合工大电力电子技术第二章.pptx

第二讲第二讲电力电子器件及其驱动电路电力电子器件及其驱动电路Power Electronic Parts and DriverPower Electronic Parts and Driver杜少武第二讲第二讲电力电子器件及其驱动电路电力电子器件及其驱动电路Power Electronic Parts and DriverPower Electronic Parts and Driver2.1 2.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.2 2.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.3 2.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.1 2.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用返回GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构：结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极和普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理工作原理：工作原理：导通原理与普通晶闸管一样，同样可以用双晶体管模型来分析 1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理GTO能够通过门极关断的原因能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：1)设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断2)导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大3)多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流导通过程导通过程:与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅关断过程：关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流当IA和和IK的减小使 1+21时，器件退出饱和而关断多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理GTOGTO的动态特性的动态特性开开通通过过程程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr图27 GTO的开通和关断过程电流波形GTOGTO的动态特性的动态特性关断过程：关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间tf残存载流子复合尾部时间tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要长门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间GTOGTO的主要参数的主要参数GTO的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数 1)开开通通时时间间ton延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大 2)关关断断时时间间toff一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联GTOGTO的主要参数的主要参数 3)最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO:GTO的额定电流额定电流 4)电电流流关关断断增增益益 off最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益（1-8）off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200AGTOGTO的驱动的驱动GTO的开开通通控控制制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流使GTO关关断断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力推荐的GTO门极电压电流波形如图28所示。图图2 28 8推荐的推荐的GTOGTO门极电门极电压电流波形压电流波形GTOGTO的驱动的驱动驱动电路通常包括开开通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路和门门极极反反偏偏电电路路三部分，可分为脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合式式和直直接接耦耦合合式式两种类型直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低GTOGTO的驱动的驱动典型的直接耦合式GTO驱动电路V1开通时，输出正强脉冲V2开通时输出正脉冲平顶部分V2关断而V3开通时输出负脉冲V3关断后R3和R4提供门极负偏压2.2 2.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型但通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOS型型简称电力电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管特点特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小开关速度快，工作频率高热稳定性优于GTR电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置返回电力电力MOSFETMOSFET的种类的种类按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道耗耗尽尽型型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增增强强型型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构导通时只有一种极性的载流子参与导电，是单极型器件导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别电力MOSFET的多元集成结构电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大 大 提 高 了 MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的 VVMOSFET和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 结 构 的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力电力MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理截止：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零nP基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过导电：导电：在栅源极间加正电压UGSn栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面n当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反反型型层层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电电力电力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性电力电力MOSFETMOSFET的基本特性：的基本特性：主要包括静态特性与动态特性。静态特性：静态特性：包括转移特性和输出特性动态特性：动态特性：包括开通延时时间、关断延时时间和开关速度等返回电力电力MOSFETMOSFET的静态特性的静态特性1)静态特性：静态特性：包括转移特性和输出特性电力MOSFET的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性电力电力MOSFETMOSFET的静态特性的静态特性MOSFET的转移特性的转移特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的的转转移特性移特性ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs电力电力MOSFETMOSFET的静态特性的静态特性MOSFET的漏极伏安特性（的漏极伏安特性（输出特性输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利电力电力MOSFETMOSFET的动态特性的动态特性 2)动态特性：动态特性：电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形电力电力MOSFETMOSFET的动态特性的动态特性开通过程开通过程开开通通延延迟迟时时间间td(on)up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段上上升升时时间间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和电力电力MOSFETMOSFET的动态特性的动态特性关断过程关断过程关关断断延延迟迟时时间间td(off)up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段下下降降时时间间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿 4)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss Ciss=CGS+CGD Crss=CGD Coss=CDS+CGD输入电容可近似用Ciss代替电力电力MOSFETMOSFET的安全工作区的安全工作区漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点实际使用中仍应注意留适当的裕量MOSFET正向偏置安全工作区（图中的时间表示脉冲宽度）电力电力MOSFETMOSFET的驱动的驱动栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般1520V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取5-10V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。返回电力电力MOSFETMOSFET的驱动的驱动专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。2.3 2.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR的的特特点点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，驱动功率大，驱动电路复杂MOSFET的的优优点点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小、驱动电路简单两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位返回IGBTIGBT的结构和工作原理的结构和工作原理IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射极EIGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号IGBTIGBT的结构的结构N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管IGBTIGBT的工作原理的工作原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定导导通通：uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通导通压降导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小关关断断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断IGBTIGBT的基本特性的基本特性IGBTIGBT的基本特性：的基本特性：主要包括静态特性与动态特性。静态特性：静态特性：包括转移特性和输出特性动态特性：动态特性：包括开通延时时间、关断延时时间和开关速度等IGBTIGBT的静态特性的静态特性IGBT的静态特性：的静态特性：主要包括转移特性和输出特性IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性IGBTIGBT的静态特性的静态特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似开开启启电电压压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V输输出出特特性性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态IGBTIGBT的动态特性的动态特性 IGBT的动态特性：的动态特性：IGBT的开关过程IGBTIGBT的动态特性的动态特性IGBT的开通过程的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td(on)从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%ICM电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段：tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程IGBTIGBT的动态特性的动态特性IGBT的关断过程的关断过程关断延迟时间td(off)：从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM电流下降时间tf：iC从90%ICM下降至10%ICM关断时间toff：关断延迟时间与电流下降之和电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段：tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢IGBTIGBT的其它特性的其它特性IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFETIGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数IGBTIGBT的主要参数的主要参数 1)最最大大集集射射极极间间电电压压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2)最最大大集集电电极极电电流流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗IGBTIGBT的特性和参数特点的特性和参数特点1.开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当2.相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力3.通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域4.输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似5.与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点IGBTIGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号返回IGBTIGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区寄寄生生晶晶闸闸管管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成正正偏偏安安全全工工作作区区（FBSOA)最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定反反向向偏偏置置安安全全工工作作区区（RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定IGBTIGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决IGBTIGBT的驱动的驱动IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为10V。M57962L型IGBT驱动器的内部结构和外部接线如下图所示。IGBTIGBT的驱动的驱动M57962L型IGBT驱动器的内部结构和外部接线图