全控型电力半导体器.ppt

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1、1,第5章 全控型电力电子器件,2,典型全控型器件,.1 门极可关断晶闸管.2 电力晶体管.3 电力场效应晶体管.4 绝缘栅双极晶体管,3,典型全控型器件引言,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,4,典型全控型器件引言,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,5,.1 门极可关断晶闸管,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。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,门极

2、可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,6,.1 门极可关断晶闸管,结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN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是一种多元的功率集成器件。,图1 GTO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,7,.1 门极可关断晶闸管,工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。,图 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V

3、1、V2分别具有共基极电流增益1和2。,8,.1 门极可关断晶闸管,GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：,设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，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 晶闸管的工作原理,9,.1 门极可关断晶闸管,GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。,由上述分析我们可以得到以下结论：,10,.1 门极可关断

4、晶闸管,开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf 尾部时间tt 残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。,图4 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,11,.1 门极可关断晶闸管,GTO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

5、联。,许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。,12,.1 门极可关断晶闸管,（3）最大可关断阳极电流IATO,（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）,13,.2 电力晶体管,电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJ

6、T。应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,术语用法：,14,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。,.2 电力晶体管,1）GTR的结构和工作原理,图5 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)内部载流子的流动,15,.2 电力晶体管,在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为（1-9）GTR的电流放大系数，反映了基极电

7、流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic=ib+Iceo（1-10）单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。,1）GTR的结构和工作原理,16,.2 电力晶体管,(1)静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。,图6 共发射极接法时GTR的输出特性,2）GTR的基本特性,17,.2 电力晶体管,开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。关断过程储存时间ts和

8、下降时间tf，二者之和为关断时间toff。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。,图7 GTR的开通和关断过程电流波形,(2)动态特性,18,.2 电力晶体管,前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff(此外还有)：1)最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcbo BUcev BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,3）GTR的主要参数,19,.2 电力晶体管,通常规定为hFE下降

9、到规定值的1/21/3时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3)集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。,2)集电极最大允许电流IcM,20,.2 电力晶体管,一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。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（Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率P

10、cM、二次击穿临界线限定。,图8 GTR的安全工作区,GTR的二次击穿现象与安全工作区,21,.3 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static 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,22,.3 电力场效应晶体

11、管,电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道。耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。电力MOSFET主要是N沟道增强型。,1）电力MOSFET的结构和工作原理,23,.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET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9 电力MOSFET的结构和电气图形符号,24,.3 电力场效应晶体管,截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

12、导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。,图9 电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力MOSFET的工作原理,25,.3 电力场效应晶体管,(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。,图10 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,26,.3 电力场效应晶体管,截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应

13、GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,图11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：,27,.3 电力场效应晶体管,开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,a,）,b,),图12 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

14、，RL负载电阻，RF检测漏极电流,(2)动态特性,28,.3 电力场效应晶体管,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs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。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程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。,MOSFET的开关速度,29,.3 电力场效应晶体管,3)电力MOSFET的主要参数,电力MOSFET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

15、幅值IDM,电力MOSFET电流定额,(3)栅源电压UGS,UGS20V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,30,.4 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Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986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GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，通流能力很强

16、，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，所需驱动功率小而且驱动电路简单。,31,.4 绝缘栅双极晶体管,1)IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,图14 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,32,.4 绝缘栅双极晶体管,图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱

17、动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。,图15 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,IGBT的结构,33,.4 绝缘栅双极晶体管,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,IGBT的原理,34,a,),b,),.4 绝缘栅双极晶

18、体管,2)IGBT的基本特性(1)IGBT的静态特性,图16 IGBT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、有源区和饱和区。,35,.4 绝缘栅双极晶体管,图17 IGBT的开关过程,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)电流上升时间tr 开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,(2)IGBT的动态特性,36,.4 绝缘栅双极晶体管,图18

19、IGBT的开关过程,关断延迟时间td(off）电流下降时间 关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT器件内部的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。,IGBT的关断过程,37,.4 绝缘栅双极晶体管,3)IGBT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,38,.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的特性和参数特点可以总结如下：,开关速度高

20、，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。,39,.4 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

21、电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪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。,40,5.5 全控型电力电子器件器件的驱动,5.5.1 电力电子器件驱动电路概述5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,41,5.5.1 电力电子器件驱动电路概述,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的

22、基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。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。,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,42,5.5.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器,图19 光耦合器的类型及接法a)普通型 b)高速型 c)高传输比型,43,5.5.1 电力电子器件驱动电路概述,按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路

23、及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,分类,44,典型全控型器件的驱动电路,(1)GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。,图120推荐的GTO门极电压电流波形,1)电流驱动型器件的驱动电路,正的门极电流,5V的负偏压,GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。,45,典型全控型器件的驱动电路,直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,图121 典型的

24、直接耦合式GTO驱动电路,46,典型全控型器件的驱动电路,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,图22 理想的GTR基极驱动电流波形,(2)GTR,47,典型全控型器件的驱动电路,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。,图23GTR的一种驱动电路,驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,48,典型全控型器件的驱动电路,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器

25、件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。,2)电压驱动型器件的驱动电路,49,典型全控型器件的驱动电路,(1)电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分,图24电力MOSFET的一种驱动电路,专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。,5

26、0,典型全控型器件的驱动电路,(2)IGBT的驱动,图25M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,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）。,多采用专用的混合集成驱动器。,51,5.8 电力电子器件器件的保护,5.8.1 过电压的产生及过电压保护5.8.2 过电流保护5.8.3 缓冲电路,52,5.8.1 过电压的产生及过电压保护,外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关

27、过程换相过电压：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，会由线路电感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。,电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压,53,5.8.1 过电压的产生及过电压保护,过电压保护措施,图26过电压抑制措施及配置位置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

28、子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。,54,5.8.2 过电流保护,过电流过载和短路两种情况保护措施,同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子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电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。,图27过电流保护措施及配置位置,55,5.8.2 过电流保护,全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行

29、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，响应最快。,快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种,56,缓冲电路,关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。,缓冲电路(Snubber Circuit)：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。,57,缓冲电路,缓冲电路作用分析无缓冲电路：有缓冲电路：,图29di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路 b)波形,图1-39关断时的负载线,58,缓冲电路,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,图30di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路,其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。,图31另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路放电阻止型RCD吸收电路,