第二章-電力電子器件第十次課5課件

2.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

UGE>UGE(TH)(開啟電壓,一般為3～6V)；其輸出電流Ic與驅(qū)動電壓UGE基本呈線性關(guān)系；圖2.7.2IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性（2）IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖b）IGBT關(guān)斷：IGBT開通：UGE<UGE(TH)；2.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

2、IGBT的開關(guān)特性

（1）IGBT的開通過程：從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^程。開通延遲時間td(on)：UGE從10%UGEM到IC上升到10%ICM所需時間。電流上升時間tr：IC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間ton：ton=td(on)+tr圖2.7.3IGBT的開關(guān)特性

2.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

2、IGBT的開關(guān)特性（2）IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)：從UGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到ic下降至90%ICM

電流下降時間：ic從90%ICM下降至10%ICM。關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，ic下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，ic下降較慢。圖2.7.3IGBT的開關(guān)特性

2.7.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

（1）最大集射極間電壓UCEM：

IGBT在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。（2）通態(tài)壓降：是指IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的管壓降。（3）集電極電流最大值ICM：IGBT的IC增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)，此時為防止發(fā)生擎住效應(yīng)，規(guī)定的集電極電流最大值ICM。（4）最大集電極功耗PCM：正常工作溫度下允許的最大功耗。3、IGBT的主要參數(shù)2.7.2緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)

3、IGBT的主要參數(shù)(5)安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOA：IGBT在開通時為正向偏置時的安全工作區(qū)，如圖2.7.5(a)所示。反偏安全工作區(qū)RBSOA：IGBT在關(guān)斷時為反向偏置時的安全工作區(qū)，如圖2.7.5(b)IGBT的導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。在使用中一般通過選擇適當(dāng)?shù)腢CE和柵極驅(qū)動電阻控制，避免IGBT因過高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。圖2.7.5IGBT的安全工作區(qū)

2.7.2緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)

(6)輸入阻抗：IGBT的輸入阻抗高，可達(dá)109~1011Ω數(shù)量級，呈純電容性，驅(qū)動功率小，這些與VDMOS相似。(7)最高允許結(jié)溫TjM：IGBT的最高允許結(jié)溫TjM為150℃。VDMOS的通態(tài)壓降隨結(jié)溫升高而顯著增加，而IGBT的通態(tài)壓降在室溫和最高結(jié)溫之間變化很小，具有良好的溫度特性。3、IGBT的主要參數(shù)第二章、電力電子器件2.1、電力電子器件的基本模型

2.2、電力二極管

2.3、晶閘管2.4、可關(guān)斷晶閘管

2.5、電力晶體管

2.6、電力場效應(yīng)晶體管2.7、絕緣柵雙極型第二章、電力電子器件2.1、電力電子器件的基本模型

2.2、電力二極管

2.3、晶閘管2.4、可關(guān)斷晶閘管

2.5、電力晶體管

2.6、電力場效應(yīng)晶體管2.7、絕緣柵雙極型晶體管2.8、其它新型電力電子器件2.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)2.8、其它新型電力電子器件2.8.1靜電感應(yīng)晶體管2.8.2靜電感應(yīng)晶閘管2.8.3MOS控制晶閘管2.8.4集成門極換流晶閘管2.8.5功率模塊與功率集成電路2.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具有輸出功率大、輸入阻抗高、開關(guān)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點；

廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備(例如200kHz、200kW的高頻感應(yīng)加熱電源)。并適用于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機、電視發(fā)射機、差轉(zhuǎn)機微波以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。2.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）1、SIT的工作原理1）結(jié)構(gòu)：SIT為三層結(jié)構(gòu)，其元胞結(jié)構(gòu)圖如圖2.8.1(a)所示，其三個電極分別為柵極G，漏極D和源極S。其表示符號如圖2.8.1(b)所示。2）分類：SIT分N溝道、P溝道兩種，箭頭向外的為N─SIT，箭頭向內(nèi)的為P─SIT。3）導(dǎo)通、關(guān)斷：SIT為常開器件，即柵源電壓為零時，兩柵極之間的導(dǎo)電溝道使漏極D-S之間的導(dǎo)通。則SIT導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵源電壓UGS時，柵源間PN結(jié)產(chǎn)生耗盡層。隨著負(fù)偏壓UGS的增加，其耗盡層加寬，漏源間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)UGS=UP(夾斷電壓)時，導(dǎo)電溝道被耗盡層所夾斷，SIT關(guān)斷。

