1、1第一章第一章 电力电子器件及应用电力电子器件及应用 电力电子技术电力电子技术21.1 1.1 概述概述o 电力电子器件的分类电力电子器件的分类n 按照器件的控制能力分为以下三类按照器件的控制能力分为以下三类类别类别不控型不控型半控型半控型全控型全控型常用常用器件器件功率二极管、功率二极管、功率稳压二极管、功率稳压二极管、瞬变尖峰电压抑制二极管瞬变尖峰电压抑制二极管普通晶闸管、普通晶闸管、双向晶闸管双向晶闸管功率晶体管、功率晶体管、功率场效应晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管特特点点及及应应用用二极管用于控制电流方向；二极管用于控制电
2、流方向；稳压二极管用来控制电压幅度；稳压二极管用来控制电压幅度；瞬变尖峰电压抑制二极管用于功瞬变尖峰电压抑制二极管用于功率器件的尖峰电压抑制率器件的尖峰电压抑制可以用脉冲控制其开通；可以用脉冲控制其开通；一旦开通不能用控制极一旦开通不能用控制极关断；关断；常用于交流回路的功率控常用于交流回路的功率控制制可以利用控制极控制器可以利用控制极控制器件开通和关断；件开通和关断；广泛应用于各种现代电广泛应用于各种现代电力电子系统中力电子系统中31.1 1.1 概述概述n 按照器件控制参量特征分为两类按照器件控制参量特征分为两类 电流驱动型：电流驱动型：控制端注入或者抽出电流来实现导通或控制端注入或者抽出
3、电流来实现导通或 者关断的控制，者关断的控制，如如SCR、GTR、GTO 电压驱动型电压驱动型：控制端和公共端之间施加一定的电压信控制端和公共端之间施加一定的电压信 号控制导通或关断，其本质是通过控制号控制导通或关断，其本质是通过控制 端上的电压在器件的两个主电路端子之端上的电压在器件的两个主电路端子之 间产生可控的电场来改变流过器件的电间产生可控的电场来改变流过器件的电 流大小和通断状态，所以流大小和通断状态，所以又称为场控器又称为场控器 件，或场效应器件件，或场效应器件，如如IGBT、MOSFET41.1 1.1 概述概述n 按照器件内部载流子参与导电的情况分为三类按照器件内部载流子参与导
4、电的情况分为三类 单极型器件：单极型器件：仅由一种载流子参与导电的器件；仅由一种载流子参与导电的器件； 如如MOSFET 双极型器件：双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电由电子和空穴两种载流子参与导电 的器件；的器件；SCR、 GTR、 GTO 复合型器件：复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成的由单极型器件和双极型器件集成的 器件；器件；如如 IGBT51.1 1.1 概述概述o 电力电子器件的一般工作特征电力电子器件的一般工作特征n 电力电子器件一般都工作在开关状态电力电子器件一般都工作在开关状态n 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制
5、驱动电路、控制电路驱动电路、控制电路n 工作时由于通态损耗、开关损耗等引起发热工作时由于通态损耗、开关损耗等引起发热 器件工作时一般都要考虑散热设计或安装散热器。器件工作时一般都要考虑散热设计或安装散热器。61.2 1.2 功率二极管功率二极管o 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型n 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode） 又称：整流二极管又称：整流二极管（Rectifier Diode） 特征：反向恢复时间较长，一般在特征：反向恢复时间较长，一般在5 s以上以上 多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中以下）的整流电路中 正向电流定
6、额和反向电压定额可以达到很高，分别可正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上达数千安和数千伏以上71.2 1.2 功率二极管功率二极管n 快速恢复二极管快速恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD） 特征：反向恢复时间为数百纳秒或更长特征：反向恢复时间为数百纳秒或更长 分为快速恢复和超快速恢复（反向恢复时间分为快速恢复和超快速恢复（反向恢复时间100ns100ns以以下，甚至达到下，甚至达到202030ns30ns）两个等级。两个等级。 正向导通压降在正向导通压降在1V左右左右81.2 1.2 功率二极管功率二极管n肖特基二极管肖特基二极管（Scho
7、ttky Barrier Diode，SBD）金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，称为金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，称为 肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管肖特基二极管的特点肖特基二极管的特点 l反向恢复时间反向恢复时间101040ns40ns，正向恢复过程无明显电压过冲，正向恢复过程无明显电压过冲l正向压降一般在正向压降一般在0.5V0.5V左右左右l开关损耗和导通损耗比快速二极管小，效率高开关损耗和导通损耗比快速二极管小，效率高 l反向耐压一般较低，多用于反向耐压一般较低，多用于200V200V以下以下l反向漏电流较大且对温度敏感，须严格
