电力电子器件电子教案.ppt

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1、电力电子器件1 1 电力电子器件概述电力电子器件概述1 电力电子器件的概念和特征2 应用电力电子器件的系统组成3 电力电子器件的分类4 本张内容和学习要点21 1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征概念概念主电路（主电路（Power CircuitPower Circuit）在电气设在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。任务的电路。电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device)Power Electronic Device)直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换直接用于处理电能主电路中，

2、实现电能的变换或控制的电子器件。或控制的电子器件。2.2.分类分类电真空器件电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已（汞弧整流器、闸流管等，已逐步被半导体器件取代）逐步被半导体器件取代）半导体器件半导体器件（目前所指电力电子器件，采用（目前所指电力电子器件，采用材料任然是硅）材料任然是硅）3电力电子器件是功率半导体器件（金属电导率106mhos-cm-1，良绝缘体10-15mhos-cm-1）。1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电 子器件。2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损 耗、提高效率，一般都工作在开关状态。3）电力电

3、子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器 件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需 要设计安装散热器。3.3.特征特征41 1 电力电子器件概述电力电子器件概述1 电力电子器件的概念和特征2 应用电力电子器件的系统组成3 电力电子器件的分类4 本张内容和学习要点52 2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路

4、V1V2电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子系统电力电子系统由控制电路、驱由控制电路、驱动电路、电力电动电路、电力电子器件为核心的子器件为核心的主电路主电路组成组成6导导通通主电路中主电路中电力电子电力电子器件器件关关断断检测电路、驱动电路以外的电检测电路、驱动电路以外的电路路控制电路控制电路由信息电路由信息电路组成组成控制电控制电路路主电路主电路电力电子系统电力电子系统检测电路检测电路检测主电路或应用现场信号检测主电路或应用现场信号通过驱动电路通过驱动电路控制控制7主电路主电路驱动电路驱动电路检测电路检测电路控制信号控制信号电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离保护电路

5、保护电路 保证电力电子器件和整个电力电保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行子系统正常可靠运行8 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2主电路端主电路端子子之间信号之间信号导导通通关关断断电力电子电力电子器件器件控制端控制端主电流端子（公共端）主电流端子（公共端）驱动电路和主电路，驱动电路和主电路，是主电路电流流出电力电子器件的端子是主电路电流流出电力电子器件的端子91 1 电力电子器件概述电力电子器件概述1 电力电子器件的概念和特征2 应用电力电子器件的系统组成3 电力电子器件的分类4 本张内容和学习要点103 3 电力电子器件的分类电

6、力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度分按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度分为以下三类为以下三类半控型器件全控型器件通过控制信号可通过控制信号可控制控制其导通而其导通而不不能能控控制其关断制其关断晶闸管晶闸管及其派生器件及其派生器件关关 断断主主电电路路电电流流电电压压通过控制信号即通过控制信号即可控制可控制其导通又其导通又能能控制控制其关断其关断绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管自关断器件门极可关断晶体门极可关断晶体管管处理兆处理兆瓦级瓦级大功率大功率电能电能11不能不能用用控制信号控控制信号控制制其通

7、断，其通断，不需要不需要驱动电路驱动电路电力二极管电力二极管不控型器件主主电电路路通通 断断电电流流电电压压只有两个只有两个端子端子2.2.按照驱动电路加在按照驱动电路加在电力电子电力电子器件控制端和公共端器件控制端和公共端之间信号的性质分为两类之间信号的性质分为两类电流驱动型电压驱动型控控制制端端通通 断断注注入入电电流流抽抽出出电电流流电压信电压信号号公公共共端端控控制制端端123.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况况分为三类：分为三类：单极型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与

8、导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件131 1 电力电子器件概述电力电子器件概述1 电力电子器件的概念和特征2 应用电力电子器件的系统组成3 电力电子器件的分类4 本张内容和学习要点144 4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点电力电子器件选择、使用时选择、使用时注意的问题注意的问题 工作原理工作原理基本特征基本特征主要参数主要参数电力电子器件掌握掌握基本特征基本特征型号命名法型号命名法参数参数特征曲线特征曲线15电力电子器件电力电子器件1 电力电子器件概述2 不可控器件电力二极管3 半控型器

9、件晶闸管4 典型全控型器件 5 其他新型电力电子器件 6 电力电子器件的驱动 7 电力电子器件的保护 8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结162 2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管逐步逐步取代取代结构和原理简单结构和原理简单工作可靠工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管电力二极管（半导体整（半导体整流器）流器）2020世纪世纪5050年年初获得应初获得应汞弧汞弧整流整流器器应用应用快恢复二极快恢复二极管管肖特基二极肖特基二极管管中、高频电流中、高频电流逆变逆变低压高频电流低压高频电流172 不可控器件电力二极管2.1 PN结与电力二极管的工作

