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1、第1章 电力电子器件,1.1 电力电子器件概述1.2 电力二极管1.3 晶闸管及其派生器件1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 电力电子器件的应用领域,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,1.概念主电路在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专指功率
2、半导体器件。,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,2.特征承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件在实际应用中的系统组成,1.1.2 电力电子器件的基本类型,1.1.2 电力电子器件的基本类型,1.1.2 电力电子器件的基本类型,单极型器件：没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载流子的复合问题，因而工作频率很高。双极型器件：由于具有电导调制效应，使其导通压降低、导通损耗小。电流型器件：输入阻抗低，驱
3、动功率较大，电路也较复杂。电压型器件：输入阻抗很高，驱动功率小，驱动电路简单。,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。最初是单管结构、分立器件，结构松散、体积大、可靠性差、成本高；电力电子器件的模块化与集成化：结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,功率模块由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片智能功率模块将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子器件集成,表1-1 电力电子器件,1.1.4 电
4、力电子器件的应用领域,电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域,1.2 电力二极管,Power Diode，自20世纪50年代初期获得应用，也被称为半导体整流器；其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备当中。,1.2 电力二极管,1.2.1 PN结的工作原理1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2.1 PN结的工作原理,二极管的基本原理PN结的单向导电性正向导通状态：正向偏置时，表现为低阻态；
5、反向截止状态：反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流；反向击穿：当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结的反向截止工作状态。雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复；热击穿，PN结因过热而烧毁。,电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,结构：电力二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。外形：螺栓型、平板型等多种封装。,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,静态伏安特性：正向电压大于门槛电压UTO 时，正向电流才开始明显增加
6、，处于稳定导通状态。与IF对应的电压即为其管压降UF。承受反向电压时，只有少子引起微小的反向漏电流。,电力二极管的伏安特性,静态特性：主要指其伏安特性；动态特性：反映开通或关断过程中电压电流随时间变化的动态特性。,电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,动态特性：开通和关断过程反向恢复（关断）过程 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流，并伴随有明显的反向电压过冲。反向恢复时间：trr=td+tf延迟时间td，电流下降时间tf,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,正向恢复过程先出现一个过冲UFP
7、，经过一段时间才趋于接近稳态压降。正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。,电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流IF在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定的裕量。正向压降UF电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。,1.2.3 电力二极管
8、的主要参数,反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。23倍裕量。反向漏电流最高工作结温反向恢复时间浪涌电流,1.2.4 电力二极管的主要类型,普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode），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。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。,1.2.4 电力二极管的主要类型,快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下），但通态压降较高。从性能上可分为快速恢
9、复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,1.2.4 电力二极管的主要类型,肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）金属和半导体接触形成势垒，属于多子器件优点：反向恢复时间很短（1040ns），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。缺点：多用于200V以下的低压场合；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。,1.3 晶闸管及其派生器件,晶闸管的诞生：1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管；1957年美国GE公司开发出第一只晶闸管产品，并于1958
10、年使其商业化。最早称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），简称为可控硅；后来更名为晶闸管（Thyristor）。应用：电压和电流容量最高（8kV/6kA、12kV/1kA），且成本低、可靠性高，在大容量的应用场合仍有重要地位。,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 晶闸管的结构及工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,1.结构 四层半导体结构，三个PN结；阳极A、阴极K和门极G（控制端）三个端子。属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等效为可控的单向导电开关。,a)结构 b)电
