變頻器主電路常用電力半導(dǎo)體器件

變頻器主電路

常用的電力半導(dǎo)體器件電力、電子器件

電子技術(shù)的基礎(chǔ)電力電子器件電力電子電路的基礎(chǔ)電子器件：晶體管和集成電路電力電子器件的概念和特征

電力電子電路的基礎(chǔ)——電力電子器件概念:電力電子器件（powerelectronicdevice）——可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件主電路（mainpowercircuit）——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)的電路廣義上分為兩類:電真空器件

(汞弧整流器、閘流管等電真空器件)

半導(dǎo)體器件

(采用的主要材料仍然是硅)同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。

電力電子器件的概念和特征應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成1.1.2電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）不可控器件電力二極管（PowerDiode）只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：

1)電流驅(qū)動型

1)單極型器件電力電子器件的分類2)電壓驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制2)雙極型器件3)復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為兩類：僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。不可控器件—電力二極管PN結(jié)與電力二極管的工作原理

基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。PN結(jié)的形成擴散運動和漂移運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)?？臻g電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負(fù)電荷稱為空間電荷。PN結(jié)與電力二極管的工作原理

PN結(jié)的正向向?qū)顟B(tài)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)應(yīng)使得PN結(jié)結(jié)在正向電流流較大時壓降降仍然很低，，維持在1V左右，所以以正向偏置的的PN結(jié)表現(xiàn)現(xiàn)為低阻態(tài)。。PN結(jié)的反向向截止?fàn)顟B(tài)PN結(jié)的單向向?qū)щ娦浴６O管的基本本原理就在于于PN結(jié)的單單向?qū)щ娦赃@這一主要特征征。PN結(jié)的反向向擊穿有雪崩擊穿和和齊納擊穿兩兩種形式，可可能導(dǎo)致熱擊擊穿。PN結(jié)的電容容效應(yīng)：PN結(jié)的電荷荷量隨外加電電壓而變化，，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)產(chǎn)生機制和作作用的差別分分為勢壘電容CB和擴散電容CD。PN結(jié)與電力力二極管的工工作原理造成電力二極極管和信息電電子電路中的的普通二極管管區(qū)別的一些因素：：正向?qū)〞r要要流過很大的的電流，其電電流密度較大大，因而額外外載流子的注注入水平較高高，電導(dǎo)調(diào)制制效應(yīng)不能忽忽略。引線和焊接電電阻的壓降等等都有明顯的的影響。承受的電流變變化率di/dt較大，因而其其引線和器件件自身的電感感效應(yīng)也會有有較大影響。。為了提高反向向耐壓，其摻摻雜濃度低也也造成正向壓壓降較大。PN結(jié)與電力力二極管的工工作原理電力二極管的的基本特性1.靜態(tài)特特性主要指其伏安特性電力二極管的的伏安特性當(dāng)電力二極管管承受的正向向電壓大到一一定值（門檻電壓UTO），正向電流流才開始明顯顯增加，處于于穩(wěn)定導(dǎo)通狀狀態(tài)。與正向向電流IF對應(yīng)的電力二二極管兩端的的電壓UF即為其正向電電壓降。當(dāng)電電力二極管承承受反向電壓壓時，只有少少子引起的微微小而數(shù)值恒恒定的反向漏漏電流。2.