8、限制其工作温度反向漏电流较大且对温度敏感，须严格限制其工作温度91.2 1.2 功率二极管功率二极管o 功率二极管封装结构功率二极管封装结构 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装 AKAKa)IKAPNJb)c)b) 结构结构a) 外形外形c) 电气图形符号电气图形符号101.2 1.2 功率二极管功率二极管o静态特性静态特性( (静态伏安特性）静态伏安特性）具有单向导电性具有单向导电性正偏时导通，压降正偏时导通，压降1V1V左右。左右。通态损耗：通态损耗： （表现形式为发热）（表现形式为发热）反偏达到击穿电压前，反偏达到击穿电压前， 仅有很小的反向
9、漏电流流过。仅有很小的反向漏电流流过。反偏在达到击穿电压反偏在达到击穿电压UB后，后， 反向电流急剧增加。反向电流急剧增加。FFFIUP功率二极管的功率二极管的 静态伏安特性静态伏安特性111.2 1.2 功率二极管功率二极管o 功率二极管的动态特性功率二极管的动态特性n 二极管导通与截止状态之间的转换引起二极管导通与截止状态之间的转换引起PN结电容带电状结电容带电状 态调整，此过程中二极管两端电压、电流随时间动态变态调整，此过程中二极管两端电压、电流随时间动态变 化，反映通态和断态之间的转换特性，又称开关特性。化，反映通态和断态之间的转换特性，又称开关特性。n 分为开通过程和关断过程两部分分
10、为开通过程和关断过程两部分 121.2 1.2 功率二极管功率二极管 开通过程开通过程 正向压降先出现一个过冲正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如稳态压降的某个值（如2V）。）。这一动态过程时间被称为正向这一动态过程时间被称为正向恢复时间恢复时间 tfr。开通损耗：开通损耗：开通过程电压与电开通过程电压与电 流形成的损耗流形成的损耗 fr0FFond1ttiuTP其中：其中： T为开关周期，以下类似为开关周期，以下类似功率二极管的开通过程功率二极管的开通过程131.2 1.2 功率二极管功率二极管关断过程关断过程 二极管从导通变为关断
11、经过一个二极管从导通变为关断经过一个反向恢复过程，期间有较大的反向反向恢复过程，期间有较大的反向电流与明显的反向电压过冲。电流与明显的反向电压过冲。 延迟时间：延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度（恢复系数）恢复特性的软度（恢复系数）： Sr=tf/td， 同等条件下，同等条件下，Sr大则大则URP较小较小 2Fd1FFofftttiuTP功率二极管的关断过程功率二极管的关断过程关断损耗：关断损耗：一个开关周期内关一个开关周期内关 断过程产生的损耗断过程产生的损耗141.2 1.2
12、功率二极管功率二极管o 功率二级管主要参数功率二级管主要参数n 正向平均电流正向平均电流 IF(A V)l 即额定电流，在指定的管壳温度（简称壳温即额定电流，在指定的管壳温度（简称壳温，用，用TC表示）表示） 和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平 均值均值l 实际应用按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留实际应用按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留 有一定的裕量。有一定的裕量。151.2 1.2 功率二极管功率二极管n 定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用系
13、数，用Kf表示，即表示，即n 对于正弦半波电流，假定其电流峰值为对于正弦半波电流，假定其电流峰值为I IM M，则其平均值为，则其平均值为 n 其正弦半波电流的有效值为其正弦半波电流的有效值为)(dsin21M0MAVIttII 2)(dsin21M202rmsMIttII 电流平均值电流平均值电流有效值电流有效值 fK161.2 1.2 功率二极管功率二极管n 正弦半波电流的波形系数正弦半波电流的波形系数n 实际使用中，流过二极管的电流波形并不一定是正弦半波，实际使用中，流过二极管的电流波形并不一定是正弦半波，对于周期性的电流波形都可以计算电流有效值，依据有效对于周期性的电流波形都可以计算电
14、流有效值，依据有效值相等的原则，选择二极管额定电流值相等的原则，选择二极管额定电流 式中：式中：ksa是安全系数，一般取是安全系数，一般取2 2左右；左右；IDrms是流过二极管的最是流过二极管的最 大实际电流有效值，大实际电流有效值，IF(AV)是二极管额定电流值。是二极管额定电流值。 57. 12AVrmsf IIK57. 1DrmssaF(AV)IkI 171.2 1.2 功率二极管功率二极管n 正向压降正向压降UF 指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降向电流时对应的正向压降n 反向重复峰值电压反向重复峰值电压
