電力電子器件概述.ppt

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1 1 第1章電力電子器件 1 1電力電子器件概述1 2不可控器件 二極管1 3半控型器件 晶閘管1 4典型全控型器件1 5其他新型電力電子器件1 6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1 7電力電子器件的保護(hù)1 8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用本章小結(jié)及作業(yè) 1 2 電子技術(shù)的基礎(chǔ) 電子器件 晶體管和集成電路電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件本章主要內(nèi)容 概述電力電子器件的概念 特點(diǎn)和分類(lèi)等問(wèn)題 介紹常用電力電子器件的工作原理 基本特性 主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問(wèn)題 第1章電力電子器件 引言 1 3 1 1 1電力電子器件的概念和特征1 1 2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1 1 3電力電子器件的分類(lèi)1 1 4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) 1 1電力電子器件概述 1 4 1 概念 電力電子器件 PowerElectronicDevice 可直接用于主電路中 實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件 主電路 MainPowerCircuit 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中 直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路 2 分類(lèi) 電真空器件 汞弧整流器 閘流管 半導(dǎo)體器件 采用的主要材料硅 仍然 1 1 1電力電子器件的概念和特征 電力電子器件 1 5 能處理電功率的能力 一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件 電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制 電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件 一般都要安裝散熱器 1 1 1電力電子器件的概念和特征 3 同處理信息的電子器件相比的一般特征 1 6 通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因 器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí) 開(kāi)關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素 主要損耗 通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 開(kāi)關(guān)損耗 關(guān)斷損耗 開(kāi)通損耗 1 1 1電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗 1 7 電力電子系統(tǒng) 由控制電路 驅(qū)動(dòng)電路 保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成 圖1 1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成 在主電路和控制電路中附加一些電路 以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行 1 1 2應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成 電氣隔離 控制電路 1 8 半控型器件 Thyristor 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷 全控型器件 IGBT MOSFET 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷 又稱(chēng)自關(guān)斷器件 不可控器件 PowerDiode 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路 1 1 3電力電子器件的分類(lèi) 按照器件能夠被控制的程度 分為以下三類(lèi) 1 9 電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 1 1 3電力電子器件的分類(lèi) 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì) 分為兩類(lèi) 1 10 本章內(nèi)容 介紹各種器件的工作原理 基本特性 主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題 集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 保護(hù)和串 并聯(lián)使用這三個(gè)問(wèn)題 學(xué)習(xí)要點(diǎn) 最重要的是掌握其基本特性 掌握電力電子器件的型號(hào)命名法 以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法 可能會(huì)主電路的其它電路元件有特殊的要求 1 1 4本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn) 1 11 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理1 2 2電力二極管的基本特性1 2 3電力二極管的主要參數(shù)1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 1 2不可控器件 電力二極管 1 12 PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單 工作可靠 自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用 快恢復(fù)二極管和肖特基二極管 分別在中 高頻整流和逆變 以及低壓高頻整流的場(chǎng)合 具有不可替代的地位 1 2不可控器件 電力二極管 引言 整流二極管及模塊 1 13 基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣 由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的 從外形上看 主要有螺栓型和平板型兩種封裝 圖1 2電力二極管的外形 結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a 外形b 結(jié)構(gòu)c 電氣圖形符號(hào) 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 1 14 二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征 PN結(jié)的反向擊穿 兩種形式 雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài) 1 15 PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化 呈現(xiàn)電容效應(yīng) 稱(chēng)為結(jié)電容CJ 又稱(chēng)為微分電容 結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD 電容影響PN結(jié)的工作頻率 尤其是高速的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 1 2 1PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的電容效應(yīng) 1 16 主要指其伏安特性門(mén)檻電壓UTO 正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓 與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 承受反向電壓時(shí) 只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流 圖1 4電力二極管的伏安特性 1 2 2電力二極管的基本特性 1 靜態(tài)特性 1 17 2 動(dòng)態(tài)特性 二極管的電壓 電流特性隨時(shí)間變化的 結(jié)電容的存在 1 2 2電力二極管的基本特性 圖1 5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形a 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 延遲時(shí)間 td t1 t0 電流下降時(shí)間 tf t2 t1反向恢復(fù)時(shí)間 trr td tf恢復(fù)特性的軟度 下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf td 或稱(chēng)恢復(fù)系數(shù) 用Sr表示 1 18 正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值 如2V 正向恢復(fù)時(shí)間tfr 電流上升率越大 UFP越高 圖1 5 b 開(kāi)通過(guò)程 1 2 2電力二極管的基本特性 開(kāi)通過(guò)程 關(guān)斷過(guò)程須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力 進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) 關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn) 并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖 圖1 5 b 關(guān)斷過(guò)程 1 19 額定電流 在指定的管殼溫度和散熱條件下 其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值 IF AV 是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的 