电力电子器件及共性问题.ppt

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1、1,全控型器件及应用的共性问题,2&9.1 典型全控型器件2&9.2 电力电子器件应用的共性问题2&9.3 本章小结,2,2&9.1 典型全控型器件,引言,20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。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。,3,2&9.1 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,*GTO是晶闸管的一种派生器件；四层结构，等效模型等*可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断

2、；属于全控 型器件；*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。,主要特点,*不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受 反压时，应和电力二极管串联。,4,2&9.1 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,GTO的关断机理：,主要就是利用门极负电流分流Ic1，并快速抽取V2管发射结两侧存储的大量载流子，以实现快速关断。,双晶体管等效模型,工艺改进,5,2&9.1 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,在工艺结构上比SCR有改进：,

3、*等效晶体管的电流放大倍数减小，经正反馈导通后接近临 界饱和状态，有利于减小关断时间和提高开关频率；但提 高通态压降、增加通态损耗。,*采用多GTO单元并联集成结构，门极和阴极间隔排列，使 P2基区载流子均匀快速地从门极抽出，也不易造成局部 过热，di/dt耐量增大。,6,2&9.1 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,7,2&9.1 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,GTO的动态特性：,门极电流可撤除,强负脉冲,8,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor

4、 GTO）,与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr；开通时iG加一个大幅度正向脉冲，触发导通后门极电流可撤除。,开通过程：,关断过程：,与普通晶闸管不同，从iG负脉冲开始分成三个时间段：,储存时间ts：抽取饱和导通时储存的大量载流子，使等效晶 体管退出饱和。,下降时间tf：等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐 渐减小。,尾部时间tt：残存载流子复合所用时间。,9,2&9.1 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,GTO的主要参数,关断时间toff,开通时间ton,开通时间：ton=td+tr,关断时间：toff=ts+tf,

5、较短，约数s,比开通时间长许多,3)最大可关断阳极电流IATO,GTO额定电流。,手册可查,10,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。,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。,2&9.1 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,比如：一个额定电流为1000A的GTO，关断时门极负脉冲电流 峰值要200A，这是一个相当大的数值。,11,2&9.1 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,GTO的主要优缺点：,优点：,在全控型器

6、件中，电压电流容量最大（比SCR略小），开关速度比SCR高的多。,缺点：,关断电流增益小，门极负脉冲电流大，驱动较困难，通态压降较大。,12,2&9.1 典型全控型器件,电力晶体管（Giant TransistorGTR）,GTR是耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），电流驱动型全控型器件。,GTR的结构,13,GTR的主要特点,*主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。,*采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，电流 放大系数 较高。,*与普通BJT相比，多一个N-漂移区（低掺杂N区），耐压高。,单管GTR的 值比小功率的晶体

7、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。比如：两级复合达林顿管的电流放大系数=1 2,*在应用中，GTR一般采用共发射极接法。,*达林顿复合使饱和导通压降升高，使GTR的通态损耗增加。,例如：二重复合GTR的导通压降：,单管临界饱和压降约为 0.71.0V，则二重复合GTR的大致为1.42V,三重复合可达到23V。,14,GTR的主要应用-GTR模块,2&9.1 典型全控型器件,电力晶体管（Giant TransistorGTR）,目的：改善GTR性能，方便使用以及提高可靠性。,绝缘处理,续流,提高关断速度,快恢复电力二极管,泄露电阻,15,GTR的基本特性-静态特性,2&

8、9.1 典型全控型器件,电力晶体管（Giant TransistorGTR）,GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区，放大区过渡。,16,GTR的基本特性-动态特性,2&9.1 典型全控型器件,电力晶体管（Giant TransistorGTR）,门极电流不可撤除直至关断,比GTO小,驱动GTR在临界饱和，提高关断速度，但导通压降增大。,开关速度比GTO、SCR快；电压电流容量比GTO小。,17,GTR的主要参数,2&9.1 典型全控型器件,电力晶体管（Giant TransistorGTR）,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

9、外电路接法有关。,BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo,实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。,0-开路；x-反向偏置；s-短路；r-接电阻,18,GTR的主要参数,2&9.1 典型全控型器件,电力晶体管（Giant TransistorGTR）,2)集电极最大允许电流IcM,通常规定为下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic,实际使用时，只能用到IcM的一半左右的裕量。,GTR的电流耐冲击能力远不如SCR和GTO。,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。也就是说允许功耗与散热条件有关。,19,2&9.1 典型全控型器件,电力晶体

