电路运行条件对电力电子器件性能的影响

电路运行条件对电力电子器件性能的影响第1页，共22页，2023年，2月20日，星期二1.1概述1.1.1决定电力电子器件实际效能的主要因素

1.1.2电力电子器件的分类第2页，共22页，2023年，2月20日，星期二1.1.1决定电力电子器件实际效能的主要因素

所有电力电子器件在其装置中的实际效能取决于两方面：一是电力电子器件的设计和制作(参数设计、结构安排、材料性能、工艺水平和散热能力等)；二是器件所在电路的运行条件(电路结构、负载性质、控制信号、开关频率、环境温度和冷却条件等)。前一个因素属于器件的设计制作，后一个因素则与器件的选择和使用有关。第3页，共22页，2023年，2月20日，星期二半控型器件（如SCR）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（如GTR、GTO、IGBT、PowerMOSFET)——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。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。1.1.2

电力电子器件的分类按器件受控程度可分为以下三类：第4页，共22页，2023年，2月20日，星期二电流驱动型（如GTR、SCR、GTO）

——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（如IGBT、PowerMOSFET）

——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。1.1.2

电力电子器件的分类

按驱动信号的性质可分为以下二类：第5页，共22页，2023年，2月20日，星期二单极型器件（如PowerMOSFET）

——由一种载流子参与导电的器件。双极型器件（如GTO、GTR、SCR、SBD)——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。复合型器件(如IGBT)——由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。1.1.2

电力电子器件的分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况可分为以下三类：第6页，共22页，2023年，2月20日，星期二

■典型电力电子器件的输出容量、工作频率及主要应用领域第7页，共22页，2023年，2月20日，星期二

晶闸管（SCR——SiliconControlledRectifier）KP200-5，表示该元件额定电流为200A，额定电压为500V的普通晶闸管。第8页，共22页，2023年，2月20日，星期二常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构晶闸管（SCR——SiliconControlledRectifier）第9页，共22页，2023年，2月20日，星期二

门极可关断晶闸管（GTO—

Gate-Turn-OffThyristor）GTO通过门极关断的原因设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于门极关断。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。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。

第10页，共22页，2023年，2月20日，星期二电力晶体管（GTR—

GiantTransistor）基本原理与普通双极结型晶体管相同。主要特性：导通内阻低、阻断电压高、输入阻抗低、开关频率低。通常采用达林顿接法组成单元结构。第11页，共22页，2023年，2月20日，星期二

功率场效应晶体管（PowerMOSFET）导电机理与小功率MOS管相同。主要特性：导通压降高、开关容量低、输入阻抗高、开关频率高。小功率MOS管采用横向导电结构，电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。第12页，共22页，2023年，2月20日，星期二图1-6功率MOSFET单胞结构示意图

a)N沟道VDMOSb)N沟道VVMOSc)N沟道型器件符号d)P沟道型器件符号

1—源极2—栅极3—SiO24—源区5—沟道体区

6—漂移区(外延层)7—衬底8—沟道功率场效应晶体管（PowerMOSFET）第13页，共22页，2023年，2月20日，星期二1.4绝缘栅晶体管(IGBT)

1.4.1

IGBT的结构和工作原理

1.4.5驱动电路第14页，共22页，2023年，2月20日，星期二三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图1-25IGBT的简化等效电路和电气图形符号图1-24

内部结构断面示意图1.4.1IGBT的结构和工作原理第15页，共22页，2023年，2月20日，星期二1.4.1IGBT的结构和工作原理1—发射区2—SiO2

3—栅区4—沟道

5—源区6—沟道体区7—漏区(漂移区)

8—衬底(注入区)9—缓冲区

图1-31N沟道PT型IGBT单胞结构

剖面示意图

第16页，共22页，2023年，2月20日，星期二1.4.1IGBT的结构和工作原理图1-32IGBT的等效电路及其图形符号

a)静态等效电路b)简化等效电路

c)、d)N沟道型的两种图形符号e)、f)P沟道型的图形符号第17页，共22页，2023年，2月20日，星期二a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加补充：IGBT的基本特性补图1IGBT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。第18页，共22页，2023年，2月20日，星期二IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。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。

150KHz的IGBT已商品化；0.5kV/0.6kA的高压IGBT已走向应用。第19页，共22页，2023年，2月20日，星期二电流擎住现象

IGBT常与快速二极管反并联封装制成模块，成为逆导器件。——IGBT可用移去栅压关断但其Nˉ漂移区无外引线，故不可能用抽流方式降低该区的过剩载流子浓度，这些空穴只能靠自然复合消失。

电流拖尾现象——V2（NPN晶体管）基极与发射极之间存在沟道体区的薄层电阻Rs，其端压大于0.7V时，V2将自行导通，当1+2

≥1时，栅极便失去控制作用，这就是电流擎住现象。第20页，共22页，2023年，2月20日，星期二1.4.5驱动电路——EXB840系列集成式驱动芯片

1、主要性能指标。

2、工作原理分析第21页，共22页，2023年，