第2章電力電子器件

1、1第第1章章 電力電子器件電力電子器件2第第1章章 主要內(nèi)容主要內(nèi)容3電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子技術(shù)的基礎(chǔ)v 電子器件：晶體管和集成電路電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：概述電力電子器件的概念概念、特點(diǎn)特點(diǎn)和分類分類等問(wèn)題。介紹常用電力電子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要參數(shù)要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問(wèn)題。第第1章章 電力電子器件電力電子器件引言引言41.1 電力電子器件概述電力電子器件概述51 1）概念）概念: :電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主

2、電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（主電路（Main Power Circuit） 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。2 2）廣義分類）廣義分類: : 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅）仍然1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件電力電子器件6能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電

3、子器件的概念和特征3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：7v通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。v器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗8電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。圖1-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附

4、加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行1.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路9l半控型器件（半控型器件（Thyristor）l 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) )l 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。l不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：10l電流驅(qū)動(dòng)型

5、電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。l電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：11本章內(nèi)容本章內(nèi)容: :介紹各種器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串保護(hù)和串、并聯(lián)使并聯(lián)使用用這三個(gè)問(wèn)題。學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn): :最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握電力電子器件的型號(hào)命名法命名法，以及其參數(shù)和特參數(shù)和特

6、性曲線的使用方法性曲線的使用方法。1.1.4 本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)121.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管13基本結(jié)構(gòu)和工作基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子原理與信息電子電路中的二極管電路中的二極管一樣。一樣。由一個(gè)面積較大由一個(gè)面積較大的的PN結(jié)和兩端引結(jié)和兩端引線以及封裝組成線以及封裝組成的。的。從外形上看，主從外形上看，主要有螺栓型和平要有螺栓型和平板型兩種封裝。板型兩種封裝。圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)

7、c)AK14主要指其伏安特性伏安特性l門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。l與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電正向電壓降壓降UF 。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU152) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 二極管的電壓二極管的電壓- -電流特性隨時(shí)電流特性隨時(shí) 間變化間變化 結(jié)電容的存在結(jié)電容的存在1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性a)IUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5

8、 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 延遲時(shí)間：td= t1- t0, 電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。F16v正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。v正向恢復(fù)時(shí)間tfrv電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖圖1-5(b)開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程：17額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波

9、電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)18在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。應(yīng)的正向壓降。3） 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 4）反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf1

10、.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降正向壓降UF19結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。6) 浪涌電流浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫）最高工作結(jié)溫TJM201.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管21圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有外形有螺栓型螺栓型

11、和和平板型平板型兩種封裝。兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。有三個(gè)聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3221.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)231.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中式中 1和和 2分別是晶體管分別是晶體管V1和和V2的共基極電流增益；的共基極電流增益；

12、ICBO1和和ICBO2分別是分別是V1和和V2的共基極漏的共基極漏電流。由以上式可得電流。由以上式可得 ：圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）241.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 晶閘管正常工作時(shí)的特性如下：晶閘管正常工作時(shí)的特性如下：承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。閘管

13、都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下于零的某一數(shù)值以下 。251.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性（1）正向特性）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓壓Ubo，則漏電流急劇

14、增大，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。器件開(kāi)通。隨著門極電流幅值的增大，隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，晶閘管本身的壓降很小，在在1V左右。左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG261.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反反向特性類似二極管的反向特性。向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流流過(guò)。小的反向漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電

15、壓后，可能導(dǎo)致晶閘管電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性27v 使晶閘管正常導(dǎo)通的條件使晶閘管正常導(dǎo)通的條件: : 加正向陽(yáng)極電壓加正向陽(yáng)極電壓; ; 同時(shí)加上正向門極電壓同時(shí)加上正向門極電壓; ; 并且要有足夠大的觸發(fā)功率。并且要有足夠大的觸發(fā)功率。 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性28v使使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟臈l件：晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟臈l件： 陽(yáng)極電壓反向或減小陽(yáng)極電壓反向或減小; ; 增大回路阻抗增大回

16、路阻抗; ; 使陽(yáng)極電流小于維持電流使陽(yáng)極電流小于維持電流I IH H。1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性291.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間延遲時(shí)間td (0.51.5 s)上升時(shí)間上升時(shí)間tr (0.53 s)開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt為 tgt=td+ tr 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t tq為為 tq=trr+tgr 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒約幾百微秒2） 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特

17、性圖1-9 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形301.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通 常 取 晶 閘 管 的U

18、DRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍。使用注意：使用注意：1）電壓定額電壓定額311.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）維持電流維持電流 IH 擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能能維持導(dǎo)通所需的最小電流。維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫指由于電路異常情況引起的并使結(jié)

19、溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。2 2）電流定額電流定額321.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 除開(kāi)通時(shí)間除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件

20、下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。3 3）動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)331.4 典型全控型器件典型全控型器件341.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊351.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止截止：柵源極間電壓為零或?yàn)樨?fù)。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，

21、P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) 電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理361.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于電力晶體管GTR。 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 。371.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極

22、電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性381.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止區(qū)截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的

23、放大區(qū)）非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A391.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通

24、過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a) 測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up脈沖信號(hào)源，Rs信號(hào)源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測(cè)漏極電流(2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性401.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管3) 電力電力MOSF

25、ET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS411.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOS

26、FET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。421.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+

27、-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)431.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 IGBT的原理的原理44a

28、)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開(kāi)啟電開(kāi)啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。451.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(o

29、ff)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程IGBT的開(kāi)通過(guò)程的開(kāi)通過(guò)程 與MOSFET的相似v開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) v電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr v開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tonvuCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。 (2) IGBTIGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性461.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-24 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程v關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）v電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間v

30、關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toffv電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。vtfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快。vtfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。 IGBT的關(guān)斷過(guò)程的關(guān)斷過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM471.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC

31、和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES481.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)如下的特性和參數(shù)特點(diǎn)如下：v 開(kāi)關(guān)速度較高，開(kāi)關(guān)損耗小。 v 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。v 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。v 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。v 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 491.6 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)501.6.1 電力電

32、子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口511.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電電氣隔離氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是磁隔離的元件通

33、常是脈沖變壓器脈沖變壓器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖1-25 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型521.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述v按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分: 電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型v 電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型v驅(qū)動(dòng)電路具體形式: 分立元件分立元件 專用集成驅(qū)動(dòng)電路專用集成驅(qū)動(dòng)電路雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路分類分類531.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路v作用作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，

34、保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。v晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求要求：脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。不超過(guò)門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。tIIMt1t2t3t4圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時(shí)間（1s）t1t3強(qiáng)脈寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路541.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路vV2、V3構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。v脈