10、管（Giant TransistorGTR）,GTR的二次击穿现象与安全工作区,一次击穿:,二次击穿:,集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿；,只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。,一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。,GTR内部出现电流集中点局部发热，器件永久损坏，但管壳温度不明显。,20,2&9.1 典型全控型器件,电力晶体管（Giant TransistorGTR）,21,2&9.1 典型全控型器件,电力晶体管（Giant TransistorGTR）,安全工作区（Safe Operating AreaSOA）,

11、二次击穿功率,集电极最大耗散功率,22,2&9.1 典型全控型器件,电力场效应晶体管（Power MOSFET）,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FET）通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,引言,电力MOSFET主要是指N沟道增强型,23,2&9.1 典型全控型器件,电力场效应晶体管（Power MOSFET）,工艺结构特点：,*只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型器件。,*电力MOSFET也是多元集成结构。,*采用垂直导

12、电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。,*按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的 VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。,请自学工作特性,24,2&9.1 典型全控型器件,电力场效应晶体管（Power MOSFET）,1）符号上对照（NPN和N沟道）,相似之处,2）控制信号(基极和栅极，公共端),3）电流流向（ce和ds）,不同之处,1）电流驱动和电压驱动器件之分,2）从使用角度分析压控方式过程,加正向电压 UGS=V

13、T=6V 开启电压 导通加反向电压 快速关断,b,e,c,控制方式,25,2&9.1 典型全控型器件,电力场效应晶体管（Power MOSFET）,VMOSFET开关速度最高的根本原因：,影响开关速度的主要因素：,开关时间主要决定于栅极输入电容Cin的充放电快慢，应尽可能减小栅极回路内阻 的值，从而减小时间常数,从机理上属于单极型（多子）导电器件，主要是通过电场感应控制反型层沟道宽度，从而实现导电。,不存在正偏PN结所固有的载流子存储效应（失去了电导调制效应），也不存在少子复合问题，这是根本原因。,26,2&9.1 典型全控型器件,电力场效应晶体管（Power MOSFET）,VMOSFET的

14、优缺点：,*优点：,*缺点：,电压电流容量最小（全控）；通态压降较大，即ID增大，则压降随之增大（因无正向PN结的电导调制效应）,开关频率最高；驱动电流小，易驱动，通态电阻具有正温度系数（有利于器件并联均流）。,GS 阻抗高，容易积累较多电荷，形成强内部电场，一般在不用时将GS之间短接，以防静电击穿。,27,2&9.1 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）,*GTR的特点,双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，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

15、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。,IGBT 是将GTR和MOSFET取长补短结合而成的复合器件，具有好的特性，已是市面上的主导器件。,28,2&9.1 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）,*IGBT的符号及控制方式,压控器件，通断由栅射极电压UGE决定。,导通：UGEUGE(th)时，MOSFET内形成沟道;为晶体管提供基极电流，IGBT导通。,导通压降：电导调制效应使电阻RN减小,使通态压降小。,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

16、切断，IGBT关断。,29,2&9.1 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）,*IGBT的主要特点,*开关速度高，开关损耗小;,*开关频率略低于MOSFET;,*电压电流容量大，高于GTR;,*驱动电流小，驱动电路简单;,其它新型器件自学,30,总 结,电压驱动型：特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简 单，工作频率高。电流驱动型：特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗 小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路 较复杂。,31,当前的格局:电压电流额定值由高到低:SCR、GTO、IGBT、G

17、TR、P-MOSFET。工作频率由高到低：P-MOSFET、IGBT、GTR、GTO、SCR。,总 结,32,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,驱动电路主电路与控制电路之间的接口。可使电力电子器件工作在较理想的开关状态；在驱动电路中设置对器件或整个装置的一些保护措施。,驱动电路的基本任务:,*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。（半控型器件、全控型器件）,*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。,1、引言,33,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的

18、驱动电路,光隔离-一般采用光电耦合器。,磁隔离-通常采用脉冲变压器，多用于晶闸管触发电路中。,34,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,2、晶闸管触发电路,作用：产生门极触发脉冲，保证SCR需要时由阻断转为导通。,限流电阻,*V1、V2导通时,*V2关断时,UVD3=UGK,产生输出脉冲,防止负脉冲和干扰,35,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,3.电流驱动型器件的驱动电路,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。,*GTO驱动电路-大容量电路的场合,直接耦合式驱动电路可避免电路内部的

