太阳能光伏发电专业电力电子典型全控型器件.pptx

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1、会计学1太阳能光伏发电专业电力电子典型全控型太阳能光伏发电专业电力电子典型全控型器件器件2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 引言引言门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管在在晶晶闸闸管管问问世世后后不不久久出现。出现。2020世世纪纪8080年年代代以以来来，电电力力电电子子技技术术进进入入了了一一个崭新时代。个崭新时代。典典型型代代表表门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管、电电力力晶晶体体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。第1页/共54页2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 引言引言常用的常用的常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件典型

2、全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块第2页/共54页2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。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。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTOGTO的的电电压压、电电流流容容量量较较大大，与与普普通通晶晶闸闸管管接接近近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）第3页/共54页2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管结构结构结构结构：与与普普通通

3、晶晶闸闸管管的的相相相相同同同同点点点点：PNPNPNPN四四层层半半导导体体结结构构，外外部引出阳极、阴极和门极。部引出阳极、阴极和门极。和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不不不同同同同点点点点：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成成器件。器件。图1-13GTO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1）GTO的结构和工作原理第4页/共54页2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管工作原理工作原理工作原理工作原理：与与普普通通晶晶闸闸管管一一样样，可可以以用用图图1-71-7所所示示的的双双晶晶体体管管模

4、模型型来来分析。分析。图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1+2=1是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。第5页/共54页可关断晶闸管可关断晶闸管GTOGTO关断过程等效电路关断过程等效电路EAAGKEGRIAIC1IC2P1N1P2N1P2N2V1V2IGIK第6页/共54页2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO能能够够通通过过门门极极关关断断的的原原因因是是其其与与普普通通晶晶闸管有如下闸管有如下区别区别区别区别：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，

5、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。图1-7晶闸管的工作原理第7页/共54页2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO导导通通过过程程与与普普通通晶晶闸闸管管一一样样，只只是是导导通通时时饱饱和程度较浅。和程度较浅。GTOGTO关关断断过过程程中中有有强强烈烈正正反反馈馈,使使器器件件退退出出饱饱和和而关断。而关断。多多元元集集成成结结构构还还使使GTOGTO比比普普通通晶晶闸闸管管开开通通过过程程快快，承受承受d di i/d/dt t能力强能力强 。由上述分析我们可以得到以下结论：

6、第8页/共54页2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管开开开开通通通通过过过过程程程程：与与普普通通晶晶闸闸管管相同相同关关关关断断断断过过过过程程程程：与与普普通通晶晶闸闸管管有所不同有所不同储储储储存存存存时时时时间间间间t ts s，使使等等效效晶晶体管退出饱和。体管退出饱和。下降时间下降时间下降时间下降时间t tf f 尾尾尾尾部部部部时时时时间间间间t tt t 残残存存载载流流子复合。子复合。通通常常t tf f比比t ts s小小得得多多，而而t tt t比比t ts s要长。要长。门门极极负负脉脉冲冲电电流流幅幅值值越大，越大，t ts s越短。越短。Ot0t

7、iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图1-14GTO的开通和关断过程电流波形2)GTO的动态特性第9页/共54页2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管3)3)GTOGTO的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数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的增大而增大。一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2）关断时间toff（1）开通时间ton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。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

8、同的参数。第10页/共54页2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（3 3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流I IATOATO（4）电流关断增益off 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200A。GTO额定电流。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）第11页/共54页2.4.2 2.4.2 电力晶体管电力晶体管电电力力晶晶体体管管（Giant Giant TransistorGTRTransistorGTR，直直译译为为巨巨型晶体管）

9、型晶体管）。耐耐高高电电压压、大大电电流流的的双双极极结结型型晶晶体体管管（Bipolar Bipolar Junction Junction TransistorBJTTransistorBJT），英英文文有有时时候候也也称称为为Power BJTPower BJT。应用应用应用应用2020世世纪纪8080年年代代以以来来，在在中中、小小功功率率范范围围内内取取代代晶晶闸管，但目前又大多被闸管，但目前又大多被IGBTIGBT和电力和电力MOSFETMOSFET取代。取代。术语用法：第12页/共54页电力晶体管电力晶体管GTRGTR（巨型晶体管）（巨型晶体管）第13页/共54页电力晶体管电力晶

10、体管GTRGTR（巨型晶体管）（巨型晶体管）内部结构内部结构图形符号图形符号NPNNPN型晶体管的结构图和图形表示符号型晶体管的结构图和图形表示符号三端三层器件，有两个三端三层器件，有两个PNPN结，分结，分NPNNPN型和型和PNPPNP型。型。采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积大、采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。电流分布均匀，易散热；但电流增益低。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。第14页/共54页