10、原理2.2 电力二极管的基本特性 2.3 电力二极管的主要参数 2.4 电力二极管的主要类型182.1 PN2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 以半导体以半导体PNPN结结为基础，由一个面积为基础，由一个面积较大的较大的PNPN结和两端引结和两端引线以及封装组成，外线以及封装组成，外形上看，主要有螺栓形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，型和平板型两种封装，基本结构和工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的与信息电子电路中的二极管一样。二极管一样。图1-2 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19N N型半导体和型半导体和P

11、 P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PNPN结结图1-3 PN结的形成扩散运动扩散运动 N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，造成各区多数载流子（多子）向另一区移动，到对方区成为少数载流子（少子）的运动。空间电荷空间电荷 在界面两侧不能任意移动的正、负电荷。内电场（自建电场）内电场（自建电场）空间电荷建立的电场漂移运动漂移运动内电场一方面阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内少子向本区运动。空间电荷区空间电荷区扩散运动和漂移运动达动态平衡，正、负空间电荷量达稳定值，形成稳定的由空间电荷构成的区域空间空间电荷区电荷区耗尽层耗尽层阻挡层阻挡层势垒区势垒区+P P型区型区空间电荷区空间电荷区 N

12、N型区型区内电场内电场20图1-3 PN结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动 少子的漂移运动少子的漂移运动扩散电流扩散电流PN结外加电场PN结自建电场方向相反形成自P区流入从N区流出的电流内部内部外电路外电路造成空间电荷区变窄正向电流正向电流I IF F+P P型区型区空间电荷区空间电荷区 N N型区型区内电场内电场21外加电压升高PNPN结的正向导通状态结的正向导通状态扩散电流增加自建电场削弱PN结流过的正向电流电阻值较高且为常数较小较大电阻率下降电导率增加电导调电导调制效应制效应PNPN结的正向导通状态结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所

13、以正向偏置的PN结表现为低阻态。22PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导电性,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。反向电流反向电流I IR R少子浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定PN结外加反向电压外电路电流N区流入P区流入出反向反向饱饱和流和流I IS S高电阻几乎没有电流流过PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态23PNPN结的反向击穿结的反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结反向偏置为截止的工作状态雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿热击热击穿穿因热量散发不出PN结温度上升过热烧坏24结电容结电容C C J J(微分电容微分

14、电容)PN结中电荷量随外加电压变化，呈现电容效应势垒电容势垒电容C CB B扩散电容扩散电容CDPN结截面成正比阻挡层成反比大小正正向向电电压压较较高高正向电压较低仅在正向偏置时起作用外加电压变化时起作用结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。252 不可控器件电力二极管2.1 PN结与电力二极管的工作原理2.2 电力二极管的基本特性 2.3 电力二极管的主要参数 2.4 电力二极管的主要类型262.2 2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性静态特性图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管电力二极管静态特征静态特征伏安特伏安

15、特征征值定一到大压电向正正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态。承受反向电压时只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。27零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中电压电流特性随时间变化2.2.动态特性动态特性电力二极管的动态状态电力二极管的动态状态反映通态和断态之间过程的开关特性28 注意：电流、电压反向问题注意：电流、电压反向问题 正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（reverser-recoverytime）以清除过剩载流

16、子。312 不可控器件电力二极管2.1 PN结与电力二极管的工作原理2.2 电力二极管的基本特性 2.3 电力二极管的主要参数 2.4 电力二极管的主要类型322.3 2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV)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，应留有一定的裕量。当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造成的发热效应也不小。正向压降正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的

17、正向压降。332 不可控器件电力二极管2.1 PN结与电力二极管的工作原理2.2 电力二极管的基本特性 2.3 电力二极管的主要参数 2.4 电力二极管的主要类型352.4 2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型普通二极管普通二极管(整流二极管）整流二极管）多用于开关频率多用于开关频率不高（不高（1 1kHz以下）以下）的整流电路中的整流电路中反向恢复时间长反向恢复时间长一般在一般在5s以上以上正向电流定额和正向电流定额和反向电压定额很反向电压定额很高，分别可达数高，分别可达数千安和数千伏以上千安和数千伏以上 36电力电子器件电力电子器件1 电力电子器件概述2 不可控器件电力二极管3

