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1、第二章 电力电子器件,2.1 电力二极管2.2 电力场效应晶体管PMOSFET2.3 绝缘门极双极型晶体管IGBT2.4 MOSFET及IGBT的驱动与保护2.5 半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结,电力开关器件家族树,电力开关器件发展史,电力开关器件的分类,根据开关器件开通、关断可控性的不同，开关器件可以分为三类：不可控器件：仅二极管D是不可控开关器件。半控器件：仅普通晶闸管SCR属于半控器件。可以控制其导通起始时刻，一旦SCR导通后，SCR仍继续处于通态。全控型器件：三极管BJT、可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管P-MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT都是全控型器件，即通过门极（
2、或基极或栅极）是否施加驱动信号既能控制其开通又能控制其关断,电力开关器件分类,根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要求，开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控制型开关器件两大类：SCR、BJT和GTO为电流驱动控制型器件 PMOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件 三极管BJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，当基极电流为零后BJT关断。为了加速其关断，最好能提供负的脉冲电流。P-MOSFET和IGBT要求有正的持续的驱动电压使其开通并保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并保持为可靠的断态。电压型驱动器件的驱动功率都远小于电流型开关器件，驱动电路也比较简单可靠。
3、,2.1 电力二极管,Power Diode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。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。,2.1.2 半导体二极管基本特性单向导电性,2.1.3 半导体电力二极管重要参数,半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量二极管使用过程中：是否被过压击穿 是否会过热烧毁 开关特性,半导体电力二极管的开关特性,开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完成，它要经历一个短时的过渡过程；此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管有很大差异；理解开关过程对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的
4、运行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。,二极管电流定额的含义,2.1.4 电力二极管的类型,2.1.4 电力二极管的类型,2.1.4 电力二极管的类型,3）肖特基二极管,反向耐压较低，（一般低于150V，）反向漏电流较大，多用于低电压场合。,*正向压降低，反向恢复时间短,2.1.5 二极管的基本应用,2.2 电力场效晶体管,2.2 电力场效晶体管,2.2 电力场效晶体管,2.2 电力场效晶体管,电力MOSFET的结构和电气图形符号,2.2 电力场效晶体管,(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲
5、线的斜率定义为跨导Gfs。,2）电力MOSFET的基本特性,电力MOSFET的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性,2.2 电力场效晶体管,MOSFET的漏极伏安特性：,电力MOSFET的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)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GTR的饱和区）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,2.2 电力场效晶体管,2.2 电力场效晶体管,2.2 电力场效晶体管,2.3 结缘栅双极晶体管（IGBT）,2
6、.3 结缘栅双极晶体管（IGBT）,IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号,N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。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。,2.3 结缘栅双极晶体管（IGBT）,2.3 结缘栅双极晶体管（IGBT）,IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性,2.3 结缘栅双极晶体管（IGBT）,IGBT的开关过程,2.3 结缘栅双极晶体管（IGBT）,2.3 结缘栅双极晶体管（IGBT）,2.4 M
7、OSFET及IGBT的驱动和保护,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,电压驱动型器件的驱动电路,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,电力MOSFET的一种驱动电路,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,（3）脉冲变压器隔离驱动,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,关断时的负载线,di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路
8、b)波形,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路,另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路,2.4 MOSFET及IGBT的驱动和保护,2.5 功率模块及功率集成电路,2.5 功率模块及功率集成电路,2.5 功率模块及功率集成电路,本章小结,主要内容全面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。集中讨论电力电子器件的驱动和保护,电力电子器件类型归纳单极型：电力MOSFET双极型：电力二极管复合型：IGBT,本章小结,本章小结,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，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。,当前的格局:,
