电子器件学习.pptx

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1、西门子第1页/共84页ABB变频器第2页/共84页1、变频器的概念和用途 变频器的概念：利用半导体器件的通断作用来实现电能频率变化的电子控制装置。 整流和逆变 变频器的用途：用于驱动控制交流电动机进行连续平滑的变频调速。第3页/共84页变频器的用途第4页/共84页第5页/共84页2、变频器的发展历程 直流调速系统的优缺点： 调速系统结构简单、调速平滑、调速性能好 但直流电机本身结构复杂、价格昂贵、维护不变 交流调速系统的优缺点： 交流电机结构简单、工作可靠、价格低廉、规格较多（小容量到大容量的） 但调速比较困难第6页/共84页 变频器的诞生 20世纪70年代，微电子技术和电力电子技术的发展，为

2、变频器的诞生奠定了基础。 变频器的出现实现了交流异步电动机的变频调速。 变频器的发展与成熟 近30年来，微电子技术、电力电子技术、计算机技术的发展促进了变频器的不断发展和成熟 高性能的变频调速系统已经可以与传统的直流调速系统相媲美。第7页/共84页3、我国变频器的应用现状 起步较晚 20世纪90年代中国企业界才开始认识并尝试使用 以进入“黄金时期” 近几年，随着变频器价格的下调、性能的提高,以及节能方面的要求，推动了变频器的推广应用。 国外品牌：作为高新科技产品，国外品牌占据了绝大多数市场。 如：日本三菱、富士、西门子等第8页/共84页 国内品牌 国内变频器的研制和生产也在向前发展 规模较大的

3、厂家有：成都森兰、佳灵，北京的利德华福等。 变频调速的效果 节能（风机、泵类） 提高速度和精度 提高生产率和产品质量 延长设备使用寿命（和直流调速比较） 增加使用者的舒适度等（电梯）第9页/共84页 市场空间 变频器的应用目前不足十分之一 一个主要原因是变频器应用人才的缺乏第10页/共84页应用效果应用效果领域领域应用方法应用方法以前方式以前方式节能鼓风机、泵调速运转，采用工频恒速和变频调速运转相结合采用工频电源恒速运转自动化各种搬运机械1、多台电动机以比例速度运转2、联动运转，同步运转1、机械式变速减速器2、定子电压控制提高产量机床搬运机械增速运转消除或缓冲起动停止引起的不良降低1、采用工频

4、电源恒速运转2、定子电压控制减少维修（恶劣环境的对策）车辆传动生产流水线取代直流电动机直流电动机提高质量机床搅拌机选择无级的最佳速度运转采用工频电源恒速运转提高舒适性空调机采用压缩机调速运转，进行连续温度控制采用工频电源的通、断控制第11页/共84页风机、水泵用节能型变频器第12页/共84页 风机、水泵，是风量与转速成正比，转矩或风压与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比，所以在低转速运行时，负载转矩非常小，变频器运转的温度及转矩都不存在问题，所以变频器可制造出节能型。第13页/共84页4、变频器的发展趋势 向专用型方向发展 针对特定应用领域的专用变频器（风机泵类） 以降低成本，节省安装调试

5、时间，方便操作 向个性化方向发展 操作更简单（设计时菜单更加方便） 使用更方便 易用型不断提高 提供辅助工具 简化调试过程第14页/共84页 功率结构模块化 采用模块化设计，为不同系列的产品提供了一致性 为用户选型、安装、调试维护带来方便 智能化（信息化） 加强编程能力 通讯能力 优化电网缺口 内置电抗器减少谐波对电网的影响 采用高功率因数整流器第15页/共84页5、课程内容 课程性质 “变频器原理及应用”是一门应用性较强的专业课程 是“数学”、“物理”、“电工基础”、“电子技术”、“电子电子技术”、“电力拖动”、“电气控制”等课程的后续课程。 同时又与“交直流调速系统”、“PLC控制技术”等

