1、电子电气工程系电子电气工程系电子技术电子技术及应用及应用学习情境学习情境6 6 逆变电路的分析与测试逆变电路的分析与测试知识目标知识目标1掌握各种全控型器件的特性，理解全控型器件触发电路工作原理；掌握各种全控型器件的特性，理解全控型器件触发电路工作原理；2理解有源逆变电路的工作原理；理解有源逆变电路的工作原理；3.理解无源逆变电路的工作原理。理解无源逆变电路的工作原理。能力目标能力目标1会正确使用常用的电子仪器仪表；会正确使用常用的电子仪器仪表；2会正确选用各种全控型器件和器件的测试；会正确选用各种全控型器件和器件的测试；3能正确分析、测试逆变电路能正确分析、测试逆变电路。学习目标学习目标电子
2、电气工程系电子电气工程系学习情境学习情境6 6 逆变电路的分析与测试逆变电路的分析与测试学习任务学习任务1 全控型器件全控型器件学习任务学习任务2 有源逆变电路有源逆变电路学习学习任务任务3 3 无源逆变电路无源逆变电路 学习任务学习任务电子技术及电子技术及应用应用电子电气工程系电子电气工程系 教教 学学 目目 标标1了解各种全控型电力电子器件的结构了解各种全控型电力电子器件的结构；2掌握各种全控型电力电子器件的工作原理、电气符号、特性掌握各种全控型电力电子器件的工作原理、电气符号、特性及使用注意事项及使用注意事项；学习任务学习任务1 1 全控型器件全控型器件 学习情境学习情境6-6-学习任务
3、学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用电子电气工程系电子电气工程系1各种全控型器件的工作原理；各种全控型器件的工作原理；2各种全控型器件的主要参数。各种全控型器件的主要参数。教教 学学 重重 点点教教 学学 难难 点点1各种全控型器件的工作原理；各种全控型器件的工作原理；2全控型器件触发电路的工作原理。全控型器件触发电路的工作原理。学习任务学习任务1 1 全控型器件全控型器件 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用电子电气工程系电子电气工程系教教 学学 内内 容容 可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称简称GTO。
4、它具有普通。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。1.1 可关断晶闸管可关断晶闸管学习任务学习任务1 1 全控型器件全控型器件 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用1.1.1 可关断晶闸管的结构可关断晶闸管的结构 与普通晶闸管的相同点：与普通晶闸管的相同点：
5、PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些元，这些GTO元的阴极和门极元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。则在器件内部并联在一起。GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号(a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 (b)并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 (c)电气图形符号电气图形符号电子电气工程系电子电气工程
6、系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用1.1.2 可关断晶闸管的工作原理可关断晶闸管的工作原理 1.GTO的导通机理与的导通机理与SCR是相同的。是相同的。GTO一旦导通之后，门极信一旦导通之后，门极信号是可以撤除的号是可以撤除的,但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。2.在关断机理上与在关断机理上与SCR是不同的。是不同的
7、。门极加负脉冲即从门极抽出电流门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。而关断。电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用1.1.3 可关断晶闸管的主要参数可关断晶闸管的主要参数1.开通时间开通时间ton：延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12ms，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；2.关断时间关断时间toff：一般指储存时间和下降时
8、间之和，不包括尾部时间。一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2ms；3.最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO：它是它是GTO的额定电流；的额定电流；4.电流关断增益电流关断增益off：GTO的门极可关断能力可用电流关断增益的门极可关断能力可用电流关断增益off来来表征，表征，最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值与门极负脉冲电流最大值IGM之比称之比称为电流关断增益；为电流关断增益；通常大容量通常大容量GTO的关断增益的关断增益很小，很小，不超
9、过不超过35。这正是。这正是GTO的缺点。的缺点。一个一个1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A。GMATOoffII电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用1.1.4 可关断晶闸管的使用可关断晶闸管的使用 用门极正脉冲可使用门极正脉冲可使GTO开通，开通，用门极负脉冲可以使其关断，用门极负脉冲可以使其关断，这这是是GTO最大的优点。最大的优点。但要使但要使GTO关断的门极反向电流比较大，关断的门极反向电流比较大，约为约为阳极电流的阳极电流的/左右。左右。GTO的通态管压降比较大，的通态管
