第1章 電力電子器件改_第1頁
第1章 電力電子器件改_第2頁
第1章 電力電子器件改_第3頁
第1章 電力電子器件改_第4頁
第1章 電力電子器件改_第5頁
已閱讀5頁,還剩98頁未讀 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內容提供方,若內容存在侵權,請進行舉報或認領

文檔簡介

電力電子器件第1章不可控二極管半控晶閘管全控型器件新型電力電子器件電力電子器件的概述電子電路的基礎介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題本章主要內容:

電力電子器件

電力電子電路的基礎電子器件:晶體管和集成電路電力電子器件第1章電力電子器件的概述1.1.1電力電子器件的概念和特征1.1.2應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1.1.4本章內容和學習要點

1.1電力電子器件的概念和特征電力電子電路的基礎——電力電子器件1.概念:電力電子器件(powerelectronicdevice)——可直接用于處理電能的主電路中,實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件1.1.12.分類:電真空器件

(汞弧整流器、閘流管等電真空器件)

半導體器件

(采用的主要材料仍然是硅)主電路(mainpowercircuit)——承擔電能的變換或控制任務的電路3.

同處理信息的電子器件相比,電力電子器件的一般特征:能處理電功率的大小,即承受電壓和電流的能力,是最重要的參數。該能力遠大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。實用中,電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制(驅動電路)。為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞,不僅在器件封裝上講究散熱設計,在其工作時一般都要安裝散熱器。電力電子器件的概念和特征1.1.1主要損耗通態(tài)損耗:斷態(tài)損耗:開關損耗:開通損耗:在器件開通的轉換過程中產生的損耗關斷損耗:在器件關斷的轉換過程中產生的損耗通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小,因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開關頻率較高時,開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素電力電子器件的概念和特征1.1.1導通時器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過對某些器件來講,驅動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一應用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng):由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2圖1-1電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成1.1.2電氣隔離控制端主電路端子控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號,通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷,來完成整個系統(tǒng)的功能。還包括檢測電路等主電路之外的所有電路。主電路中的電壓和電流一般都較大,而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流,因此在主電路和控制電路連接的路徑上,如驅動電路與主電路的連接處,或者驅動電路與控制信號的連接處,以及主電路與檢測電路的連接處,一般需要進行電氣隔離,而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號應用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.2由于主電路中往往有電壓和電流的過沖,而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴,但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些,因此,在主電路和控制電路中附加一些保護電路,以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正??煽窟\行,也往往是非常必要的。器件一般有三個端子(或稱極或管角),其中兩個聯(lián)結在主電路中,而第三端被稱為控制端(或控制極)。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的,這個主電路端子是驅動電路和主電路的公共端,一般是主電路電流流出器件的端子。應用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.2電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度,分為以下三類:半控型器件1.1.3絕緣柵雙極晶體管(Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT)電力場效應晶體管(電力MOSFET)門極可關斷晶閘管(GTO)不可控器件電力二極管(PowerDiode)。它只有兩個端子,器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷,又稱自關斷器件。晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件,它的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅動電路。按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質,分為兩類:按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類:

1)電流驅動型

1)單極型器件電力電子器件的分類1.1.32)電壓驅動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關斷的控制2)雙極型器件3)復合型器件由一種載流子參與導電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件本章內容和學習要點學習要點:

最重要的是掌握其基本特性掌握電力電子器件的型號命名法,以及其參數和特性曲線的使用方法,這是在實際中正確應用電力電子器件的兩個基本要求由于電力電子電路的工作特點和具體情況的不同,可能會對與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件,如變壓器、電感、電容、電阻等,有不同于普通電路的要求1.1.4本章內容:介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題。不可控器件—電力二極管1.2.1

PN結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1.2.4電力二極管的主要類型1.2

PowerDiode結構和原理簡單,工作可靠,自20世紀50年代初期就獲得應用。快恢復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合,具有不可替代的地位。不可控器件—電力二極管1.2PN結與電力二極管的工作原理基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎由一個面積較大的PN結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、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號1.2.1N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。圖1-3PN結的形成

擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡,正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值,形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍,被稱為空間電荷區(qū),按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)??臻g電荷建立的電場被稱為內電場或自建電場,其方向是阻止擴散運動的,另一方面又吸引對方區(qū)內的少子(對本區(qū)而言則為多子)向本區(qū)運動,即漂移運動。交界處電子和空穴的濃度差別,造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動,到對方區(qū)內成為少子,在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷。PN結與電力二極管的工作原理

1.2.1PN結的正向導通狀態(tài)PN結在正向電流較大時壓降仍然很低,維持在1V左右,所以正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結的反向截止狀態(tài)PN結的單向導電性。二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征。PN結的反向擊穿

有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式,可能導致熱擊穿。PN結的電容效應:PN結的電荷量隨外加電壓而變化,呈現(xiàn)電容效應,稱為結電容CJ,又稱為微分電容。結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD

。PN結與電力二極管的工作原理

1.2.1勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用。外加電壓頻率越高,勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比,與阻擋層厚度成反比。PN結與電力二極管的工作原理

1.2.1擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時,當正向電壓較低時,勢壘電容為主;正向電壓較高時,擴散電容為結電容主要成分。結電容影響PN結的工作頻率,特別是在高速開關的狀態(tài)下,可能使其單向導電性變差,甚至不能工作,應用時應加以注意。電力二極管的基本特性1.靜態(tài)特性(伏安特性)圖1-4電力二極管的伏安特性1.2.2門檻電壓正向電壓降2.動態(tài)特性電力二極管的基本特性1.2.2動態(tài)特性(開關特性)——反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程關斷過程:須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力,進入截止狀態(tài)。

因結電容的存在,三種狀態(tài)之間的轉換必然有一個過渡過程,相應的電壓—電流特性是隨時間變化的。電力二極管的基本特性2.動態(tài)特性1.2.2反電壓過沖正向平均電流延遲時間:td=t1-t0,電流下降時間:tf=t2-t1反向恢復時間:trr=td+tf恢復特性的軟度:下降時間與延遲時間的比值tf/td,或稱恢復系數,用Sr表示電力二極管的基本特性1.2.2正向恢復時間正向壓降的過沖開通過程:

電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子,達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大。正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大,UFP越高。電力二極管的主要參數正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的,因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額,并應留有一定的裕量。當用在頻率較高的場合時,開關損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當采用反向漏電流較大的電力二極管時,其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應也不小1.2.31.正向平均電流IF(AV)在指定的管殼溫度(簡稱殼溫,用TC表示)和散熱條件下,其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值對應的有效值為1.57IF(AV)2.正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下,流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降有時參數表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降電力二極管的主要參數1.2.33.

反向重復峰值電壓URRM指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時,往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定4.最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度,用TJ表示。最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內。電力二極管的主要參數1.2.35.反向恢復時間trrtrr=td+tf

,關斷過程中,電流降到零起到恢復反響阻斷能力止的時間。6.浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。電力二極管的主要類型關注正向壓降、反向耐壓、反向漏電流,特別是反向恢復特性。在應用時,應根據不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的。1.

普通二極管(GeneralPurposeDiode)又稱整流二極管(RectifierDiode)多用于開關頻率不高(1kHz以下)的整流電路中其反向恢復時間較長,一般在5s以上,這在開關頻率不高時并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高,分別可達數千安和數千伏以上。1.2.42.快恢復二極管(FastRecoveryDiode——FRD)電力二極管的主要類型1.2.4恢復過程很短特別是反向恢復過程很短(5s以下)的二極管,也簡稱快速二極管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長,后者則在100ns以下,甚至達到20~30ns。工藝上多采用了摻金措施,有的采用PN結型結構,有的采用改進的PiN結構采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管(FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED),其反向恢復時間更短(可低于50ns),正向壓降也很低(0.9V左右),但其反向耐壓多在1200V以下3.

肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管(SchottkyBarrierDiode——SBD),簡稱為肖特基二極管20世紀80年代以來,由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應用電力二極管的主要類型1.2.4肖特基二極管的弱點當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求,因此多用于200V以下反向漏電流較大且對溫度敏感,因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略,而且必須更嚴格地限制其工作溫度肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短(10~40ns)正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小,明顯低于快恢復二極管其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小,效率高半控器件—晶閘管

1.3.1晶閘管的結構與工作原理

1.3.2晶閘管的基本特性

1.3.3晶閘管的主要參數

1.3.4晶閘管的派生器件1.31956年美國貝爾實驗室(BellLab)發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司(GE)開發(fā)出第一只晶閘管產品1958年商業(yè)化開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代20世紀80年代以來,開始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高,工作可靠,在大容量的場合具有重要地位半控器件—晶閘管1.3晶閘管(Thyristor):晶體閘流管,可控硅整流器(SiliconControlledRectifier——SCR)晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型——普通晶閘管晶閘管的結構與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極(控制端)G三個聯(lián)接端對于螺栓型封裝,通常螺栓是其陽極,能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間1.3.1圖1-6晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號Ic1=1IA+ICBO1(1-1)Ic2=2IK+ICBO2(1-2)IK=IA+IG

(1-3)

IA=Ic1+Ic2

(1-4)

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的結構與工作原理1.3.1由以上四式可得(1-5)V2V1IGIC2=IB1IC1晶體管的特性是:在低發(fā)射極電流下是很小的,而當發(fā)射極電流建立起來之后,迅速增大。晶閘管的結構與工作原理1.3.1開通(門極觸發(fā)):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,流過晶閘管的電流IA(陽極電流)將趨近于無窮大,實現(xiàn)飽和導通。阻斷狀態(tài):IG=0,1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。實際由外電路負載決定,維持有限值其他幾種可能導通的情況:陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結溫較高光直接照射硅片,即光觸發(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用于高壓電力設備中,稱為光控晶閘管(LightTriggeredThyristor——LTT)。晶閘管的結構與工作原理1.3.1只有門極觸發(fā)(包括光觸發(fā))是最精確、迅速而可靠的控制手段晶閘管的基本特性1.靜態(tài)特性簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下:承受反向電壓時,不論門極是否有觸發(fā)電流,晶閘管都不會導通。承受正向電壓時,僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導通,門極就失去控制作用。要使晶閘管關斷,只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下;或者去掉陽極所加的正向電壓,或者給陽極施加反向電壓。1.3.2晶閘管的伏安特性

圖1-8晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性1.3.2正向轉折電壓維持電流IG2>IG1>IG2.動態(tài)特性圖1-9晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的基本特性1.3.21)開通過程晶閘管的基本特性1.3.2普通晶閘管延遲時為0.5~1.5s,上升時間為0.5~3s。上升時間tr:陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。開通時間tgt以上兩者之和

tgt=td+tr

(1-6)延遲時間td:門極電流階躍時刻開始,到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的

10%的時間。2)

關斷過程反向阻斷恢復時間trr:正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間晶閘管的基本特性1.3.2普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。關斷時間tq:trr與tgr之和,即

tq=trr+tgr

正向阻斷恢復時間tgr:晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓,電路才能可靠工作。

1.電壓定額晶閘管的主要參數

1.3.3

——在門極斷路而結溫為額定值時,允許加在器件上的正向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時,額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。——在門極斷路而結溫為額定值時,允許重復加在器件上的反向峰值電壓。——晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。1)

斷態(tài)重復峰值電壓UDRM2)

反向重復峰值電壓URRM3)