11、气符号,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,2.外形:,螺栓型,模块型,平板型,散热器,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管阀,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,3.工作原理反向承受一定电压，J1、J3反偏，处于阻断（截止）状态；正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高阻抗的阻断工作状态；低阻抗的导通工作状态。,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,双晶体管模型：视为PNP型晶体管(V1)和NPN型晶体三极管(V2)互连构成。正反馈过程：触发后，晶闸管内部形成了强烈的正反馈；撤掉触发信号，晶闸管仍然能维持导通状态。,3.工作原理,由晶闸管等效电路可得：,IC1=a1IA+ICBO1(1-
12、1),IC2=a2IK+ICBO2(1-2),IK=IA+IG(1-3),IA=IC1+IC2(1-4),a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。,(1-5),1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,由式（1-1）式（1-4）得：,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,IG=0，(12)很小，晶闸管的阳极电流 IAICBO。从门极注入电流IG，当(12)1时，IA，晶闸管饱和导通，流过晶闸管的电流由实际电路所决定。,晶体管的电流放大系数与发射极电流的关系,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,3.工作原理导通条件：承受正向电压，门极有触
13、发信号特点：“一触即发”，具有自锁、掣住效应。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，即使去除门极触发信号，仍然维持导通。关断方法：需使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流）以下，通常采取加反向电压的方法。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,1.静态伏安特性第象限是正向特性第象限是反向特性,IG2IG1 IG,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,IG=0时，为正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过正向转折电压UDB时，器件非正常导通。随着门极电流IG幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，约1V左右。,正向特性：
14、,IG2IG1,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,类似二极管的反向特性。只有极小的反向漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压URB后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管反向击穿、损坏。,反向特性：,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,UDB/URB：正向/反向转折电压；UDSM/URSM：正向/反向断态不重复峰值电压；UDRM/URRM：正向/反向重复峰值电压；不重复峰值电压：不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一般不允许多次施加。重复峰值电压：晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的最大瞬时电压。,2.静态参数,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参
15、数,2.静态参数额定电压：取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向重复峰值电压，取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。电压裕度：一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。正向通态电压：晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压降，也称管压降，反映了器件的通态损耗特性。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,2.静态参数额定电流（通态平均电流）：晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。选择晶闸管的原则：有效值相等的原则，通常需要根据电流波形，做平均值与有效值的换算。正弦半波波形系数（有效值与平均值之比）为
16、1.57。计算1/4正弦波和180方波的波形系数？电流裕度：考虑到散热条件、过载现象，取1.52倍的裕度。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,2.静态参数维持电流 IH：晶闸管维持导通所必需的最小电流。若晶闸管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。掣住电流IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持其导通所必需的最小阳极电流。对同一晶闸管来说，通常IL 约为 IH 的24倍。IL是晶闸管的临界开通电流，若IAIL时就去掉门极信号，晶闸管将自动返回阻断状态。在感性负载电路中，触发脉冲要有一定宽度。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,3.动态特性及其参数动态特性：晶闸管在
17、阻断、导通这两种状态变换过程中所体现的特性，包括开通特性和关断特性。开通特性：晶闸管在正向偏置并受到理想电流触发时的导通情况。关断特性：已导通的晶闸管在施加反向电压时的关断情况。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,开通过程延迟时间td：从门极电流阶跃时刻开始，阳极电流上升到额定值的10%所需时间。上升时间tr：阳极电流从额定值10%上到90%所需时间。开通时间：ton=td+tr普通晶闸管的延迟时间为0.5us，上升时间为0.53us。其延迟时间随门极电流的增大而减小。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,关断过程反向恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至近于零的时间。恢