10、压降比较大，一般为一般为23V。GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别在使用时要特别注意。注意。不少不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联和电力二极管串联。电子电气工程系电子电气工程系1.2 电力晶体管电力晶体管 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用 电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管），直译为巨型晶体管）是一种耐高电压、大电流的双极型晶体管是一种耐高电压、大电流的双极型晶体
11、管（Bipolar Junction Transistor BJT），英文有时候也称为），英文有时候也称为Power BJT。在电力电。在电力电子技术的范围内，子技术的范围内，GTR与与BJT这两个名称等效。这两个名称等效。电力晶体管是由基极电流控制其通断，属于全控型器件。可用电力晶体管是由基极电流控制其通断，属于全控型器件。可用于于10kHz以下的大功率电力变换电路中。其缺点是耐冲击能力差，以下的大功率电力变换电路中。其缺点是耐冲击能力差，易受二次击穿而损坏。易受二次击穿而损坏。20世纪世纪80年代以来，在中、小功率范围内取年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被代晶闸管，但目
12、前又大多被IGBT和电力和电力MOSFET取代。取代。电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用1.2.1 电力晶体管的结构电力晶体管的结构 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的有三层半导体、两个与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的有三层半导体、两个PN结组成。和小功率晶体管一样，有结组成。和小功率晶体管一样，有PNP和和NPN两种类型，两种类型，GTR通常多用通常多用NPN结构。下图所示分别是结构。下图所示分别是NPN型电力晶体管的内部结构图和电气图形符型电力晶体管的内部结构图和电气图形符号。多数情况下采用三重扩散制作电力晶体
13、管，或是在集电区高掺杂的号。多数情况下采用三重扩散制作电力晶体管，或是在集电区高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩基区，接着扩散高掺杂的散高掺杂的N+发射区。发射区。GTR的结构、电气图形符号的结构、电气图形符号 a)b)内部结构断面示意图内部结构断面示意图 c)电气图形符号电气图形符号电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用1.2.2 电力晶体管的工作原理电力晶体管的工作原理 电力电子技术中，电力电子技术中，GTR主要工作在主要工作在开关
14、状态，通常接成共发射极电路。开关状态，通常接成共发射极电路。GTR通常工作在正偏（通常工作在正偏（Ib0）时大电流）时大电流导通；反偏导通；反偏（Ib 0,U0,UBCBC 0 0，I IB B变化时变化时I IC C不再改变，管不再改变，管压降压降U UCESCES很小，类似于开关很小，类似于开关的通态。的通态。1.GTR共射电路输出特性共射电路输出特性 输出特性输出特性：截止区：截止区(又叫阻断区又叫阻断区)、线性、线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。截止区截止区：I IB B 0(0(或或I IB B=0)=0)，U UBEBE 0 0，U UBC
15、BC 0 0，U UBCBC 0 0，U UBCBC 0 0，但，但I IC C与与I IB B之间不再呈线性关系，之间不再呈线性关系，开始下降，曲线开始弯曲；开始下降，曲线开始弯曲；共发射极接法时共发射极接法时GTR的输出特性的输出特性电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用 1 1）延迟时间）延迟时间t td d和上升时间和上升时间t tr r，二者之和为开通时间二者之和为开通时间t tonon。2 2）t td d主要是由发射结势垒电主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。容和集电结势垒电容充电产生的。增大增大i
16、ib b的幅值并增大的幅值并增大didib b/dt/dt，可缩，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程间，从而加快开通过程 。GTR的开通和关断过程的开通和关断过程电流波形电流波形2.GTR2.GTR的开关特性的开关特性（1 1）开通过程：）开通过程：电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用v 关断时间关断时间t toffoff为：存储时间为：存储时间t ts s和与下降和与下降时间时间t tf f之和。之和。v t ts s是用来除去饱和导通时储存在基区的是用来除去饱和导通时储存在基区
