第8单元电力电子器件.pptx

二、主要参数 1.额定正向平均电流IF 在规定的环境温度为40和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。将此电流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。2.反向击穿电压 指管子反向击穿时的电压值。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行 3.正向平均电压UF 在规定环境温度+40和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别称为正向平均电压UF，简称管压降，一般在0.451V范围内。第1页/共33页8.28.2 晶闸管8.2.1 8.2.1 晶闸管的结构及其工作原理 晶闸管是四层(PlNlP2N2)三端(阳极A、阴极K、门极G)器件，其内部结构和等效电路如下图所示。a)b)晶闸管的内部结构和等效电路 a)内部结构 b)以互补三极管等效 第2页/共33页晶闸管等效为两个互补连接的三极管工作分析 IGIB2I2（IB1）IB2 晶闸管的工作原理示意图 第3页/共33页晶闸管的导通与关断条件 1 1）晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加上足够的正向触发脉冲，两者缺一不可。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。3)3)晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流IA小于维持电流IH。第4页/共33页8.2.28.2.2晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极间的电压ua和阳极电流ia之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如下图所示。晶闸管的伏安特性曲线 第5页/共33页 8.2.3晶闸管主要参数 1 1额定电压UTn 当门极开路，元件处于额定结温时，根据所测定的正向不可重复峰值电压UDSM和反向不可重复峰值电压URSM，再各乘以0.9，即得正向断态重复峰值电压UDRM和反向阻断重复峰值电压URRM。取UDRM 和URRM中较小值并按标准电压等级系数取为额定电压UTn。2 2额定电流IT(AV)晶闸管的额定电流也称为额定通态平均电流，即在环境温度为40和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170的电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。3 3通态平均电压UT(AV)当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。第6页/共33页 4 4、维持电流IH 在室温和门极断开时，器件从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维持电流。它一般为几毫安到几百毫安。5 5、擎住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能使器件保持导通所需要的最小阳极电流。6、断态电压临界上升率dudt 在额定结温和门极开路情况下，不使器件从断态到通态转换的阳极电压最大上升率称为断态电压临界上升率。7 7、通态电流临界上升率d did dt 在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。第7页/共33页选用晶闸管的原则1.1.按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压UTM的23倍来选择晶闸管的额定电压，即 UTn=(2=(23)3)UTM 2.2.按电流有效值相等的原则进行换算，选择晶闸管的额定电流即 IT=1.57 I T(AV)I T(AV)=IT/1.57/1.57 由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取(1.5(1.52)2)的安全裕量，即 I T(AV)=(1.5(1.5 2)2)IT /1.57/1.57第8页/共33页8.2.6 晶闸管派生器件 一、双向晶闸管 1 1双向晶闸管的结构与伏安特性曲线 a)b)c)d)a)b)c)d)双向晶闸管a)a)双向晶闸管的结构 b)b)等效电路 c)c)符号 d)d)伏安特性曲线 第9页/共33页 双向晶闸管的参数 双向晶闸管的主要参数中额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义与普通晶闸管相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电流不是用平均值，而是用有效值(方均根值)来表示，定义为：在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170170时，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用IT(RMS)表示。双向晶闸管有效值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为 以此推算，一个100A的双向晶闸管与两个45A的普通晶闸管反并联电流容量相等。第10页/共33页 双向晶闸管的触发方式 双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：(1)(1)I I+触发方式 主极T T2 2为正，T T1 1为负；门极电压G G为正，T T1 1为负。(2)(2)I I_ _ 触发方式 主极T T2 2为正，T T1 1为负；门极电压G G为负，T T1 1为正。