使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額 并應(yīng)留有一定的裕量 1 2 3電力二極管的主要參數(shù) 1 正向平均電流IF AV 1 20 在指定溫度下 流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降 3 反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓 使用時(shí) 應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量 4 反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr td tf 1 2 3電力二極管的主要參數(shù) 2 正向壓降UF 1 21 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度 用TJ表示 TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度 TJM通常在125 175 C范圍之內(nèi) 6 浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流 1 2 3電力二極管的主要參數(shù) 5 最高工作結(jié)溫TJM 1 22 1 普通二極管 GeneralPurposeDiode 又稱(chēng)整流二極管 RectifierDiode 多用于開(kāi)關(guān)頻率不高 1kHz以下 的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高DATASHEET 按照正向壓降 反向耐壓 反向漏電流等性能 特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 1 23 簡(jiǎn)稱(chēng)快速二極管快恢復(fù)外延二極管 FastRecoveryEpitaxialDiodes FRED 其trr更短 可低于50ns UF也很低 0 9V左右 但其反向耐壓多在1200V以下 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí) 前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng) 后者則在100ns以下 甚至達(dá)到20 30ns DATASHEET123 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 2 快恢復(fù)二極管 FastRecoveryDiode FRD 1 24 肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高 多用于200V以下 反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略 必須嚴(yán)格地限制其工作溫度 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短 10 40ns 正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖 反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管 效率高 其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小 1 2 4電力二極管的主要類(lèi)型 3 肖特基二極管 DATASHEET 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管 SchottkyBarrierDiode SBD 1 25 1 3半控器件 晶閘管 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1 3 2晶閘管的基本特性1 3 3晶閘管的主要參數(shù)1 3 4晶閘管的派生器件 1 26 1 3半控器件 晶閘管 引言 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管 1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 1958年商業(yè)化 開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代 20世紀(jì)80年代以來(lái) 開(kāi)始被全控型器件取代 能承受的電壓和電流容量最高 工作可靠 在大容量的場(chǎng)合具有重要地位 晶閘管 Thyristor 晶體閘流管 可控硅整流器 SiliconControlledRectifier SCR 1 27 圖1 6晶閘管的外形 結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a 外形b 結(jié)構(gòu)c 電氣圖形符號(hào) 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝 有三個(gè)聯(lián)接端 螺栓型封裝 通常螺栓是其陽(yáng)極 能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便 平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間 1 28 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 常用晶閘管的結(jié)構(gòu) 螺栓型晶閘管 晶閘管模塊 平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu) 1 29 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 式中 1和 2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益 ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流 由以上式可得 圖1 7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a 雙晶體管模型b 工作原理 按晶體管的工作原理 得 1 5 1 30 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 在低發(fā)射極電流下 是很小的 而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后 迅速增大 阻斷狀態(tài) IG 0 1 2很小 流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和 開(kāi)通狀態(tài) 注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致 1 2趨近于1的話 流過(guò)晶閘管的電流IA 將趨近于無(wú)窮大 實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通 IA實(shí)際由外電路決定 1 31 1 3 1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du dt過(guò)高結(jié)溫較高光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中 稱(chēng)為光控晶閘管 LightTriggeredThyristor LTT 只有門(mén)極觸發(fā)是最精確 迅速而可靠的控制手段 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 1 32 1 3 2晶閘管的基本特性 承受反向電壓時(shí) 不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流 晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 承受正向電壓時(shí) 僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通 晶閘管一旦導(dǎo)通 門(mén)極就失去控制作用 要使晶閘管關(guān)斷 只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 DATASHEET 晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下 1 33 1 3 2晶閘管的基本特性 1 正向特性IG 0時(shí) 器件兩端施加正向電壓 只有很小的正向漏電流 為正向阻斷狀態(tài) 正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 則漏電流急劇增大 器件開(kāi)通 隨著門(mén)極電流幅值的增大 正向轉(zhuǎn)折電壓降低 晶閘管本身的壓降很小 在1V左右 1 靜態(tài)特性 圖1 8晶閘管的伏安特性IG2 IG1 IG 1 34 1 3 2晶閘管的基本特性 反向特性類(lèi)似二極管的反向特性 反向阻斷狀態(tài)時(shí) 只有極小的反相漏電流流過(guò) 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后 可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞 圖1 8晶閘管的伏安特性IG2 IG1 IG 2 反向特性 1 35 1 3 2晶閘管的基本特性 1 開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td 0 5 1 5 s 上升時(shí)間tr 0 5 3 s 開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和 tgt td tr 1 6 2 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq trr tgr 1 7 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒 2 動(dòng)態(tài)特性 圖1 9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 1 36 1 3 3晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí) 允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓 反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí) 允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓 通態(tài) 峰值 電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓 選用時(shí) 一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2 3倍 使用注意 1 電壓定額 1 37 1 3 3晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)平均電流IT AV If二極管 在環(huán)境溫度為40 C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下 穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值 標(biāo)稱(chēng)其額定電流的參數(shù) 使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管 維持電流IHhold 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流 擎住電流IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后 能維持導(dǎo)通所需的最小電流 對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō) 通常IL約為IH的2 4倍 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 2 電流定額 1 38 1 3 3晶閘管的主要參數(shù) 除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外 還有 斷態(tài)電壓臨界上升率du dt 指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下 不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率 電壓上升率過(guò)大 使充電電流足夠大 就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 通態(tài)電流臨界上升率di dt 指在規(guī)定條件下 晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率 如果電流上升太快 可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞 3 動(dòng)態(tài)參數(shù) 1 39 1 3 4晶閘管的派生器件 有快速晶閘管和高頻晶閘管 開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du dt和di dt耐量都有明顯改善 普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒 快速晶閘管數(shù)十微秒 高頻晶閘管10 s左右 高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高 由于工作頻率較高 不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng) DATASHEET 1 快速晶閘管 FastSwitchingThyristor FST 1 40 1 3 4晶閘管的派生器件 2 雙向晶閘管 TriodeACSwitch TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor 圖1 10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a 電氣圖形符號(hào)b 伏安特性 可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成 有兩個(gè)主電極T1和T2 一個(gè)門(mén)極G 在第 和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性 不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值 DATASHEET 1 41 1 3 4晶閘管的派生器件 逆導(dǎo)晶閘管 ReverseConductingThyristor RCT a K G A 圖1 11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a 電氣圖形符號(hào)b 伏安特性 將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件 具有正向壓降小 關(guān)斷時(shí)間短 高溫特性好 額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn) 1 42 1 3 4晶閘管的派生器件 光控晶閘管 LightTriggeredThyristor LTT A G K a AK 圖1 12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a 電氣圖形符號(hào)b 伏安特性 又稱(chēng)光觸發(fā)晶閘管 是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管 光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣 且可避免電磁干擾的影響 因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合 1 43 1 4典型全控型器件 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1 4 2電力晶體管1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1 4 4絕緣柵雙極晶體管 1 44 1 4典型全控型器件 引言 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn) 20世紀(jì)80年代以來(lái) 電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代 典型代表 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極晶體管 1 45 1 4典型全控型器件 引言 常用的典型全控型器件 電力MOSFET IGBT單管及模塊 1 46 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件 可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 GTO的電壓 電流容量較大 與普通晶閘管接近 因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用 DATASHEET 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 Gate Turn OffThyristor GTO 1 47 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 結(jié)構(gòu) 與普通晶閘管的相同點(diǎn) PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 外部引出陽(yáng)極 陰極和門(mén)極 和普通晶閘管的不同點(diǎn) GTO是一種多元的功率集成器件 圖1 13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a 各單元的陰極 門(mén)極間隔排列的圖形b 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c 電氣圖形符號(hào) 1 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 1 48 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 工作原理 與普通晶閘管一樣 可以用圖1 7所示的雙晶體管模型來(lái)分析 圖1 7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 2 1是器件臨界導(dǎo)通的條件 由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1 V2分別具有共基極電流增益 1和 2 1 49 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別 設(shè)計(jì) 2較大 使晶體管V2控制靈敏 易于GTO 導(dǎo)通時(shí) 1 2更接近1 導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和 有利門(mén)極控制關(guān)斷 但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大 多元集成結(jié)構(gòu) 使得P2基區(qū)橫向電阻很小 能從門(mén)極抽出較大電流 圖1 7晶閘管的工作原理 1 50 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣 只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺 GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快 承受di dt能力強(qiáng) 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論 1 51 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 開(kāi)通過(guò)程 與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程 與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間ts 使等效晶體管退出飽和 下降時(shí)間tf尾部時(shí)間tt 殘存載流子復(fù)合 通常tf比ts小得多 而tt比ts要長(zhǎng) 門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大 ts越短 圖1 14GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 