17、的载流子的，是关断时间的主要部分。载流子的，是关断时间的主要部分。v 减小导通时的饱和深度以减小储存的载减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流流子，或者增大基极抽取负电流I Ib2b2的的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。加快关断速度。v 负面作用是会使集电极和发射极间的饱负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降和导通压降U Ucesces增加，从而增大通态损增加，从而增大通态损耗。耗。v GTRGTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和管和GTOGTO都短很多都短很多 。GTR的开通和的开
18、通和 关断过程电流波形关断过程电流波形（2 2）关断过程：）关断过程：电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用1.2.4 电力晶体管的主要参数电力晶体管的主要参数 集电极电流最大值集电极电流最大值ICM：一般以一般以值下降到额定值的值下降到额定值的1213时的时的IC值定为值定为ICM；基极电流最大值基极电流最大值IBM：规定为内引线允许通过的最大电流，通常取规定为内引线允许通过的最大电流，通常取IBM(1/21/6)ICM；1.1.电压定额电压定额2.电流定额电流定额 集基极击穿电压集基极击穿电压BUCBO：发射极开路时，集射极
19、能承受的最高电压；发射极开路时，集射极能承受的最高电压；集射极击穿电压集射极击穿电压BUCEO：基极开路时，集射极能承受的最高电压；基极开路时，集射极能承受的最高电压；3.最高结温最高结温TjM：GTR的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管关。一般情况下，塑封硅管TjM为为125150，金封硅管，金封硅管TjM为为150170，高可靠平面管，高可靠平面管TjM为为175200。电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及电子技术及应用应用4.最大耗散功率最大耗散功
20、率PCM：即即GTR在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意别注意GTR的散热，如果散热条件不好，的散热，如果散热条件不好，GTR会因温度过高而迅速损坏。会因温度过高而迅速损坏。5.饱和压饱和压降降UCES：为为GTR工作在深饱和区时，集射工作在深饱和区时，集射极间的电压值。由图可知，极间的电压值。由图可知，UCES随随IC增加而增加。在增加而增加。在IC不变时，不变时，UCES随管随管壳温度壳
21、温度TC的增加而增加。的增加而增加。6.共射直流电流增益共射直流电流增益：表示表示GTR的电流放大能力。高压大功率的电流放大能力。高压大功率GTR(单管单管)一般一般10；=ICIB饱和压降特性曲线饱和压降特性曲线电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用 一次击穿：一次击穿：集电极电压升高至击穿电压集电极电压升高至击穿电压时，时，Ic迅速增大，出现雪崩击迅速增大，出现雪崩击 穿。只要穿。只要Ic不超不超过限度，过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿：二次击穿：一次击穿发生时一次击穿发生时
22、Ic增大到某个增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变作特性明显衰变。1.二次击穿二次击穿一次击穿、二一次击穿、二次击穿原理次击穿原理二次击穿临界线二次击穿临界线1.2.5 二次击穿和安全工作区二次击穿和安全工作区 2.2.安全工作区安全工作区 安全工作区安全工作区SOA(Safe Operation Area)SOA(Safe Operation Area)是是指在输出特性曲线图上指在输出特性曲线图上GTRGTR能够安全运行的电能够安全运行的电流、电
23、压的极限范围。流、电压的极限范围。按基极偏置分类可分为按基极偏置分类可分为正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA和和反偏安全工作区反偏安全工作区RBSOARBSOA。电子电气工程系电子电气工程系1.3 电力场效应管电力场效应管 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用 分为结型场效应管简称分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属）和绝缘栅金属-氧化物氧化物-半导体场效应半导体场效应管（简称管（简称MOSFET）。）。通常指绝缘栅型中的通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力型，简称电力MOSFET。N N沟道沟道P P沟道沟道电力电力MOSFETMOS
24、FET耗尽型：耗尽型：增强型增强型:耗尽型耗尽型增强型增强型当栅极电压为零时漏当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电源极之间就存在导电沟道；沟道；对于对于N N（P P）沟道器件）沟道器件,栅极电压大于（小于）栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道零时才存在导电沟道 特点：输入阻抗高特点：输入阻抗高(可达可达40M40M以上以上)、开关速度快，工作频率高、开关速度快，工作频率高(开关开关频率可达频率可达1000kHz)1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区二次击穿问题、安全工作区(SOA)(SOA)
25、宽；宽；电流容量小，耐压低，一般只适用电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过功率不超过10kW的电力电子装置。的电力电子装置。电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用 特点：特点：(1)(1)垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；而且可获得大的电流容量；(2)(2)设置了高电阻率的设置了高电阻率的N N区以提高电压容量；区以提高电压容量；(3)(3)短沟道短沟道(1(1 2m)2m)降低了栅极下端降低了栅极下端S Si iO O