(3)(3)+触发方式 主极T T2 2为负，T T1 1为正；门极电压G G为正，T T1 1为负。(4)(4)触发方式 主极T T2 2为负，T T1 1为正；门极电压G G为负，T T1 1为正。四种触发方式中触发灵敏度不相同，I I+触发方式灵敏度最高，+触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开+，常采用的触发方式为I I+和-。第11页/共33页8.3 8.3 门极可关断晶闸管(GTO)GTO)一、GTOGTO的结构与工作原理 1基本结构 a)芯片的实际图形 b)GTO结构的纵断面 c)GTO结构的纵断面 d)图形符号 GTO的内部结构和电气图形符号第12页/共33页 2 2GTOGTO的主要参数 1、最大可关断阳极电流IATO：GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个因素限制。阳极电流过大，内部晶体管饱和深度加深，使门极关断失效。所以GTO通常将最大可关断阳极电流作为GTO的额定电流。2、关断增益off 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益off。即第13页/共33页8.48.4 电力晶体管(GTR)GTR)一、电力晶体管的结构与工作原理 1 1电力晶体管的结构 a)b)a)b)NPNNPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号 a)a)内部结构 b)b)电气图形符号第14页/共33页二、电力晶体管的特性与主要参数 1.GTR 1.GTR的基本特性 (1)(1)静态特性 共发射极接法时，GTRGTR的典型输出特性如下图所示，可分为三个工作区：截止区。在截止区内，i iB B00，u uBEBE00，u uBCBC0 0，集电极只有漏电流流过。放大区。i iB B 0 0，u uBEBE0 0，u uBCBC0 0，i iC C=iiB B。饱和区。，u uBEBE0 0，u uBCBC0 0，i iCSCS是集电极 饱和电流，其值由外电路决定。第15页/共33页 (2)(2)动态特性 GTRGTR共发射极接法的输出特性 GTRGTR开关特性 第16页/共33页2 2GTRGTR的主要参数 (1)(1)最高工作电压 BUCBO：射极开路时，集-基极间的反向击穿电压。BUCEO：基极开路时，集-射极之间的击穿电压。BUCER：GTRGTR的射极和基极之间接有电阻R。BUCES：发射极和基极短路，集-射极之间的击穿电压。BUCEX：发射结反向偏置时，集-射极之间的击穿电压。其中BUCBO BUCES BUCES BUCER BUCEO，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUCEO低得多。(2)(2)集电极最大允许电流ICM (3)(3)集电极最大允许耗散功率PCM (4)(4)最高工作结温T TJMJM 第17页/共33页3 3二次击穿和安全工作区 (1)(1)二次击穿 二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。一般情况下，只要功耗不超过极限，GTRGTR是可以承受的，但是在实际使用中，会出现负阻效应，使iE进一步剧增。由于GTRGTR结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使GTRGTR损坏。(2)(2)安全工作区 以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，如下图所示。第18页/共33页GTRGTR安全工作区 第19页/共33页8.58.5电力场效应晶体管(Power MOSFET)Power MOSFET)一、电力MOSFETMOSFET的结构 电力MOSFETMOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。a)b)a)b)电力MOSFETMOSFET的结构和符号 a)MOSFETa)MOSFET元组成剖面图 b)b)图形符号第20页/共33页 二、电力MOSFETMOSFET的特性 1 1转移特性 转移特性是指电力MOSFETMOSFET的输入栅源电压u uGSGS与输出漏极电流i iD D之间的关系，如下图a a所示。由图可见，当u uGSGS U UGS(th)GS(th)时，i iD D近似为零；当u uGSGSU UGS(th)GS(th)时，随着u uGSGS的增大，i iD D也越大。当i iD D较大时，i iD D与u uGSGS的关系近似为线性。第21页/共33页 a)b)a)b)电力MOSFETMOSFET的转移特性和输出特性 a)a)转移特性 b)b)输出特性 第22页/共33页 2 2输出特性 输出特性是指以栅源电压u uGSGS为参变量，漏极电流i iD D与漏源电压u uDSDS之间关系的曲线，如下图b b所示。截止区。u uGSGSU UGS(th)GS(th)，i iD D=0=0，这和电力晶体管的截止区相对应。饱和区。u uGSGSU UGS(th)GS(th)，u uDSDSu uGSGS -U UGS(th)GS(th)，当u uGSGS不变时，i iD D几乎不随u uDSDS的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。这里的饱和区对应电力晶体管的放大区。当用做线性放大时，MOSFETMOSFET工作在该区。非饱和区。u uGSGSU UGS(th)GS(th)，u uDSDSu uGSGS -U UGS(th)GS(th)，漏源电压u uDSDS和漏极电流i iD D之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFETMOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。