18、 半控型器件晶闸管4 典型全控型器件 5 其他新型电力电子器件 6 电力电子器件的驱动 7 电力电子器件的保护 8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结393 3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3.2 3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、）晶闸管的基本特性（静态、动态、）3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件403.13.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKA AK KG图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结

19、构 c)电气图形符号 a)c)b)AGKGKA423 3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3.2 3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、）晶闸管的基本特性（静态、动态、）3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件463.23.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（静态、动态、）（静态、动态、）静态特性静态特性1)承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。2)承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。4)要使晶闸管关

20、断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。473 3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3.2 3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、）晶闸管的基本特性（静态、动态、）3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件503.33.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM 断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额

21、定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。电压定额51 通态平均电流通态平均电流I IT(AVT(AV)晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，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。维持电流维持电流 I IH H 晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维

22、持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常I IL L约为I IH H的24倍。2.2.电流定额电流定额523 3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3.2 3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、）晶闸管的基本特性（静态、动态、）3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件543.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件常规快速 晶闸管高频 晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管与普通晶闸管相比快速 晶闸管关断时间为数十微秒高频 晶闸管关断时间为10s左右电压和电流定额不易做高应用

23、于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中开关时间以及du/dt、di/dt的耐量都有了明显的改善快速晶闸管快速晶闸管55电力电子器件电力电子器件1 电力电子器件概述2 不可控器件电力二极管3 半控型器件晶闸管4 典型全控型器件 5 其他新型电力电子器件 6 电力电子器件的驱动 7 电力电子器件的保护 8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结594 4 典型全控型器件典型全控型器件4.1 4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件4.2 4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管4.3 4.3 电力晶体管电力晶体管4.4 4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管4.5 4.5 绝缘栅双极

24、晶体管绝缘栅双极晶体管604.14.1理想的可控开关元件理想的可控开关元件所希望的开关特性应该是：关断时的漏电流较小，导通时Von小。很高的正反向阻断电压的能力，这可减少元件的串联，并因此而减少相应保护电路的功率损耗。很大的电流导通能力。这可减少元件并联。较短的导通和关断时间，这可提高开关频率。导通电阻具有正的温度特性，这可保证并联的元件能共同分担总电流。较小的控制功率。具有阻止电压和电流上升率的能力，这样就可以不使用外部Snubber电路保护。具有较高的dv/dt，di/dt额定值。614 4 典型全控型器件典型全控型器件4.1 4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件4.2 4.2 门

25、极可关断晶闸管门极可关断晶闸管4.3 4.3 电力晶体管电力晶体管4.4 4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管4.5 4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管634.2 4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTO GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构结构GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)图1-13 GTO内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间排列的图形 b)并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号642.GTO GTO的动态特性的动态特性SnubberSnubberA Ak kG G触发关断脉冲不用保持，关断时间几个微秒，但是需要很大的门电流（1/3阳极

26、电流），关断时，为了限制dv/dt，要用Snubber电路（切断感性负载）。开关时间几个微秒到25微秒，导通压降2-3V、比晶闸管稍微高一点。最大优点是能处理高电压和大电流，现在最大容量6KV/4KA，开关频率几百HZ10KHZ。图1-14GTO的开关和关断过程电流波形tstdtrtfttiGt0t1t2t3t4t5t6t0IAiA90%IA10%IAt067关关断断时时间间t toffoff储储存存时时间间和和下下降降时时间间之之和和3.GTO3.GTO的主要参数的主要参数最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流I IATOATO GTOGTO额定电流额定电流电流关断增益电流关断增益off最大可

27、关断阳极电流与门极负脉冲最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值电流最大值IGM之比。之比。boff=ATOIGM_I(1-8)开通时间开通时间ton 延迟时间与上延迟时间与上升时间之和升时间之和684 4 典型全控型器件典型全控型器件4.1 4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件4.2 4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管4.3 4.3 电力晶体管电力晶体管4.4 4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管4.5 4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管694.3 4.3 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管 GRT

28、 GRT的结构和工作原理的结构和工作原理P基区N漂移区衬底集电极c基极b发射极e 基极bcbe图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面图 b)电气图形符号 c)内部载流子的流动a)b)与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、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。702.GRT2.GRT的基本特性的基本特性图1-16共发射极接法时GTR的输出特性ib2ib1ib3ib1ib2BUcexBUcesBUcerBUceo集电流最大允许电流集电流最大允许电流IcM直流电流放大系数hF