6、专业课程有着横向联系。第16页/共84页 课程主要任务 掌握变频器的结构和工作原理 重点：变频器的概念和用途 难点：变频器的发展趋势第17页/共84页第2章 电力电子器件 第18页/共84页电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件 主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件 电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断第19页/共84页电力电子器件的分类按

7、照驱动信号的性质 电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。 电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。 电平控制型 必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。第20页/共84页电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况 单极型器件 由一种载流子参与导电。 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。 复合型器件 由单极型器件和双极型器

8、件集成混合而成， 也称混合型器件。 第21页/共84页本章内容和学习要点本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。学习要点 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。 了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。第22页/共84页2.2 不可控器件功率二极管功率二极管的工作原理 功率二极管的基本特性 功率二极管的主要参数 功率二极管的主要类型第23页/共84页2.2 不可控器件功率

9、二极管引言功率二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。整流二极管及模块 第24页/共84页功率二极管是以半导体PN结为基础的, ,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图2-2 功率二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号第25页

10、/共84页二极管的基本原理PN结的单向导电性 当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。 当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。 按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。第26页/共84页静

11、态特性 主要是指其伏安特性 正向电压大到一定值（门槛 电压UTO ），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。 与IF对应的功率二极管两端的 电压即为其正向电压降UF。 承受反向电压时，只有少子 引起的微小而数值恒定的反向 漏电流。IOIFUTOUFU图2-5 功率二极管的伏安特性第27页/共84页a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt1:反向电流达最大值的时刻t0:正向电流降为零的时刻动态特性 因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是功率二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置 功

12、率二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间：trr=td+ tf 恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系 数，用Sr表示。b)UFPiiFuFtfrt02V 图2-6 功率二极管的动态过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 第28页/共84页正向平均电流IF(AV) 指功率二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均

13、值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正向压降UF 指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。反向重复峰值电压URRM 指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。第29页/共84页最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125175 C范围之内。反向恢复时间trr浪涌电流IFSM 指功率二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。第30页/共84页2.3

14、 半控器件晶闸管引言晶闸管（晶闸管（Thyristor）是）是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。，以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能承受的由于其能承受的电压和电流容量电压和

15、电流容量仍然是目前电力电子器件中最高仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地的应用场合仍然具有比较重要的地位。位。第31页/共84页晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构 。 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体结构。 图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 第32页/共84页晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKI

16、II21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中 1和 2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理 第33页/共84页晶闸管的结构与工作原理 由以上式（2-1）（2-4）可得)(121CBO2CBO1G2AIIII(2-5)晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+

17、2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将将趋近于趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。 第34页/共84页晶闸管的基本特性静态特性 正常工作时的特性 当晶闸管承受反向电压时，

18、不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。 第35页/共84页晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性 正向特性 当IG=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。 如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通 。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低，晶闸管本身的压降

19、很小，在1V左右。 如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。 正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+ 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 第36页/共84页晶闸管的基本特性正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+反向特性 其伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，

20、外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG第37页/共84页晶闸管的基本特性动态特性 开通过程 由于晶闸管内部的正反馈 过程需要时间，再加上外电路 电感的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能 是瞬时的。 延迟时间td (0.51.5 s) 上升时间tr (0.53 s) 开通时间tgt=td+tr 延迟时间随门极电流的增 大而减小,上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到外电 路电感的严重影响。提高阳极 电压,延迟时间和上升时间都 可显著缩短。阳极电流稳态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtg

21、rURRMIRMiA阳极电流稳态值的10% 图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形第38页/共84页晶闸管的基本特性关断过程 由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。反向恢复电流最大值尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形第39页/共84页晶闸管的主

22、要参数电压定额 断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向 峰值电压（见图2-9）。 国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向 峰值电压（见图2-8）。 规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）URSM的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。第40页/共84页晶闸管的主要参数 通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电

23、流时的瞬态峰值电 压。 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。电流定额 通态平均电流 IT(AV） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷 却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则所得计算结果的1.52倍。 第41页/共84页晶闸管的主要参数维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。 结温