通態(tài)(峰值)電壓UTM頻率為50HZ,每次持續(xù)時間不超過10ms重復2.電流定額晶閘管的主要參數

1.3.3

——晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下,穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數?!咕чl管維持導通所必需的最小電流,一般為幾十到幾百毫安,與結溫有關。結溫越高,則IH越小?!чl管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后,能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說,通常IL約為IH的2~4倍?!赣捎陔娐樊惓G闆r引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。

4)

浪涌電流ITSM3)

擎住電流IL

2)

維持電流IH

——使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管。應留一定的裕量,一般取1.5~2倍。1)

通態(tài)平均電流IT(AV)

對應的有效值為1.57IT(AV)返回晶閘管的主要參數3.動態(tài)參數

1.3.3

——指在額定結溫和門極開路的情況下,不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率?!冈谝?guī)定條件下,晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。(2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt(1)

斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt除開通時間tgt和關斷時間tq外,還有:晶閘管的派生器件1.快速晶閘管(FastSwitchingThyristor——FST)包括所有專為快速應用而設計的晶閘管,有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結構和制造工藝進行了改進,開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關斷時間數百微秒,快速晶閘管數十微秒,高頻晶閘管10s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,選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。1.3.42.雙向晶閘管(TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性晶閘管的派生器件1.3.4可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2,一個門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導通,所以雙向晶閘管在第I和第III象限有對稱的伏安特性。與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經濟的,且控制電路簡單,在交流調壓電路、固態(tài)繼電器(SSR)和交流電機調速等領域應用較多。通常用在交流電路中,因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。3.逆導晶閘管(ReverseConductingThyristor——RCT)圖1-11逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性晶閘管的派生器件1.3.4將晶閘管反并聯(lián)一個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、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點。逆導晶閘管的額定電流有兩個,一個是晶閘管電流,一個是反并聯(lián)二極管的電流。4.光控晶閘管(LightTriggeredThyristor——LTT)圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性晶閘管的派生器件1.3.4又稱光觸發(fā)晶閘管,是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。大功率光控晶閘管則還帶有光纜,光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導體激光器。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合,如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中,占據重要的地位。典型全控型器件

1.4.1門極可關斷晶閘管

1.4.2電力晶體管

1.4.3電力場效應晶體管

1.4.4絕緣柵雙極晶體管1.4全控型電力電子器件的典型代表——門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。典型全控型器件1.420世紀80年代以來,信息電子技術與電力電子技術在各自發(fā)展的基礎上相結合——高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件,從而將電力電子技術又帶入了一個嶄新時代。門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor—GTO)晶閘管的一種派生器件可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷GTO的電壓、電流容量較大,與普通晶閘管接近,因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用1.4.1和普通晶閘管的不同點:GTO是一種多元的功率集成器件,內部包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO元,這些GTO元的陰極和門極則在器件內部并聯(lián)在一起。圖1-13GTO的內部結構和電氣圖形符號a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結構斷面示意圖c)電氣圖形符號門極可關斷晶閘管1.4.11.GTO的結構和工作原理結構:與普通晶閘管的相同點:PNPN四層半導體結構,外部引出陽極、陰極和門極。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是器件臨界導通的條件。

當1+2>1時,兩個等效晶體管過飽和而使器件導通;

當1+2<1時,不能維持飽和導通而關斷。由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2。門極可關斷晶閘管1.4.1GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別:門極可關斷晶閘管1.4.1

(1)設計2較大,使晶體管V2控制靈敏,易于GTO關斷。(2)導通時1+2更接近1(1.05,普通晶閘管1+21.15),接近臨界飽和,有利門極控制關斷,但導通時管壓降增大。

(3)多元集成結構使GTO元陰極面積很小,門、陰極間距大為縮短,使得P2基區(qū)橫向電阻很小,能從門極抽出較大電流。門極可關斷晶閘管GTO關斷過程:強烈正反饋——門極加負脈沖即從門極抽出電流,則Ib2

IK和Ic2

IA和Ic1

V2的基極電流。當IA和IK的減小使1+2<1時,器件退出飽和而關斷。1.4.1由上述分析我們可以得到以下結論:GTO導通過程與普通晶閘管一樣,只是導通時飽和程度較淺。多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快,承受di/dt能力強。2.

