电力电子技术32.ppt

1、8.4 电力晶体管,GTR的结构和工作原理,采用多元集成结构，耐压高、电流大。,单管GTR的电流放大系数 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电流增益。,共发射极接法时GTR的输出特性,截止区,放大区,饱和区,O,I,c,i,b3,i,b2,i,b1,i,b1,i,b2,i,b3,U,ce,GTR的静态特性,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。,开通过程 延迟时间和上升时间之和为开通时间 加快开通过程的办法：增大基极电流 关断过程 储存时间和下降时

2、间之和为关断时间。 加快关断速度的办法：加负基极电流。,GTR的开关特性,GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff (此外还有)： （1）最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,GTR的主要参数,（2）集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对

3、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 。,安全工作区（Safe Operating AreaSOA）由最高电压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。,SOA,O,I,c,I,cM,P,SB,P,cM,U,ce,U,ceM,安全工作区,GTR的的安全工作区,电力MOSFET的结构和工作原理,电力MOSFET的结构和电气图形符号,8.4 电力场效应晶体管,单极型晶体管（只有一种载流子参与导电）,导电机理与小

4、功率MOS管相同，但结构上有较大区别。 采用多元集成结构。,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。,导通：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 。,电力MOSFET的转移特性,电力MOSFET的转移特性,漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。表明栅极电压对漏极电流的控制能力。 ID较大时， ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。,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

5、之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,电力MOSFET的输出特性,电力MOSFET的的漏极伏安特性,电力MOSFET的的开关特性,开通过程开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和 关断过程关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,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，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

6、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,电力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CDS,绝缘栅双极晶体管(IGBT)，是GTR和MOSFET两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件。 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

7、，以期再取代GTO的地位。,GTR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。,8.5 绝缘栅双极晶体管,N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，增强了通流能力。 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。,IGBT的结构和工作原理,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断

8、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的转移特性和输出特性,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。,IGBT的转移特性和输出特性,t,t,t,10%,90%,10%,90%,U,CE,I,C,0,O,0,U,GE,U,GEM,I,CM,U,CEM,t,fv1,t,fv2,t

9、,off,t,on,t,fi1,t,fi2,t,d(off),t,f,t,d(on),t,r,U,CE(on),U,GEM,U,GEM,I,CM,I,CM,IGBT的开关过程,IGBT的开通过程与MOSFET的相似。,IGBT的开关特性,uCE的下降过程分为两段： 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。,IGBT的关断过程,关断延迟时间td(off） 电流下降时间tf 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P

10、NP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,正常工作温度下允许的最大功耗 。,(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UCES,IGBT的主要参数,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）,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。,IGBT内部还存在一个寄生晶闸管，当集电极电流大到一定程度，会造成寄生晶闸管开通，导致栅极失去控制作用，这就是自锁效应。,IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模

11、块，成为逆导器件 。,擎住效应或自锁效应：,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 。,。,电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),8.6 电力电子器件的发展趋势,20世纪80年代中后期开始，新型电力电子器件不断涌现的同时，出现模块化趋势

12、，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 优点是可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。 目前的趋势是将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。,功率模块与功率集成电路,高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intellig

13、ent Power ModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT。,功率集成电路的种类,功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。,功率集成电路的发展现状,本章总结,8.1 电力二极管 8.2 晶闸管 8.3 可关断晶闸管 8.4 电力晶体管 8.5 功率场效应晶体管 8.6 绝缘栅双极晶体管 8.7 电力电子器件的发展趋势,1. 本章内容,电力电子器件分类“树”,2. 本章概要,电力电子器件分类之二 （驱动控制的情况） 电压驱动型：单极型器件和复合型器件特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。 电流驱动型：双极型器件特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。,电力电子器件分类之一（载流子参与导电的情况） 单极型：电力MOSFET 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR 复合型：IGBT,IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，试图在兆瓦以上取