29、E下降到规定值得1/21/3时，所对应的Ic为集电流最大允许电流集电流最大耗散功率集电流最大耗散功率PcM最高工作温度允许的耗散功率74一次击穿一次击穿集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象一次击穿后只要Ic不要超过最大允许耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏二次击穿二次击穿一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，电压突然下降的现象二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，对GTR危害极大4.GRT4.GRT的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区75SOAIcIcMPSBPcMUceMUce0图1-18GTR的安全工作区GT

30、R的安全工作区的安全工作区二次击穿临界线GTRGTR工作时不能超过工作时不能超过最高电压集电极最大电流最大耗散功率764 4 典型全控型器件典型全控型器件4.1 4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件4.2 4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管4.3 4.3 电力晶体管电力晶体管4.4 4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管4.5 4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管77电力MOSFET的结构和工作原理耗尽型耗尽型栅极电压为零时漏源极之间存在导电沟道增强型增强型栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道单极型晶体管单极型晶体管电力MOSFET导通是时只有一种极性的载流子 参与导电电

31、力电力MOSFETMOSFET垂直导电垂直导电利用V型槽实现垂直导电具有垂直导电双扩散MOS结构小功率MOS横向导电P沟道N沟道电力电力MOSFETMOSFET种类种类4.4 4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管782.电力MOSFET的基本特征静态特征静态特征图1-20电力MOSFET电气符号和转移特性 a)电气图形符号 b)转移特性 a)b)G GS SD DV VGSGS+-V VDSDS+-n-channeln-channel504030201002468UGS/VID/A(1-11)803.电力MOSFET的主要参数漏极电压漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额参数漏极直流电流

32、漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额参数栅源电压栅源电压UGSUGS 20V将导致绝缘层击穿极间电容极间电容Ciss=CGS+CGD (1-14)Crss=CGD (1-15)Coss=CDS+CGD (1-16)漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定电力MOSFET的 安全工作区 电力MOSFET不存在二次击穿844 4 典型全控型器件典型全控型器件4.1 4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件4.2 4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管4.3 4.3 电力晶体管电力晶体管4.4 4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管4.5

33、 4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管854.5 4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或或IGT）GTR和和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性。IGBT的结构和工作原理PN+N+N-N+N+N+P缓冲区J2GEJ3J1P+漂移区注入区C集电极发射极栅极GEIDRon+ICIDRNVJI+C+ECG图1-22IGBT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a)b)c)86 IGBT的基本特征0UGEUGE(th)ICUFMURM反向阻断区饱

34、和区有源区正向阻断区UGE增加UCE0ICa)b)图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性静态特征静态特征873.IGBT的主要参数最大集射极间电压最大集射极间电压UCES由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压决定最大集电极电流最大集电极电流额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP最大集电极功耗最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大耗散IGBT的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。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，特

35、别是在电流较大的区域。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。89擎住效应（自锁效应）擎住效应（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。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。4.IGBT的擎住效应和安全区PN+N+N-N+N+N+P缓冲区J2GEJ3J1P+漂移区注入区C集电极发射极栅极图1-22IGBT的结构a)内部结构断面示意图正向偏置安全工作区正向偏

36、置安全工作区最大集电极电流、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反向偏置安全工作区最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大允许电压上升率确定IGBT在阻断工作状态的参数极限 范围。IGBT与反并联快速二极管封 装 在一起制成模块，成为逆导器件。90电力电子器件电力电子器件1 电力电子器件概述2 不可控器件电力二极管3 半控型器件晶闸管4 典型全控型器件 5 其他新型电力电子器件 6 电力电子器件的驱动 7 电力电子器件的保护 8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结915 5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件5.1 MOS5

37、.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT5.2 5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT5.3 5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH5.4 5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT5.5 5.5 功率模块与集成电路功率模块与集成电路925.1 MOS5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT高输入阻抗高输入阻抗低驱动功率低驱动功率快速开关过程快速开关过程高电压大电流高电压大电流低导通压降低导通压降 MOSFETMOSFET晶闸管晶闸管l MCTMCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的

38、特点。l 关键技术问题没有突破，电压、电流容量未达到预期效果。关键技术问题没有突破，电压、电流容量未达到预期效果。MOSMOS控制控制晶闸管晶闸管935 5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件5.1 MOS5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT5.2 5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT5.3 5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH5.4 5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT5.5 5.5 功率模块与集成电路功率模块与集成电路945.2 5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构

39、改为垂直导电结构，可制成大功率SIT器件。SIT是多子导电器件,工作效率与电力MOSFET相当或更大，功率容量大于电力MOSFET，是用于高频大功率场合。SIT栅极不加任何信号是导通的，栅极加负偏压时关断，被称为正常导通型器件。SIT通态电阻大，通态损耗大。955 5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件5.1 MOS5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT5.2 5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT5.3 5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH5.4 5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT5.5 5.5 功率模块与集成电路功率模块与集