19、相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,36,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,*GTO直接耦合式驱动电路,37,二极管VD1和电容C1提供+5V电压 VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压 VD4和电容C4提供-15V电压,典型的直接耦合式GTO驱动电路：,V1 开通时，输出正强脉冲 V2 开通时输出正脉冲平顶部分 V2 关断而V3开通时输出负脉冲 V3 关断后R3和R4提供门极负偏压,38,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,*GTR驱动电路,3.电流驱动型器件的驱动电

20、路,开通驱动电流应使GTR处于临界饱和导通状态，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，关断后在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,构成贝克箝位电路，即抗饱和电路,39,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,*GTR驱动电路,电气隔离,晶体管放大电路,40,GTR的驱动电路分析：,*二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位抗饱和电路。,负载较轻时，V5发射极电流全注入V，会使V过饱和。当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc0。,*C2-加速开

21、通过程的电容，也有储能作用。,开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。,*关断驱动电路：由C2、V6、Vs、VD4、R5构成。,*V导通时，C2电容极性为左“+”右“-”。,*当V5截止、V6导通，C2先通过V6、V的发射结和VD4放电，使V截止；,*接着，VS 使C2 继续放电。VS上的电压使V的发射结反偏；,*C2还通过R5放电。（开通充电储能，关断释放能量）,41,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,4.电压驱动型器件的驱动电路,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。要求驱动电路具有较小的输出电阻，使Cin快速充电，快速

22、建立驱动电压。,栅源、栅射极间驱动电压一般取15V左右，关断时，施加-10V左右的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。,在栅极串入一只数欧至数十欧电阻，可以减小寄生振荡。电阻阻值随驱动器件电流增大而减小。,42,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大两部分,V2，V3互补功放,高速放大器输入高电平，,高速放大器输入低电平，,UGS=+15V,UGS=-10V,双向限幅保护,43,IGBT的驱动电路-多采用专用的混合集成驱动器(过流保护),2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的驱动电路,IGBT,

23、44,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的保护,1.过电压的产生及过压保护,外因过电压：主要来自电力系统的开关操作（如分、合闸等）、电网波动、闪变、电网谐波污染以及雷击等引起的 浪涌尖峰。这些影响会由供电变压器电磁感应，或 经变压器绕组分布电容静电感应耦合到PE装置中。,内因过电压：是指在PE装置内部、电力电子器件控制换流的开关 过程中，由于电流发生突变会因线路电感而在器件 两端产生的过电压。,45,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的保护,外因过电压抑制措施:1)RC过电压抑制电路最为常见。,RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力

24、电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。,46,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的保护,外因过电压抑制措施:2)整流式RC阻容吸收电路。,常用于大容量电力电子装置中。,47,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的保护,2.过电流保护-过载和短路,过电流保护的方式主要有：,*快速熔断器、直流快速断路器或者过流继电器。,*电子电路保护,1）对电动机起动的冲击电流或过载等变化较慢的过电流，可 以利用控制系统本身调节器对电机电流进行限制。,2）设置专门的过电流保护电子电路，利用电流互感器、霍尔电 流传感器或者取样电阻来检测电流，当电流超过一定门限 时，驱使网侧

25、断路器分断，或通过电子保护电路去控制触发 电路、驱动电路或直接关断主电路器件。,3）专门的电子热保护实现过载保护。,48,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的保护,3.缓冲电路(Snubber),作用：防止PE系统内因过电压尖峰，保护器件，减小开关损耗。,1)关断缓冲电路(RCD)-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。,2)开通缓冲电路(LRD)-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。,*充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,*电路中使用中大功率无感电阻、高压无感电容、快恢复

26、高压二极管。,49,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的保护,RCD缓冲电路作用分析:,无缓冲电路：,V开通时电流迅速上升，di/dt 很大,关断时du/dt 很大，并出现很高的过电压。,有缓冲电路：,V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢。,V关断时：负载电流通过VDs向Cs充电，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。,*减缓du/dt；*吸收尖峰；*充电分流使V电流减小,50,2&9.2 电力电子器件应用的共性问题,电力电子器件的保护,4.RC简单吸收电路,主要用于小容量全控器件和中大容量SCR、二极管和继电器线圈。SCR正反向均有阻断作用，不宜采用RCD吸收。,IGBT,SCR,51,2&9.3 本章小结,主要内容：全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。集中讨论电力电子器件的驱动、保护等共性问题。,电力电子器件类型归纳 单极型：电力MOSFET 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR 复合型：IGBT,52,作业,P42 6,8,P206 2,3,4,5,