SIT的漏極電流ID不但受柵極電壓UGS控制，同時還受漏極電壓UDS控制。

圖2.8.1SIT的結(jié)構(gòu)及其符號

2.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）2、SIT的特性

靜態(tài)伏安特性曲線（N溝道SIT）：當(dāng)柵源電壓UGS一定時，隨著漏源電壓UDS的增加，漏極電流ID也線性增加，其大小由SIT的通態(tài)電阻所決定；SIT采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),其導(dǎo)電溝道短而寬,適應(yīng)于高電壓,大電流的場合；SIT的漏極電流具有負(fù)溫度系數(shù),可避免因溫度升高而引起的惡性循環(huán)；圖2.8.2N-SIT靜態(tài)伏安特性曲線SIT的漏極電流通路上不存在PN結(jié),一般不會發(fā)生熱不穩(wěn)定性和二次擊穿現(xiàn)象,其安全工作區(qū)范圍較寬；

SIT是短溝道多子器件,無電荷積累效應(yīng),它的開關(guān)速度相當(dāng)快,適應(yīng)于高頻場合；

SIT的柵極驅(qū)動電路比較簡單：關(guān)斷SIT需加數(shù)十伏的負(fù)柵壓-UGS,使SIT導(dǎo)通，也可以加5～6V的正柵偏壓+UGS,以降低器件的通態(tài)壓降；2.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）2、SIT的特性

圖2.8.3SIT的安全工作區(qū)2.8、其它新型電力電子器件2.8.1靜電感應(yīng)晶體管2.8.2靜電感應(yīng)晶閘管2.8.3MOS控制晶閘管2.8.4集成門極換流晶閘管2.8.5功率模塊與功率集成電路2.8.2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）

它自1972年開始研制并生產(chǎn)；優(yōu)點：與GTO相比，SITH的通態(tài)電阻小、通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快、損耗小、及耐量高等；

應(yīng)用：應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)，高頻加熱電源和開關(guān)電源等領(lǐng)域；

缺點：SITH制造工藝復(fù)雜，成本高；

2.8.2靜電感應(yīng)晶閘（SITH）

1、SITH的工作原理

1）結(jié)構(gòu)：在SIT的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個P+層即形成了SITH的元胞結(jié)構(gòu)，如圖2.8.4(a)。2）三極：陽極A、陰極、柵極G，3）原理：柵極開路，在陽極和陰極之間加正向電壓，有電流流過SITH；在柵極G和陰極K之間加負(fù)電壓，G-K之間PN結(jié)反偏，在兩個柵極區(qū)之間的導(dǎo)電溝道中出現(xiàn)耗盡層，A-K間電流被夾斷，SITH關(guān)斷；柵極所加的負(fù)偏壓越高，可關(guān)斷的陰極電流也越大。圖2.8.4SITH元胞結(jié)構(gòu)其及符號2.8.2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）

特性曲線的正向偏置部分與SIT相似。柵極負(fù)壓-UGK可控制陽極電流關(guān)斷，已關(guān)斷的SITH，A-K間只有很小的漏電流存在。

SITH為場控少子器件，其動態(tài)特性比GTO優(yōu)越。SITH的電導(dǎo)調(diào)制作用使它比SIT的通態(tài)電阻小、壓降低、電流大，但因器件內(nèi)有大量的存儲電荷，

所以它的關(guān)斷時間比SIT要長、工作頻率要低。

圖2.8.5SITH的伏安特性曲線2、SITH的特性：靜態(tài)伏安特性曲線（圖2.8.5）：2.8、其它新型電力電子器件2.8.1靜電感應(yīng)晶體管2.8.2靜電感應(yīng)晶閘管2.8.3MOS控制晶閘管2.8.4集成門極換流晶閘管2.8.5功率模塊與功率集成電路2.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