11、2.4.2 2.4.2 电力晶体管电力晶体管在应用中，在应用中，GTRGTR一般采用共发射极接法。一般采用共发射极接法。集电极电流集电极电流i ic c与基极电流与基极电流i ib b之比为之比为（1-91-9）GTRGTR的的电流放大系数电流放大系数电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流，反映了基极电流对集电极电流的控制能力的控制能力 。当当考考虑虑到到集集电电极极和和发发射射极极间间的的漏漏电电流流I Iceoceo时时，i ic c和和i ib b的的关关系系为为 i ic c=i ib b +I Iceoceo （1-1-1010）单单管管GTRGTR的的 值值比比小小功

12、功率率的的晶晶体体管管小小得得多多，通通常常为为1010左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+)ib1）GTR的结构和工作原理第15页/共54页2.4.2 2.4.2 电力晶体管电力晶体管 (1)(1)静态特性静态特性静态特性静态特性共共发发射射极极接接法法时时的的典典型型输输出出特特性性：截截截截止止止止区区区区、放放放放大区大区大区大区和和饱和区饱和区饱和区饱和区。在在电电力力电电子子电电路路中中GTRGTR工作在开关状态。工作在开关状态。在在开开关关过过程程中中，即即在在截截止止区区和和饱饱和和区

13、区之之间间过过渡渡时，要经过放大区。时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BuBuceoceo。实际使用时，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUBUceoceo低得多。低得多。3）GTR的主要参数第18页/共54页2.4.2 2.4.2 电力晶体管电力晶体管通常规定为通常规定为h hFEFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/31/21/3时所对应的时所对应的I Ic c。实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点

14、。3)3)集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允许的耗散功率。最高工作温度下允许的耗散功率。产产品品说说明明书书中中给给P PcMcM时时同同时时给给出出壳壳温温T TC C，间间接接表表示示了了最最高工作温度高工作温度 。2)集电极最大允许电流IcM第19页/共54页2.4.2 2.4.2 电力晶体管电力晶体管一次击穿一次击穿一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，I Ic c迅速增大。迅速增大。只要只要I Ic c不超过限度，不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，

15、工作特性也不变。二二二二次次次次击击击击穿穿穿穿：一一次次击击穿穿发发生生时时，I Ic c突突然然急急剧剧上上升升，电电压压陡陡然然下下降。降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。安 全 工 作 区（SafeOperatingAreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图1-18GTR的安全工作区4)GTR的二次击穿现象与安全工作区第20页/共54页课堂提问课堂提问n n1.GTO能够通过门极关断的原因？（或者是GTO与普通晶闸管的区

16、别？区别？）n n2.GTR的二次击穿现象是什么？n n3.怎么定义GTR的安全工作区？第21页/共54页2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为分为结型结型结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型通通 常常 主主 要要 指指 绝绝绝绝 缘缘缘缘 栅栅栅栅 型型型型 中中 的的 MOSMOSMOSMOS型型型型（Metal Metal Oxide Oxide Semiconductor FETSemiconductor FET）简称电力简称电力MOSFETMOSFET（Power MOSFETPower MOSFET）结结型型电电力力场场效效应应晶晶体体管管一一般般称称

17、作作静静电电感感应应晶晶体体管管（Static Induction TransistorSITStatic Induction TransistorSIT）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。电力场效应晶体管第22页/共54页2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P P沟道沟道沟道沟道和和NN沟道沟道沟道沟道。耗耗耗耗尽尽尽尽型型型型当当栅栅极极电电压压为为零零时时漏漏源源极极之

18、之间间就就存存在在导电沟道。导电沟道。增增增增强强强强型型型型对对于于NN（P P）沟沟道道器器件件，栅栅极极电电压压大大于于（小于）零时才存在导电沟道。（小于）零时才存在导电沟道。电力电力MOSFETMOSFET主要是主要是NN沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型。1）电力MOSFET的结构和工作原理第23页/共54页2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图1-19电力MOSFET的结构和电气图

19、形符号第24页/共54页电力场效应晶体管电力场效应晶体管第25页/共54页2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止截止截止截止：漏源极间加正电源漏源极间加正电源，栅源极间电压为零栅源极间电压为零。P P基基区区与与NN漂漂移移区区之之间间形形成成的的PNPN结结J J1 1反反偏偏，漏漏源源极极之之间间无无电流流过。电流流过。导电导电导电导电：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压U UGSGS 当当U UGSGS大大于于U UT T时时，P P型型半半导导体体反反型型成成NN型型而而成成为为反反反反型型型型层层层层，该该反型层形成反型层形成NN沟道而使沟道而使PNPN结结J