26、2 2层的栅沟本征电容和沟层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；道电阻，提高了开关频率；(4)(4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。VDMOSVDMOS的典型结构的典型结构N N沟道沟道VDMOSVDMOS管元胞结构与电气符号管元胞结构与电气符号1.3.1 电力场效应管的结构电力场效应管的结构电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.3.2 电力场效应管的工作原理电力场效应管的工作原理 VDMOS的漏极电流的漏极电流ID受控于栅压受控于栅压UGS；1.1.截止：截止：
27、栅源电压栅源电压 UGS0 或或 0UGSUT(UT为开启电压，又叫阈值电压为开启电压，又叫阈值电压)；2.2.导通：导通：UGSUT时，加至漏极电压时，加至漏极电压UDS0；3.3.漏极电流漏极电流ID：N沟道沟道VDMOS管元胞结构管元胞结构与电气符号与电气符号 电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.3.3 电力场效应管的特性电力场效应管的特性 在不同的在不同的UGS下，漏极电流下，漏极电流ID 与与漏极电压漏极电压UDS 间的关系曲线族称为间的关系曲线族称为VDMOS的输出特性曲线的输出特性曲线。如图所示，。如图所示，
28、它可以分为四个区域：它可以分为四个区域：1.截止区：截止区：当当UGSUT(UT的典型值为的典型值为24V)时；时；2.线性线性(导通导通)区：区：当当UGSUT且且UDS很小很小时，时，ID和和UGS几乎成几乎成 线性关系。又叫欧线性关系。又叫欧姆工作区；姆工作区；3.饱和区饱和区(又叫有源区又叫有源区)：在在UGSUT时，时，且随着且随着UDS的增大，的增大，ID几乎不变几乎不变;4.雪崩区：雪崩区：当当UGSUT，且，且UDS 增大到一增大到一定值时；定值时；VDMOS管的输出特性管的输出特性电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技
29、术及应用1.3.4 电力场效应管的主要参数电力场效应管的主要参数 1.漏极电压漏极电压U UDSDS 即电力即电力MOSFETMOSFET的额定电压，选用时必须留有较大安全裕量。的额定电压，选用时必须留有较大安全裕量。即电力即电力MOSFETMOSFET的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。2.2.漏极最大允许电流漏极最大允许电流I IDMDM3.3.栅源电压栅源电压U UGSGS 栅极与源极之间的绝缘层很薄，栅极与源极之间的绝缘层很薄，U UGSGS20V20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿。4.4.极间电容极间电容GDGSINCCC GDDSOC
30、CC GDRCC 输入电容：输入电容：输出电容：输出电容：反馈电容：反馈电容：VDMOS极间电容等效电路极间电容等效电路 电子电气工程系电子电气工程系1.4 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT)学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用 IGBTIGBT：绝缘栅双极型晶体管：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)(Insulated Gate Bipolar Transistor)。兼具功率兼具功率MOSFETMOSFET高速高速开关特性和开关特性和GTRGTR的的低导通压降低导通压降特性两者优点的
31、一特性两者优点的一种复合器件。种复合器件。IGBTIGBT于于19821982年开始研制，年开始研制，19861986年投产，是发展最快而且很有前途的一年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。种混合型器件。目前目前IGBTIGBT产品已系列化，最大电流容量达产品已系列化，最大电流容量达1800A1800A，最高电压等级达，最高电压等级达4500V4500V，工作频率达，工作频率达50kHZ50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，率领域，IGBTIGBT取代了取代了GTRGTR和一部分和一
32、部分MOSFETMOSFET的市场。的市场。电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.4.1 绝缘栅双极型晶体管的结构绝缘栅双极型晶体管的结构 绝缘栅双极晶体管也是一种多元绝缘栅双极晶体管也是一种多元结构的器件，如所示为其中一个小元结构的器件，如所示为其中一个小元结构的剖面图。与功率结构的剖面图。与功率MOSFETMOSFET相比，相比，在漏极在漏极N+N+区下面多了个区下面多了个P+P+层，形成一层，形成一个新的个新的PNPN结结J1J1，器件集电极即从这个，器件集电极即从这个P+P+层引出。栅极和发射极结构则类似层引出。栅极