動態(tài)特特性電力二極管的的基本特性動態(tài)特性關(guān)斷過程：開關(guān)特性須經(jīng)過一段短短暫的時間才才能重新獲得得反向阻斷能能力，進(jìn)入截截止?fàn)顟B(tài)。反映通態(tài)和斷斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換過程因結(jié)電容的存存在，三種狀狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換必然有一一個過渡過程程，此過程中中的電壓—電電流特性是隨隨時間變化的的。開通過程：電力二極管的的正向壓降先先出現(xiàn)一個過過沖UFP，經(jīng)過一段時時間才趨于接接近穩(wěn)態(tài)壓降降的某個值（（如2V））。這一動態(tài)態(tài)過程時間被被稱為正向恢恢復(fù)時間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)應(yīng)起作用需一一定的時間來來儲存大量少少子，達(dá)到穩(wěn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管管壓降較大。。正向電流的上上升會因器件件自身的電感感而產(chǎn)生較大大壓降。電流流上升率越大大，UFP越高。2.動態(tài)特性電力二極管的的基本特性晶閘管（Thyristor））：晶體閘流流管，可控硅硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美美國貝爾實驗驗室（BellLab）發(fā)明了晶晶閘管1957年美美國通用電氣氣公司（GE）開發(fā)出第第一只晶閘管管產(chǎn)品1958年商商業(yè)化開辟了電力電電子技術(shù)迅速速發(fā)展和廣泛泛應(yīng)用的嶄新新時代20世紀(jì)80年代以來，，開始被性能能更好的全控控型器件取代代能承受的電壓壓和電流容量量最高，工作作可靠，在大大容量的場合合具有重要地地位晶閘管往往專專指晶閘管的的一種基本類類型——普通通晶閘管，廣廣義上講，晶晶閘管還包括括其許多類型型的派生器件件半控器件—晶晶閘管晶閘管的結(jié)構(gòu)構(gòu)與工作原理理外形有螺栓型型和平板型兩兩種封裝引出陽極A、、陰極K和門門極（控制端端）G三個聯(lián)聯(lián)接端對于螺栓型封封裝，通常螺螺栓是其陽極極，能與散熱熱器緊密聯(lián)接接且安裝方便便平板型封裝的的晶閘管可由由兩個散熱器器將其夾在中中間晶閘管的外形形、結(jié)構(gòu)和電電氣圖形符號號a)外形b)結(jié)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形形符號螺栓型晶閘管管晶閘管模塊平板型晶閘管管外形及結(jié)構(gòu)構(gòu)常用晶閘管的結(jié)構(gòu)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)構(gòu)與工作原理理Ic1=1IA+ICBO1Ic2=2IK+ICBO2IK=IA+IGIA=Ic1+Ic2式中1和2分別是晶體管管V1和V2的共基極電流流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電電流。由以上上式可得晶閘管的雙晶晶體管模型及及其工作原理理a)雙晶體體管模型b)工作作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)構(gòu)與工作原理理晶體管的特性性是：在低發(fā)射極電電流下是很小的，而而當(dāng)發(fā)射極電電流建立起來來之后，迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶晶閘管的漏電電流稍大于兩兩個晶體管漏漏電流之和。。開通（門極觸觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流流使晶體管的的發(fā)射極電流流增大以致1+2趨近于1的話話，流過晶閘閘管的電流IA（陽極電流））將趨近于無無窮大，實現(xiàn)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。。IA實際由外電路路決定。