变频调速第二章选用课件-电力电子器.ppt

1,第1章 电力电子器件,1.1 概 述1.2 电力二极管1.3 晶闸管及其派生器件1.4 门极可关断晶闸管1.5 电力晶体管1.6 功率场效应晶体管1.7 绝缘栅双极晶体管1.8 其他新型电力电子器件,2,1.1.1 电力电子器件的概念与特征1.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 电力电子器件的应用领域1.1.5 本章核心内容与学习要点,1.1 概 述,3,电力电子器件：专指直接用于主电路，实现电能的变换或控制的电子器件。早期为电真空器件，如今主要指半导体器件。,主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制的电路。,控制电路,电气隔离,（1）基本概念,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,4,电力电子器件处理电功率的能力，一般远大于信息处理中的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制（或称为驱动）。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都需要安装散热器（自然风冷、强迫风冷、水冷等）。,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,（2）主要特征,5,1.1.1 电力电子器件的概念与特征,（3）电力电子器件的功率损耗,功率损耗主要包括：通态损耗、断态损耗和开关损耗。通态损耗是通态电流与通态（管）压降作用的结果。断态损耗是断态（漏）电流与断态电压作用的结果。开关损耗又包括：开通损耗和关断损耗，是开关过程中电压与电流作用的结果。因断态漏电流极小，一般认为通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要因素。当器件工作频率较高时，开关损耗可能成为电力电子器件功率损耗的主要因素。,6,不可控器件（如：电力二极管）不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。半控型器件（如：晶闸管）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（如：电力场效应管，绝缘栅双极晶体管）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。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（1）按照器件被控程度分为三类,7,电流驱动型通过从控制端注入或者抽出一定的电流，实现器件的导通或关断控制。电压控制型仅通过在器件控制端和公共端之间施加一定的电压信号，实现导通或者关断控制。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（2）可控器件按照驱动信号的性质分为两类,8,单极型器件只有一种载流子参与导电。双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电。混合型器件由单极型器件与双极型器件通过集成而构成的复合型器件。,1.1.2 电力电子器件的基本类型,（3）按照器件内部载流子参与导电情况分为三类,9,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,（1）电力电子器件模块化与集成化的研发是目前重要的发展方向。（2）模块化与集成化不仅可减小装置尺寸，更重要的是提高了装置的安全性与可靠性，缩短了装置的设计研发周期。（3）特别值得一提的是智能功率模块（IPM），该功率模块同时具有驱动、控制、保护等功能，整体性能大为提高。（4）目前，在装置研发中优先选用模块化器件。,10,1.1.4 电力电子器件的应用领域,图1-1,11,集中介绍典型器件的工作原理、基本特性、主要参数及选择和使用中应注意的一般问题。简单介绍电力电子器件的驱动、保护以及串、并联使用等特殊问题。,1.1.5 本章核心内容与学习要点,（1）核心内容,了解典型器件的基本特性曲线。掌握典型器件主要参数的含义。学会典型器件的合理选用。,（2）学习要点,12,1.2.1 PN结的工作原理1.2.2 电力二极管的结构与基本特性1.2.3 电力二极管的主要参数1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2 电力二极管,13,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征,1.2.1 PN结的工作原理,（1）PN结的状态,（2）PN结的反向击穿,包括雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。均可能导致PN结热击穿，造成二极管永久损坏。,14,1.2.1 PN结的工作原理,（3）PN结的电容效应,PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现出电容效应，称之为结电容，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的不同又分为势垒电容CB和扩散电容CD。结电容的存在主要影响PN结的工作频率，尤其是高速开关状态时其影响显得更为突出。,15,基本结构和基本特性与信息电子中讨论的二极管相同。内部由一个面积较大的PN结和两端引线以及外部封装组成。外型主要有螺栓型、平板型和模块型三种封装形式。,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,16,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,电力二极管原理和结构简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就得到了广泛的应用。,17,主要指伏安特性门槛电压UTO：正向电流IF开始明显增加时所对应的电压。正向管压降UF：与IF对应的二极管两端电压。承受反向电压时，正常情况下只有微小且数值基本恒定的反向漏电流。当反向电压达到一定数值时（UBR），则会造成反向击穿。,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,电力二极管的伏安特性,（1）静态特性,18,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,（2）动态特性,开通过程正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋近于某一稳态压降值（12V）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP过冲越高。