15、URRM 指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压通常是其雪崩击穿电压UB的的2/3 使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的最高峰值电压的2 2倍左右来选定该值倍左右来选定该值 181.2 1.2 功率二极管功率二极管n 反向恢复时间反向恢复时间trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到关断过程中，电流降到0 0开始到恢复反向阻断开始到恢复反向阻断 能力为止的时间能力为止的时间n 浪涌电流浪涌电流IDSM 指功率二极管所能承受最大的连续一个或几个
16、工频周期指功率二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期 的过电流。的过电流。 n 最高工作结温最高工作结温TJM 最高工作结温是指在最高工作结温是指在PNPN结不致损坏的前提下所能承受的结不致损坏的前提下所能承受的 最高平均温度最高平均温度 19AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3a) 外形外形b) 结构结构c) 符号符号1.31.3晶闸管晶闸管o 晶闸管的结构与外形晶闸管的结构与外形n 四层四层PNPN结构结构n 三个引出电极三个引出电极 阳极阳极A，阴极，阴极K 门极门极(控制极控制极)G201.31.3晶闸管晶闸管o晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管晶闸
17、管可以可以将其等效为两个晶体将其等效为两个晶体管管VT1和和VT2串级而成串级而成其工作过程如下：其工作过程如下： UGK0产生产生IGVT2通通产生产生 IC2VT1通通IC1 IC2出出 现强烈的正反馈现强烈的正反馈，VT1和和VT2完完 全饱和全饱和，SCR导通导通。晶闸管导通后，即使去掉门极电晶闸管导通后，即使去掉门极电 流，仍能维持导通。流，仍能维持导通。a) 双晶体管模型双晶体管模型b) 工作原理模型工作原理模型211.31.3晶闸管晶闸管o 晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性 正向特性第正向特性第I I象限象限n IG0，正向阻断；，正向阻断；n IG0，UAKUbo时硬开通时硬开
18、通n IG增大，转折电压降低增大，转折电压降低n IG足够大，转折电压接近足够大，转折电压接近二极管二极管 反向特性第反向特性第象限象限n 反向特性与二极管相似。反向特性与二极管相似。 IG2IG1IG0晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性221.31.3晶闸管晶闸管o 晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性 晶闸管的关断晶闸管的关断n IAKIH（维持电流），内部正反馈不能维持而关断（维持电流），内部正反馈不能维持而关断l 方法：方法：增大负载阻抗、增大负载阻抗、切断电流、切断电流、UAK 0，UGK0（或或IGK0） ，并有足够的触发功率并有足够的触发功率。 一旦器件导通，门极电流就不再具有控制作用
19、。因此，门一旦器件导通，门极电流就不再具有控制作用。因此，门极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。n 硬开通硬开通 晶闸管晶闸管IG=0时，为正向阻断状态，时，为正向阻断状态，当当正向电压超过正向正向电压超过正向转折电压，即转折电压，即 UAKUbO时，时，则器件硬开通。则器件硬开通。硬开通为非受控状态，会引起电路故障，通过选择合适的硬开通为非受控状态，会引起电路故障，通过选择合适的器件额定电压来避免。器件额定电压来避免。32晶闸管知识要点晶闸管知识要点o 晶闸管开通控制晶闸管开通控制n du/dt导通导通 晶闸管晶闸管IG=0时，为正向阻断状态，当时，为正向
20、阻断状态，当UAK两端的电压变两端的电压变化率过大时，化率过大时，PN结电容流过的位移电流有可能触发晶结电容流过的位移电流有可能触发晶闸管导通，此种状态为误导通。闸管导通，此种状态为误导通。 误导通为非受控状态，会引起电路故障，通过采用缓冲误导通为非受控状态，会引起电路故障，通过采用缓冲吸收电路抑制吸收电路抑制du/dt 值来避免。值来避免。33晶闸管知识要点晶闸管知识要点o 晶闸管的关断晶闸管的关断 自然关断：自然关断：在导通期间，如果要求器件返回到正向阻断状在导通期间，如果要求器件返回到正向阻断状 态，必须令门极电流为零，且将阳极电流降低到态，必须令门极电流为零，且将阳极电流降低到 一个称