MCT自20世紀(jì)80年代末問世，已生產(chǎn)出300A/2000V、1000A/1000V的器件；結(jié)構(gòu)：是晶閘管SCR和場效應(yīng)管MOSFET復(fù)合而成的新型器件，其主導(dǎo)元件是SCR，控制元件是MOSFET；特點：耐高電壓、大電流、通態(tài)壓降低、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高；

2.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

1）結(jié)構(gòu)：

MCT是在SCR結(jié)構(gòu)中集成一對MOSFET構(gòu)成的，通過MOSFET來控制SCR的導(dǎo)通和關(guān)斷。使MCT導(dǎo)通的MOSFET稱為ON-FET，使MCT關(guān)斷的MOSFET稱為OFF-FET。MCT的元胞有兩種結(jié)構(gòu)類型，一種為N-MCT，另一種為P-MCT。三個電極稱為柵極G、陽極A和陰極K。

圖2.8.6中(a)為P-MCT的典型結(jié)構(gòu)，圖(b)為其等效電路，圖(c)是它的表示符號(N-MCT的表示符號箭頭反向)。對于N-MCT管，要將圖2.8.6中各區(qū)的半導(dǎo)體材料用相反類型的半導(dǎo)體材料代替，并將上方的陽極變?yōu)殛帢O，而下方的陰極變?yōu)殛枠O。圖2.8.6P-MCT的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號1、MCT的工作原理2.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

控制信號：用雙柵極控制，柵極信號以陽極為基準(zhǔn)；導(dǎo)通：當(dāng)柵極相對于陽極加負(fù)脈沖電壓時，ON-FET導(dǎo)通，其漏極電流使NPN晶體管導(dǎo)通。NPN晶體管的導(dǎo)通又使PNP晶體管導(dǎo)通且形成正反饋觸發(fā)過程，最后導(dǎo)致MCT導(dǎo)通；關(guān)斷：當(dāng)柵極相對于陽極施加正脈沖電壓時，OFF-FET導(dǎo)通，PNP晶體管基極電流中斷,PNP晶體管中電流的中斷破壞了使MCT導(dǎo)通的正反饋過程，于是MCT被關(guān)斷。其中：1）導(dǎo)通的MCT中晶閘管流過主電流，而觸發(fā)通道只維持很小的觸發(fā)電流。2）使P-MCT觸發(fā)導(dǎo)通的柵極相對陽極的負(fù)脈沖幅度一般為-5～-15V，使其關(guān)斷的柵極相對于陽極的正脈沖電壓幅度一般為+10V。對于N-MCT管，其工作原理剛好相反。圖2.8.6P-MCT的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號2）工作原理（P-MCT）2.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

(1)阻斷電壓高(達(dá)3000V)、峰值電流大(達(dá)1000A)、最大可關(guān)斷電流密度為6000A／cm2;(2)通態(tài)壓降小(為IGBT的1／3，約2.1V);(3)開關(guān)速度快、損耗小，工作頻率可達(dá)20kHz;(4)極高的du／dt和di／dt耐量(du/dt耐量達(dá)20kV/μs，di/dt耐量達(dá)2kA/μs);(5)工作允許溫度高(達(dá)200℃以上);(6)驅(qū)動電路簡單;2、MCT的特性

（兼有MOS器件和雙極型器件的優(yōu)點）2.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

(7)安全工作區(qū)：MCT無正偏安全工作區(qū)，只有反偏安全工作區(qū)RBSOA；RBSOA與結(jié)溫有關(guān)，反映MCT關(guān)斷時電壓和電流的極限容量。（8）保護(hù)裝置：MCT可用簡單的熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)。因為當(dāng)工作電壓超出RBSOA時器件會失效，但當(dāng)峰值可控電流超出RBSOA時，MCT不會像GTO那樣損壞，只是不能用柵極信號關(guān)斷。圖2.8.7MCT的RBSOA2、MCT的特性第二章、電力電子器件2.1、電力電子器件的基本模型