,19,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,（2）动态特性,关断过程须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,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,影响开关速度的主要因素是反向恢复时间。,20,为电力二级管的电流定额。定义为：在规定的管壳温度和散热条件下，允许长期流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应根据有效值相等的原则来选取电流定额，并考虑留有一定的裕量。举例：计算正弦半波电流有效值与平均值的比值。,1.2.3 电力二极管的主要参数,（1）正向平均电流 IF(AV),21,1.2.3 电力二极管的主要参数,例：计算正弦半波电流有效值与 平均值的比值。,解：,即：,22,（2）正向通态管压降 UF在规定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。显然，UF 越小越好。（3）反向重复峰值电压 URRM为电力二级管的电压定额。定义为：电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时为安全起见应当留有23倍的裕量。（4）反向恢复时间 trr=td+tf,1.2.3 电力二极管的主要参数,23,（5）最高工作结温 TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，通常在125175C范围之内。（6）浪涌电流 IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,1.2.3 电力二极管的主要参数,24,（1）普通二极管又称整流二极管，多用于开关频率不高（一般在1kHz以下）的整流电路。其反向恢复时间较长（一般为几十微秒）。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高（一般达数千安培、数千伏特以上）。,1.2.4 电力二极管的主要类型,25,（2）快恢复二极管 简称快速二极管从性能上又可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒至几微秒，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。管压降较低（约为0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下，低于普通二极管。,1.2.4 电力二极管的主要类型,26,（3）肖特基二极管肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中没有明显的电压过冲。正向压降为0.30.6V，明显低于快恢复二极管，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。肖特基二极管的弱点反向耐压偏低，多用于200V以下场合。反向漏电流的温度敏感性很强，使用中必须严格限制其工作温度。,1.2.4 电力二极管的主要类型,27,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 简介1.3.2 晶闸管的结构与工作原理1.3.3 晶闸管的特性及主要参数1.3.4 晶闸管的派生器件,28,1.3.1 简 介,又称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier）简称为可控硅（缩写为SCR）1956年由美国贝尔实验室发明。1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，且于1958年商业化。晶闸管的诞生，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始部分被全控型器件所取代。晶闸管承受压和通流的能力最高，工作可靠，应用成熟，在大容量的场合仍占有重要的不可替代的地位。,晶闸管是晶体闸流管（Thyristor）的简称,29,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,螺栓型封装，通常螺栓一端是阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管使用时是由两个散热器将其夹在中间。模块使用时，金属底面（一般为铜质）要与散热器紧密接触，使元件内部的热量有效导出。,（1）符号及外形,为三端四层元件，三端分别为阳极 A、阴极 K 和控制极 G。外形有螺栓型、平板型和模块型三种封装形式。,图形符号,四层结构,30,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,31,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,32,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,33,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,34,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,（1）符号及外形,35,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,式中：1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。,按晶体管工作原理，可得：,整理得：,（2）工作原理分析,而且：,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型 b)工作原理,36,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,1 与 2数值与发射极电流有关，当发射极电流很小时，其数值小于0.1；当发射极电流上升时，（1+2）近似等于1；共基极漏电流很小，有时可以忽略不计；当IG=0，阳极电流近似为0，处于阻断状态；当控制极注入触发电流，正反馈作用使晶闸管处于饱和导通状态，阳极电流由外电路决定，此时控制极电流失去作用。