20、 J1 1消失，漏极和源极导电消失，漏极和源极导电 。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理第26页/共54页2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管(1)(1)静态特性静态特性静态特性静态特性漏极电流漏极电流I IDD和栅源间电和栅源间电压压UUGSGS的关系称为的关系称为MOSFETMOSFET的的转移特性转移特性转移特性转移特性。I IDD较大时，较大时，I IDD与与与与UUGSGS的的关系近似线性，曲线的关系近似线性，曲线的斜率定义为斜率定义为跨导跨导跨导跨导G Gfs fs。010203050402468a)10203050400b

21、)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2）电力MOSFET的基本特性第27页/共54页2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止区截止区截止区截止区（对应于（对应于GTRGTR的截止区）的截止区）饱和区饱和区饱和区饱和区（对应于（对应于GTRGTR的放大区）的放大区）非饱和区非饱和区非饱和区非饱和区（对应（对应GTRGTR的饱和区）的饱和区）工工作作在在开开关关状状态态，即即在在截截止

22、止区区和非饱和区之间来回转换。和非饱和区之间来回转换。漏漏源源极极之之间间有有寄寄生生二二极极管管，漏漏源极间加反向电压时器件导通。源极间加反向电压时器件导通。通通态态电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数，对对器件并联时的均流有利。器件并联时的均流有利。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A第28页/共54页2.4.

23、3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管开通过程开通过程开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on)上升时间上升时间上升时间上升时间t tr r开开开开通通通通时时时时间间间间t tonon开开通通延延迟时间与上升时间之和迟时间与上升时间之和关断过程关断过程关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间t td(off)d(off)下降时间下降时间下降时间下降时间t tf f关关关关断断断断时时时时间间间间t toffoff关关断断延延迟时间和下降时间之和迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+

24、UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(2)动态特性第29页/共54页2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFETMOSFET的开关速度和的开关速度和C Cinin充放电有很大关系。充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻可降低驱动电路内阻R Rs s减小时间常数，加快开关速度。减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开开关关时时间间

25、在在10100ns10100ns之之间间，工工作作频频率率可可达达100kHz100kHz以以上上，是主要电力电子器件中最高的。是主要电力电子器件中最高的。场场控控器器件件，静静态态时时几几乎乎不不需需输输入入电电流流。但但在在开开关关过过程程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关速度第30页/共54页2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管3)3)电力电力电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数 电力MOSFE

26、T电压定额(1)漏极电压UDS(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3)栅源电压UGSUGS20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(4)极间电容极间电容CGS、CGD和CDS第31页/共54页2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管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Bi-MOSBi-MOS器件器件绝绝 缘缘 栅栅 双双 极极 晶晶 体体 管管（Insulated-gate Insulated-gate Bipolar Bipolar Transi

27、storTransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）(DATASHEET (DATASHEET 1 1 2 2 )GTRGTR和和MOSFETMOSFET复合，结合二者的优点。复合，结合二者的优点。19861986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。年投入市场，是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，以期再取代继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。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

28、驱动功率小而且驱动电路简单。第32页/共54页2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1)IGBT1)IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极三端器件：栅极GG、集电极、集电极C C和发射极和发射极E E图1-22IGBT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)电气图形符号第33页/共54页2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图图1-22aN1-22aN沟道沟道VDMOSFETVDMOSFET与与GTRGTR组合组合NN沟道沟道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSF

29、ETVDMOSFET多一层多一层P P+注入区，注入区，具有很强的通流能力具有很强的通流能力具有很强的通流能力具有很强的通流能力。简简化化等等效效电电路路表表明明，IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组组成成的的达达林林顿顿结结构，一个由构，一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNPPNP晶体管。晶体管。R RNN为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。图1-22IGBT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IGBT的结构第34页/共54页2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶

30、体管 驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFETMOSFET基基本本相相同同，场场控控器器件件，通通断断由由栅栅射射极电压极电压u uGEGE决定。决定。导导导导通通通通：u uGEGE大大于于开开开开启启启启电电电电压压压压UUGE(th)GE(th)时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，为晶体管提供基极电流，为晶体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。通态压降通态压降通态压降通态压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻R RNN减小，使通态压降减小。减小，使通态压降减小。关关关关断断断断：栅栅射射极极间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，MOSFETMOSFE