21、为维持电流的临界极限值以下，并保持一一个称为维持电流的临界极限值以下，并保持一 段时间。段时间。 强迫关断：强迫关断：通过加一反向电压通过加一反向电压UAK0，UGK0（或或IGK0），触发导通触发导通门极施加负的脉冲电流门极施加负的脉冲电流（IGK0）使其关断使其关断全控型器件（控制极可以控制开通、也可以控制关断）全控型器件（控制极可以控制开通、也可以控制关断）在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO电气图形符号391.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）o GTR的结构和工作原理的
22、结构和工作原理 基本原理与普通的双极结型晶体管一样基本原理与普通的双极结型晶体管一样 主要特性主要特性: :耐压高、电流大、开关特性好耐压高、电流大、开关特性好 采用达林顿接法组成的多单元并联结构采用达林顿接法组成的多单元并联结构 分分NPN和和PNP两种两种，一般为一般为NPN，PNP耐压低耐压低401.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）o 静态特性静态特性分为：截止区、有源区（放大区）和饱和区、失控区分为：截止区、有源区（放大区）和饱和区、失控区n 截止区（截止区（又称阻断区）又称阻断区） 特征：特征：iB0， iC0，开关处于断态开关处于断态 工作状态：工作状态：UBC0，UB
23、E0 ；n 有源区（有源区（又称放大区或线性区又称放大区或线性区） 特征：特征：iC与与iB之间呈线性关系，特性曲线近似平直之间呈线性关系，特性曲线近似平直 工作状态：工作状态： UBC0 工作于开关状态的工作于开关状态的GTR来说，要快速通过有源区，来说，要快速通过有源区，实现截止与饱和的状态转换，否则功耗很大。实现截止与饱和的状态转换，否则功耗很大。411.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）GTR静态工作特性静态工作特性421.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）n 饱和区饱和区特征：特征： UCE0 ，iB增大时，增大时，iC不再随之变化不再随之变化工作状态：工作状态：
24、UBC0， UBE0n 准饱和区准饱和区特征：特征：iC与与iB呈非线性关系呈非线性关系，工作状态：工作状态： UBC0， UCE0 n 失控区失控区当当UCE 超过一定值时，晶体管进入失控区，会导致雪崩击穿。超过一定值时，晶体管进入失控区，会导致雪崩击穿。UCEO为基极开路时集、射极之间的击穿电压为基极开路时集、射极之间的击穿电压；UCES为基极和发射极短接时集、射极之间的击穿电压为基极和发射极短接时集、射极之间的击穿电压；UCEX为发射极反偏时集、射极之间的击穿电压为发射极反偏时集、射极之间的击穿电压；UCBO为发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压为发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压
25、431.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）o动态特性动态特性 开通过程开通过程延迟时间：延迟时间：td上升时间：上升时间：tr开通时间：开通时间：ton td+ tr增大增大IB1的幅值并增大的幅值并增大 diB/dt，可缩短延迟时间可缩短延迟时间 与上升时间，加快开通与上升时间，加快开通 过程过程 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形441.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）关断过程关断过程储存时间：储存时间：ts下降时间：下降时间：tf关断时间：关断时间：toff ts+ tf减小导通饱和深度、增大减小导通饱和深度、增大基极负电流基极负电流IB2幅值和
26、负偏幅值和负偏压，可缩短储存时间，加快压，可缩短储存时间，加快关断关断减小饱和深度副作用：增减小饱和深度副作用：增加饱和压降，增大通态损耗加饱和压降，增大通态损耗GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形451.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR） 除电流放大倍数除电流放大倍数 、直流电流增益直流电流增益hFE（ hFE ）、）、集射极间集射极间漏电流漏电流ICEO、集射极间饱和压降集射极间饱和压降UCES、开通时间开通时间ton和关断时间和关断时间toff 之外有：之外有：n最高工作电压最高工作电压UCEM GTR上电压超过规定值时会发生击穿上电压超过规定值时会发生击穿击