器件关断需依靠外电路的辅助作用，使阳极电流减小到一定数值。,（3）原理说明,37,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,阳极电压升高至相当高的数值，造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt 过高结温较高光触发：光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor）。只有门极触发才是精确、迅速而可靠的控制手段（包括光触发）。,（4）晶闸管其他几种可能导通的情况,38,1.3.2 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管在承受反向电压时，不论控制极是否有触发电流都不会导通。晶闸管承受正向电压时，仅在控制极有触发电流的情况下才能开通。晶闸管一旦导通控制极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使流过晶闸管的电流减小到接近于零的某一数值。显然，晶闸管为电流控制型器件。,（5）晶闸管开通及关断条件,39,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,正向特性IG=0时，当器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，此为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压UDB，则漏电流急剧增大，器件非正常开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压相应降低。晶闸管一旦导通，其正向导通压降很小，约为1V左右。,（1）静态特性,40,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,反向特性反向特性类似于二极管的反向特性。反向呈阻断状态时，只有极小的反向漏电流。当反向电压达到反向击穿电压后，电流急剧增加，可能导致晶闸管发热而永久损坏。,（1）静态特性,41,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,开通过程延迟时间td：(约为0.51.5s)上升时间tr：(约为0.53s)开通时间ton为以上两者之和：ton=td+tr,（2）动态特性,42,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,关断过程反向恢复时间trr门极恢复时间tgr关断时间toff 为以上两者之和：toff=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约为几百微秒。,（2）动态特性,43,选用注意,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,正向断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。,取UDRM与URRM中较小值作为晶闸管的电压定额。选用时应留有裕度，一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。,（3）电压定额,通态（峰值）电压UT（简称管压降）晶闸管通以额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。,44,选用注意,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,通态平均电流 IT(AV）：在环境温度为 40C 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时，将所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，标称为晶闸管的额定电流。,（4）电流定额,使用时应根据实际通过电流的波形，按有效值相等（即等效发热）的原则来选取。并需留有一定的裕量。,45,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,（4）电流定额,维持电流 IH：能使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流。擎（掣）住电流 IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持继续导通所需的最小电流。通常I L=（24）I H,（5）门极定额,包括门极触发电压 U GT 与门极触发电流 I GT。注意同一型号的器件存在较大的离散性。,46,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,（6）动态参数,断态电压临界上升率du/dt：指在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态转换为通态的外加电压最大上升率。由于结电容的存在，当电压上升率过大使充电电流足够大时，将会使晶闸管误导通。,除了开通时间 ton 和关断时间 toff 外，动态参数还包括：,47,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,（6）动态参数,通态电流临界上升率di/dt：指在规定条件下，晶闸管所能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。晶闸管导通时，电流在管芯硅片上有一个从门极向外扩散的过程，如果电流上升太快，可能造成门极附近局部电流密度过大，使晶闸管过热而损坏。,除了开通时间 ton 和关断时间 toff 外，动态参数还包括：,48,1.3.3 晶闸管的特性及主要参数,设晶闸管导通时流过的电流波形如下图所示，,试问：额定电流为100A的晶闸管所能提供的平均电流 Id 及相应的电流最大值 Im 分别为多少安？（暂不考虑安全裕度）,（7）有关晶闸管电流定额的举例,49,解：,因为额定电流为100A的晶闸管允许通过电流的有效值为157A，按有效值相等的原则，可得：,即：,而：,思考：若考虑2倍的电流安全裕度情况又如何？,50,（1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor）,1.3.4 晶闸管的派生器件,又分常规快速晶闸管（400Hz）和高频晶闸管（10kHz）。开关时间以及du/dt 和di/dt 承受能力都有明显改善。