《哈尔滨工业大学 电力电子技术06》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈尔滨工业大学 电力电子技术06（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电力电子技术 第6讲2 电力电子器件（4）哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.2电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育本讲是 第2章 电力电子器件 的第4讲，上3讲的主要内容是： 2.1 电力电子器件概述 2.2 电力二极管 2.3 晶闸管2.3.1 (普通）晶闸管 (SCR)2.3.2 门极可关断晶闸管(GTO) 2.4 晶体管2.4.1 电力晶体管(GTR)本讲将学习的内容：2.4.2 电力场效应晶体管2.4.3 绝缘栅双极型晶体管哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.3电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育2.4.2 电力场效应管
2、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 。电力场效应晶体管哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.4电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育1. 电力MOSFET的结构和工作原理电
3、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。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.5电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育电力MOSFET的结构单极型晶体管,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。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
4、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。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道电力MOSFET的结构和电气图形符号哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.6电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育P.MOSFET特性测试模型工作特性：栅源间加驱动电压则导通，去除驱动电压则关断。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.7电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育截止：漏源极
5、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 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.8电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育静态特性漏极电流 ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。表明栅极电压对漏极电流的控制能力。ID较大时
6、， ID与 UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导 Gfs。010203050402468ID/AUTUGS/V电力MOSFET的转移特性2. 电力MOSFET的基本特性哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.9电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育截止区（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。电力MOSFET的输出特性MOSFET的漏极伏安特性：10203050
7、400102030 5040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.10电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育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的开关速度哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.11电力电子技术电
8、力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育3. 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之外还有：器件说明书哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.12电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育2.4.3 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管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT 或IGT）GTR和
9、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。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.13电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育1. IGBT的结构和工作原理IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区
10、漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)EIGBT的结构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。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.14电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育IGBT特性测试模型工作特性：栅射间加驱动电压则导通，去除驱动电压则关断。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.15电力电子技术电
11、力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育驱动原理与电力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内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的原理哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.16电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th
12、)UGE增加2.IGBT的基本特性IGBT的静态特性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。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.17电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育3. IGBT的主要参数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哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术
13、 06.18电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育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 。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.19电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育擎住效应或自锁效应：IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件 。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。
14、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。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.20电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育本讲总结2.4.2 电力场效应晶体管1. 电力MOSFET的结构与工作原理电力MOSFET的工作特性：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。导通：在栅源极间加正电压UGS，且大于开启电压。2. 电力MOSFET的基本特性3. 电力MOSFET的主要参数工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。哈尔滨工业大学远程教育文件 : 电力电子技术 06.21电力电子技术电力电子器件(4)哈尔滨工业大学远程教育2.4.3 绝缘栅双极晶体管1. IGBT的结构与工作原理IGBT的工作特性：导通： uGE大于开启电压 UGE(th)时，IGBT导通。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，IGBT关断。2. IGBT的基本特性3. IGBT的主要参数两类器件取长补短结合而成的复合器件，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 。重点：电力MOSFET 和IGBT 的工作原理，主要参数难点：复合型器件的优点
