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1、第一章 电力电子器件,1.1 不可控器件电力二极管 1.2 晶闸管的可控单向导电性 1.3 晶闸管的工作原理与特性 1.4 晶闸管的主要特性参数 1.5 晶闸管的派生器件 1.6 典型全控型器件 1.7 电力电子器件的驱动 1.8 电力电子器件的保护 1.9 电力电子器件器件的串联和并联使用,1.6.3 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,特点
2、用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。,电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型。,电力MOSFET的结构和工作原理,电力MOSFET的结构,是单极型晶体管。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。,图1.19 电力MOSFET
3、的结构和电气图形符号,小功率MOS管是横向导电器件。 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。,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。 导电：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J
4、1消失，漏极和源极导电。,图1.20 电力MOSFET的结构和电气 图形符号,电力MOSFET的工作原理,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，曲线的斜率定义为跨导Gfs。,图1.21 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,电力MOSFET的基本特性,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
5、时的均流有利。,MOSFET的漏极伏安特性：,开通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和 关断过程 关断延迟时间td(off) 下降时间tf 关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,图1.22 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，Rs信号源内阻， RG栅极电阻， RL负载电阻，RF检测漏极电流, 动态特性,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
6、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, 漏极电压UDS, 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,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：, 极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,1.6.4 绝缘栅双极晶体管,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体
7、管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 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，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，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。,IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,图1.23 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
8、等效电路 c) 电气图形符号,N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。 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,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压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
9、道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。, IGBT的原理,a,),b,),IGBT的基本特性 IGBT的静态特性,图1.24 IGBT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。,图1.25 IGBT的开关过程,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。, IGBT的动态特性,tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时
10、工作的电压下降过程。,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PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,IGBT的关断过程, IGBT的主要参数,正常工作温度下允许的最大功耗 。,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 。, 最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,最大集射极间电压UCES,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，
11、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 。,擎住效应或自锁效应：,NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。,IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件 。,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。,反向偏置安全工作区（RBSOA）,最大集电极电流、最大集射极
12、间电压和最大集电极功耗确定。,正偏安全工作区（FBSOA）,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。 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。,1.7.1 电力电子器件驱动电路概述,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 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。 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 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。,1.7 电力电子器件器件的驱动,驱动电路还要提
13、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,图1.26 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,分类,1.7.2 晶闸管的触发电路,作用：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： 脉冲的宽
14、度应保证晶闸管可靠导通 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,t,图1.27 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（1s） t1t3强脉宽度 IM强脉冲幅值（3IGT5IGT） t1t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）, 晶闸管的触发电路,V2、V3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。 V2、V3导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。,图1.28 常见的晶闸管触发电路,常见的晶闸管触发电路,1.7.3 典型全控型器件
15、的驱动电路,GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。,图1.29 推荐的GTO门极电压电流波形,电流驱动型器件的驱动电路,GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。,直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,典型的直接耦合式GTO驱动电路,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6
16、V左右）的负偏压。,图1.30 理想的GTR基极驱动电流波形, GTR,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。,图1.31 GTR的一种驱动电路,驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。 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耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。, 电压驱动型器件的驱动电路,电力MOSFET的一种驱动电路： 电气隔离和晶体管放大电路两部分,图1.32 电力MOSFET的一种驱动电路,专为驱动电力MOSFET