31、T内内的的沟沟道消失，晶体管的基极电流被切断，道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。IGBT的原理第35页/共54页a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2)IGBT2)IGBT的基本特性的基本特性的基本特性的基本特性 (1)(1)IGBTIGBT的静态特性的静态特性的静态特性的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th)输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱

32、和区。第36页/共54页2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBTIGBT的开通过程的开通过程的开通过程的开通过程 与与MOSFETMOSFET的相似的相似开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on)电流上升时间电流上升时间电流上升时间电流上升时间t tr r 开通时间开通时间开通时间开通时间t tononu uCECE的

33、的下下降降过过程程分分为为t tfv1fv1和和t tfv2fv2两段。两段。t tfv1fv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET单单独工作的电压下降过程；独工作的电压下降过程；t tfv2fv2MOSFETMOSFET和和 PNPPNP晶晶体体管管同同时时工工作作的的电电压压下下降过程。降过程。(2)IGBT的动态特性第37页/共54页2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间t td(offd(off）电流下降时间电流下降时间电流下降时间电流下降时间 关断时间关断时间关断时间关断时间t to

34、ffoff电电流流下下降降时时间间又又可可分分为为t tfi1fi1和和t tfi2fi2两段。两段。t tfi1fi1IGBTIGBT器器 件件 内内 部部的的MOSFETMOSFET的的关关断断过过程程，i iC C下降较快。下降较快。t tfi2fi2IGBTIGBT内内 部部 的的PNPPNP晶晶体体管管的的关关断断过过程程，i iC C下降较慢。下降较慢。IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第38页/共54页

35、2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管3)IGBT3)IGBT的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗。(3)最大集电极功耗PCM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(2)最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压UCES第39页/共54页2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。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

36、能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。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。第40页/共54页2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管擎住效应或自锁效应：IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。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。反向偏置安全工作区（RBSOA）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。正偏安全工作区（FBSOA）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

37、纪90年代中后期开始逐渐解决。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。第41页/共54页2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT2.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH2.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT2.5.5 功率模块与功率集成功率模块与功率集成电路电路第42页/共54页2.5.1 MOS2.5.1 MOS控制晶闸管控制晶

38、闸管MCTMCTMCTMCT结合了二者的优点：结合了二者的优点：承受极高承受极高di/dtdi/dt和和du/dtdu/dt，快速的开关过程，开关损耗小。快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。一个一个MCTMCT器件由数以万计的器件由数以万计的MCTMCT元组成。元组成。每每个个元元的的组组成成为为：一一个个PNPNPNPN晶晶闸闸管管，一一个个控控制制该该晶晶闸闸管管 开开 通通 的的 MOSFETMOSFET，和和 一一 个个 控控 制制 该该 晶晶 闸闸 管管 关关 断断 的的MOSFETMOSFET。其其关关键键技技

39、术术问问题题没没有有大大的的突突破破，电电压压和和电电流流容容量量都都远远未未达到预期的数值，未能投入实际应用。达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合(DATASHEET)第43页/共54页2.5.2 2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT多多子子导导电电的的器器件件，工工作作频频率率与与电电力力MOSFETMOSFET相相当当，甚甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在在雷雷达达通通信信设设备备、超超声声波波功功率率放放大大、脉脉冲冲功功率率放

40、放大大和和高频感应加热等领域获得应用。高频感应加热等领域获得应用。缺点缺点缺点缺点：栅栅极极不不加加信信号号时时导导通通，加加负负偏偏压压时时关关断断，称称为为正正正正常常常常导导导导通型通型通型通型器件，使用不太方便。器件，使用不太方便。通通态态电电阻阻较较大大，通通态态损损耗耗也也大大，因因而而还还未未在在大大多多数数电电力电子设备中得到广泛应用。力电子设备中得到广泛应用。SIT（StaticInductionTransistor）结型场效应晶体管第44页/共54页2.5.3 2.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITHSITHSITH是是两两种种载载流流子子导导电电的的双双极

41、极型型器器件件，具具有有电电导导调调制制效效应，通态压降低、通流能力强。应，通态压降低、通流能力强。其其很很多多特特性性与与GTOGTO类类似似，但但开开关关速速度度比比GTOGTO高高得得多多，是是大容量的快速器件。大容量的快速器件。SITHSITH一一般般也也是是正正常常导导通通型型，但但也也有有正正常常关关断断型型。此此外外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT）第45页/共54页2.5.5 2.5.5 功率模块