晶閘管的結(jié)構(gòu)構(gòu)與工作原理理其他幾種可能能導(dǎo)通的情況況：陽極電壓升高高至相當(dāng)高的的數(shù)值造成雪雪崩效應(yīng)陽極電壓上升升率du/dt過高結(jié)溫較高光直接照射硅硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)可以保保證控制電路路與主電路之之間的良好絕絕緣而應(yīng)用于于高壓電力設(shè)設(shè)備中，其它它都因不易控控制而難以應(yīng)應(yīng)用于實踐，，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發(fā)發(fā)（包括光觸觸發(fā)）是最精精確、迅速而而可靠的控制制手段晶閘管的結(jié)構(gòu)構(gòu)與工作原理理晶閘管的基本本特性1.靜態(tài)特特性總結(jié)前面介紹紹的工作原理理，可以簡單單歸納晶閘管管正常工作時時的特性如下下：承受反向電壓壓時，不論門門極是否有觸觸發(fā)電流，晶晶閘管都不會會導(dǎo)通。承受正向電壓壓時，僅在門門極有觸發(fā)電電流的情況下下晶閘管才能能開通。晶閘管一旦導(dǎo)導(dǎo)通，門極就就失去控制作作用。要使晶閘管關(guān)關(guān)斷，只能使使晶閘管的電電流降到接近近于零的某一一數(shù)值以下。。晶閘管的伏安安特性第I象限的是是正向特性第III象限限的是反向特特性晶閘管的伏安安特性IG2>IG1>IG晶閘管的基本本特性1)正向特性IG=0時，器件件兩端施加正正向電壓，正正向阻斷狀態(tài)態(tài)，只有很小小的正向漏電電流流過，正正向電壓超過過臨界極限即即正向轉(zhuǎn)折電電壓Ubo，則漏電流急急劇增大，器器件開通。隨著門極電流流幅值的增大大，正向轉(zhuǎn)折折電壓降低。。導(dǎo)通后的晶閘閘管特性和二二極管的正向向特性相仿。。晶閘管本身的的壓降很小，，在1V左右右。導(dǎo)通期間，如如果門極電流流為零，并且且陽極電流降降至接近于零零的某一數(shù)值值IH以下，則晶閘閘管又回到正正向阻斷狀態(tài)態(tài)。IH稱為維持電流流。晶閘管的伏安安特性晶閘管的基本本特性2)反向特性晶閘管上施加加反向電壓時時，伏安特性性類似二極管管的反向特性性。晶閘管處于反反向阻斷狀態(tài)態(tài)時，只有極極小的反相漏漏電流流過。。當(dāng)反向電壓超超過一定限度度，到反向擊擊穿電壓后，，外電路如無無限制措施，，則反向漏電電流急劇增加加，導(dǎo)致晶閘閘管發(fā)熱損壞壞。晶閘管的伏安安特性晶閘管的基本本特性2.動態(tài)特特性晶閘管的開通通和關(guān)斷過程程波形晶閘管的基本本特性1)開通過過程延遲時間td：門極電流階階躍時刻開始始，到陽極電電流上升到穩(wěn)穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。上升時間tr：陽極電流從從10%上升升到穩(wěn)態(tài)值的的90%所需的時間。。開通時間tgt以上兩者之和和，tgt=td+tr普通晶閘管延延遲時為0.5~1.5s，上升時間為為0.5~3s。晶閘管的開通通和關(guān)斷過程程波形晶閘管的基本本特性2)關(guān)斷過過程反向阻斷恢復(fù)復(fù)時間trr：正向電流降降為零到反向向恢復(fù)電流衰衰減至接近于于零的時間正向阻斷恢復(fù)復(fù)時間tgr：晶閘管要恢恢復(fù)其對正向向電壓的阻斷斷能力還需要要一段時間在正向阻斷恢恢復(fù)時間內(nèi)如如果重新對晶晶閘管施加正正向電壓，晶晶閘管會重新新正向?qū)?。。實際應(yīng)用中，，應(yīng)對晶閘管管施加足夠長長時間的反向向電壓，使晶晶閘管充分恢恢復(fù)其對正向向電壓的阻斷斷能力，電路路才能可靠工工作。關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr普通晶閘管的的關(guān)斷時間約約幾百微秒。。晶閘管的開通通和關(guān)斷過程程波形晶閘管的基本本特性晶閘管的派生生器件1.快速晶晶閘管（FastSwitchingThyristor———FST)包括所有專為為快速應(yīng)用而而設(shè)計的晶閘閘管，有快速速晶閘管和高高頻晶閘管。。管芯結(jié)構(gòu)和制制造工藝進(jìn)行行了改進(jìn)，開開關(guān)時間以及及du/dt和di/dt耐量都有明顯顯改善。普通晶閘管關(guān)關(guān)斷時間數(shù)百百微秒，快速速晶閘管數(shù)十十微秒，高頻頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的的不足在于其其電壓和電流流定額都不易易做高。由于工作頻率率較高，選擇擇通態(tài)平均電電流時不能忽忽略其開關(guān)損損耗的發(fā)熱效效應(yīng)。2.