典型全控型電力電子器件

/湖南省技工學(xué)校理論教學(xué)教案教師姓名：學(xué)科變頻調(diào)速執(zhí)行記錄日期星期檢查簽字班級(jí)節(jié)次課題典型全控型電力電子器件課的類型復(fù)習(xí)教學(xué)目的掌握門極可關(guān)斷晶閘管的工作原理與特性、電力晶體管的工作原理，了解電力場(chǎng)控晶體管的特性與參數(shù)與安全工作區(qū)。掌握電力場(chǎng)控晶體管的工作原理。掌握絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點(diǎn)。了解靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶閘管的工作原理。教學(xué)重點(diǎn)電力晶體管、力場(chǎng)控晶體管、絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點(diǎn)。教學(xué)難點(diǎn)電力晶體管、力場(chǎng)控晶體管、絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點(diǎn)。主要教學(xué)方法借助PPT演示、板書等多種形式啟發(fā)式教學(xué)教具掛圖無(wú)教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)間分配1、組織教學(xué)時(shí)間23、講授新課時(shí)間702、復(fù)習(xí)導(dǎo)入時(shí)間84、歸納小結(jié)時(shí)間55、作業(yè)布置時(shí)間5教學(xué)后記[復(fù)習(xí)導(dǎo)入]門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。全控型電力電子器件的典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。[講授新課]一、門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來(lái)分析。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益a1和a2。a1+a2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。GTO的關(guān)斷過(guò)程與普通晶閘管不同。關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，產(chǎn)生門極電流-IG，此電流使得V1管的集電極電流ICl被分流，V2管的基極電流IB2減小，從而使IC2和IK減小，IC2的減小進(jìn)一步引起IA和IC1減小，又進(jìn)一步使V2的基極電流減小，形成內(nèi)部強(qiáng)烈的正反饋，最終導(dǎo)致GTO陽(yáng)極電流減小到維持電流以下,GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。結(jié)論：GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)。2）GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同3)GTO的主要參數(shù)（1）開(kāi)通時(shí)間ton（2）關(guān)斷時(shí)間toff（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4）電流關(guān)斷增益boff——最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。boff一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A。二、電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為b——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為ic=bib+Iceo單管GTR的b值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。2）GTR的基本特性(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。(2)

動(dòng)態(tài)特性3）GTR的主要參數(shù)1)電流放大倍數(shù)β集電極電流與基極電流之比2)集電極最大允許電流ICM通常規(guī)定為β下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。3)集電極最大耗散功率PCM在最高集電結(jié)溫度下允許的耗散功率,等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。4)

反向擊穿電壓集電極與基極之間的反向擊穿電壓集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。5)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。安全工作區(qū)：最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。三、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

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GTR。電流容量小，耐壓低，只適用于小功率的電力電子裝置。1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。--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：在柵源極間加正電壓UGS--當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，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。2）電力MOSFET的基本特性(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。(2)

動(dòng)態(tài)特性MOSFET的開(kāi)關(guān)速度：MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。3)電力MOSFET的主要參數(shù)(1)

漏極電壓UDS(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM(3)柵源電壓UGS(4)

極間電容四、絕緣柵雙極晶體管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。1)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

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：uGE大于開(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：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：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。2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的靜態(tài)特性(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性3)IGBT的主要參數(shù)(1)最大集射極間電壓UCES(2)最大集電極電流(3)最大集電極功耗PCMIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。五、其他新型電力電子器件1MOS控制晶閘管MCT承受極高di/dt和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。2靜電感應(yīng)晶體管SIT多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。3集成門極換流晶閘管IGCT4功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路.