2.2、電力二極管

2.3、晶閘管2.4、可關(guān)斷晶閘管

2.5、電力晶體管

2.6、電力場效應(yīng)晶體管2.7、絕緣柵雙極型晶體管2.8、其它新型電力電子器件2.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)

2.9電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)電力電子電路的驅(qū)動、保護(hù)與控制包括如下內(nèi)容：（1）電力電子開關(guān)管的驅(qū)動：驅(qū)動器接收控制系統(tǒng)輸出的控制信號，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動信號給開關(guān)管，控制開關(guān)器件的通、斷狀態(tài)。（2）過流、過壓保護(hù)：包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實時保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。（3）緩沖器：在開通和關(guān)斷過程中防止開關(guān)管過壓和過流，減小、減小開關(guān)損耗。（4）濾波器：在輸出直流的電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器用來濾除輸出電壓或電流中的交流分量以獲得平穩(wěn)的直流電能；在輸出交流的電力電子系統(tǒng)中濾波器濾除無用的諧波以獲得期望的交流電能，提高由電源所獲取的以及輸出至負(fù)載的電力質(zhì)量。

（5）散熱系統(tǒng)：散發(fā)開關(guān)器件和其他部件的功耗發(fā)熱，減小開關(guān)器件的熱心力，降低開關(guān)器件的結(jié)溫。

（6）控制系統(tǒng)：實現(xiàn)電力電子電路的實時、適式控制，綜合給定和反饋信號，經(jīng)處理后為開關(guān)器件提供開通、關(guān)斷信號，開機、停機信號和保護(hù)信號。

2.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)

2.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)2.9.1驅(qū)動電路2.9.2保護(hù)電路

2.9.3緩沖電路

2.9.4散熱系統(tǒng)

2.9.1驅(qū)動電路

將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。在高壓變換電路中，需要時控制系統(tǒng)和主電路之間進(jìn)行電氣隔離，這可以通過脈沖變壓器或光耦來實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù)：2.9.1驅(qū)動電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，決定每個晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時刻。圖2.9.1為基于脈沖變壓器PT和三極管放大器的驅(qū)動電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動信號加至三極管放大器后，變壓器PT輸出電壓經(jīng)D2輸出脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號為零后，D1、DZ續(xù)流，PT的原邊電壓速降為零，防止變壓器飽和。圖2.9.1帶隔離變壓器的SCR驅(qū)動電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動電路

2.9.1驅(qū)動電路圖2.9.2光耦隔離的SCR驅(qū)動電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動信號致光耦輸入端時，光耦輸出電路中R上的電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。圖2.9.2光耦隔離的SCR驅(qū)動電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動電路開通：在門極加正驅(qū)動電流。2．GTO的驅(qū)動電路GTO的幾種基本驅(qū)動電路：關(guān)斷：在門極加很大的負(fù)電流

2.9.1驅(qū)動電路1）圖2.9.3(a)晶體管Ｔ導(dǎo)通、關(guān)斷過程：電源Ｅ經(jīng)Ｔ使GTO觸發(fā)導(dǎo)通，電容Ｃ充電，電壓極性如圖示。當(dāng)Ｔ關(guān)斷時，電容Ｃ放電，反向電流使GTO關(guān)斷。Ｒ起開通限流作用，Ｌ在SCR陽極電流下降期間釋放出儲能，補償GTO的門極關(guān)斷電流，提高了關(guān)斷能力。該電路雖然簡單可靠，但因無獨立的關(guān)斷電源，其關(guān)斷能力有限且不易控制。另一方面，電容Ｃ上必須有一定的能量才能使GTO關(guān)斷，故觸發(fā)Ｔ的脈沖必須有一定的寬度。圖2.9.3(a)

2.GTO的幾種基本驅(qū)動電路：（續(xù)）2.9.1驅(qū)動電路導(dǎo)通和關(guān)斷過程：圖2.9.3(b)導(dǎo)通：Ｔ1、Ｔ2導(dǎo)通時GTO被觸發(fā)；關(guān)斷：Ｔ1、Ｔ2關(guān)斷和SCR１、SCR２