雙向晶閘閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor））圖1-10雙雙向晶閘閘管的電氣圖圖形符號和伏伏安特性a)電氣圖圖形符號b)伏安安特性晶閘管的派生生器件可認(rèn)為是一對對反并聯(lián)聯(lián)接接的普通晶閘閘管的集成。。有兩個主電極極T1和T2，一個門極G。正反兩方向均均可觸發(fā)導(dǎo)通通，所以雙向向晶閘管在第第Ｉ和第III象限有對對稱的伏安特特性。與一對反并聯(lián)聯(lián)晶閘管相比比是經(jīng)濟(jì)的，，且控制電路路簡單，在交交流調(diào)壓電路路、固態(tài)繼電電器（SSR）和交流電電機調(diào)速等領(lǐng)領(lǐng)域應(yīng)用較多多。通常用在交流流電路中，因因此不用平均值而而用有效值來來表示其額定定電流值。3.逆導(dǎo)晶晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）逆導(dǎo)晶閘管的的電氣圖形符符號和伏安特特性a)電氣圖圖形符號b)伏安安特性晶閘管的派生生器件將晶閘管反并并聯(lián)一個二極極管制作在同同一管芯上的的功率集成器器件。具有正向壓降降小、關(guān)斷時時間短、高溫溫特性好、額額定結(jié)溫高等等優(yōu)點。逆導(dǎo)晶晶閘管管的額額定電電流有有兩個個，一一個是是晶閘閘管電電流，，一個個是反反并聯(lián)聯(lián)二極極管的的電流流。4.光光控控晶閘閘管（（LightTriggeredThyristor———LTT）光控晶晶閘管管的電電氣圖圖形符符號和和伏安安特性性a)電電氣圖圖形符符號b)伏伏安安特性性晶閘管管的派派生器器件又稱光光觸發(fā)發(fā)晶閘閘管，，是利利用一一定波波長的的光照照信號號觸發(fā)發(fā)導(dǎo)通通的晶晶閘管管。小功率率光控控晶閘閘管只只有陽陽極和和陰極極兩個個端子子。大功率率光控控晶閘閘管則則還帶帶有光光纜，，光纜纜上裝裝有作作為觸觸發(fā)光光源的的發(fā)光光二極極管或或半導(dǎo)導(dǎo)體激激光器器。光觸發(fā)發(fā)保證證了主主電路路與控控制電電路之之間的的絕緣緣，且且可避避免電電磁干干擾的的影響響，因因此目目前在在高壓壓大功功率的的場合合，如如高壓壓直流流輸電電和高高壓核核聚變變裝置置中，，占據(jù)據(jù)重要要的地地位。。門極可可關(guān)斷斷晶閘閘管———在在晶閘閘管問問世后后不久久出現(xiàn)現(xiàn)。20世世紀(jì)80年年代以以來，，信息息電子子技術(shù)術(shù)與電電力電電子技技術(shù)在在各自自發(fā)展展的基基礎(chǔ)上上相結(jié)結(jié)合———高高頻化化、全全控型型、采采用集集成電電路制制造工工藝的的電力力電子子器件件，從從而將將電力力電子子技術(shù)術(shù)又帶帶入了了一個個嶄新新時代代。典型代代表———門門極可可關(guān)斷斷晶閘閘管、、電力力晶體體管、、電力力場效效應(yīng)晶晶體管管、絕絕緣柵柵雙極極晶體體管。。典型全全控型型器件件門極可可關(guān)斷斷晶閘閘管門極可可關(guān)斷斷晶閘閘管（（Gate-Turn-OffThyristor——GTO）晶閘管管的一一種派派生器器件可以通通過在在門極極施加加負(fù)的的脈沖沖電流流使其其關(guān)斷斷GTO的電電壓、、電流流容量量較大大，與與普通通晶閘閘管接接近，，因而而在兆兆瓦級級以上上的大大功率率場合合仍有有較多多的應(yīng)應(yīng)用1.GTO的的結(jié)構(gòu)構(gòu)和工工作原原理結(jié)構(gòu)：：與普通通晶閘閘管的的相同點點：PNPN四四層半半導(dǎo)體體結(jié)構(gòu)構(gòu)，外外部引引出陽陽極、、陰極極和門門極。。和普通通晶閘閘管的的不同點點：GTO是是一種種多元元的功功率集集成器器件，，內(nèi)部部包含含數(shù)十十個甚甚至數(shù)數(shù)百個個共陽陽極的的小GTO元，，這些些GTO元元的陰陰極和和門極極則在在器件件內(nèi)部部并聯(lián)聯(lián)在一一起。。GTO的內(nèi)內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)和和電氣氣圖形形符號號a)各各單單元的的陰極極、門門極間間隔排排列的的圖形形b)并并聯(lián)單單元結(jié)結(jié)構(gòu)斷斷面示示意圖圖c)電電氣圖圖形符符號門極可可關(guān)斷斷晶閘閘管工作原原理：：與普通通晶閘閘管一一樣，，可以以用圖圖1示示的雙雙晶體體管模模型來來分析析。晶閘管管的雙雙晶體體管模模型及及其工工作原原理1+2=1是器件件臨界界導(dǎo)通通的條條件。