第二章电力电子器件第十次课课件.ppt
2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,UGEUGE(TH)(开启电压,一般为36V)；其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系；,图2.7.2 IGBT的伏安特 性和转移特性,1、IGBT的伏安特性和转移特性,（2）IGBT的转移特性曲线（如图b）,IGBT关断：,IGBT开通：,UGEUGE(TH)；,2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,2、IGBT的开关特性（1）IGBT的开通过程：从正向阻断状态转换到正向导通的过程。开通延迟时间td(on)：UGE从10%UGEM到IC 上升到10%ICM所需时间。电流上升时间tr：IC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间ton：ton=td(on)+tr,图2.7.3 IGBT的开关特性,2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,2、IGBT的开关特性（2）IGBT的关断过程关断延迟时间td(off)：从UGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到ic下降至90%ICM 电流下降时间：ic从90%ICM下降至10%ICM。关断时间toff：关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2 tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，ic下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，ic下降较慢。,图2.7.3 IGBT的开关特性,2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,（1）最大集射极间电压UCEM：IGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。（2）通态压降：是指IGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。（3）集电极电流最大值ICM：IGBT的 IC增大，可至器件发生擎住效应，此时为防止 发生擎住效应，规定的集电极电流最大值ICM。（4）最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大功耗。,3、IGBT的主要参数,2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,3、IGBT的主要参数(5)安全工作区正偏安全工作区FBSOA：IGBT在开通时为正向偏置时的安全工作区，如图2.7.5(a)所示。反偏安全工作区RBSOA：IGBT在关断时为反向偏置时的安全工作区，如图2.7.5(b)IGBT的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。在使用中一般通过选择适当的UCE和栅极驱动电阻控制，避免IGBT因 过高而产生擎住效应。,图2.7.5 IGBT的 安全工作区,2.7.2缘栅双极型晶体管的特性与主要参数,(6)输入阻抗：IGBT的输入阻抗高，可达1091011数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与VDMOS相似。(7)最高允许结温TjM：IGBT的最高允许结温TjM为150。VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加，而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。,3、IGBT的主要参数,第二章、电力电子器件,2.1、电力电子器件的基本模型 2.2、电力二极管 2.3、晶闸管 2.4、可关断晶闸管 2.5、电力晶体管 2.6、电力场效应晶体管 2.7、绝缘栅双极型,第二章、电力电子器件,2.1、电力电子器件的基本模型 2.2、电力二极管 2.3、晶闸管 2.4、可关断晶闸管 2.5、电力晶体管 2.6、电力场效应晶体管 2.7、绝缘栅双极型晶体管 2.8、其它新型电力电子器件 2.9、电力电子器件的驱动与保护,2.8、其它新型电力电子器件,2.8.1 静电感应晶体管 2.8.2 静电感应晶闸管 2.8.3 MOS控制晶闸管 2.8.4 集成门极换流晶闸管 2.8.5 功率模块与功率集成电路,2.8.1 静电感应晶体管（SIT）,它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的高频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。,2.8.1 静电感应晶体管（SIT）,1、SIT的工作原理 1）结构：SIT为三层结构，其元胞结构图如图2.8.1(a)所示，其三个电极分别为栅极G，漏极D和源极S。其表示符号如图2.8.1(b)所示。2）分类：SIT分N沟道、P沟道两种，箭头向外的为NSIT，箭头向内的为PSIT。3）导通、关断：SIT为常开器件，即栅源电压为零时，两栅极之间的导电沟道使漏极D-S之间的导通。则SIT导通；当加上负栅源电压UGS时，栅源间PN结产生耗尽层。随着负偏压UGS的增加，其耗尽层加宽，漏源间导电沟道变窄。当UGS=UP(夹断电压)时，导电沟道被耗尽层所夹断，SIT关断。