18、复对反向电压的阻断能力。门极恢复时间tgr：晶闸管完全关断至恢复阻断能力所需时间。恢复对正向电压的阻断能力。关断时间：toff=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约为几百微秒。,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,3.动态特性及其参数断态电压临界上升率du/dt：在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。过大会导致误导通。通态电流临界上升率di/dt：在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。过大会导致门极局部过热。,1.3.3 晶闸管的派生器件,晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新的器件的出现提供了条件。1964年，GE公司研制出双向晶
19、闸管（TRIAC），用于调光和马达控制；1965年，小功率光触发晶闸管出现；1974年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。,1.3.3 晶闸管的派生器件,普通晶闸管：开通和关断时间较长，允许的电流上升率较小，其工作频率受到限制，主要用于工频电路中。快速晶闸管：工作频率高于400Hz，开关时间短，toff50s，通态压降和开关损耗低；应用于斩波器、中频逆变电源等电力电子装置中。高频晶闸管：工作频率高于10KHz。,1.3.3 晶闸管的派生器件,逆导晶闸管反向导通的晶闸管，即：逆阻型晶闸管与二极管反并联集成在同一硅片上。正向：与逆阻型晶闸管相同，反向：为二极管的正向特性。用于反向不需要承受阻断电压
20、但需要二极管续流的电路中。,逆导晶闸管的符号和静态伏安特性(a)符号；(b)静态伏安特性,1.3.3 晶闸管的派生器件,双向晶闸管正、反两个方向都能控制导通，可以看成一对反并联的普通晶闸管。具有触发电路简单、工作稳定可靠的优点。用于交流电力控制电路中。额定电流用有效值表征。,双向晶闸管的符号和静态伏安特性(a)符号；(b)静态伏安特性,1.3.3 晶闸管的派生器件,光控晶闸管触发信号：一定波长的光照信号。常用于高电压电路中，如高压直流输电等。,光控晶闸管的符号和静态伏安特性(a)符号；(b)静态伏安特性,1.4 门极可关断晶闸管,GTO：（Gate Turn Off）Thyristor在直流斩
21、波等电路中，无法利用反向电压关断晶闸管。为此必须附加强迫换流电路，使电力电子装置复杂化。美国1964年试制成功500V/10A的GTO，70年代中期之后取得突破，容量达9kV/2.5kA/800Hz,6kV/6kA/1kHz。电压、电流容量高于其它全控型器件，但驱动技术复杂、价位高，使其推广受到限制。,1.4 门极可关断晶闸管,1.4.1 GTO的结构与工作原理1.4.2 GTO的动态特性1.4.3 GTO的主要参数,1.4.1 GTO的结构和工作原理,1.结构四层结构可看成多个单元GTO并联而成，阳极共有，阴极由数百个长条并联，减小门极与阴极距离。GTO元特性应一致。属于电流驱动、双极型、全
22、控器件,1.4.1 GTO的结构和工作原理,2.外形,GTO驱动电路,1.4.1 GTO的结构和工作原理,3.工作原理SCR不能关断原因：阴极太大，当门极相对于阴极施加负压时，只有靠近门极的部分载流子被抽走。GTO工艺改进：阴极由数百个长条并联，减小门极与阴极距离；2较大，使V2管控制灵敏，Ic1较小，易于关断；导通深度不同，临界饱和时正向压降较大。,1.4.1 GTO的结构和工作原理,3.工作原理导通过程GTO导通过程与普通晶闸管相同，只是饱和程度较浅。导通：V1、V2饱和，1+21；关断：V1、V2不饱和，1+21；临界饱和：1+21；晶闸管导通时 1+21.15；GTO 导通时 1+21
23、.05。,1.4.1 GTO的结构和工作原理,3.工作原理关断过程强烈正反馈过程门极加负脉冲，即从门极抽出电流，则当IA和IK的减小使1+21时，退出饱和而关断。,1.4.2.GTO的动态特性,开通特性：与普通晶闸管类似，开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成。关断过程：则与晶闸管有所不同，可用3个不同的时间来表示，即存储时间ts、下降时间tf及尾部时间tt,1.4.2.GTO的动态特性,存储时间ts：依靠门极负脉冲电压从门极抽出导通时存储的大量载流子，晶体管饱和深度变浅。下降时间tf：继续从门极抽出电流，阳极电流逐渐减小，当1+21后，内部正反馈停止而使GTO退出饱和。尾部时间tt：
24、残留载流子复合时间。,1.4.3.GTO的主要参数,许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流。由门极可靠关断为决定条件的最大阳极电流，避免GTO处于深度饱和状态，导致门极关断失败。电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。数值低：45，主要缺点。,1.5 电力晶体管,电力晶体管(Giant Transistor)，又称双结晶体管（Bipolar Junction Transistor-BJT），产生于70年代。高压大功率领域主要是NPN结构，其基本原理是通过控制基极电流来控制集电极电流的通断。属于电流驱动、双极型、全控器
25、件。相对于GTO优点：驱动控制方便、开关时间短等优点。主要应用：交流电机调速、不间断电源（UPS）以及家用电器等中小容量的变流装置中。,1.5.1 GTR的结构,三层半导体两个PN结构。在重掺杂的N+半导体衬底上设置轻掺杂的N-区，提高器件耐压能力。基极与发射极在一个平面上成交叉指型，提高器件电流能力。达林顿管：电流增益提高、但饱和压降增加、开关速度降低。采用集成电路工艺将许多达林顿单元并联而成模块。,达林顿管,1.5.2 GTR的特性,共射极接法，截止区、放大区、临界饱和区和深饱和区。器件作为开关应用时，其工作只稳定在截止区和饱和区两个状态，但在开关过程中要经过放大区的过渡。要使驱动电流足够
26、大，避免GTR工作于线性区，否则功耗将会很大。为什么？,1.静态特性,1.5.2 GTR的特性,开通过程 延迟时间td和上升时间tr之和为开通时间ton。增大基极驱动电流ib的幅值并增大dib/dt，可以加快开通过程。关断过程 储存时间ts和下降时间tf之和为关断时间toff。减小导通时的饱和深度，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可以加快关断速度。GTR的开关时间在几微秒以内。,2.动态特性,1.6 功率场效应晶体管,功率场效应晶体管(Power MOSFET)，FET：场效应晶体管，MOS：金属、氧化物、半导体单极型、电压控制器件，通过栅极电压来控制漏极电流。显著优点：驱动电路简
27、单，驱动功率小，同时开关速度快（开关时间10100ns），工作频率可达MHz，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，通态压降大。功率场效应晶体管适用于开关电源、高频感应加热等高频场合，但不适用于大功率装置。,1.6 功率场效应晶体管,1.6.1 结构和工作原理1.6.2 特性 1.6.3 参数,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,MOSFET种类,增强型 UGS=0时，无导电沟道，ID=0耗尽型 UGS=0时，存在导电沟道,结型静电感应晶体管,种类,P沟道 空穴N沟道 电子,绝缘栅型,功率MOSFET垂直导电,利用V型槽实现垂直导电VVMOSFET具有垂直导电双扩散M