普通晶闸管关断时间约在几百微秒，常规快速晶闸管为几十微秒，高频晶闸管为10s左右。快速晶闸管的缺点在于其电压和电流定额均较普通晶闸管低。由于工作频率较高，其开关损耗的发热效应不容忽视。,51,（2）逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor）,1.3.4 晶闸管的派生器件,将晶闸管反并联一只二极管制作在同一个管芯上的功率集成器件。,具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。仅应用于某些特殊场合，如电压型串联谐振逆变电路。,等效图,伏安特性,图形符号,52,（3）双向晶闸管（Bidirectional triode thyristor）,1.3.4 晶闸管的派生器件,可认为是由两只普通晶闸管反并联集成。也是三端元件，有两个主电极T1和T2，一个门极（控制极）G。,等效图,图形符号,在第象限和第III象限具有对称的伏安特性。因用于交流控制场合，故额定电流不用平均值而用有效值来标定。,伏安特性,53,（4）光控晶闸管（Light Triggered Thyristor）,1.3.4 晶闸管的派生器件,又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光信号照射触发导通的晶闸管。,光触发保证了主电路与控制电路之间的电气绝缘，并且可有效地避免电磁干扰的影响。应用于高压大功率的场合，如高压直流输电。,图形符号,54,典型全控器件介绍,1.4 门极可关断晶闸管1.5 电力晶体管1.6 功率场效应晶体管1.7 绝缘栅双极晶体管,55,1.4 门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管(GTO)简介 GTO的结构与工作原理1.4.3 GTO的主要参数1.4.4 GTO的优缺点,56,门极可关断晶闸管(GTO)简介,英文名称：Gate-Turn-Off Thyristor简 称：GTO实际上是晶闸管的一种派生器件在门极施加正的脉冲电流可以使其开通，在门极施加负的脉冲电流可以使其关断（即：门极可关断）。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，因此在兆瓦级以上的大功率场合应用较多。,57,GTO的结构与工作原理,（1）GTO的结构,与普通晶闸管的相同点：同为P-N-P-N四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元化的功率集成器件，其内部可看成由多个小晶闸管并联而成。这些小晶闸管阳极共用，而门极和阴极独立，单独引线后在器件内部并联再引出。（见下页图）,58,GTO的结构与工作原理,（1）GTO的结构,各单元的阴极、门极间隔排列的图形,并联单元结构断面示意图,图形符号,59,GTO的结构与工作原理,（2）GTO的工作原理,与普通晶闸管一样，GTO仍可用双晶体管模型来分析。,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型 b)工作原理,1+2=1 是器件的临界导通条件1+2 1，饱和导通1+2 1，关断 GTO属于电流控制型器件门极电流为正器件导通门极电流为负器件关断,60,1.4.3 GTO的主要参数,GTO的许多参数与普通晶闸管相应的参数有着相同的含义，以下仅介绍意义不同的主要参数：（1）最大可关断阳极电流IATO 又称可关断阳极峰值电流，为GTO的额定电流。（2）电流关断增益off 指最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值之比。,即：,61,1.4.4 GTO的优缺点,优点：耐压及通流能力强，适于大功率场合。缺点：off一般较小，仅约为45，结果使门极关断负脉冲电流较大。例如一只额定电流为1000A的GTO，关断时所需门极负脉冲电流峰值需要达到200A 左右。驱动功率大，驱动电路复杂。开关频率相对较低，一般低于2kHz，但高于普通晶闸管（普通晶闸管的开关频率一般低于400Hz）。需要指出：GTO根据其应用一般都做成逆导型，若需要GTO承受反向电压，使用时应与电力二极管串联使用。,62,1.5 电力晶体管,电力晶体管（GTR）简介 GTR的结构与工作原理1.5.3 GTR的主要参数1.5.4 GTR的优缺点1.5.5 GTR的二次击穿与安全工作区,63,英文名称：Giant Transistor直 译：巨型晶体管简 称：GTR本质上为：高耐压大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor）故又简称：BJT,电力晶体管（GTR）简介,64,GTR的结构与工作原理,GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号 c)共射极接法内部载流子的流动,（1）GTR的结构,65,GTR的结构与工作原理,与普通的双极结型晶体管工作原理基本一样。属于电流控制型器件。主要特点是耐压高、电流大、开关特性好。仅工作在晶体管伏安特性的饱和区或截止区，即工作在开关状态。,为提高电流放大倍数，增强控制能力，内部通常至少由两个晶体管采用达林顿接法组成单元结构。,（2）GTR的工作原理,66,1.5.3 GTR的主要参数,GTR上电压超过规定值时将会被击穿。击穿电压一方面和晶体管本身特性有关，另一方面还与外电路的接法有关。,BUCBO BUCEO BUCES BUCER BUCEX,BUCBO BUCEX BUCES BUCER BUCEO。实际使用时最高工作电压UCEM比BUCEO还要低。,（1）最高工作电压（额定电压）,67,1.5.3 GTR的主要参数,（2）集电极最大允许电流 ICM（额定电流）,通常规定为直流电流放大系数hFE（或称为）下降到规定值的（1/21/3）时所对应的IC值。实际使用时还要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一点。,（3）集电极最大耗散功率 PCM,指最高工作温度下允许的耗散功率。因耗散功率等于集电极电流与饱和导通压降的乘积，当最大耗散功率及饱和压降一定时，也就确定了集电极最大允许电流。,68,1.5.4 GTR的优缺点,为电流控制型器件，驱动功率大，驱动电路复杂。开关频率相对较低，一般低于100kHz，但高于GTO（一般低于2kHz）和普通晶闸管（一般低于400Hz）。存在二次击穿现象，一旦发生将使器件永久损坏。,（1）优点,耐压高，通流能力强，适于大功率场合。开关特性好，饱和压降低。,（2）缺点,69,1.5.5 GTR的二次击穿与安全工作区,（1）一次击穿,集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大出现的雪崩击穿称为一次击穿。