,SIT的漏极电流ID不但受栅极电压UGS控制，同时还受漏极电压UDS控制。,图2.8.1 SIT的结构及其符号,2.8.1 静电感应晶体管（SIT）,2、SIT的特性 静态伏安特性曲线（N沟道SIT）：当栅源电压UGS一定时，随着漏源电压UDS的增加，漏极电流ID也线性增加，其大小由SIT的通态电阻所决定；SIT采用垂直导电结构,其导电沟道短而宽,适应于高电压,大电流的场合；SIT的漏极电流具有负温度系数,可避免因温度升高而引起的恶性循环；,图2.8.2 N-SIT静态 伏安特性曲线,SIT的漏极电流通路上不存在PN结,一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象,其安全工作区范围较宽；SIT是短沟道多子器件,无电荷积累效应,它的开关速度相当快,适应于高频场合；SIT的栅极驱动电路比较简单：关断SIT需加数十伏的负栅压-UGS,使SIT导通，也可以加56V的正栅偏压+UGS,以降低器件的通态压降；,2.8.1 静电感应晶体管（SIT）,2、SIT的特性,图2.8.3 SIT的 安全工作区,2.8、其它新型电力电子器件,2.8.1 静电感应晶体管 2.8.2 静电感应晶闸管 2.8.3 MOS控制晶闸管 2.8.4 集成门极换流晶闸管 2.8.5 功率模块与功率集成电路,2.8.2 静电感应晶闸管（SITH）,它自1972年开始研制并生产；优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小、及 耐量高等；应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域；缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；,2.8.2 静电感应晶闸（SITH）,1、SITH的工作原理 1）结构：在SIT的结构的基础上再增加一个P+层即形成了SITH的元胞结构，如图2.8.4(a)。2）三极：阳极A、阴极、栅极G，3）原理：栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。,图2.8.4 SITH元胞 结构其及符号,2.8.2 静电感应晶闸管（SITH）,特性曲线的正向偏置部分与SIT相似。栅极负压-UGK可控制阳极电流关断，已关断的SITH，A-K间只有很小的漏电流存在。SITH 为场控少子器件，其动态特性比GTO优越。SITH的电导调制作用使它比SIT的通态电阻小、压降低、电流大，但因器件内有大量的存储电荷，所以它的关断时间比SIT要长、工作频率要低。,图2.8.5 SITH的 伏安特性曲线,2、SITH的特性：,静态伏安特性曲线（图2.8.5）：,2.8、其它新型电力电子器件,2.8.1 静电感应晶体管 2.8.2 静电感应晶闸管 2.8.3 MOS控制晶闸管 2.8.4 集成门极换流晶闸管 2.8.5 功率模块与功率集成电路,2.8.3 MOS控制晶闸管（MCT）,MCT自20世纪80年代末问世，已生产出300A/2000V、1000A/1000V的器件；结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET；特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；,2.8.3 MOS控制晶闸管（MCT）,1）结构：MCT是在SCR结构中集成一对MOSFET构成的，通过MOSFET来控制SCR的导通和关断。使MCT导通的MOSFET称为ON-FET，使MCT关断的MOSFET称为OFF-FET。MCT的元胞有两种结构类型，一种为N-MCT，另一种为P-MCT。三个电极称为栅极G、阳极A和阴极K。图2.8.6中(a)为P-MCT的典型结构，图(b)为其等效电路，图(c)是它的表示符号(N-MCT的表示符号箭头反向)。对于N-MCT管，要将图2.8.6中各区的半导体材料用相反类型的半导体材料代替，并将上方的阳极变为阴极，而下方的阴极变为阳极。,图2.8.6 P-MCT的结构、等效电路和符号,1、MCT的工作原理,2.8.3 MOS控制晶闸管（MCT）,控制信号：用双栅极控制，栅极信号以阳极为基准；导通：当栅极相对于阳极加负脉冲电压时，ON-FET导通，其漏极电流使NPN晶体管导通。NPN晶体管的导通又使PNP晶体管导通且形成正反馈触发过程，最后导致MCT导通；关断：当栅极相对于阳极施加正脉冲电压时，OFF-FET导通，PNP晶体管基极电流中断,PNP晶体管中电流的中断破坏了使MCT导通的正反馈过程，于是MCT被关断。其中：1）导通的MCT中晶闸管流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。2）使P-MCT触发导通的栅极相对阳极的负脉冲幅度一般为-5-15V，使其关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为+10V。对于N-MCT管，其工作原理刚好相反。,图2.8.6 P-MCT的结构、等效电路和符号,2）工作原理（P-MCT）,2.8.3 MOS控制晶闸管（MCT）,(1)阻断电压高(达3000V)、峰值电流大(达1000A)、最大可关断电流密度为6000Acm2;(2)通态压降小(为IGBT的13，约2.1V);(3)开关速度快、损耗小，工作频率可达20kHz;(4)极高的dudt和didt耐量(du/dt耐量达20kV/s，di/dt耐量达2kA/s);(5)工作允许温度高(达200以上);(6)驱动电路简单;,2、MCT的特性,（兼有MOS器件和双极型器件的优点）,2.8.3 MOS控制晶闸管（MCT）,(7)安全工作区：MCT无正偏安全工作区，只有反偏安全工作区RBSOA；RBSOA与结温有关，反映MCT关断时电压和电流的极限容量。