GTO的動態(tài)特性開通過程:與普通晶閘管類似,需經過延遲時間td和上升時間tr。圖1-14GTO的開通和關斷過程電流波形門極可關斷晶閘管1.4.1關斷過程:與普通晶閘管有所不同抽取飽和導通時儲存的大量載流子——儲存時間ts,使等效晶體管退出飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū),陽極電流逐漸減小——下降時間tf

。殘存載流子復合——尾部時間tt

。GTO的開通和關斷過程電流波形門極可關斷晶閘管1.4.1通常tf<<ts,tt>>ts。

門極負脈沖電流幅值越大,前沿越陡,抽走儲存載流子的速度越快,

ts越短。3.

GTO的主要參數門極可關斷晶閘管1.4.1——延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s,上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大?!话阒竷Υ鏁r間和下降時間之和,不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大,下降時間一般小于2s。關斷時間toff開通時間ton

不少GTO都制造成逆導型,類似于逆導晶閘管,需承受反壓時,應和電力二極管串聯(lián)。以下只介紹意義與普通晶閘管不同的參數。注意門極可關斷晶閘管最大可關斷陽極電流IATO(與普通晶閘管不同)1.4.1電流關斷增益offoff一般很小,只有5左右,這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A。

——GTO額定電流。利用門級負電流脈沖可以關斷的最大陽極電流的限制,由GTO的臨界飽和導通條件所限制?!畲罂申P斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。(1-8)術語用法:電力晶體管(GiantTransistor——GTR,直譯為巨型晶體管)耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管(BipolarJunctionTransistor——BJT),英文有時候也稱為PowerBJT。在電力電子技術的范圍內,GTR與BJT這兩個名稱等效。

應用20世紀80年代以來,在中、小功率范圍內取代晶閘管,但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電力晶體管(GTR或BJT)1.4.21.

GTR的結構和工作原理圖1-15GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動

a)內部結構斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內部載流子的流動電力晶體管1.4.2與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。在應用中,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,反映了基極電流對集電極電流的控制能力當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時,ic和ib的關系為 ic=ib+Iceo(1-10)電力晶體管1.4.2產品說明書中通常給直流電流增益hFE

——在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認為hFE。單管GTR的值比小功率的晶體管小得多,通常為10左右,采用達林頓接法可有效增大電流增益。2.GTR的基本特性(1)

靜態(tài)特性在電力電子電路中GTR工作在開關狀態(tài),即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關過程中,即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時,要經過放大區(qū)圖1-16共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性電力晶體管1.4.2(2)

動態(tài)特性開通過程延遲時間td和上升時間tr,二者之和為開通時間ton。td主要是由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的。增大ib的幅值并增大dib/dt,可縮短延遲時間。圖1-17GTR的開通和關斷過程電流波形電力晶體管1.4.2關斷過程儲存時間ts和下降時間tf,二者之和為關斷時間toff。電力晶體管1.4.2GTR的開關時間在幾微秒以內,比晶閘管和GTO都短很多。除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子,是關斷時間的主體縮短儲存時間——減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子,或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓??s短儲存時間的負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降Uces增加,從而增大通態(tài)損耗。3.GTR的主要參數1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關,還與外電路接法有關。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo實際使用時,為確保安全,最高工作電壓要比BUceo低得多。電力晶體管1.4.23)

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品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC,間接表示了最高工作溫度。電力晶體管1.4.22)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應的Ic實際使用時要留有裕量,只能用到IcM的一半或稍多一點。4.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時,Ic迅速增大,出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度,GTR一般不會損壞,工作特性也不變。