GTO的動(dòng)態(tài)特性 1 52 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO的主要參數(shù) 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 延遲時(shí)間一般約1 2 s 上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和 不包括尾部時(shí)間 下降時(shí)間一般小于2 s 2 關(guān)斷時(shí)間toff 1 開(kāi)通時(shí)間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型 類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管 需承受反壓時(shí) 應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同 以下只介紹意義不同的參數(shù) 1 53 1 4 1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 3 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO 4 電流關(guān)斷增益 off off一般很小 只有5左右 這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn) 1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A GTO額定電流 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益 1 8 1 54 1 4 2電力晶體管 電力晶體管 GiantTransistor GTR 直譯為巨型晶體管 耐高電壓 大電流的雙極結(jié)型晶體管 BipolarJunctionTransistor BJT 英文有時(shí)候也稱(chēng)為PowerBJT DATASHEET12應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái) 在中 小功率范圍內(nèi)取代晶閘管 但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代 術(shù)語(yǔ)用法 1 55 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的 主要特性是耐壓高 電流大 開(kāi)關(guān)特性好 通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu) 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 1 4 2電力晶體管 1 GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖1 15GTR的結(jié)構(gòu) 電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b 電氣圖形符號(hào)c 內(nèi)部載流子的流動(dòng) 1 56 1 4 2電力晶體管 在應(yīng)用中 GTR一般采用共發(fā)射極接法 集電極電流ic與基極電流ib之比為 1 9 GTR的電流放大系數(shù) 反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí) ic和ib的關(guān)系為ic ib Iceo 1 10 單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多 通常為10左右 采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益 1 GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 1 57 1 4 2電力晶體管 1 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性 截止區(qū) 放大區(qū)和飽和區(qū) 在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中 即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí) 要經(jīng)過(guò)放大區(qū) 圖1 16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性 2 GTR的基本特性 1 58 1 4 2電力晶體管 開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr 二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton 加快開(kāi)通過(guò)程的辦法 關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf 二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff 加快關(guān)斷速度的辦法 GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi) 比晶閘管和GTO都短很多 圖1 17GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 2 動(dòng)態(tài)特性 1 59 1 4 2電力晶體管 前已述及 電流放大倍數(shù) 直流電流增益hFE 集射極間漏電流Iceo 集射極間飽和壓降Uces 開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff 此外還有 1 最高工作電壓GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿 擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān) 還與外電路接法有關(guān) BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo 實(shí)際使用時(shí) 最高工作電壓要比BUceo低得多 3 GTR的主要參數(shù) 1 60 1 4 2電力晶體管 通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1 2 1 3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic 實(shí)際使用時(shí)要留有裕量 只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn) 3 集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC 間接表示了最高工作溫度 2 集電極最大允許電流IcM 1 61 1 4 2電力晶體管 一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí) Ic迅速增大 只要Ic不超過(guò)限度 GTR一般不會(huì)損壞 工作特性也不變 二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時(shí) Ic突然急劇上升 電壓陡然下降 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞 或者工作特性明顯衰變 安全工作區(qū) SafeOperatingArea SOA 最高電壓UceM 集電極最大電流IcM 最大耗散功率PcM 二次擊穿臨界線限定 圖1 18GTR的安全工作區(qū) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 1 62 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型 MetalOxideSemiconductorFET 簡(jiǎn)稱(chēng)電力MOSFET PowerMOSFET 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管 StaticInductionTransistor SIT 特點(diǎn) 用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 需要的驅(qū)動(dòng)功率小 開(kāi)關(guān)速度快 工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR 電流容量小 耐壓低 一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1 63 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 電力MOSFET的種類(lèi)按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道 耗盡型 當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 增強(qiáng)型 對(duì)于N P 溝道器件 柵極電壓大于 小于 零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型 DATASHEET 1 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 1 64 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 是單極型晶體管 導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同 但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別 采用多元集成結(jié)構(gòu) 不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì) 圖1 19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) 1 65 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 又稱(chēng)為VMOSFET VerticalMOSFET 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異 