42、与功率集成电路功率模块与功率集成电路2020世世纪纪8080年年代代中中后后期期开开始始，模模块块化化趋趋势势，将将多多个个器器件件封装在一个模块中，称为封装在一个模块中，称为功率模块功率模块功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对对工工作作频频率率高高的的电电路路，可可大大大大减减小小线线路路电电感感，从从而而简简化对保护和缓冲电路的要求。化对保护和缓冲电路的要求。将将器器件件与与逻逻辑辑、控控制制、保保护护、传传感感、检检测测、自自诊诊断断等等信信息息电电子子电电路路制制作作在在同同一一芯芯片片上上，称称为为功功功功率率率率集集集集成

43、成成成电电电电路路路路（Power Integrated CircuitPower Integrated CircuitPICPIC）。）。DATASHEETDATASHEET基本概念第46页/共54页2.5.5 2.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路高高高高压压压压集集集集成成成成电电电电路路路路（High High Voltage Voltage ICICHVICHVIC）一一般般指指横横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智智智智能能能能功功功功率率率率集集集集成成成成电电电电路路路路（Smart Smart Power

44、Power ICICSPICSPIC）一一般般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智智智智能能能能功功功功率率率率模模模模块块块块（Intelligent Intelligent Power Power ModuleModuleIPMIPM）则则专专指指IGBTIGBT及及其其辅辅助助器器件件与与其其保保护护和和驱驱动动电电路路的的单单片片集成，也称智能集成，也称智能IGBTIGBT（Intelligent IGBTIntelligent IGBT）。）。实际应用电路第47页/共54页智能功率模块（IPM）2.5.5功率模块与功率集成电路

45、第48页/共54页2.5.5 功率模块与功率集成电路智能功率模块（IPM）第49页/共54页2.5.5 2.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路功功率率集集成成电电路路的的主主要要技技术术难难点点：高高低低压压电电路路之之间间的的绝绝缘缘问题问题以及以及温升和散热的处理温升和散热的处理。以以前前功功率率集集成成电电路路的的开开发发和和研研究究主主要要在在中中小小功功率率应应用用场场合。合。智智能能功功率率模模块块在在一一定定程程度度上上回回避避了了上上述述两两个个难难点点,最最近近几几年获得了年获得了迅速发展迅速发展。功功率率集集成成电电路路实实现现了了电电能能和和信信息息的的

46、集集成成，成成为为机机电电一一体体化的理想接口。化的理想接口。发展现状第50页/共54页图1-42电力电子器件分类“树”本章小结本章小结主要内容主要内容主要内容主要内容全全面面介介绍绍各各种种主主要要电电力力电电子子器器件件的的基基本本结结构构、工工作作原原理理、基基本本特特性性和和主要参数等。主要参数等。集集中中讨讨论论电电力力电电子子器器件件的的驱驱动动、保保护护和和串串、并并联使用。联使用。电力电子器件类型归纳单极型：电力MOSFET和SIT双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型：IGBT和MCT分类：DATASHEET第51页/共54页 本章小结本章小结 特特特特点

47、点点点：输输入入阻阻抗抗高高，所所需需驱驱动动功功率率小小，驱驱动动电电路路简简单，工作频率高。单，工作频率高。电流驱动型电流驱动型电流驱动型电流驱动型：双极型器件中除：双极型器件中除SITHSITH外外 特特特特点点点点：具具有有电电导导调调制制效效应应，因因而而通通态态压压降降低低，导导通通损损耗耗小小，但但工工作作频频率率较较低低，所所需需驱驱动动功功率率大大,驱驱动动电路较复杂。电路较复杂。电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH第52页/共54页 本章小结本章小结 IGBTIGBT为为主主体体，第第四四代代产产品品，制制造造水水平平2.5kV 2.5kV/1.8kA

48、1.8kA，兆兆瓦瓦以以下下首首选选。仍仍在在不不断断发发展展，与与IGCTIGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTOGTO。GTOGTO：兆瓦以上首选，制造水平：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA6kV/6kA。光光光光控控控控晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管：功功率率更更大大场场合合，8kV 8kV/3.5kA3.5kA，装装置置最高达最高达300MVA300MVA，容量最大。，容量最大。电电电电力力力力MOSFETMOSFET：长长足足进进步步，中中小小功功率率领领域域特特别别是低压，地位牢固。是低压，地位牢固。功功功功率率率率模模模模块块块块和和和和功功功功率率率率集集集集成成成成电电电电路路路路是是现现在在电电力力电电子子发发展展的的一个共同趋势。一个共同趋势。当前的格局:第53页/共54页