此时只要集电极电流不超过与最大允许耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会明显改变。,（2）二次击穿,一次击穿发生后，集电极电流增加达到一定程度后会突然急剧上升，电压陡然下降，出现负阻效应，这一现象称为二次击穿。二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。,70,1.5.5 GTR的二次击穿与安全工作区,（3）安全工作区（Safe Operating AreaSOA）,由集电极最大电流 ICM、最高工作电压UCEM、集电极最大耗散功率 PCM 线和二次击穿临界线四者限定。器件生产厂家应以图形方式向用户提供GTR的安全工作区。,GTR正向偏置的安全工作区,集电极最大电流,最高工作电压,集电极最大耗散功率线,二次击穿临界线,71,1.6 功率场效应晶体管,功率场效应晶体管（MOSFET）简介 功率MOSFET的结构与工作原理 功率MOSFET的特性 功率MOSFET的主要参数1.6.5 功率MOSFET的优缺点,72,功率场效应晶体管（MOSFET）简介,场效应管（Field Effect Transistor）分为结型和绝缘栅型。功率场效应管通常主要指绝缘栅型中的金属氧化物半导体型（Metal Oxide Semiconductor）。简称功率MOSFET（Power MOSFET）功率MOSFET又分N沟道和P沟道两种类型。其中每一类型又分增强型与耗尽型。功率MOSFET主要为N沟道增强型。为单极型电压控制器件，且具有自关断能力。,73,功率MOSFET的结构与工作原理,（1）功率M0SFET的结构,功率MOSFET的结构和电气图形符号,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，不同生产厂家采用的设计不同。为三端元件：分别为栅极G、漏极D和源极S。,74,功率MOSFET的结构与工作原理,导通：漏极与源极之间加正向电压，栅极与源极之间加正电压UGS，当UGS大于开启电压UT 时，漏极与源极之间导通。截止：漏极与源极之间加正向电压，栅极与源极之间电压为零时，漏极与源极之间无电流流过，此时处于截止状态。,（2）功率M0SFET的工作原理,75,功率MOSFET的特性,转移特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为转移特性。当ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导gm。,（1）静态特性,功率MOSFET的转移特性,76,功率MOSFET的特性,输出特性在栅源间电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压间的关系称为输出特性。管子工作在开关状态，即在截止区和非饱和区（线性导电区）之间来回跳转。,（1）静态特性,功率MOSFET的输出特性,77,功率MOSFET的特性,MOSFET开关速度与输入电容Ciss充放电有很大关系。输入电容又与极间分布电容有关，由产品手册提供。为提高开关速度，可降低驱动电路的内阻Rs以减小时间常数。虽然导通与截至要跨越饱和区，使漏极电流增加或减少需要延时，但其开关速度在目前主要电力电子器件中是最高的，约在10100ns之间，其工作频率可达100kHz以上。场控器件静态时输入电流几乎为零，但在开关过程中需对输入电容进行充放电，因此仍需一定的驱动功率，而且开关频率越高，所需要的驱动功率相应增大。,（2）动态特性,78,功率MOSFET的主要参数,（1）漏源击穿电压 UBDS：功率MOSFET的电压定额。（2）栅源击穿电压 UBGS：UGS20V导致绝缘层击穿。存放：三端短接；取用：手环接地；焊接：烙铁可靠接地或短时断电利用余热。（3）漏极连续电流 ID 和漏极峰值电流幅值 IDM 功率MOSFET的电流定额，一般 IDM=(24)ID。（4）极间电容：决定了器件的开关速度。（5）正向通态电阻：决定了器件的通态损耗。（6）最大功耗：与管壳温度有关。,79,1.6.5 功率MOSFET的优缺点,耐压低，通流能力弱。仅适于功率不超过10kW的电力电子装置。,（1）优点,（2）缺点,输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单。开关速度快，工作频率高，达100kHz以上。不存在二次击穿问题。,80,1.7 绝缘栅双极晶体管,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介 IGBT的结构与工作原理 IGBT的主要参数 IGBT的特殊问题,81,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,绝缘栅双极晶体管的缩写来历（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）GTR的优点是：耐压高，通流能力强，饱和压降低。MOSFET的优点是：输入阻抗高，驱动功率小，开关速度快。IGBT结合了GTR与MOSFET二者的优点复合而成。相当于利用MOSFET来驱动GTR。显然属于电压控型自关断器件。1986年投放市场，目前是中小功率电力电子设备的主导器件。,82,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,塑料封装适用于小功率器件。小功率的晶闸管、MOSFET等往往也采用此种封装形式。,83,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,模块上面的螺丝用于固定主回路接线,模块右侧的焊片为控制极,84,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,侧面是模块的型号、生产厂家及其内部的接线图,注意此模块为逆导型,85,1.7.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）简介,模块使用时，金属底面（一般材质为导热性能好的铜）要与散热器紧密接触，将元件工作时内部产生的热量有效导出。,86,IGBT的结构与工作原理,（1）IGBT的结构,IGBT为三端器件：栅极G、集电极C和发射极E。其内部是由GTR与MOSFET组成的达林顿结构。是一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。,IGBT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,87,IGBT的结构与工作原理,导通：栅极和发射极间uGE大于开启电压UT，IGBT导通。