24、越高，则IH越小。 擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。 约为IH的24倍 浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。第42页/共84页晶闸管的主要参数动态参数 开通时间tgt和关断时间tq 断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸

25、管损坏。第43页/共84页2.4 典型全控型器件引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。第44页/共84页典型全控型器件引言GTO：现在已有的6000V、6000A，9000V、8000A。GTO广泛应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。第45页/共84页门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。 GTO的结构和工作原理 GTO的结构 是PNPN四层半导体结 构。 是一种多元的功率集成 器件，虽然外

26、部同样引出个 极，但内部则包含数十个甚 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图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号 第46页/共84页门极可关断晶闸管GTO 门极可关断晶闸管是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。优点：既具有普通晶闸管的优点（耐高压，电流大，耐浪涌能力强，价格便宜），同时又具有GTR的优点（自关断能力，无需辅助关断电路，使用方便）。GTO是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。第47页/共84页门极可关断晶闸管 图2-8

27、晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理GTO的工作原理 仍然可以用如图2-8所示的双晶体管模型来分析，V1、V2的共基极电流增益分别是 1、 2。 1+ 2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。 GTO与普通晶闸管的不同 设计 2较大，使晶体管V2控制 灵敏，易于GTO关断。 导通时 1+ 2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 第48页/共84页门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，

28、即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使 1+ 21时，器件退出饱和而关断。 GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。 第49页/共84页门极可关断晶闸管GTO的动态特性 开通过程与普通晶闸管类似。 关断过程 储存时间ts 下降时间tf 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， ts就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时储存的大量载流子的时

29、间等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间 残存载流子复合所需时间 图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形 第50页/共84页门极可关断晶闸管GTO的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 最大可关断阳极电流IATO 用来标称GTO额定电流。 电流关断增益 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。 off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。 开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。 延迟时间一般约12 s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而 增大。 关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。 储

30、存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2 s。不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。 第51页/共84页电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。 第52页/共84页图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子

31、的流动 GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。第53页/共84页N-漂移区由于掺杂浓度低而接近无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，因此可以承受很高的电压而不被击穿，因此低掺杂区越厚，管子所能承受的反向电压就越高。电导调制效应：低掺杂区由于掺杂浓度低而具有的高电阻率对于PN结的正向导通是不利的。当PN结上流过的正向电流较大时，由P区注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也将相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。第54页/共84页电力晶体管Ii

32、iceobc在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为(2-9) 称为GTR的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 iibc(2-10)单管GTR的 值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib图2-16 c) 内部载流子的流动 第55页/共84页电力晶体管GTR的基本特性 静态特性 在共发射极接法时的典 型输出特性分为截止区、放 大区和饱和区三个区域。 在电力电子电路中， GTR工

33、作在开关状态，即工 作在截止区或饱和区。 在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时， 一般要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层击穿。 极间电容 CGS、CGD和CDS。 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。 第70页/共84页电力场效应晶体管 3功率MOSFET的保护技术（1 1）栅源过压保护 过高的栅源电压将击穿栅源氧化层，并产生永久性损坏。 MOSFET的栅源电压一般不允许超过20V，在栅源两端反接一个稳压二极管（稳压值为15V），即可实现栅源过压保护。（2 2）漏源过压保护 在漏极电路的供电

34、电压远低于功率MOSFET额定电压的时候，功率MOSFET也可能遭受瞬态过电压而毁坏。这个瞬态过电压就是由于功率MOSFET关断时电路中电感的影响造成的 第71页/共84页电力场效应晶体管（3 3）峰值电流保护 所有的功率MOSFET都有一个最大的峰值电流额定值。为保证能长期可靠地工作，功率MOSFET工作时不能超过这个额定值。 在实际电路中，如光电、热和电机类负载，如不加以限制就会产生大的冲击电流。当功率MOSFET突然同一个导通的续流二极管接通时，由于二极管的反向恢复作用，会产生很大的瞬态电流。解决这个问题的办法是选用快恢复型二极管，或降低功率MOSFET的开关速度，以限制续流二极管的峰值