28、OS结构VDMOSFET,小功率MOS横向导电,1.结构,多元功率集成器件无二次击穿，宽安全工作区,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,2.工作原理无反向阻断能力当UDS0）截止当UGS=0时，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。,J1,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,2.工作原理正向（UDS0）导通当UGS0时，正电压会将P区中的空穴 推开，而将P区中的少子电子吸引 到栅极下面的P区表面。当UGSUT时，使P型半导体反型成N型半导体，形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源
29、极导电。UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。,1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理,2.工作原理不存在少子储存效应，因而其关断非常迅速。开关时间在10100ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的。在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,1.6.2 Power MOSFET的特性,漏极伏安特性：截止区I、线性导电区II、饱和恒流区III、雪崩击穿区IV。工作在开关状态，即在截止区I和非饱和区II之间来回转换。漏源极之间有一个与MOSFET反向并联的寄生二
30、极管。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,1.静态特性输出特性,1.6.2 Power MOSFET的特性,指漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系，反映了输入电压和输出电流的关系。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为 MOSFET的跨导Gfs，即是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。,1.静态特性转移特性,1.6.2 Power MOSFET的特性,开通过程 开通延迟时间td(on)、电流上升时间tr、电压下降时间tfv 开通时间ton=td(on)+tr+tfv 关断过程关断延迟时间td(off)、电压上升时间trv、电流下降时间tfi 关断时
31、间toff=td(off)+trv+tfi,2.动态特性,MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，可以降低栅极驱动电路的内阻Rs，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。,1.6.3 Power MOSFET的参数,跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。漏极电压UDS：额定电压。漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM：额定电流。栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，UGS20V将导致绝缘层击穿。极间电容：CGS、CGD和CDS。漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。,1.7 绝缘栅双极晶体管,绝缘栅双极晶体管（In
32、sulated Gate Bipolar Transistor），是一种复合型、电压控制器件。美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制，500V/20A，90年代开始广泛应用，目前已出现第六代IGBT。显著优点：它将MOSFET和GTR的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好。中小功率电力电子设备的主导器件，已淘汰GTR，随着其电压和电流容量的不断升高，逐渐取代GTO。,1.7 绝缘栅双极晶体管,1.7.1 结构与工作原理1.7.2 特性 1.7.3 参数1.7.4 掣住效应与安全工作区,1.7.1 IGBT的结构和工作原理,
33、1.结构由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成。比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路：用GTR与MOSFET组成的达林顿结构。相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。等效电路中Rdr是GTR基区内的扩展电阻。,1.7.1 IGBT的结构和工作原理,1.7.1 IGBT的结构和工作原理,2.IGBT的工作原理IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流
34、进而使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。电导调制效应使得高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。,1.7.2 IGBT的特性,集电极电流IC与UCE之间的关系。饱和区、放大区、截止区、击穿区。当UGEUT时，处于饱和区。正常情况下不会进入击穿区。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在截止区和饱和区之间来回转换。,1.静态特性输出特性,1.7.2 IGBT的特性,集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。开启电压UT是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。,1.静态特性
35、转移特性,1.7.2 IGBT的特性,开通过程 延迟时间td：从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值10%时刻开始，到集电极电流iC上升至其幅值的10%所需时间上升时间tr：集电极电流iC从其幅值10%上升至90%所需时间。开通时间：ton=td+trUce下降时间分为tfv1和tfv2两个阶段。,2.动态特性,1.7.2 IGBT的特性,关断过程关断延迟时间ts：从驱动电压uGE的后沿下降至其幅值90%时刻开始，到集电极电流iC下降至其幅值的90%所需时间。电流下降时间tf：集电极电流iC从其幅值90%下降至10%所需时间关断时间：toff=ts+tf集电极电流iC的下降过程分为tfi1和tfi
36、2两段。,2.动态特性,1.7.3 IGBT的主要参数,集射极击穿电压UCE额定电压，由内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。随温度的升高而增大。最大栅射极电压UGE栅射极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所限制的，为了限制故障电流、确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20V之内，其最佳值一般取15V左右。集电极连续电流IC、集电极峰值电流ICM额定电流，集电极连续电流IC主要受结温限制。集电极峰值电流ICM为避免掣住效应而定义。只要不超过额定结温，IGBT可以工作在峰值电流范围内，峰值电流大约是额定值的2倍。,1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区,最大集电极功率PCM在正常工作温度下允