當(dāng)1+2>1時時，兩兩個等等效晶晶體管管過飽飽和而而使器器件導(dǎo)導(dǎo)通；；當(dāng)1+2<1時時，不不能維維持飽飽和導(dǎo)導(dǎo)通而而關(guān)斷斷。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成成的的兩兩個個晶晶體體管管V1、V2分別別具具有有共共基基極極電電流流增增益益α1和α2。門極極可可關(guān)關(guān)斷斷晶晶閘閘管管GTO能能夠夠通通過過門門極極關(guān)關(guān)斷斷的的原原因因是是其其與與普普通通晶晶閘閘管管有有如如下下區(qū)別別：門極極可可關(guān)關(guān)斷斷晶晶閘閘管管（1））設(shè)計計2較大大，，使使晶晶體體管管V2控制靈靈敏敏，，易易于于GTO關(guān)關(guān)斷斷。。（2）導(dǎo)導(dǎo)通通時時1+2更接接近近1（（1.05，，普普通通晶晶閘閘管管1+21.15））導(dǎo)導(dǎo)通通時時飽飽和和不不深深，，接接近近臨臨界界飽飽和和，，有有利利門門極極控控制制關(guān)關(guān)斷斷，，但但導(dǎo)導(dǎo)通通時時管管壓壓降降增增大大。。（3））多元元集集成成結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)使使GTO元元陰陰極極面面積積很很小小，，門門、、陰陰極極間間距距大大為為縮縮短短，，使使得得P2基區(qū)橫向向電阻很很小，能能從門極極抽出較較大電流流。。晶閘管的的工作原原理由上述分分析我們們可以得得到以下下結(jié)論：GTO導(dǎo)導(dǎo)通過程程與普通通晶閘管管一樣，，只是導(dǎo)導(dǎo)通時飽和程度度較淺。GTO關(guān)關(guān)斷過程程：強烈烈正反饋饋——門門極加負(fù)負(fù)脈沖即即從門極極抽出電電流，則則Ib2減小，使使IK和Ic2減小，Ic2的減小又又使IA和Ic1減小，又又進(jìn)一步步減小V2的基極電電流。當(dāng)當(dāng)IA和IK的減小使使1+2<1時，，器件退退出飽和和而關(guān)斷斷。多元集成成結(jié)構(gòu)還還使GTO比普普通晶閘閘管開通通過程快快，承受受di/dt能力強。。門極可關(guān)關(guān)斷晶閘閘管術(shù)語用法法：電力晶體體管（GiantTransistor——GTR，，直譯為為巨型晶晶體管））耐高電壓壓、大電電流的雙雙極結(jié)型型晶體管管（BipolarJunctionTransistor———BJT），英英文有時時候也稱稱為PowerBJT。在電力電電子技術(shù)術(shù)的范圍圍內(nèi)，GTR與與BJT這兩個個名稱等等效。應(yīng)用20世紀(jì)紀(jì)80年年代以來來，在中中、小功功率范圍圍內(nèi)取代代晶閘管管，但目目前又大大多被IGBT和電力力MOSFET取代。。電力晶體體管電力晶體體管GTR有有三種類類型*單管非非隔離型型*非隔離離型達(dá)林林頓電力力晶體管管*模塊型型電力晶晶體管一單元結(jié)結(jié)構(gòu)二單元結(jié)結(jié)構(gòu)四單元結(jié)結(jié)構(gòu)六單元結(jié)結(jié)構(gòu)一單元結(jié)結(jié)構(gòu)就是是在一個個模塊內(nèi)內(nèi)有一個個電力晶晶體管和和一個續(xù)續(xù)流二極極管反向向并聯(lián)1.GTR的的結(jié)構(gòu)和和工作原原理電力晶體體管與普通的的雙極結(jié)結(jié)型晶體體管基本本原理是是一樣的的。主要特性性是耐壓壓高、電電流大、、開關(guān)特特性好。。通常采用用至少由由兩個晶晶體管按按達(dá)林頓頓接法組組成的單單元結(jié)構(gòu)構(gòu)。采用集成成電路工工藝將許許多這種種單元并并聯(lián)而成成。在應(yīng)用中中，GTR一般般采用共共發(fā)射極極接法。。集電極電電流ic與基極電電流ib之比為——GTR的電流放大大系數(shù)，反映了了基極電電流對集集電極電電流的控控制能力力當(dāng)考慮到到集電極極和發(fā)射射極間的的漏電流流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為為ic=ib+Iceo產(chǎn)品說明明書中通通常給直直流電流流增益hFE——在直直流工作作情況下下集電極極電流與與基極電電流之比比。一般般可認(rèn)為為hFE。單管GTR的值比小功功率的晶晶體管小小得多，，通常為為10左左右，采采用達(dá)林林頓接法法可有效效增大電電流增益益。電力晶體體管2.GTR的的基本特特性(1)靜態(tài)特性性共發(fā)射極極接法時時的典型型輸出特特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。。