27、穿电压与晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关击穿电压与晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关，有有UCBO UCEX UCES UCEO实际使用时，最高工作电压实际使用时，最高工作电压UCEM要比要比UCEO低得多低得多 461.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）n 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 通常规定为通常规定为hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对应的时所对应的IC 实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一点的一半或稍多一点n 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PCM 最高工作温度下允许的耗散功率最高工作温
28、度下允许的耗散功率 产品说明书中给产品说明书中给PCM时同时给出壳温时同时给出壳温TC，间接表示了最，间接表示了最 高工作温度高工作温度 4) 4) 最高结温最高结温TJM 硅管一般为硅管一般为125 175之间之间471.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）n GTR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 一次击穿一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，IC迅速增大，出现雪崩击穿迅速增大，出现雪崩击穿 特点：在特点：在IC增大过程中，集电结电压基本不变，只要增大过程中，集电结电压基本不变，只要IC不超不超 过限度，过限度，GTR一般不会损坏，工
29、作特性也不变；一般不会损坏，工作特性也不变； 二次击穿二次击穿 一次击穿发生一次击穿发生时时IC增大到某个临界点时会突然急剧上升，并增大到某个临界点时会突然急剧上升，并 伴随集电极电压的陡然下降，即出现了负阻效应，这种现象伴随集电极电压的陡然下降，即出现了负阻效应，这种现象 称为二次击穿。称为二次击穿。 二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。即导致器件的永久损坏。481.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）o 安全工作区（安全工作区（Safe Operating Area，SOA） 安全工作区通常由
30、最大工作电流、最大耗散功率、最高工作安全工作区通常由最大工作电流、最大耗散功率、最高工作电压构成。电压构成。 晶体管增加二次击穿临界线晶体管增加二次击穿临界线PSB （GTR特有）特有） 实际应用时器件必须工作于实际应用时器件必须工作于 安全工作区的范围内，以免安全工作区的范围内，以免 损坏。损坏。 GTR的安全工作区的安全工作区491.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )o 功率场效应晶体管基础知识功率场效应晶体管基础知识 通常指绝缘栅型中的通常指绝缘栅型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET），），简称功率简称功率MO
31、SFET（Power MOSFET） 特点特点 栅源极电压（电场）控制漏极电流栅源极电压（电场）控制漏极电流 栅源极之间绝缘，需要的驱动功率小栅源极之间绝缘，需要的驱动功率小 开关速度快，工作频率高开关速度快，工作频率高 无二次击穿现象无二次击穿现象 容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW10kW的电力的电力电子装置电子装置 501.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )o P-MOSFET的基本工作特性的基本工作特性n 功率功率MOSFET主要是主要是N沟道增强型沟道增强型n 截止：截止： UDS0，UGS=0n
32、 导通：导通： UDS0， UGS UGS(th)（典型值典型值24V） 511.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )（a）（b）oP-MOSFET的静态工作特性的静态工作特性n可变电阻区可变电阻区：导通电阻与：导通电阻与UGS相关相关n饱和区饱和区：压控恒流特性，：压控恒流特性，ID仅与仅与UGS相关，跨导相关，跨导n击穿区击穿区 ：电流失控，应予以避免：电流失控，应予以避免n漏源极间有寄生二极管，加反向电压器件导通漏源极间有寄生二极管，加反向电压器件导通n通态电阻具有正温度系数，有利器件并联时的均流通态电阻具有正温度系数，有利器件并联时的均流漏漏极极伏伏