37、许的最大耗散功率。掣住效应（自锁效应）内部存在寄生晶闸管，若集电极电流过大 或duCE/dt过大，寄生晶闸管将开通，栅极就失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件损坏。动态掣住效应比静态掣住效应所允许的集电极电流小。因此IGBT所允许的最大集电极电流实际上根据动态掣住效应确定。限制电流容量原因之一。,1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区,正向偏置安全工作区 规范开通过程、通态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围。反向偏置安全工作区规范关断过程、断态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大允许电压上升率确定IGB
38、T在阻断工作状态的参数极限范围。,散热计算,散热作用器件工作时的损耗大部分转变成热量,采取散热措施避免管芯温度超过允许结温而损坏器件。散热措施自然冷却：将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间；风冷：加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。水冷：采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。散热计算在一定的工作条件下，通过计算耗散功率和热阻来确定合适的散热措施及散热器。,散热计算,电力电子器件的耗散功率,散热计算,热路和热阻两点存在温度差时，热能从高温点流向低温点，根据器件内热量的传导过程可以画出等效热回路。热量在传递过程有一定热阻。温差T看成电压，器件功耗P看成电流，它们之间的比值即
39、为热阻：RT=T/P=(Tj-Ta)/P Tj为器件管芯温度，Ta流动介质温度，热阻单位C/W。,散热计算,热路和热阻器件管芯到器件底部的热阻为RJC，器件底部与散热器之间的热阻为R CS，散热器将热量散到周围空间的热阻为R SA，总的热阻为：RJA=RJC+RCS+RSA,散热计算,散热器选择散热器热阻为RSARJA-RJC-RCS=(Tj_max-Ta)/P-RJC-RCS散热器材质的热导率越大越好，散热器与空气接触面积越大越好。,铝散热板热阻,驱动电路,驱动电路作用主电路与控制电路之间的接口，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
40、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。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。对缩短器件开关时间，提高装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。,驱动电路,驱动电路,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,驱动电路,晶闸管触发电路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：触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（IA擎住电流）触发脉冲应有足够的幅度不超过门极
41、电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离,驱动电路,晶闸管触发电路V1、V2构成脉冲放大环节，脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节，VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设。,理想的晶闸管触发脉冲电流波形,典型的晶闸管触发电路,驱动电路,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
42、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，该电阻阻值随被驱动器件电流额定值的增大而减小。,驱动电路,IGBT驱动电路多采用专用的混合集成驱动器：三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。,M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,驱动电路,IGBT驱动电路驱动电压的上升率和下降率要充分大，正向驱动电压要保证IGBT不退出饱和，栅射极施加负偏压有利于IGBT快速关断，一般取-10V。驱动电路与整个控制电路在电位上严格隔离，不同IGBT的驱动信号也要相互隔离，一般采用光电隔离。应
43、有IGBT完整的保护功能，有很强的抗干扰能力。栅极配线走向英语主电流尽可能远，同时驱动电路到IGBT模块栅射极引线尽可能短，多采用双绞线或同轴电缆屏蔽线。,缓冲电路,缓冲电路作用也称为吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路分类：关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗，通常将缓冲电路专指关断缓冲电路；开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗；将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓冲电路。,缓冲电路,缓冲电路原理V开通时，Cs通过R
44、s向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢；V关断时，负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。,缓冲电路,缓冲电路注意问题VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10。尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容。中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路，对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可。,本章小结,主要内容介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。电力电子器件类型归纳按可控程度
45、：不控型：二极管；半控型：晶闸管；全控型：GTO、GTR、MOSFET、IGBT按参与导电载流子单极型：MOSFET；双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR；复合型：IGBT按驱动信号电压型：电力MOSFET、IGBT；电流型：晶闸管、GTO、GTR,本章小结,各种类型器件特点：单极型器件：没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在双极型器件中的两种载流子的复合问题，因而工作频率很高；没有电导调制效应，管压降较高；电流容量小、耐压低。双极型器件：由于具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损耗较小；容量大；开关频率低。电流型器件：控制极输入阻抗低，驱动电流和驱动功率较大，电路也比较复杂。电压型器件：输入阻抗很高，所以驱动功率小，驱动电路简单。,本章小结,器件电压容量水平器件频率水平电力二极管：400Hz-200kHz；晶闸管：400Hz-2kHzGTO：1-2kHz；GTR：2k-100kHzMOSFET：100kHz-2MHz；IGBT：2k-150kHz,