（8）保护装置：MCT可用简单的熔断器进行短路保护。因为当工作电压超出RBSOA时器件会失效，但当峰值可控电流超出RBSOA时，MCT不会像GTO那样损坏，只是不能用栅极信号关断。,图2.8.7 MCT的RBSOA,2、MCT的特性,第二章、电力电子器件,2.1、电力电子器件的基本模型 2.2、电力二极管 2.3、晶闸管 2.4、可关断晶闸管 2.5、电力晶体管 2.6、电力场效应晶体管 2.7、绝缘栅双极型晶体管 2.8、其它新型电力电子器件 2.9、电力电子器件的驱动与保护,2.9 电力电子器件的驱动与保护,电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容：（1）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断状态。（2）过流、过压保护：包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。（3）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压和过 流，减小、减小开关损耗。,（4）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载的电力质量。（5）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。（6）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机、停机信号和保护信号。,2.9、电力电子器件的驱动与保护,2.9、电力电子器件的驱动与保护,2.9.1 驱动电路 2.9.2 保护电路 2.9.3 缓冲电路 2.9.4 散热系统,2.9.1 驱 动 电 路,将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。,驱动电路的基本任务：,2.9.1 驱动电路,作用：产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。图2.9.1为基于脉冲变压器PT和三极管放大器的驱动电路。工作原理：当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器PT输出电压经D2输出脉冲电流触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，D1、DZ续流，PT的原边电压速降为零，防止变压器饱和。,图2.9.1 带隔离变压器的SCR驱动电路,1晶闸管SCR触发驱动电路,2.9.1 驱动电路,图2.9.2光耦隔离的SCR驱动电路。工作原理：当控制系统发出驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中R上的电压产生脉冲电流触发SCR导通。,图2.9.2 光耦隔离的SCR驱动电路,1晶闸管SCR触发驱动电路,开通：在门极加正驱动电流。,2GTO的驱动电路,GTO的几种基本驱动电路：,关断：在门极加很大的负电流,2.9.1驱动电路,1）图2.9.3(a)晶体管导通、关断过程：电源经使GTO触发导通，电容充电，电压极性如图示。当关断时，电容放电，反向电流使GTO关断。起开通限流作用，在SCR阳极电流下降期间释放出储能，补偿GTO的门极关断电流，提高了关断能力。该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电源，其关断能力有限且不易控制。另一方面，电容上必须有一定的能量才能使GTO关断，故触发的脉冲必须有一定的宽度。,图2.9.3(a),2.GTO的几种基本驱动电路：（续）,2.9.1 驱动电路,导通和关断过程：图2.9.3(b)导通：1、2导通时GTO被触发；关断：1、2关断和SCR、SCR 导通时GTO门极与阴极间流过 负电流而被关断；,图2.9.3(b),2.GTO的几种基本驱动电路：（续）,由于GTO的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；,2.9.1驱动电路,图2.9.3(c)中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。,图2.9.3(d)，对于300A以上的GTO，用此驱动电路可以满足要求。,2.GTO的几种基本驱动电路：（续）,2.9.1 驱动电路,1)作用:将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。2)功能:提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断(期望的基极驱动电流波形如图2.9.4 所示)。实现主电路与控制电路的隔离。具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。,图2.9.4 理想的基极驱动电流波形,3GTR的驱动电路,3GTR的参考驱动电路（续）,图2.9.5 双电源驱动电路,图2.9.7UAA4002组成 的GTR驱动电路,精品课件！,精品课件！,2.9.1 驱动电路,由于IGBT的输入特性几乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于VDMOS。,图2.9.8 采用脉冲变压器 隔离的栅极驱动电路,图2.9.9 推挽输出的 栅极驱动电路,4MOSFET和IGBT的驱动电路,