在電力電電子電路路中GTR工作作在開關(guān)關(guān)狀態(tài)，，即工作作在截止止區(qū)或飽飽和區(qū)在開關(guān)過過程中，，即在截截止區(qū)和和飽和區(qū)區(qū)之間過過渡時，，要經(jīng)過過放大區(qū)區(qū)共發(fā)射極極接法時時GTR的輸出出特性電力晶體體管(2)動態(tài)特性性開通過程程延遲時間間td和上升時時間tr，二者之之和為開通時間間ton。td主要是由由發(fā)射結(jié)結(jié)勢壘電電容和集集電結(jié)勢勢壘電容容充電產(chǎn)產(chǎn)生的。。增大ib的幅值并并增大dib/dt，可縮短短延遲時時間，同同時可縮縮短上升升時間，，從而加加快開通通過程。。GTR的的開通和和關(guān)斷過過程電流流波形電力晶體體管關(guān)斷過程程儲存時間間ts和下降時時間tf，二者之之和為關(guān)斷時間間toff。ts是用來除除去飽和和導(dǎo)通時時儲存在在基區(qū)的的載流子子的，是是關(guān)斷時時間的主主要部分分。減小導(dǎo)通通時的飽飽和深度度以減小小儲存的的載流子子，或者者增大基基極抽取取負(fù)電流流Ib2的幅值和和負(fù)偏壓壓，可縮縮短儲存存時間，，從而加加快關(guān)斷斷速度。。負(fù)面作用用是會使使集電極極和發(fā)射射極間的的飽和導(dǎo)導(dǎo)通壓降降Uces增加，從從而增大大通態(tài)損損耗。GTR的的開關(guān)時時間在幾幾微秒以以內(nèi)，比比晶閘管管和GTO都短短很多。。GTR的的開通和和關(guān)斷過過程電流流波形電力晶體體管GTR主主要參數(shù)數(shù)開路阻斷斷電壓UCEO——基極極開路時時，集電電極與發(fā)發(fā)射極間間能承受受的持續(xù)續(xù)電壓。。反映GTR的耐耐壓能力力集電極最最大持續(xù)續(xù)電流ICM——當(dāng)基基極正向向偏置時時集電極極能流入入的最大大電流。。開斷阻斷斷電壓和和集電極極最大持持續(xù)電流流體現(xiàn)了GTR的的容量GTR主主要參數(shù)數(shù)電流增益益HFE——電流流放大倍倍數(shù)。數(shù)值越大大，管子驅(qū)驅(qū)動電路路功率越越小，則則越好開關(guān)頻率率——通通過開通通時間、、存儲時時間、下下降時間間估算出出GTR的最高高工作頻頻率。電力晶體體管一次擊穿穿：集電極電電壓升高高至擊穿穿電壓時時，Ic迅速增大大。只要Ic不超過限限度，GTR一般不會會損壞，，工作特特性也不不變。二次擊穿穿：一次擊穿穿發(fā)生時時，如不不能有效效的限制制電流，，Ic突然急劇劇上升，，電壓陡陡然下降降。常常立即即導(dǎo)致器器件的永永久損壞壞，或者者工作特特性明顯顯衰變。。安全工作作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓壓UceM、集電極極最大電電流IcM、最大耗耗散功率率PcM、二次擊擊穿臨界界線限定定。GTR的二次擊擊穿現(xiàn)象象與安全全工作區(qū)區(qū)GTR的的選擇方方法開路阻斷斷電壓UCEO選擇方法法——通通常按電電源線電電壓峰值2倍倍選擇。集電極電電流最大大電流ICM選選擇方法法——按按額定電流峰值值的2倍倍進(jìn)行選選擇GTR的的一種驅(qū)驅(qū)動電路路，包括括電氣隔隔離和晶晶體管放放大電路路兩部分分二極管VD2和電位補補償二極極管VD3構(gòu)成貝克箝位位電路，也即一一種抗飽和電路，負(fù)負(fù)載較輕輕時，如如V5發(fā)射極電電流全注注入V，，會使V過飽和和。有了了貝克箝箝位電路路，當(dāng)V過飽和和使得集集電極電電位低于于基極電電位時，，VD2會自動導(dǎo)導(dǎo)通，使使多余的的驅(qū)動電電流流入入集電極極，維持持Ubc≈0。C2為加速開開通過程程的電容容。開通通時，R5被C2短路?？煽蓪崿F(xiàn)驅(qū)驅(qū)動電流流的過沖沖，并增增加前沿沿的陡度度，加快快開通。。