分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET VerticalDouble diffusedMOSFET 這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論 電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 1 66 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 截止 漏源極間加正電源 柵源極間電壓為零 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏 漏源極之間無(wú)電流流過(guò) 導(dǎo)電 在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí) P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層 該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失 漏極和源極導(dǎo)電 圖1 19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) 電力MOSFET的工作原理 1 67 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1 靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性 ID較大時(shí) ID與UGS的關(guān)系近似線性 曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs 圖1 20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a 轉(zhuǎn)移特性b 輸出特性 2 電力MOSFET的基本特性 1 68 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 截止區(qū) 對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū) 飽和區(qū) 對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū) 非飽和區(qū) 對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū) 工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換 漏源極之間有寄生二極管 漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù) 對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利 圖1 20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a 轉(zhuǎn)移特性b 輸出特性 MOSFET的漏極伏安特性 1 69 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td on 上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間ton 開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td off 下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff 關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和 a b 圖1 21電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a 測(cè)試電路b 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up 脈沖信號(hào)源 Rs 信號(hào)源內(nèi)阻 RG 柵極電阻 RL 負(fù)載電阻 RF 檢測(cè)漏極電流 2 動(dòng)態(tài)特性 1 70 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系 可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù) 加快開(kāi)關(guān)速度 不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng) 關(guān)斷過(guò)程非常迅速 開(kāi)關(guān)時(shí)間在10 100ns之間 工作頻率可達(dá)100kHz以上 是主要電力電子器件中最高的 場(chǎng)控器件 靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流 但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電 仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率 開(kāi)關(guān)頻率越高 所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大 MOSFET的開(kāi)關(guān)速度 1 71 1 4 3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 3 電力MOSFET的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額 1 漏極電壓UDS 2 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 電力MOSFET電流定額 3 柵源電壓UGS UGS 20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 除跨導(dǎo)Gfs 開(kāi)啟電壓UT以及td on tr td off 和tf之外還有 4 極間電容 極間電容CGS CGD和CDS 1 72 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 兩類(lèi)器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件 Bi MOS器件絕緣柵雙極晶體管 Insulated gateBipolarTransistor IGBT或IGT DATASHEET12 GTR和MOSFET復(fù)合 結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn) 1986年投入市場(chǎng) 是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件 繼續(xù)提高電壓和電流容量 以期再取代GTO的地位 GTR和GTO的特點(diǎn) 雙極型 電流驅(qū)動(dòng) 有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 通流能力很強(qiáng) 開(kāi)關(guān)速度較低 所需驅(qū)動(dòng)功率大 驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜 MOSFET的優(yōu)點(diǎn) 單極型 電壓驅(qū)動(dòng) 開(kāi)關(guān)速度快 輸入阻抗高 熱穩(wěn)定性好 所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 1 73 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件 柵極G 集電極C和發(fā)射極E 圖1 22IGBT的結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b 簡(jiǎn)化等效電路c 電氣圖形符號(hào) 1 74 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 圖1 22a N溝道VDMOSFET與GTR組合 N溝道IGBT IGBT比VDMOSFET多一層P 注入?yún)^(qū) 具有很強(qiáng)的通流能力 簡(jiǎn)化等效電路表明 IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu) 一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻 圖1 22IGBT的結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b 簡(jiǎn)化等效電路c 電氣圖形符號(hào) IGBT的結(jié)構(gòu) 1 75 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同 場(chǎng)控器件 通斷由柵射極電壓uGE決定 導(dǎo)通 uGE大于開(kāi)啟電壓UGE th 時(shí) MOSFET內(nèi)形成溝道 為晶體管提供基極電流 IGBT導(dǎo)通 通態(tài)壓降 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小 使通態(tài)壓降減小 關(guān)斷 柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí) MOSFET內(nèi)的溝道消失 晶體管的基極電流被切斷 IGBT關(guān)斷 IGBT的原理 1 76 a b 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 2 IGBT的基本特性 1 IGBT的靜態(tài)特性 圖1 23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a 轉(zhuǎn)移特性b 輸出特性 轉(zhuǎn)移特性 IC與UGE間的關(guān)系 開(kāi)啟電壓UGE th 輸出特性分為三個(gè)區(qū)域 正向阻斷區(qū) 有源區(qū)和飽和區(qū) 1 77 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 圖1 24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程 IGBT的開(kāi)通過(guò)程與MOSFET的相似開(kāi)通延遲時(shí)間td on 電流上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間tonuCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段 