33、安安特特性性转转移移特特性性GSDmUig521.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )oP-MOSFET的动态工作特性的动态工作特性n极间电容等效模型极间电容等效模型多数载流子器件，无少子存储多数载流子器件，无少子存储 效应，开关速度快。效应，开关速度快。开关速度主要受极间电容影响。开关速度主要受极间电容影响。 增大驱动电路功率，可以加快增大驱动电路功率，可以加快 充放电速度，充分发挥充放电速度，充分发挥MOS管管 开关速度开关速度输入电容输入电容GDGSinCCC输入电容等效电路输入电容等效电路531.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-
34、MOSFET) )oP-MOSFET的开通过程的开通过程n开通延迟时间：开通延迟时间：td(on)n电流上升时间：电流上升时间：trin电压下降时间：电压下降时间：tfv n开通时间：开通时间：tontd(on)+tri+tfv 541.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )oP-MOSFET的关断过程的关断过程n关断延迟时间：关断延迟时间：td(off)n电压上升时间：电压上升时间：trvn电流下降时间：电流下降时间：tfin关断时间关断时间: :toff= td(off)+ trv+ tfi551.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MO
35、SFET) )oP-MOSFET的主要参数的主要参数 除除跨导跨导gm、开启电压开启电压UGS(th)、td(on)、tr、td(off)和和tf之外之外，还有：，还有：漏源击穿电压漏源击穿电压U(BR)DSS：规定了规定了MOS管的电压定额管的电压定额漏极连续直流电流漏极连续直流电流ID：在最大导通压降在最大导通压降UDS(on)和占空比为和占空比为 100100时，产生的功率损耗使时，产生的功率损耗使MOS 管节点温度上升到最大值管节点温度上升到最大值150150（外（外 壳温度为壳温度为1 10000）时的漏极电流。）时的漏极电流。可重复漏极电流幅值可重复漏极电流幅值IDM：脉冲运行状态
36、下脉冲运行状态下MOS管漏极最管漏极最 大允许峰值电流。大允许峰值电流。 栅源电压栅源电压UGS： UGS 20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿561.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )极间电容极间电容： 一般厂家提供的是漏源极短路时的输入电容一般厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源、共源极输出电容极输出电容Coss和反向转移电容和反向转移电容Crss，它们之间的关系是：，它们之间的关系是： Ciss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 输入电容可近似用输入电容可近似用Ciss代替，但这些电容都是非线性的。代
37、替，但这些电容都是非线性的。57o P-MOSFET的安全工作区的安全工作区 n正向偏置安全工作区（正向偏置安全工作区（FBSOA）低压时受漏极电流和通态电低压时受漏极电流和通态电 阻双重限制。阻双重限制。由最大漏极电流限制线、最由最大漏极电流限制线、最 大功耗限制线、最大漏源电大功耗限制线、最大漏源电 压限制线、漏源通态电阻限压限制线、漏源通态电阻限 制线决定。制线决定。 1.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )581.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )o P-MOSFET的安全工作区的安全工作区n反向偏置安全工作区（
38、反向偏置安全工作区（RBSOA）n又称开关安全工作区又称开关安全工作区（SSOA）功率管关断时允许的工作范围功率管关断时允许的工作范围由最大漏极电流限制线、由最大漏极电流限制线、 最大漏源电压限制线、最最大漏源电压限制线、最 高结温决定。高结温决定。591.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )o P-MOSFET的安全工作区的安全工作区n 转换安全工作区（转换安全工作区（CSOA）表示寄生二极管开关过表示寄生二极管开关过 程中的安全工作范围程中的安全工作范围由最大二极管正向电流、由最大二极管正向电流、 最大漏源电压限制线、最大漏源电压限制线、 二极管换向时电
39、流上升二极管换向时电流上升 率来决定率来决定60 1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT o IGBT的基本特性的基本特性n复合器件：复合器件：MOS与与GTR复合，栅极复合，栅极G、集电极集电极C和发射极和发射极En场控器件：场控器件：UGEUGE(th) 导通导通n饱和导通压降比饱和导通压降比P-MOSFET低低611.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT oIGBT的静态特性的静态特性n正向阻断区：正向阻断区： UGEUGE(th)， UCE0n有源区：压控恒流特性，有源区：压控恒流特性，IC仅与仅与UGE相关，跨导相关，跨导n击穿区：电流失控，应予以避