圖1-31GTR的的一種驅(qū)驅(qū)動電路路典型全控控型器件件的驅(qū)動動電路1.6.3電力場效效應(yīng)晶體體管-PowerMOSFET特點:PowerMOSFET用用柵極電壓壓來控制漏漏極電流流驅(qū)動電路路簡單，，需要的的驅(qū)動功功率小開關(guān)速度度快，工工作頻率率高熱穩(wěn)定性性優(yōu)于GTR電流容量量小，耐耐壓低，，一般只只適用于于功率不不超過10kW的電力力電子裝裝置分類結(jié)型絕緣柵型型主要指絕緣柵型型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）一般稱作作靜電感感應(yīng)晶體體管（StaticInductionTransistor——SIT絕緣柵雙極晶體體管IGBTGTR和和GTO的特點點——雙雙極型，，電流驅(qū)驅(qū)動，有有電導(dǎo)調(diào)調(diào)制效應(yīng)應(yīng)，通流流能力很很強，開開關(guān)速度度較低，，所需驅(qū)驅(qū)動功功率大，，驅(qū)動電電路復(fù)雜雜MOSFET的的優(yōu)點———單極極型，電電壓驅(qū)動動，開關(guān)關(guān)速度快快，輸入入阻抗高高，熱穩(wěn)穩(wěn)定性好好，所需需驅(qū)動功功率小而而且驅(qū)動動電路簡簡單兩類器件件取長補補短結(jié)合合而成的的復(fù)合器器件—Bi-MOS器器件絕緣柵雙雙極晶體體管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT））是GTR和和MOSFET復(fù)合合，結(jié)合二二者的優(yōu)點點，具有好好的特性1986年年投入市場場后，取代代了GTR和一部分分MOSFET的市市場,中小小功率電力力電子設(shè)備備的主導(dǎo)器器件繼續(xù)提高電電壓和電流流容量，以以期再取代代GTO的的地位絕緣柵雙極晶體管管1.IGBT的結(jié)結(jié)構(gòu)和工作作原理三端器件：：柵極G、、集電極C和發(fā)射極極EIGBT的的結(jié)構(gòu)、簡簡化等效電電路和電氣氣圖形符號號a)內(nèi)部部結(jié)構(gòu)斷面面示意圖b)簡簡化等效效電路c)電電氣圖形符符號絕緣柵雙極極晶體管IGBT的的結(jié)構(gòu)圖1-22a—N溝溝道VDMOSFET與GTR組合———N溝道道IGBT（N-IGBT））IGBT比比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形形成了一個個大面積的的P+N結(jié)J1。——使IGBT導(dǎo)通通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射射少子，從從而對漂移移區(qū)電導(dǎo)率率進(jìn)行調(diào)制制，使得IGBT具具有很強的的通流能力力。簡化等效電電路表明，，IGBT是GTR與MOSFET組組成的達(dá)林林頓結(jié)構(gòu)，，一個由MOSFET驅(qū)動的的厚基區(qū)PNP晶體體管。RN為晶體管基基區(qū)內(nèi)的調(diào)調(diào)制電阻。。IGBT的的結(jié)構(gòu)、簡簡化等效電電路和電氣氣圖形符號號a)內(nèi)部部結(jié)構(gòu)斷面面示意圖b)簡簡化等效效電路c)電電氣圖形符符號絕緣柵雙極極晶體管IGBT的的原理驅(qū)動原理與與電力MOSFET基本相同同，場控器器件，通斷斷由柵射極極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)內(nèi)形成溝道道，為晶體體管提供基基極電流，，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制制效應(yīng)使電電阻RN減小，使通通態(tài)壓降小小。關(guān)斷：柵射極間間施加反壓壓或不加信信號時，MOSFET內(nèi)的溝溝道消失，，晶體管的的基極電流流被切斷，，IGBT關(guān)斷。絕緣柵雙極極晶體管2.IGBT的基基本特性1)IGBT的的靜態(tài)特性性IGBT的的轉(zhuǎn)移特性性和輸出特特性a)轉(zhuǎn)移移特性b)輸輸出特性絕緣柵雙極極晶體管轉(zhuǎn)移特性———IC與UGE間的關(guān)系，，與MOSFET轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移特性類類似。開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制制而導(dǎo)通的的最低柵射射電壓。UGE(th)隨溫度升高高而略有下下降，在+25C時，UGE(th)的值一般為為2~6V。輸出特性（伏安特性性）——以以UGE為參考變量量時，IC與UCE間的關(guān)系。。分為三個區(qū)區(qū)域：正向向阻斷區(qū)、、有源區(qū)和和飽和區(qū)。。分別與GTR的截截止區(qū)、放放大區(qū)和飽飽和區(qū)相對對應(yīng)。uCE<0時，IGBT為反向阻斷工工作狀態(tài)。