二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升,并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導致器件的永久損壞,或者工作特性明顯衰變。電力晶體管1.4.2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)電力晶體管1.4.2電力場效應晶體管

特點——用柵極電壓(UGS)來控制漏極電流(ID)驅動電路簡單,需要的驅動功率小。開關速度快,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10kW的電力電子裝置。1.4.3絕緣柵型結型主要指絕緣柵型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET),簡稱電力MOSFET(PowerMOSFET)似小功率(FieldEffectTransistor——FET)一般稱作靜電感應晶體管(StaticInductionTransistor——SIT)耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道增強型——對于N(P)溝道器件,柵極電壓大于(小于)零時才存在導電溝道

電力場效應晶體管1.4.31.電力MOSFET的結構和工作原理

電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道

電力MOSFET主要是N溝道增強型電力MOSFET的結構電力場效應晶體管1.4.3導通時只有一種極性的載流子(多子)參與導電,是單極型晶體管。圖1-19電力MOSFET的結構和電氣圖形符號導電機理與小功率MOS管相同,但結構上有較大區(qū)別。電力MOSFET的多元集成結構,不同的生產廠家采用了不同設計。國際整流器公司(InternationalRectifier)的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列小功率MOS管是橫向導電器件電力MOSFET大都采用垂直導電結構,又稱為VMOSFET(VerticalMOSFET)——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。電力場效應晶體管1.4.3按垂直導電結構的差異,又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)。電力MOSFET的工作原理截止:UDS>0,UGS=0;導電:UDS>0,UGS>0(UT);圖1-19電力MOSFET的結構和電氣圖形符號電力場效應晶體管1.4.31)

靜態(tài)特性圖1-20電力MOSFET的轉移特性

a)轉移特性2.電力MOSFET的基本特性電力場效應晶體管1.4.3ID較大時,ID與UGS的關系近似線性,曲線的斜率定義為跨導GfsMOSFET的漏極伏安特性:截止區(qū)(對應于GTR的截止區(qū))飽和區(qū)(對應于GTR的放大區(qū))非飽和區(qū)(對應于GTR的飽和區(qū))電力MOSFET工作時,即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。電力MOSFET的輸出特性b)輸出特性電力場效應晶體管1.4.3電力MOSFET漏源極之間有反向的寄生二極管,漏源極間加反向電壓時器件導通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數,對器件并聯(lián)時的均流有利。上升時間tr——uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段。iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關UGS達到UGSP后,在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài),但iD已不變。圖1-21電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源,Rs—信號源內阻,RG—柵極電阻,RL—負載電阻,RF—檢測漏極電流電力場效應晶體管1.4.32)

動態(tài)特性開通過程開通延遲時間td(on)——up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段。開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和。下降時間tf——uGS從UGSP繼續(xù)下降起,iD減小,到uGS<UT時溝道消失,iD下降到零為止的時間段。圖1-21電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形電力場效應晶體管1.4.3關斷過程關斷延遲時間td(off)——up下降到零起,Cin通過Rs和RG放電,uGS按指數曲線下降到UGSP時,iD開始減小的時間段。關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和。柵極輸入電容MOSFET的開關速度

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系。使用者無法降低Cin,但可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數,加快開關速度。電力場效應晶體管1.4.3MOSFET存在的輸入電容場控器件,靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電,仍需一定的驅動功率。開關頻率越高,所需要的驅動功率越大。MOSFET只靠多子導電,不存在少子儲存效應,因而關斷過程非常迅速。開關時間在10~100ns之間,工作頻率可達100kHz以上,是主要電力電子器件中最高的。3.電力MOSFET的主要參數

電力場效應晶體管1.4.3——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——與電力晶體管不同。電力晶體管的IC過大時,β迅速下降,它的下降程度限制了IC的最大允許值;而MOSFET中的Gfs則是隨著ID的增大而增大,直至達到穩(wěn)定值。故這兩個參數主要受溫升的限制。3)柵源電壓UGS——柵源之間的絕緣層很薄,UGS>20V將導致絕緣層擊穿。4)

