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1、第四章 全控型电力电子器件,电力电子器件概述,一、基本模型 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，理想状态下，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。,二、基本特性（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。,三、电力电子器件的分类（一）按器件的开关控制特性分1.
2、不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管（Power Diode）；2.半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件；3.全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor）、功率场效应管（Power MOSFET）绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。,（二）按控制信号的性质不同分
3、,电流控制型器件：此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；,电压控制半导体器件：这类器件采用电压（场控原理）控制它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。如：代表性器件为 MOSFET和IGBT。,（三）根据内部载流子参与导电的种类分1.单极型：器件内只有一种载流子参与导电。如：功率MOSFET（功率场效应晶体管）SIT（静电感应晶体管）2.双极型：器件内电子与空穴都参与导电。如：GTR（电力晶体管）GTO（可关断晶闸管）SITH（静电感应晶闸管）3.复合型：由双极型器件与单极型器件复合而成 如：IGBT
4、（绝缘栅双极晶体管）MCT（MOS控制晶闸管）,附表:主要电力半导体器件的特性及其应用领域,第一节 电力晶体管（GTR）,基本术语：电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效应用：20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,一、GTR的结构及工作原理,a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号 c)内部载流子的流动,主要特性是耐压
5、高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元 结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。,GTR的电流放大系数,二、GTR的特性与主要参数(一)GTR共射电路输出特性,深饱和区：UBE0,UBC0，IB变化时IC不再改变，管压降UCES很小，类似于开关的通态。,输出特性：截止区(又叫阻断区)、线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。,截止区：IB0(或IB=0)，UBE0，UBC0，GTR承受高电压，且有很小的穿透电流流过，类似于开关的断态；,线性放大区：UBE0，UBC0，IC=IB，GTR 应避免工作在线性区以防止大功耗损坏GTR；,准饱和(临界饱和)区：随着
6、IB的增大，此时UBE0，UBC0，但IC与IB之间不再呈线性关系，开始下降，曲线开始弯曲；,(二)GTR的开关特性,1)关断时间toff为：存储时间ts和与下降时间tf之和。2)ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子所消耗时间.3)减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。4)负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。5)GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。,2、关断过程：,1）延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。2）td主要是由发射结势垒电
7、容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。,1、开通过程：,(三)GTR的二次击穿和安全工作区,一、二次击穿原理,二次击穿临界线,一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。,（1）二次击穿,（2）安全工作区,安全工作区SOA(Safe Operation Area)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电
8、流、电压的极限范围。,正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条件下由GTR的最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压BUCEO、最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域。,反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE、电流 IC 限制界线所围成的区域。,GTR的反偏安全工作区,GTR正偏安全工作区,正偏安全工作区FBSOA,反偏安全工作区RBSOA,第二节 可关断晶闸管（GTO）,可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时
9、它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。,与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳、阴和门极。不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。,(a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形(b)并联单元结构断面示意图(c)电气图形符号,一、可关断晶闸管的结构,二、可关断晶闸管的工作原理 1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的,但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲
10、电流破坏临界饱和状态使其关断。2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。,2）使用时必须注意：,三、可关断晶闸管的应用,1）GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。,用门极正脉冲可使GTO开通，用门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的/左右。GTO的通态管压降比较大，一般为23V。GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。,第三节 功率场效应晶体管（Pow
11、er MOSFET）,1）分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属-氧化物-半导体场效应管（简称MOSFET）。,2）通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。,3）,4）特点：输入阻抗高(可达40M以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电力电子装置。,1）截止区：当UGSUT(开启电压UT的典型值为2-4V)时；2）线性(导通)区：当UGSUT且漏极电压UDS很小时，ID和UGS几乎成 线性关系。又叫欧姆工作区；3）饱和区(又
12、叫有源区):在UGSUT时，且随着UDS的增大，ID几乎不变;4）雪崩区：当UGSUT，且UDS 增大到一定值时；,VDMOS管的输出特性,第四节 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,IGBT：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)。兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中
13、小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。,一、绝缘栅双极型晶体管及其工作原理,1.IGBT的结构(a):IGBT的结构(b):简化等效电路(c):电气符号它是在VDMOS管结构的基础上再增加一个P+层，形成了一个大面积的P+N结J1，和其它结J2、J3一起构成了一个相当于由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR;IGBT有三个电极:集电极、发射极和栅极;,IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅极电压UGE控制集电极电流的栅控自关断器件。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。导通压降：
14、电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。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。,2.IGBT的工作原理,二、IGBT的特性,UGEUGE(TH)(开启电压,一般为36V)；其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系；,IGBT关断：,IGBT开通：,UGEUGE(TH)；,安全工作区 正偏安全工作区FBSOA：IGBT在开通时为正向偏置时的安全工作区，如图(a)所示。反偏安全工作区RBSOA：IGBT在关断时为反向偏置时的安全工作区，如图(b)所示 IGBT的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。,第五节 驱动电路,将电子电
15、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。在高压变换电路中，需要时控系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。,驱动电路的基本任务：,一、MOSFET驱动电路,二、IGBT驱动电路,第六节 缓冲电路,缓冲电路又称为吸收电路。其中的电阻和电容分别称为缓冲电阻和缓冲电容。其作用是抑制电力电子器件内过电压、du/dt或者过电流、di/dt,减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du/dt抑制
16、电路，用于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。开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称其为复合缓冲电路。还可以用另外的分类方法：缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则称其为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，则称其为馈能式缓冲电路，或称为无损吸收电路。,GTR开通过程：一方面S经S、S和GTR回路放电减小了GTR承受较大的电流上率di/dt，另一方面负载电流经电感S后受到了缓冲，也就避免了开通过程中GTR同时承受大电流和高
17、电压的情形。,GTR关断过程：流过负载L的电流经电感LS、二极管S给电容S充电，因为S上电压不能突变，这就使GTR在关断过程电压缓慢上升，避免了关断过程初期器件中电流还下降不多时，电压就升到最大值,同时也使电压上升率du/dt被限制。,第七节 双向晶闸管,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。比一对反并联晶闸管经济，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,双向晶闸管正反两个方
18、向都能导通，门极加正负信号都能触发，因此有四种触发方式。（1）I+触发方式 阳极电压为第一阳极T1为正，第二阳极T2为负；门极电压G为正，T2为负，特性曲线在第一象限，为正触发。（2）I-触发方式 阳极电压为第一阳极T1为正，第二阳极T2为负；门极电压G为负，T2为正，特性曲线在第一象限，为负触发。（3）+触发方式 阳极电压为第一阳极T1为负，第二阳极T2为正；门极电压G为正，T2为负，特性曲线在第三象限，为正触发。（4）-触发方式 阳极电压为第一阳极T1为负，第二阳极T2为正；门极电压G为负，T2为正，特性曲线在第三象限，为负触发。以上四种触发方式+触发方式的灵敏度最低，尽量不用。应用中为了保证正负电流波形对称性，防止出现直流分量，通常采用强触发，即实际触发电流的幅值应满足Ig(2-4)IgT（门极触发电流）。,