33、和发射极结构则类似于功率于功率MOSFETMOSFET。因此从电路来看，。因此从电路来看，IGBTIGBT相当于一个相当于一个N N沟道沟道MOSFETMOSFET驱动的驱动的PNPPNP型型GTRGTR。其等效电路和电路符号如。其等效电路和电路符号如图所示。图所示。IGBT的结构、简化等效电路的结构、简化等效电路 与电气符号与电气符号 电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.4.2 绝缘栅双极型晶体管的工作原理绝缘栅双极型晶体管的工作原理 IGBTIGBT也属场控器件，其驱动原理与电力也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFE
34、TMOSFET基本相同，是一种由基本相同，是一种由栅极电压栅极电压UGEUGE控控制集电极电流的栅控自关断器件。制集电极电流的栅控自关断器件。v 导通：导通：U UG EG E大于开启电压大于开启电压U UG E(t hG E(t h)时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电内形成沟道，为晶体管提供基极电流，流，IGBTIGBT导通。导通。v 导通压降：导通压降：电导调制效应使电阻电导调制效应使电阻R RN N减小，减小，使通态压降小。使通态压降小。v 关断：关断：栅射极间施加反压或不加信号时，栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFETMOSFET内的沟道消失，晶体管的基
35、极电流内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，被切断，IGBTIGBT关断。关断。IGBTIGBT伏安特性伏安特性电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.4.3 绝缘栅双极型晶体管的特性绝缘栅双极型晶体管的特性1.IGBT的伏安特性的伏安特性 反映在一定的栅极一发射极电压反映在一定的栅极一发射极电压U UGEGE下器件的输出端电压下器件的输出端电压U UCECE与电与电流流I Ic c的关系。的关系。IGBTIGBT的伏安特性分为的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。IGBT的伏
36、安特性曲线的伏安特性曲线电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用 U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)(开启电压开启电压,一般为一般为3 36V)6V)；其输出电流其输出电流I Ic c与驱动电压与驱动电压U UGEGE基本呈线性关基本呈线性关系；系；IGBT的转移特性曲线的转移特性曲线IGBTIGBT关断：关断：IGBTIGBT开通：开通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)；2.IGBT的转移特性的转移特性电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用（1）
37、IGBT的开通过程：的开通过程：从正向阻断状态转换到正向从正向阻断状态转换到正向导通的过程。导通的过程。v开通延迟时间开通延迟时间td(on)：IC从从10%UCEM到到10%ICM所所需时间。需时间。v电流上升时间电流上升时间tr：IC从从10%ICM上升至上升至90%ICM所需时间。所需时间。v开通时间开通时间ton ton：ton=td(on)+trIGBT的开关特性的开关特性 3.IGBT的开关特性的开关特性电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用（2）IGBT的关断过程的关断过程v 关断延迟时间关断延迟时间td(off)
38、：从从UGE后后沿下降到其幅值沿下降到其幅值90%的时刻起的时刻起，到，到ic下降至下降至90%ICM v 电流下降时间：电流下降时间：ic从从90%ICM下下降至降至10%ICM。v 关断时间关断时间toff：关断延迟时间与关断延迟时间与电流下降之和。电流下降之和。电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1和和tfi2 tfi1IGBT内部的内部的MOSFET的的关断过程，关断过程，ic下降较快；下降较快；tfi2IGBT内部的内部的PNP晶体管晶体管的关断过程，的关断过程，ic下降较慢。下降较慢。图图1.7.3 IGBT的开关特性的开关特性 电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习
39、情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.4.4 绝缘栅双极型晶体管的主要参数绝缘栅双极型晶体管的主要参数1.1.最大集射极间电压最大集射极间电压U UCEMCEM：IGBTIGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。2.2.栅射极额定电压栅射极额定电压U UGEMGEM：IGBTIGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBTIGBT的导通的导通和关断，而和关断，而U UGEMGEM就是栅极控制信号的电压额定值。就是栅极控制信号的电压额定值。3.3.集电极电流最
40、大值集电极电流最大值I ICMCM：IGBTIGBT的的 I IC C增大，可至器件发生擎住效应，此时为防止增大，可至器件发生擎住效应，此时为防止 发生擎发生擎住效应，规定的集电极电流最大值住效应，规定的集电极电流最大值I ICMCM。4.4.最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM：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 。电子电气工程系电子电气工程系1.5 全控型器件的驱动电路全控型器件的驱动电路 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，