tfv1 IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程 tfv2 MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程 2 IGBT的動(dòng)態(tài)特性 1 78 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 圖1 24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間td off 電流下降時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段 tfi1 IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程 iC下降較快 tfi2 IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程 iC下降較慢 IGBT的關(guān)斷過(guò)程 1 79 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 3 IGBT的主要參數(shù) 正常工作溫度下允許的最大功耗 3 最大集電極功耗PCM 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 2 最大集電極電流 由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定 1 最大集射極間電壓UCES 1 80 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下 開(kāi)關(guān)速度高 開(kāi)關(guān)損耗小 相同電壓和電流定額時(shí) 安全工作區(qū)比GTR大 且具有耐脈沖電流沖擊能力 通態(tài)壓降比VDMOSFET低 輸入阻抗高 輸入特性與MOSFET類(lèi)似 與MOSFET和GTR相比 耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高 同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 1 81 1 4 4絕緣柵雙極晶體管 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng) IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起 制成模塊 成為逆導(dǎo)器件 最大集電極電流 最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE dt確定 反向偏置安全工作區(qū) RBSOA 最大集電極電流 最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定 正偏安全工作區(qū) FBSOA 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小 擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高 20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始逐漸解決 NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻 P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降 相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓 一旦J3開(kāi)通 柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用 電流失控 1 82 1 5其他新型電力電子器件 1 5 1MOS控制晶閘管MCT1 5 2靜電感應(yīng)晶體管SIT1 5 3靜電感應(yīng)晶閘管SITH1 5 4集成門(mén)極換流晶閘管IGCT1 5 5功率模塊與功率集成電路 1 83 1 5 1MOS控制晶閘管MCT MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn) 承受極高di dt和du dt 快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程 開(kāi)關(guān)損耗小 高電壓 大電流 高載流密度 低導(dǎo)通壓降 一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成 每個(gè)元的組成為 一個(gè)PNPN晶閘管 一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET 和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET 其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破 電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值 未能投入實(shí)際應(yīng)用 MCT MOSControlledThyristor MOSFET與晶閘管的復(fù)合 DATASHEET 1 84 1 5 2靜電感應(yīng)晶體管SIT 多子導(dǎo)電的器件 工作頻率與電力MOSFET相當(dāng) 甚至更高 功率容量更大 因而適用于高頻大功率場(chǎng)合 在雷達(dá)通信設(shè)備 超聲波功率放大 脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用 缺點(diǎn) 柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通 加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷 稱(chēng)為正常導(dǎo)通型器件 使用不太方便 通態(tài)電阻較大 通態(tài)損耗也大 因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用 SIT StaticInductionTransistor 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1 85 1 5 3靜電感應(yīng)晶閘管SITH SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件 具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 通態(tài)壓降低 通流能力強(qiáng) 其很多特性與GTO類(lèi)似 但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多 是大容量的快速器件 SITH一般也是正常導(dǎo)通型 但也有正常關(guān)斷型 此外 電流關(guān)斷增益較小 因而其應(yīng)用范圍還有待拓展 SITH StaticInductionThyristor 場(chǎng)控晶閘管 FieldControlledThyristor FCT 1 86 1 5 4集成門(mén)極換流晶閘管IGCT 20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn) 結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn) 容量與GTO相當(dāng) 開(kāi)關(guān)速度快10倍 可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路 但驅(qū)動(dòng)功率仍很大 目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng) 試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置 DATASHEET12 IGCT IntegratedGate CommutatedThyristor GCT Gate CommutatedThyristor 1 87 1 5 5功率模塊與功率集成電路 20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始 模塊化趨勢(shì) 將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中 稱(chēng)為功率模塊 可縮小裝置體積 降低成本 提高可靠性 對(duì)工作頻率高的電路 可大大減小線路電感 從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求 將器件與邏輯 控制 保護(hù) 傳感 檢測(cè) 自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上 稱(chēng)為功率集成電路 PowerIntegratedCircuit PIC DATASHEET 基本概念 1 88 1 5 5功率模塊與功率集成電路 高壓集成電路 HighVoltageIC HVIC 一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成 智能功率集成電路 SmartPowerIC SPIC 一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成 智能功率模塊 IntelligentPowerModule IPM 則專(zhuān)指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成 也稱(chēng)智能IGBT IntelligentIGBT 實(shí)際應(yīng)用電路 1 89 1 5 5功率模塊與功率集成電路 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn) 高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理 以前功率集成電路的開(kāi)發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn) 最近幾年獲得了迅速發(fā)展 功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成 成為機(jī)電一體化的理想接口 發(fā)展現(xiàn)狀 1 90 1 6電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng) 