40、免击穿区：电流失控，应予以避免GECmUig62IGBT的动态特性的动态特性n开通过程开通过程开通延迟时间：开通延迟时间：td(on)电流上升时间：电流上升时间：tri电压下降时间：电压下降时间：tfv1、tfv2开通时间：开通时间： ton= td(on)+ tri+ tfv1+tfv21.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT63IGBT的动态特性的动态特性n关断过程关断过程开通延迟时间：开通延迟时间：td(off)电压上升时间：电压上升时间：trv电流下降时间：电流下降时间：tfi1、tfi2关断时间：关断时间： ton= td(off)+ trv+ tfi1+tfi21.
41、6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT64o IGBT的主要参数的主要参数 除了前面介绍的除了前面介绍的td(on)、tr、td(off)、tf、UGE(th)之外，还包括：之外，还包括： n最大集射极间电压最大集射极间电压超过规定值时可能发生击穿超过规定值时可能发生击穿击穿电压与晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关；击穿电压与晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关；栅射极短路时为栅射极短路时为UCES、栅射极开路时为栅射极开路时为UCEO、栅射极反偏栅射极反偏 时为时为UCEX有有UCEX UCEO UCES，三者差别较小三者差别较小 1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双
42、极晶体管IGBT651.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTo IGBT的主要参数的主要参数n 最大集电极电流最大集电极电流 集电极最大连续电流为额定电流，表征电流容量。集电极最大连续电流为额定电流，表征电流容量。 为避免锁定现象，规定了最大集电极峰值电流为避免锁定现象，规定了最大集电极峰值电流ICMn 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功耗正常工作温度下允许的最大功耗 n 最大栅极电压最大栅极电压 UGE 20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿66o IGBT的擎住效应的擎住效应n 内部实际可以等效为双晶体管结构内部实际可以等效为双晶体管结构n NP
43、NNPN晶体管基极与发射极之间存在基区短路电阻晶体管基极与发射极之间存在基区短路电阻n 集电极电流产生的压降有可能导通集电极电流产生的压降有可能导通 NPNNPN晶体管，形成晶闸管效应晶体管，形成晶闸管效应 1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT67o IGBT的安全工作区的安全工作区 正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）：最大集电极电流、最大集射最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定极间电压和最大集电极功耗确定 反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）：最大集电极电流、最大最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率集射极间电压和最大允
44、许电压上升率duCE/dt确定确定1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT681.7 1.7 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件* *o MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT MOSFET与晶闸管的复合，属于全控型器件，与晶闸管的复合，属于全控型器件，8080年代以来年代以来一度成为研究的热点，但经过十多年的努力，其关键技术问题一度成为研究的热点，但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，由于没有大的突破，由于IGBT的快速发展，目前从事的快速发展，目前从事MCTMCT研究的研究的人不是很多。人不是很多。o 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT 一种结型场效应晶体管，一种