極間電容輸入電容可近似用Ciss代替。這些電容都是非線性的。電力場效應晶體管1.4.3

極間電容CGS、CGD和CDS

廠家提供:漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容CrssCiss=CGS+CGD(1-14)Crss=CGD(1-15)Coss=CDS+CGD(1-16)漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。

實際使用中仍應注意留適當的裕量。

一般來說,電力MOSFET不存在二次擊穿問題,這是它的一大優(yōu)點。絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點——雙極型,電流驅動,有電導調制效應,通流能力很強,開關速度較低,所需驅動功率大,驅動電路復雜。MOSFET的優(yōu)點——單極型,電壓驅動,開關速度快,輸入阻抗高,熱穩(wěn)定性好,所需驅動功率小而且驅動電路簡單。兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件

絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT)

1986年投入市場后,取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設備的主導器件。

繼續(xù)提高電壓和電流容量,以期再取代GTO的地位。1.4.4GTRMOSFET1.IGBT的結構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的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管1.4.4EIGBT的結構圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT(N-IGBT)圖1-22

IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管1.4.4E簡化等效電路表明,IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構,一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區(qū),形成了一個大面積的P+N結J1?!笽GBT導通時由P+注入區(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子,從而對漂移區(qū)電導率進行調制,使得IGBT具有很強的通流能力。晶體管基區(qū)內調制電阻IGBT的原理

驅動原理與電力MOSFET基本相同,場控器件,通斷由柵射極電壓uGE決定。絕緣柵雙極晶體管1.4.4導通壓降:電導調制效應使電阻RN減小,使通態(tài)壓降小。導通:uGE>UGE(th)時,MOSFET內形成溝道,為晶體管提供基極電流,IGBT導通。關斷:柵射極間施加反壓或不加信號時,MOSFET內的溝道消失,晶體管的基極電流被切斷,IGBT關斷。2.IGBT的基本特性1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管1.4.4輸出特性(伏安特性)——以UGE為參考變量時,IC與UCE間的關系。分為三個區(qū)域:正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應。圖1-23IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管1.4.4轉移特性——IC與UGE間的關系,與MOSFET轉移特性類似。開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導調制而導通的最低柵射電壓。

UGE(th)隨溫度升高而略有下降,在+25C時,UGE(th)的值一般為2~6V。uCE<0時,IGBT反向阻斷工作狀態(tài)2)

IGBT的動態(tài)特性圖1-24

IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.4

IGBT的開通過程

圖1-24IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.4——與MOSFET的相似,因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行

開通延遲時間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時刻,到iC上升至10%ICM

開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和。

電流上升時間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程;tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。IGBT的關斷過程關斷延遲時間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起,到iC下降至90%ICM。圖1-24

IGBT的開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.4電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內部的MOSFET的關斷過程,iC下降較快;tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程,iC下降較慢。電流下降時間tf——iC從90%ICM下降至10%ICM。關斷時間toff——關斷延遲時間與電流下降之和。IGBT中雙極型PNP晶體管的存在,雖然帶來了電導調制效應的好處,但也引入了少子儲存現(xiàn)象,因而IGBT的開關速度低于電力MOSFET。IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關斷時間也是需要折衷的參數。絕緣柵雙極晶體管1.4.4通過對IGBT的基本特性的分析,可以看出:3.IGBT的主要參數絕緣柵雙極晶體管1.4.4——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——由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。1)最大集射極間電壓UCESIGBT的特性和參數特點可以總結如下:絕緣柵雙極晶體管1.4.4(1)

開關速度高,開關損耗小。在電壓1000V以上時,開關損耗只有GTR的1/10,與電力MOSFET相當。(2)

相同電壓和電流定額時,安全工作區(qū)比G

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論