40、成电路965.3 5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流。制造工艺比GTO复杂、特性多与GTO相似，开关速度比GTO快，是大容量快速器件。是正常导通型，也是正常关断型，电流关断增益较小。静电感应晶体管静电感应晶体管SITHSITH（场控晶体管）（场控晶体管）SITH在SIT的漏极层上加一层与漏极层导电类型不同的发射极层比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结975 5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件5.1 MOS5.1 MOS控制晶闸管控制

41、晶闸管MCTMCT5.2 5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT5.3 5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH5.4 5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT5.5 5.5 功率模块与集成电路功率模块与集成电路985.4 5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT(门极换流晶闸管门极换流晶闸管GCT)GCT)将将IGBTIGBT与与GTOGTO优点结合在一起优点结合在一起容量与GTO相当开关速度比GTO快10倍省去GTO应用时庞大复杂的缓冲电路驱动功率仍然大995 5 其他新型电力

42、电子器件其他新型电力电子器件5.1 MOS5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT5.2 5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT5.3 5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH5.4 5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT5.5 5.5 功率模块与集成电路功率模块与集成电路1005.5 5.5 功率模块与集成电路功率模块与集成电路功率模块功率模块按照典型电力电子电路的拓扑结构，将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，该模块可减小线路电感，简化对保护和缓冲电路的要求。功率集成电路功率集成电路将电力电子器件与逻

43、辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电路制作在同一芯片上。高压集成电路高压集成电路横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路智能功率集成电路纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块智能功率模块IPM(IPM(智能智能IGBT)IGBT)IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的封装集成101电力电子器件电力电子器件1 电力电子器件概述2 不可控器件电力二极管3 半控型器件晶闸管4 典型全控型器件 5 其他新型电力电子器件 6 电力电子器件的驱动 7 电力电子器件的保护 8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结1036 6 电力电子器件器件的驱动电力电子器件

44、器件的驱动6.1 6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述6.2 6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路6.3 6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1046.1 6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱动电路主电路与控制电路之间的接口性能良好的驱动电路使电力电子器件性能良好的驱动电路使电力电子器件理想的理想的开关状态开关状态缩短开缩短开关时间关时间减小开减小开关损耗关损耗对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义驱动电路的基本任务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

45、端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。1056 6 电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动6.1 6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述6.2 6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路6.3 6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1076.2 6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路晶闸管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。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。晶闸管触发电路应满足下列要求1.触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。2.触发脉冲应有足够的幅度。3.不超过门极电压、电流和功率定额，且

46、在可靠触发区区域之内。4.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。典型的触发电路有KJ004,TCA7851086 6 电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动6.1 6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述6.2 6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路6.3 6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1106.3 6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路 1)GTO1)GTO ttuGti00图1-28推荐的GTO门及电压电流波形需施加负门极电流，对幅值和陡度要求更高开通开通触发

47、脉冲前沿的幅值和陡度要求高，需在整个导通极期间施加正门极电流。关断关断驱动电路驱动电路开通驱动电路关断驱动电路门极反偏电路脉冲变压器耦合式直接耦合式1112.2.电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。图1-32电力MOSFET的一种驱动电路115电力电子器件电力电子器

48、件1 电力电子器件概述2 不可控器件电力二极管3 半控型器件晶闸管4 典型全控型器件 5 其他新型电力电子器件 6 电力电子器件的驱动 7 电力电子器件的保护 8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结1167 7 电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护7.1 7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护7.2 7.2 过电流保护过电流保护7.3 7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）1177.1 7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压过电压外外因过电压因过电压内内因过电压因过电压操作过电压操作过电压

49、雷击过电压雷击过电压换相过电压换相过电压关断过电压换相过电压换相过电压晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束 后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压关断过电压全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。1187 7 电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护7.1 7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护7.2 7.2 过电流保护过电流保护7.3 7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）1217.2

50、7.2 过电流保护过电流保护图1-37过电流保护措施及配置位置过电流保过电流保护措施护措施过电流继电器过电流继电器快速熔断器快速熔断器直流快直流快速断路器速断路器同时采用几种过电流保护措施，同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性提高可靠性和合理性过电流过电流短路时的部分短路时的部分区段的保护区段的保护整定在电子电路动整定在电子电路动作之后实现保护作之后实现保护整定在过载时动作整定在过载时动作短路短路过载过载1227 7 电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护7.1 7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护7.2 7.2 过电流保护过电流保护7.3 7.3 缓冲电路