IGBT的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移特性和輸輸出特性a)轉(zhuǎn)移特特性b)輸出特性性絕緣柵雙極晶晶體管2)IGBT的動動態(tài)特性IGBT的開開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶晶體管IGBT的開開通過程與MOSFET的相似，，因為開通過過程中IGBT在大部分分時間作為MOSFET運行。開通延遲時間間td(on)——從uGE上升至其幅值值10%的時時刻，到iC上升至10%ICM2。電流上升時間間tr——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間ton——開通延遲遲時間與電流流上升時間之之和。uCE的下降過程分分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨工工作的電壓下下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同同時工作的電電壓下降過程程。IGBT的開開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶晶體管IGBT的關(guān)關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間間td(off)——從uGE后沿下降到其其幅值90%的時刻起，，到iC下降至90%ICM。電流下降時間間——iC從90%ICM下降至10%ICM。關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲遲時間與電流流下降之和。。電流下降時間間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的的關(guān)斷過程，，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的的關(guān)斷過程，，iC下降較慢。IGBT的開開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶晶體管IGBT中雙雙極型PNP晶體管的存存在，雖然帶帶來了電導(dǎo)調(diào)調(diào)制效應(yīng)的好好處，但也引引入了少子儲儲存現(xiàn)象，因因而IGBT的開關(guān)速度度低于電力MOSFET。IGBT的擊擊穿電壓、通通態(tài)壓降和關(guān)關(guān)斷時間也是是需要折衷的的參數(shù)。高壓壓器器件件的的N基基區(qū)區(qū)必必須須有有足足夠夠?qū)拰挾榷群秃洼^較高高的的電電阻阻率率，，這這會會引引起起通通態(tài)態(tài)壓壓降降的的增增大大和和關(guān)關(guān)斷斷時時間間的的延延長長。。絕緣緣柵柵雙雙極極晶晶體體管管通過過對對IGBT的基基本本特特性性的的分分析析，，可可以以看看出出：：IGBT的主主要要參參數(shù)數(shù)集電電極極————發(fā)發(fā)射射極極額額定定電電壓壓UCES：柵柵極極與與發(fā)發(fā)射射極極短短路路時時，，IGBT能能承承受受的的耐耐壓壓。。柵極極————發(fā)發(fā)射射極極額額定定電電壓壓UGES：：柵柵極極控控制制信信號號的的額額定定值值額定定集集電電極極電電流流：：IGBT在在導(dǎo)導(dǎo)通通時時能能流流過過管管子子的的持持續(xù)續(xù)最最大大電電流流。。集電電極極————發(fā)發(fā)射射極極飽飽和和電電壓壓：：此此值值越越小小，，管管子子損損耗耗越越小小。。開通通時時間間和和關(guān)關(guān)斷斷時時間間：：與與GTR的的定定義義基基本本相相同同絕緣緣柵柵雙雙極極晶晶體體管管IGBT的的特特性性和和參參數(shù)數(shù)特特點點可可以以總總結(jié)結(jié)如如下下：：絕緣緣柵柵雙雙極極晶晶體體管管(1)開關(guān)關(guān)速速度度高高，，開開關(guān)關(guān)損損耗耗小小。。在在電電壓壓1000V以以上上時時，，開開關(guān)關(guān)損損耗耗只只有有GTR的的1/10，，與與電電力力MOSFET相相當(dāng)當(dāng)。。(2)相同同電電壓壓和和電電流流定定額額時時，，安安全全工工作作區(qū)區(qū)比比GTR大大，，且且具具有有耐耐脈脈沖沖電電流流沖沖擊擊能能力力。。(3)通態(tài)態(tài)壓壓降降比比VDMOSFET低低，，特特別別是是在在電電流流較較大大的的區(qū)區(qū)域域。。(4)輸入入阻阻抗抗高高，，輸輸入入特特性性與與MOSFET類類