35、反向恢复电流。第72页/共84页（5 5）过热保护 解决过热保护的办法之一是安装一个足够大的散热器，使它的散热能力足以在总功耗一定的情况下，使结温限制在150之内。办法二是检测结温，如果结温高于某个值(如100)，就应该采取关断措施。检测结温一般是依据功率MOSFET的通态电阻RDS（ON）随结温上升而增大的性质。在漏极电流一定的情况下，通态电阻值是和管压降成正比的，所以检测管压降就能检测到结温的情况。 （6 6）静电保护 由于功率MOSFE了是MOS器件，它有一定的输入电容，很容易吸收静电荷，这个静电荷积累过多，会使极间的电压超过所允许的电压而毁坏器件。因此要注意以下一些问题： 1)功率MO

36、SFET应放置在防静电袋子或导电泡沫塑料内，操作者要带可靠接地的手镯拿取。 2)用手拿功率MOSFET时，不要用手触摸其管脚。 3)工作台要采用接地的桌子和地板垫。 4)电烙铁要良好地接地，在MOSFET电控系统中要设置过压、欠压、过流和过热保护单元，以保证安全可靠地工作。第73页/共84页2、6绝缘栅双极晶体管GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipola

37、r TransistorIGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。 第74页/共84页IGBT的结构和工作原理 IGBT的结构 是三端器件，具有栅极G、 集电极C和发射极E。 由N沟道VDMOSFET与双 极型晶体管组合而成的IGBT， 比VDMOSFET多一层P+注入 区，实现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 是用GTR与MOSFET组成的达 林顿结构，相当于一个由 MOSFET驱动的厚基区PNP晶 体管。 绝缘栅双极晶体管图2-23 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)

38、 简化等效电路 c) 电气图形符号第75页/共84页绝缘栅双极晶体管IGBT的工作原理 IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。 当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。 当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。 电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。 第76页/共84页绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性 静态特性 转移特性 描述的是集电极电流 IC

39、与栅射电压UGE之间的 关系。 开启电压UGE(th)是 IGBT能实现电导调制而 导通的最低栅射电压，随 温度升高而略有下降。 图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 第77页/共84页绝缘栅双极晶体管图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 b) 输出特性 输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 当UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。 在电力电子电路中，IGBT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78页/共84页绝缘栅双极晶体管动态特性 开

40、通过程 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 电压下降时间tfv 开通时间ton= td(on)+tr+ tfv tfv分为tfv1和tfv2两段。 关断过程 关断延迟时间td(off) 电压上升时间trv 电流下降时间tfi 关断时间toff = td(off) +trv+tfi tfi分为tfi1和tfi2两段 引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。 图2-25 IGBT的开关过程第79页/共84页绝缘栅双极晶体管IGBT的主要参数 前面提到的各参数。 最大集射极间电压UCES 由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。 最大集电极电流 包括额定

41、直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 第80页/共84页绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度高，开关损耗小。 在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的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。 第81页/共84页IGBTIGBT的驱动与保护技术1.驱动电路由于IGBT以MOSFET为输入级，

42、所以MOSFET的驱动电路同样适用于IGBT。 （1 1）对驱动电路的要求对驱动电路的要求体现在以下几方面： 1）IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.55V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一个低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。 2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。IGBT开通后，栅极驱动源能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。 3）驱动电路要能传递几kHz的脉冲信号。 第82页/共84页IGBTIGBT的驱动与保护技术 4）

43、驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。在有短路过程的设备中 ，由于负载短路时的IC增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此UGE应取得小一些，一般为1215V。 5）在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，应施加一负偏压UGE，但其受IGBT的G、E间的最大反向耐压限制，一般取-1-10V。 6）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。 7）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。 8）IGBT的栅极驱动电路应简单实用，其自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干扰能力。 第83页/共84页感谢您的观看！第84页/共84页