开启电压与温度有关，在25C时约为26V。为了可靠开通，栅射极间的驱动电压一般取+15+20V。关断：栅极和发射极间施加反压或不加信号，IGBT关断。为可靠关断，并减少关断时间和关断损耗，关断时栅射极间一般施加5 15V的负驱动电压。,（2）IGBT的工作原理,88,IGBT的主要参数,（1）集射极击穿电压UCES 为IGBT的最高工作电压，由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。（2）最大栅射极电压 一般20V，以15V左右为宜。（3）集电极连续电流和峰值电流 为IGBT的额定电流，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。通常峰值电流为额定直流电流的2倍左右，主要受结温的制约。（4）最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大耗散功率。,89,IGBT的特殊问题,（1）掣住效应（自锁效应）撤销触发信号后器件仍维持导通。（2）正向偏置安全工作区（FBSOA）由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。（3）反向偏置安全工作区（RBSOA）由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。（4）制成逆导型器件 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起。,90,1.8 其他新型电力电子器件,1.8.1 静电感应晶体管（SIT）1.8.2 MOS控制晶闸管（MCT）1.8.3 集成门极换向型晶闸管（IGCT）1.8.4 电力电子器件的发展趋势,91,1.8.1 静电感应晶体管（SIT）,缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,SIT（Static Induction Transistor）又称结型场效应晶体管工作频率与电力MOSFET相当（甚至更高），功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。,92,1.8.2 MOS控制晶闸管（MCT）,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，开关过程快速，开关损耗小。高电压、大电流、高载流密度、低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT单元组成。每个单元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，因而未能投入实际应用。,93,1.8.3 集成门极换向型晶闸管（IGCT）,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，其容量与GTO相当，其开关速度比GTO快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。,94,1.8.4 电力电子器件的发展趋势,自20世纪80年代中后期开始，电力电子器件趋向于模块化方向发展，即将多个器件封装在一只模块中，称为功率模块。模块化可缩小装置体积，降低成本，提高运行可靠性。对工作频率较高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。,（1）基本概念,95,1.8.4 电力电子器件的发展趋势,高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。,（2）实际应用,96,1.8.4 电力电子器件的发展趋势,早期功率集成电路的研究与开发主要面向中小功率应用场合，目前大容量的功率集成电路的研发已成为热点。功率集成电路的主要技术难点是高低压电路之间的绝缘问题以及温升与散热的有效处理。智能功率模块（IPM）在一定程度上回避了上述两个难点，只是将保护、驱动与IGBT器件封装在一起。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口，具有广阔的应用前景。,（3）发展现状,97,补充内容：电力电子器件的保护,过电压的产生及其保护过电流的产生及其保护,98,过电压的产生及其保护,外因过电压：主要指雷击和系统操作过程等外界因素。雷击过电压：由雷电引起。操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。内因过电压：主要指电力电子装置内部器件的开关过程中，电流突变在线路电感上感应出的高电压。换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会因线路电感的存在在器件两端感应出过电压。关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。,（1）电力电子装置可能遇到的过电压,99,过电压的产生及其保护,（2）过电压保护措施的配置,F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路,电力电子装置可视具体情况采用其中的几种保护措施。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，又属于缓冲电路范畴。,100,过电压的产生及其保护,附图RC过电压抑制电路联结方式,在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路（又称为阻容吸收电路）最为常见。,101,过电流的产生及其保护,（1）过电流的产生 分过载和短路两种情况，均为故障状态。,（2）过电流保护措施的配置,102,过电流的产生及其保护,电子保护电路作为第一保护措施。快熔仅作为短路时的部分区段的保护。直流快速断路器整定在电子保护电路动作之后实现保护。过电流继电器整定在过载时动作。一般综合采用几种过电流保护措施，以提高其可靠性。,103,过电流的产生及其保护,快熔对器件的保护方式又分全保护和短路保护两种。全保护：过载、短路均由快速熔断器进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快速熔断器只在短路电流较大的区段起到保护作用。,104,过电流的产生及其保护,对于重要且易发生短路的晶闸管设备或全控型器件，往往需采用电子保护电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，其响应速度最快。,105,本章参考书,