41、转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。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。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。在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务
42、1 1电子技术及应用电子技术及应用1.5.1 GTO的驱动电路的驱动电路 开通：开通：在门极加正驱动电流。在门极加正驱动电流。GTO的几种基本驱动电路：的几种基本驱动电路：关断：关断：在门极加很大的负电流。在门极加很大的负电流。电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.图图(a)晶体管导通、关断过程晶体管导通、关断过程：电源经使电源经使GTOGTO触发导通，电容充电，触发导通，电容充电，电压极性如图示。当关断时，电容放电，反电压极性如图示。当关断时，电容放电，反向电流使向电流使GTOGTO关断。关断。起开通限流作用，在起开通限流
43、作用，在SCRSCR阳极电流下降阳极电流下降期间释放出储能，补偿期间释放出储能，补偿GTOGTO的门极关断电流，提的门极关断电流，提高了关断能力。高了关断能力。该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电源，源，其关断能力有限且不易控制。另一方面，其关断能力有限且不易控制。另一方面，电容上必须有一定的能量才能电容上必须有一定的能量才能使使GTOGTO关断，故关断，故触发的脉冲必须有一定的宽度。触发的脉冲必须有一定的宽度。电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用导通：导通：1、2导通时导通时GTO被触
44、发；被触发；关断：关断：1、2关断和关断和SCR、SCR 导通时导通时GTO门极与阴极间流过门极与阴极间流过 负电流而被关断；负电流而被关断；由于由于GTOGTO的开通和关断均依赖于一个独的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲。触发脉冲可采用窄脉冲。2.图图(b)晶体管导通、关断过程：晶体管导通、关断过程：电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用 图图(c)中，导通和关断用两个独立中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。的电源，开关元件少
45、，电路简单。图图(d)，对于，对于300A以上的以上的GTO，用此驱动电路可以满足，用此驱动电路可以满足要求。要求。3.图图(c)、图、图(d)晶体管导通、关断过程：晶体管导通、关断过程：电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.5.2 GTR的驱动电路的驱动电路 1.作用作用:将控制电路输出的控制信号放大到足以保证将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。可靠导通和关断的程度。2.功能功能:提供合适的正反向基流以保证提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导可靠导通与关断通与关断(期望的基极驱动电流波形如图
46、期望的基极驱动电流波形如图1.9.7 所所示示)。实现主电路与控制电路的隔离。实现主电路与控制电路的隔离。具有自动保护功能，以便在故障发生时快具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。能力强。理想的基极驱动理想的基极驱动电流波形电流波形电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用双电源驱动电路双电源驱动电路 UAA4002组成的组成的GTR驱动电路驱动电路 电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习
47、情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.5.3 MOSFET和和IGBT的驱动电路的驱动电路 由于由于IGBTIGBT的输入特性几乎和的输入特性几乎和VDMOSVDMOS相同相同(阻抗高，呈容性阻抗高，呈容性)所以，所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBTIGBT的驱动电路同样可以用于的驱动电路同样可以用于VDMOSVDMOS。采用脉冲变压器隔离采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路的栅极驱动电路 推挽输出的栅极推挽输出的栅极驱动电路驱动电路 电子电气工程系电子电气工程系 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子
48、技术及应用EXB8XX驱动模块框图驱动模块框图 集成驱动器的应用电路集成驱动器的应用电路 电子电气工程系电子电气工程系教教 学学 小小 结结 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.GTO的导通和关断过程；2.GTR的工作原理；3.MOSFET的工作原理；4.IGBT的工作原理。电子电气工程系电子电气工程系课课 外外 任任 务务 学习情境学习情境6-6-学习任务学习任务1 1电子技术及应用电子技术及应用1.课外作业：各种全控型器件的导通条件是什么?各种全控型器件的关断条件是什么?如何实现?2.课外任务拓展：通过电力电子网站或电力电子论坛了解全控型电力电子器件的应用及未来的发展方向与趋势。
