电力电子技术基础器件.pptx

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1、电力电子技术基础第二部分 电力电子器件功率器件的分类功率器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： (1) 半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定第1页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件功率器件的分类功率器件的分类 (2) 全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）

2、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）(3)不可控器件不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路 电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的电力电子技术基础第2页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件功率器件的分类功率器件的分类按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类： 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 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的

3、两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件电力电子技术基础第3页/共112页按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：单极型器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 电力电子技术第二部分 电力电子器件功率器件的分类功率器件的分类电力电子技术基础第4页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件功率器件的分类功率器件的分类MCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极

4、型单极型混合型复合型（图1-42GTR电力电子技术基础第5页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件功率器件的特性和应用功率器件的特性和应用电力电子技术基础第6页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件当前的格局当前的格局 IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA 光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大 电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固电力电子技术基础第7页/共1

5、12页1.1 功率二极管第8页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件功率二极管功率二极管 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 以半导体PN结为基础 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，主要有螺栓型和平板型以及模块封装 AKAK电力电子技术基础第9页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件电力二极管与普通二极管的区别电力二极管与普通二极管的区别造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入

6、水平较高，电导调制效应不能忽略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大电力电子技术基础第10页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件PD等效模型等效模型外壳电容体电阻体电感引线电感势垒+ 扩散 电容PN结电阻-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩散电容仅在正向偏置

7、时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分电力电子技术基础第11页/共112页电力电子技术第一部分 绪论静态特性静态特性uD DiD DmAAm反向阻断雪崩击穿0.51.2V主要指其伏安特性 当电力二极管承受的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。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。电力电子技术基础第12页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件动态特性动态特性tiD DtFRUFRP理想iD Di

8、D D实际理想uD D实际uD DuD D开通过程：势垒电容体电感正向恢复时间动态特性因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的电力电子技术基础ononDDSDUridtdiLu第13页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件动态特性动态特性电力电子技术基础关断过程：tiD DUFRP理想uD D理想iD DIRRPUR实际iD DuD D实际URRP25%IRRPtRR由UR、线路电感、体电感决定反向充电建立势垒开始承受反压，抽流过程减弱，直至恢复反向阻断能力PN结两侧储存的大量空穴在反压的作用下被抽出器件，而形成反相电流，达到反向偏置稳

9、态第14页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件动态特性参数动态特性参数 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：下降时间与延迟时间 的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd t电力电子技术基础第15页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件主要参数主要参数电力电子技术基础第16页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件主要参数主要参数电力电子技术基础第17页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件PD的分类

10、的分类1.普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5m ms以上，这在开关频率不高时并不重要 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上电力电子技术基础第18页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件PD的分类的分类2.快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD） 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（1m ms以下）的二极管，也简称快速二极管 适用频率：20100kHzMUR系列MUR1620 16A200

11、V电力电子技术基础第19页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件PD的分类的分类 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 适用频率：200kHz左右 BYV26/32/36 超快恢复二极管 （Ultra Fast Recovery Diode 25ns) 软恢复二极管 （Soft Recovery Diode 1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RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)(121CBO2C

12、BO1G2AIIII第57页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件GTO与普通晶闸管的区别与普通晶闸管的区别电力电子技术基础 GTO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第58页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件GTO与普通晶闸管的区别与普通晶闸管的区别电力电子

13、技术基础 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：强烈正反馈门极加负脉冲即从门 极抽出电流，则IG减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流 当IA和IK的减小使 1+ 220V将导致绝缘层击穿 4)极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS 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第85页/共112页电力电子技术第一部分 绪论MOSFET的特点的特点电力电子技术基础 电压控制，输入阻抗高。147410101010:MOSGTR 单极型，温流负反馈， 温度稳定性高，无二次击穿。 横向

14、导电，电流小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。 nDSSonDSBVkR)()(K为器件的几何常数，N=2.52.7 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第86页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件MOSFET的并联运行的并联运行电力电子技术基础Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联电路走线和布局应尽量对称可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用第87页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件MOSFET注意的

15、问题注意的问题在各种参数允许的范围内使用注意对栅极的保护第88页/共112页1.6 绝缘栅双极型晶体管第89页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件IGBT的产生思路的产生思路电力电子技术基础 GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强；开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，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；容量小。 两类器件取长补短结合而成的复合器件两类器件取长补短结合而成的复合器件绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第90页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件IGBTIGBT

16、的概况的概况电力电子技术基础 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） 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的地位第91页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件IGBT的结构的结构电力电子技术基础DSGCEN+NP+PPE N- -CGEPN+N+PN+N+ N+ P+GCERNRPGCERNGECIGBTInsulated Gate Bipolar Transisto

