电子技术第二部分电力电子器件——电压型驱动2.电压驱动型器件的驱动电路栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的集成驱动电路★EXB356：150A/600V；IBP=+3A/-3.4A、IIN=3~9mAEXB356(富士·日)UAA4002(汤姆逊·法)M57950(三菱·日)电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的限制驱动电流大二次击穿开关速度低2.1.3功率场效应管电力电子技术第二部分电力电子器件——FET的分类★因工艺和结构差异名称不同。如：

MotorolaTMOSNECVDMOSSiemensSiPMOS结型(JFET)MOS型增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道PowerMOSFET电力电子技术第二部分电力电子器件——FET的分类小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为

VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了

MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MO

结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）

这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的结构特点★胞元并联结RDS小，可达mΩ。★垂直导电VD，面积大，电流大；★沟道短D-S间U、R、C均小；电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的结构特点导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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电力MOSFET的多元集成结构国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的静态特性★安全工作区SOA跨导开启电压★转移特性SOA—SafeOperationAreaID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的输出特性饱和区

调阻区雪崩击穿区★输出特性截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的动态特性t1—开通延时t2—上升时间t3—关断延时t4—下降时间ts—开通时间（ns级）tc—关断时间（ns级）Rs、Cin决定开关速度电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的开关速度

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速开关时间在10~100ns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，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。电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的参数跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有1)

漏极电压UDS

电力MOSFET电压定额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

栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿4)

极间电容

极间电容CGS、CGD和CDS

厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的特点

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★电压控制，输入阻抗高。★单极型，温—流负反馈，温度稳定性高，无二次击穿。☆

横向导电，电流小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置

。

K为器件的几何常数，N=2.5~2.7电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的并联运行电力MOSFET并联运行的特点Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联电路走线和布局应尽量对称可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用2.1.4绝缘栅双极型晶体管电力电子技术第二部分电力电子器件——IGBT的产生思路

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两类器件取长补短结合而成的复合器件—绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）

GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性

1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,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的地位电力电子技术第二部分电力电子器件电力电子技术第二部分电力电子器件——IGBT的结构IGBT—InsulatedGateBipolarTransistor电力电子技术第二部分电力电子器件——IGBT的静态特性★转移特性★输出特性饱和区★饱和电压特性在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具负温度系数在以上的区段则具有正温度系数，并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联电力电子技术第二部分电力电子器件——IGBT的动态特性动态特性：拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢电力电子技术第二部分电力电子器件——IGBT的擎住（Latch）效应★静态擎住★动态擎住★过热擎住P区体电阻RP引发擎住关断过急→位移电流CJ—PN结电容RG不能过小，限制关断时间。RP及PNP、NPN电流放大倍数因温度升高而增大。（150℃时ICM降至1/2）电力电子技术第二部分电力电子器件——

IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFETIGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数3.IGBT的主要参数1)最大集射极间电压UCES

由内部PNP晶体管的击穿电压确定2)

最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3)最大集电极功耗PCM

正常工作温度下允许的最大功耗电力电子技术第二部分电力电子器件——IGBT的特性和参数特点IGBT的特性和参数特点(1)

开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力

MOSFET相当(2)

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(3)

通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域(4)

输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似(5)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电力电子技术第二部分电力电子器件——IGBT典型厚膜集成驱动电路1驱动电路的设计原则—

安全+低耗+快速★隔离：光电耦合、光纤、脉冲变压器；★电平适当：+12~16V/-5~10V★边沿陡直：tUP、tDn<1μs电压尖峰动态擎住★驱动回路短、回路阻抗小、驱动功率足电力电子技术第二部分电力电子器件——EXB840/841厚膜驱动电路★EXB840：150A/600V、75A/1200V；40kHz、延迟<1μs、25mA

EXB841：400A/600V、300A/1200V；40kHz、延迟<1μs、47mA桥臂直通、ic过大、T℃过高Uce↑允许短路时间<10μs延时搜索/缓降栅压“0”强迫-5V封锁电力电子技术第二部分电力电子器件——M57962AL厚膜驱动电路短路检测时间：P2-P4间电容1000~8000p对应3~6μS★600A/600V、400A/1200V；20kHz、延迟<1μs、500mA电力电子技术第二部分电力电子器件——M57962AL应用电路（双电源）30V稳