第1章-電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能影響

1、第1章-電路運(yùn)行條件對(duì)電力電子器件性能影響第一頁，共23頁。1.1概述1.1.1決定電力電子器件實(shí)際效能的主要因素1.1.2電力電子器件的分類第二頁，共23頁。1.1.1決定電力電子器件實(shí)際效能的主要因素 所有電力電子器件在其裝置中的實(shí)際效能取決于兩方面：一是電力電子器件的設(shè)計(jì)和制作(參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安排、材料性能、工藝水平和散熱能力等)；二是器件所在電路的運(yùn)行條件(電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載性質(zhì)、控制信號(hào)、開關(guān)頻率、環(huán)境溫度和冷卻條件等)。前一個(gè)因素屬于器件的設(shè)計(jì)制作，后一個(gè)因素則與器件的選擇和使用有關(guān)。第三頁，共23頁。半控型器件（如SCR） 通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（如G

2、TR、GTO、IGBT、Power MOSFET) 通過控制信號(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。不可控器件(Power Diode) 不能用控制信號(hào)來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。 電力電子器件的分類按器件受控程度可分為以下三類：第四頁，共23頁。電流驅(qū)動(dòng)型（如GTR、SCR、GTO） 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型（如IGBT、 Power MOSFET ） 僅通過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。 電力電子器件的分類 按驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)可分為以下二類：第五頁，共23頁。單極型器件（如Power MOSFE

3、T） 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。雙極型器件（如GTO、GTR、SCR、SBD) 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。復(fù)合型器件(如IGBT) 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。 電力電子器件的分類按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況可分為以下三類：第六頁，共23頁。 典型電力電子器件的輸出容量、工作頻率及主要應(yīng)用領(lǐng)域第七頁，共23頁。 晶閘管（SCRSilicon Controlled Rectifier） KP200-5，表示該元件額定電流為200A，額定電壓為500V的普通晶閘管。第八頁，共23頁。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)晶閘管（

4、SCRSilicon Controlled Rectifier）第九頁，共23頁。 門極可關(guān)斷晶閘管（ GTO Gate-Turn-Off Thyristor ）GTO通過門極關(guān)斷的原因設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于門極關(guān)斷。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 第十頁，共23頁。電力晶體管（ GTR Giant Transistor）基本原理與普通雙極結(jié)型晶體管相同。主要特性：導(dǎo)通內(nèi)阻低、阻斷電壓高、輸入阻抗低、開關(guān)頻率低。通常采用達(dá)林頓接法組成單元結(jié)構(gòu)。第十一頁，共23頁。

5、功率場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同。主要特性：導(dǎo)通壓降高、開關(guān)容量低、輸入阻抗高、開關(guān)頻率高。小功率MOS管采用橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。第十二頁，共23頁。圖1-6功率MOSFET單胞結(jié)構(gòu)示意圖a)N溝道VDMOSb)N溝道VVMOSc)N溝道型器件符號(hào)d)P溝道型器件符號(hào)1源極2柵極3SiO24源區(qū)5溝道體區(qū)6漂移區(qū)(外延層)7襯底8溝道功率場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）第十三頁，共23頁。1.4絕緣柵晶體管(IGBT)1.4.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.

6、5驅(qū)動(dòng)電路第十四頁，共23頁。三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-25 IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)圖1-24 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖1.4.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理第十五頁，共23頁。1.4.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理1發(fā)射區(qū)2SiO23柵區(qū)4溝道5源區(qū)6溝道體區(qū)7漏區(qū)(漂移區(qū))8襯底(注入?yún)^(qū))9緩沖區(qū)圖1-31N溝道PT型IGBT單胞結(jié)構(gòu)剖面示意圖第十六頁，共23頁。1.4.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-32IGBT的等效電路及其圖形符號(hào)a)靜態(tài)等效電路b)簡化等效電路c)、d)N溝道型的兩種圖形符號(hào)e)、f)P溝道型的圖形符號(hào)第十七頁，共23頁。a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽

7、和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加補(bǔ)充：IGBT的基本特性補(bǔ)圖1 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IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th)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)。第十八頁，共23頁。IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 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。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。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)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 150K

8、Hz的IGBT已商品化；0.5kV/0.6kA的高壓IGBT已走向應(yīng)用。 第十九頁，共23頁。電流擎住現(xiàn)象 IGBT常與快速二極管反并聯(lián)封裝制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。IGBT可用移去柵壓關(guān)斷但其N漂移區(qū)無外引線，故不可能用抽流方式降低該區(qū)的過剩載流子濃度，這些空穴只能靠自然復(fù)合消失。 電流拖尾現(xiàn)象V2（NPN晶體管）基極與發(fā)射極之間存在溝道體區(qū)的薄層電阻Rs，其端壓大于0.7V時(shí)，V2將自行導(dǎo)通，當(dāng)1+2 1時(shí)，柵極便失去控制作用，這就是電流擎住現(xiàn)象。第二十頁，共23頁。1.4.5驅(qū)動(dòng)電路EXB840系列集成式驅(qū)動(dòng)芯片1、主要性能指標(biāo)。2、工作原理分析第二十一頁，共23頁。GMXD1B1、主要性