第23页/共33页 3 3开关特性 a)ba)b）电力MOSFETMOSFET的开关过程 a)a)测试MOSFETMOSFET开关特性的电路 b)b)开关特性曲线第24页/共33页 三、电力MOSFETMOSFET的主要参数 1 1）漏极电压U UDSDS：即电力MOSFETMOSFET的额定电压，选用时必须留有较大安全裕量。2 2）漏极最大允许电流I IDMDM：即电力MOSFETMOSFET的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。3 3）栅源电压U UGSGS：栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过20 20 V V，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。总之，为了安全可靠，在选用MOSFETMOSFET时，对电压、电流的额定等级都应留有较大裕量。4 4）极间电容：电力MOSFETMOSFET极间电容包括C CGSGS、C CGDGD和C CDSDS，其中C CGSGS为栅源电容，C CGDGD是栅漏电容，是由器件结构中的绝缘层形成的；C CDSDS是漏源电容，是由PNPN结形成的。第25页/共33页8.6 8.6 绝缘栅双极晶体管(IGBT)IGBT)一、基本结构 a)a)b)b)c)c)IGBTIGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a)a)内部结构 b)b)简化等效电路 c)c)电气图形符号第26页/共33页二、IGBTIGBT的基本特性 a)a)b)b)IGBTIGBT的转移特性和输出特性 a)a)转移特性 b)b)输出特性第27页/共33页二、IGBTIGBT的基本特性 图a a为IGBTIGBT的转移特性，它描述的是集电极电流i iC C与栅射电压u uGEGE之间的关系，与功率MOSFETMOSFET的转移特性相似。开启电压u uGE(th)GE(th)是IGBTIGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。u uGE(th)GE(th)随温度升高而略有下降，温度升高11，其值下降5 5 mVmV左右。图b b为IGBTIGBT的输出特性，也称为伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流i iC C与集射极间电压u uCECE之间的关系。此特性与GTRGTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBTIGBT为栅射电压u uGEGE，GTRGTR为基极电流i iB B 。IGBTIGBT的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与GTRGTR的截止区、放大区和饱和区相对应。此外，当u uCECE0 0时，IGBTIGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBTIGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。第28页/共33页动态特性：IGBTIGBT的开关过程 第29页/共33页三、主要参数 1)1)最大集电极-发射极电压U UCESCES：这个电压值是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规定的，是栅极-发射极短路时IGBTIGBT能承受的耐压值，即U UCESCES值小于或等于雪崩击穿电压。2)2)最大集电极电流I ICSCS：该参数给出了IGBTIGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。3)最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大功耗。4)4)栅极-发射极额定电压U UGESGES：IGBTIGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBTIGBT的导通和关断，而U UGESGES就是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBTIGBT的U UGESGES值大部分为+20+20 V V，使用中不能超过该值。第30页/共33页 四、IGBTIGBT的擎住效应和安全工作区 在IGBTIGBT内部寄生着一个N N-PNPN+晶体管和作为主开关器件的P P+N N-P P晶体管组成的寄生晶体管。一旦J J3 3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高而损坏。这种电流失控的现象，被称为擎住效应或自锁效应。引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大(静态擎住效应)，也可能是最大允许电压上升率d du uCECEd dt t过大(动态擎住效应)，温度升高也会加重发生擎住效应的危险。根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确定IGBTIGBT在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作电压(FBSOA)FBSOA)；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率可以确定IGBTIGBT在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作电压(RBSOA)RBSOA)。第31页/共33页第32页/共33页电力电子技术感谢您的观看！第33页/共33页