17、r第92页/共112页PowerexCM300DY-24H4xIGBT4xDiode电力电子技术第二部分 电力电子器件IGBT的结构的结构电力电子技术基础第93页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件IGBT的静态特性的静态特性电力电子技术基础 转移特性UST 26VuGEGEiC C 输出特性饱和区iCuCEUGE23V 饱和电压特性uCESiC C25125负正在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具负温度系数在以上的区段则具有正温度系数，并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联第94页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件IGBT的动态特性的动态特性电力电子技术

18、基础iCtt1 1t2 2t3 3t4 4USTuGEUGEM0.1UGEMICM0.9ICMtONtOFF0.1ICM0.9UGEMuCEMOSONGTRONMOSOFFGTROFFt拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢第95页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件IGBT的擎住（的擎住（Latch）效应）效应电力电子技术基础GCERNRP 静态擎住 动态擎住 过热擎住P区体电阻RP引发擎住关断过急位移电流ECEJidtduCCJPN结电容RG不能过小，限制关断时间。RP及PNP、NPN 电流放大倍数因温度升高而增大。（150时ICM降至1/2）第96页/共112页电力电

19、子技术第二部分 电力电子器件IGBT的主要参数的主要参数电力电子技术基础1)最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定2)最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗第97页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点电力电子技术基础(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

20、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 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第98页/共112页1.7 其他新型电力电子器件第99页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管电力电子技术基础第100页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管电力电子技术基

21、础第101页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子技术基础ToshibaFujiSemikronPowerexEupec/Infineon Standardmodules Lowlaborcontent Improvedreliability Reducedcost第102页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子技术基础第103页/共112页电力电子技术第二部分 电力电子器件MOS控制晶闸管MCT电力电子技术基础 MCT是一种新型MOS/双极复合器件。它是在普通晶闸管中用集成

22、电路工艺制作大量的MOS开关，通过MOS开关的通断来控制晶闸管的开启和关断。所以，MCT既有晶闸管良好的阻断和通态特性，又具有MOS场效应管输入阻抗高，驱动功率低和开关速度快的优点，同时克服了晶闸管速度慢，不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大的缺点。 由于MCT与IGBT在相同的工作频率下，其关断的控制难度要高，制作工艺更复杂，所以其商业化速度没有IGBT那么快。 第104页/共112页 优点MCT工作于超掣住状态，是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低

23、压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/ s 和2000V/ s。其工作结温亦高达150200。电力电子技术第二部分 电力电子器件MOS控制晶闸管MCT电力电子技术基础第105页/共112页 新型电力电子器件可分为结型场控器件和绝缘栅型场控器件两大类。 结型场控器件主要是指静电感应晶闸管SITH、静电感应晶体管SIT和双级模式静电感应晶体管BSIT。 源漏电流受栅极上的外加垂直电场控制的

24、垂直沟道场效应晶体管,简称静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor）。电力电子技术第二部分 电力电子器件静电感晶体管SIT电力电子技术基础第106页/共112页DSGDSGDSGDSGNSITPSIT SIT是利用漏极电压和门极电压的静电感应来调制沟道内部的电位分布和势垒高度，从而控制由源区注入的多子浓度，进而控制漏极电流ID的大小。这是“静电感应”一词的含意。SIT是电压控制器件，而且是门极为零时，它处于导通状态，因此SIT是常开型器件。在门源极加负电压，可关断它。 电力电子技术第二部分 电力电子器件静电感晶体管SIT电力电子技术基础第107页/共112页

25、1、传输时间短，工作频率高，频带宽，开关速度快。 2、电流容量大，增益高。 3、易得到高的耐压。 4、电流通道上没有PN结，不会出现二次击穿，抗烧性好。 5、 属电压控制型器件，阻抗属电容性，容易驱动。6、输入阻抗高、输出阻抗低、输出功率大、负载能力强。 7、 抗辐照能力强。噪声低、线性度好。 电力电子技术第二部分 电力电子器件静电感晶体管SIT的优点电力电子技术基础第108页/共112页1、开关速度和工作频率可以很高，所以适合用于做高频SIT和微波SIT。 2、采用多个沟道并联，沟道内是高阻材料，适用于大电流、高电压下作功率电子器件。 3、负载时有电压放大倍数基本不变的特点，可以使功率放大失真度小，适用于需要线性功率放大的地方。 电力电子技术第二部分 电力电子器件静电感晶体管SIT的应用电力电子技术基础第109页/共112页4、SIT的特点是频率覆盖范围宽、功率覆盖范围大，广泛应用于高保真度的音响设备、电源、电机控制、通信机、电视差转机以及雷达、导航和各种电子仪器中。5、我国SIT类器件已有一定基础，已研究开发二十余种SIT类器件，但功率较大的SIT仍在开发中。 6、产品的发展趋势是模块化、大功率化。电力电子技术第二部分 电力电子器件静电感晶体管SIT的应用电力电子技术基础第110页/共112页END!第111页/共112页感谢您的观看！第112页/共112页