45、结型场效应晶体管，SIT属于多子导电的器件，工作频属于多子导电的器件，工作频率与率与P-MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合，在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功高频大功率场合，在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。率放大和高频感应加热等领域获得应用。 691.7 1.7 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件* *o 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH 可看作可看作SIT与与GTO的复合，的复合，又称场控晶闸管（又称场控晶闸管（FCT），双极），双极型器件，电导调制效应使导通压降低
46、，通流能力强，开关速度比型器件，电导调制效应使导通压降低，通流能力强，开关速度比GTO高得多，制造工艺比高得多，制造工艺比GTO复杂，电流关断增益较小，因而复杂，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。其应用范围还有待拓展。o 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT 结合结合IGBT与与GTO的优点，容量与的优点，容量与GTO相当，开关速度比相当，开关速度比GTO快快1010倍，且可省去倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，但所需的庞大而复杂的缓冲电路，但所需的驱动功率仍很大。目前正在与驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图等新型器件激烈竞争，试图最终取代最终取
47、代GTO在大功率场合的位置。在大功率场合的位置。 701.7 1.7 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件* *o脉冲功率闭合开关晶闸管脉冲功率闭合开关晶闸管（PPCST） 适用于传送极强的峰值功率（数适用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的持续时间）、极短的持续时间（数（数nsns）的放电闭合开关应用场合，可取代目前的高压离子闸）的放电闭合开关应用场合，可取代目前的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等，目前未商业化流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等，目前未商业化 。o功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路n 多个相同器件或多个相互配合的电力电子器件封装在一多个相同
48、器件或多个相互配合的电力电子器件封装在一个模块中，称为功率模块个模块中，称为功率模块（Power Module）。n 器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等制作器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等制作在同一芯片上，这样的模块称为功率集成电路在同一芯片上，这样的模块称为功率集成电路（PIC）n IGBT与逻辑或控制电路的集成，称智能功率模块与逻辑或控制电路的集成，称智能功率模块（IPM）711.81.8 电力电子器件的驱动控制电路电力电子器件的驱动控制电路* *o 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路n 单结晶体管特性单结晶体管特性发射极发射极e、第一基极、第一基极b1、第二基极、
49、第二基极b2下部基区电阻下部基区电阻rb1受受e、 b1间电压控制间电压控制721.81.8 电力电子器件的驱动控制电路电力电子器件的驱动控制电路* * 截止区截止区ap段：段： 负阻区负阻区PV段：段： Ue过过P点，点， Ue减小减小Ie增大增大 饱和区饱和区VN段：正阻特性段：正阻特性bbbbb2b2b1b1b1b1e eUrrrU731.81.8 电力电子器件的驱动控制电路电力电子器件的驱动控制电路* *o 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路n VS削波形成削波形成uT波形波形n 电容电容C充放电形成锯齿波充放电形成锯齿波n RP调节充放电时间调节充放电时间 74o 晶闸管集成化触发
50、电路晶闸管集成化触发电路n R4输入同步型信号，形成输入同步型信号，形成P8波形波形n R6、RP1、C1决定锯齿波斜率决定锯齿波斜率n 偏移电压偏移电压UP配合配合RP1调节移相范围调节移相范围n 移相电压移相电压UY调节触发移相角调节触发移相角751.81.8 电力电子器件的驱动控制电路电力电子器件的驱动控制电路* *o 晶闸管的隔离驱动电路晶闸管的隔离驱动电路n 光电隔离驱动光电隔离驱动n 磁耦合隔离驱动磁耦合隔离驱动761.81.8 电力电子器件的驱动控制电路电力电子器件的驱动控制电路* *o 典型典型GTR驱动电路驱动电路n理想驱动波形理想驱动波形开通初期利用过驱动加速开通开通初期利