1 6 1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述1 6 2晶閘管的觸發(fā)電路1 6 3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 1 91 1 6 1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間 減小開(kāi)關(guān)損耗 對(duì)裝置的運(yùn)行效率 可靠性和安全性都有重要的意義 一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中 或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù) 按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào) 對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào) 對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào) 又要提供關(guān)斷控制信號(hào) 驅(qū)動(dòng)電路 主電路與控制電路之間的接口 1 92 1 6 1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié) 一般采用光隔離或磁隔離 光隔離一般采用光耦合器磁隔離的元件通常是脈沖變壓器 圖1 25光耦合器的類(lèi)型及接法a 普通型b 高速型c 高傳輸比型 1 93 1 6 1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分 可分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型 驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件的 但目前的趨勢(shì)是采用專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)電路 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路 為達(dá)到參數(shù)最佳配合 首選所用器件生產(chǎn)廠家專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路 分類(lèi) 1 94 1 6 2晶閘管的觸發(fā)電路 作用 產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖 保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求 脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度 不超過(guò)門(mén)極電壓 電流和功率定額 且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi) 有良好的抗干擾性能 溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離 t 圖1 26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1 t2 脈沖前沿上升時(shí)間 1 s t1 t3 強(qiáng)脈寬度IM 強(qiáng)脈沖幅值 3IGT 5IGT t1 t4 脈沖寬度I 脈沖平頂幅值 1 5IGT 2IGT 晶閘管的觸發(fā)電路 1 95 1 6 2晶閘管的觸發(fā)電路 V1 V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié) 脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié) V1 V2導(dǎo)通時(shí) 通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門(mén)極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖 圖1 27常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路 常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路 1 96 1 6 3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 1 GTOGTO的開(kāi)通控制與普通晶閘管相似 GTO關(guān)斷控制需施加負(fù)門(mén)極電流 圖1 28推薦的GTO門(mén)極電壓電流波形 1 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路 正的門(mén)極電流 5V的負(fù)偏壓 GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路 關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門(mén)極反偏電路三部分 可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類(lèi)型 1 97 1 6 3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩 可得到較陡的脈沖前沿 目前應(yīng)用較廣 但其功耗大 效率較低 圖1 29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路 1 98 1 6 3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài) 使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū) 關(guān)斷GTR時(shí) 施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗 關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值 6V左右 的負(fù)偏壓 圖1 30理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形 2 GTR 1 99 1 6 3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路 包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 圖1 31GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路中 THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見(jiàn) 1 100 1 6 3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件 為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓 要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小 使MOSFET開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般10 15V 使IGBT開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V 關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓 一般取 5 15V 有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗 在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩 2 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路 1 101 1 6 3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 1 電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路 電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 圖1 32電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路 專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L 其輸入信號(hào)電流幅值為16mA 輸出最大脈沖電流為 2A和 3A 輸出驅(qū)動(dòng)電壓 15V和 10V 1 102 1 6 3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 2 IGBT的驅(qū)動(dòng) 圖1 33M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖 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 多采用專(zhuān)用的混合集成驅(qū)動(dòng)器 1 103 1 7電力電子器件器件的保護(hù) 1 7 1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)1 7 2過(guò)電流保護(hù)1 7 3緩沖電路 1 104 1 7 1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù) 外因過(guò)電壓 主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因操作過(guò)電壓 由分閘 合閘等開(kāi)關(guān)操作引起雷擊過(guò)電壓 由雷擊引起內(nèi)因過(guò)電壓 主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程換相過(guò)電壓 晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后 反向電流急劇減小 會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓 關(guān)斷過(guò)電壓 全控型器件關(guān)斷時(shí) 正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓 電力電子裝置可能的過(guò)電壓 外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓 1 105 1 7 1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù) 過(guò)電壓保護(hù)措施 圖1 34過(guò)電壓抑制措施及配置位置F 避雷器D 變壓器靜電屏蔽層C 靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容RC1 閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路RC2 閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV 壓敏電阻過(guò)電壓抑制器RC3 閥器件換相過(guò)電壓抑制用RC電路RC4 直流側(cè)RC抑制電路RCD 閥器件關(guān)斷過(guò)電壓抑制用RCD電路 電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種 其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過(guò)電壓的措施 屬于緩沖電路范疇 1 106 1 7 2過(guò)電流保護(hù) 過(guò)電流 過(guò)載和短路兩種情況保護(hù)措施 同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施 提高可靠性和合理性 電子電路作為第一保護(hù)措施 快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù) 直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù) 過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作 圖1 37過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置 1 107 1 7 2過(guò)電流保護(hù) 全保護(hù) 過(guò)載 短路均由快熔進(jìn)行保護(hù) 適用于小功率裝置或器件裕度較大的場(chǎng)合 短路保護(hù) 快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用 對(duì)重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備 或全控型器件 需采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù) 常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié) 響應(yīng)最快 快熔對(duì)器件的保護(hù)方式 全保護(hù)和短路保護(hù)兩種 1 108 1 7 3緩沖電路 關(guān)斷緩沖電路 du dt抑制電路 吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓 抑制du dt 減小關(guān)斷損耗 開(kāi)通緩沖電路 di dt抑制電路 抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和di dt 減小器件的開(kāi)通損耗 復(fù)合緩沖電路 關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路的結(jié)合 按能量的去向分類(lèi)法 耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路 無(wú)損吸收電路 通常將緩沖電路專(zhuān)指關(guān)斷緩沖電路 將開(kāi)通緩沖電路叫做di dt抑制電路 緩沖電路 SnubberCircuit 又稱(chēng)吸收電路 抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓 du dt 過(guò)電流和di dt 減小器件的開(kāi)關(guān)損耗 1 109 1 7 3緩沖電路 緩沖電路作用分析無(wú)緩沖電路 有緩沖電路 圖1 38di dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a 電路b 波形 圖1 39關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線 1 110 1 7 3緩沖電路 充放電型RCD緩沖電路 適用于中等容量的場(chǎng)合 圖1 38di dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a 電路 其中RC緩沖電路主要用于小容量器件 而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件 圖1 40另外兩種常用的緩沖電路RC吸收電路放電阻止型RCD吸收電路 1 111 1 8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用 1 8 1晶閘管的串聯(lián)1 8 2晶閘管的并聯(lián)1 8 3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn) 1 112 1 8 1晶閘管的串聯(lián) 問(wèn)題 理想串聯(lián)希望器件分壓相等 但因特性差異 使器件電壓分配不均勻 靜態(tài)不均壓 串聯(lián)的器件流過(guò)的漏電流相同 但因靜態(tài)伏安特性的分散性 各器件分壓不等 動(dòng)態(tài)不均壓 由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓 目的 當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí) 可以串聯(lián) 1 113 1 8 1晶閘管的串聯(lián) 靜態(tài)均壓措施 選用參數(shù)和特性盡量一致的器件 采用電阻均壓 Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正 反向電阻小得多 圖1 41晶閘管的串聯(lián)a 伏安特性差異b 串聯(lián)均壓措施 動(dòng)態(tài)均壓措施 選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件 用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓 采用門(mén)極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開(kāi)通時(shí)間的差異 1 114 1 8 2晶閘管的并聯(lián) 問(wèn)題 會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻 均流措施 挑選特性參數(shù)盡量一致的器件 采用均流電抗器 用門(mén)極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流 當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí) 通常采用先串后并的方法聯(lián)接 目的 多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流 1 115 1 8 3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn) Ron具有正溫度系數(shù) 具有電流自動(dòng)均衡的能力 容易并聯(lián) 注意選用Ron UT Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián) 電路走線和布局應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng) 可在源極電路中串入小電感 起到均流電抗器的作用 IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)在1 2或1 3額定電流以下的區(qū)段 通態(tài)壓降具有負(fù)溫度系數(shù) 在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù) 并聯(lián)使用時(shí)也具有電流的自動(dòng)均衡能力 易于并聯(lián) 電力MOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn) 1 116 圖1 42電力電子器件分類(lèi) 樹(shù) 本章小結(jié) 主要內(nèi)容全面介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu) 工作原理 基本特性和主要參數(shù)等 集中討論電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 保護(hù)和串 并聯(lián)使用 電力電子器件類(lèi)型歸納單極型 電力MOSFET和SIT雙極型 電力二極管 晶閘管 GTO GTR和SITH復(fù)合型 IGBT和MCT 分類(lèi) DATASHEET 1 117 本章小結(jié) 特點(diǎn) 輸入阻抗高 所需驅(qū)動(dòng)功率小 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 工作頻率高 電流驅(qū)動(dòng)型 雙極型器件中除SITH外特點(diǎn) 具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 因而通態(tài)壓降低 導(dǎo)通損耗小 但工作頻率較低 所需驅(qū)動(dòng)功率大 驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜 電壓驅(qū)動(dòng)型 單極型器件和復(fù)合型器件 雙極型器件中的SITH 1 118 本章小結(jié) IGBT為主體 第四代產(chǎn)品 制造水平2 5kV 1 8kA 兆瓦以下首選 仍在不斷發(fā)展 與IGCT等新器件激烈競(jìng)爭(zhēng) 試圖在兆瓦以上取代GTO GTO 兆瓦以上首選 制造水平6kV 6kA 光控晶閘管 功率更大場(chǎng)合 8kV 3 5kA 裝置最高達(dá)300MVA 容量最大 電力MOSFET 長(zhǎng)足進(jìn)步 中小功率領(lǐng)域特別是低壓 地位牢固 功率模塊和功率集成電路是現(xiàn)在電力電子發(fā)展的一個(gè)共同趨勢(shì) 當(dāng)前的格局