1、電力半導體器件第1頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四電力電子器件的基本模型定義：電力電子電路中能實現電能的變換和控制的半導體電子器件稱為電力電子器件（Power Electronic Device）。在對電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽象成下圖所示的理想開關模型，它有三個電極，其中A和B代表開關的兩個主電極，K是控制開關通斷的控制極。它只工作在“通態”和“斷態”兩種情況，在通態時其電阻為零，斷態時其電阻無窮大。第2頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四電力電子器件的基本特性（1）電力電子器件一般都工作在開關狀態。（2）電力電子器件的開關狀態

2、由（驅動電路）外電路來控制。（3）在工作中器件的功率損耗（通態、斷態、開關損耗）很大。為保證不至因損耗散發的熱量導致器件溫度過高而損壞，在其工作時一般都要安裝散熱器。注：很重要，一定記住。第3頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四電力電子器件的分類按器件的開關控制特性可以分為以下三類： 不可控器件：器件本身沒有導通、關斷控制功能，而需要根據電路條件決定其導通、關斷狀態的器件稱為不可控器件。 如：電力二極管（Power Diode）；半控型器件：通過控制信號只能控制其導通，不能控制其關斷的電力電子器件稱為半控型器件。 如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等；全控

3、型器件：通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷的器件，稱為全控型器件。 如：門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率場效應管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型 晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。 第4頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四電力電子器件的分類前面已經將電力電子器件分為不可控型、半控型和全控型。按控制信號的性質不同又可分為兩種： 電流控制型器件： 此類器件采用電流信號來實現導通或關斷控制。如：晶閘管、門極可關斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等； 電壓控制半導體器件： 這類器

4、件采用電壓控制（場控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號，用小功率信號就可驅動它工作。如：代表性器件為MOSFET管和IGBT管。第5頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四功率二極管 功率二極管（Power Diode）也稱為半導體整流器（Semiconductor Rectifier，簡稱SR），屬不可控電力電子器件，是20世紀最早獲得應用的電力電子器件。在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合發揮著積極的作用, 具有不可替代的地位。 基本結構和工作、原理與信息電子電路中的二極管一樣。 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。第6頁，共96頁，2022

5、年，5月20日，17點43分，星期四功率二極管 a）結構 b）外形 c）電氣圖形伏安特性曲線第7頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四功率二極管的開關特性 （1）關斷特性：電力二極管由正向偏置的通態轉換為反向偏置的斷態過程。 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。 在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。 反向恢復時間：trr= td+ tf（2）開通特性： 電力二極管由零偏置轉換為正向偏置的通態過程。電力二極管的正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值（如 2V）。這一動態過程時間被稱為正向恢復時間tf

6、r。第8頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四功率二極管的主要參數 （1）額定正向平均電流IF(AV)：在指定的管殼溫（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。 （2）反向重復峰值電壓RRM：指器件能重復施加的反向最高峰值電壓（額定電壓），此電壓通常為擊穿電壓U的2/3。（3） 正向壓降F：指規定條件下，流過穩定的額定電流時，器件兩端的正向平均電壓(又稱管壓降)。（4） 反向漏電流RR： 指器件對應于反向重復峰值電壓時的反向電流。最高工作結溫jM：指器件中結不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。jM通常在125175范圍內。第9頁，

7、共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四功率二極管的主要類型 （1）普通二極管：普通二極管又稱整流管（Rectifier Diode），多用于開關頻率在KHZ以下的整流電路中，其反向恢復時間在us以上，額定電流達數千安，額定電壓達數千伏以上。 （2）快恢復二極管：反向恢復時間在us以下的稱為快恢復二極管（Fast Recovery Diode簡稱FDR）。快恢復二極管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復二極管。前者反向恢復時間為數百納秒以上，后者則在100ns以下，其容量可達1200V/200A的水平, 多用于高頻整流和逆變電路中。 （3）肖特基二極管：肖特基二極管是一種金屬同半導

8、體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導通壓降的典型值為0.40.6V，而且它的反向恢復時間短，為幾十納秒。但反向耐壓在200以下。它常被用于高頻低壓開關電路或高頻低壓整流電路中。第10頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管 晶閘管(Thyristor)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導晶閘管(RCT) 、可關斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。 普通晶閘管面世早，應用極為廣泛, 在無特別說明的情況下,本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。 普通晶閘管：也稱可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier),

9、 簡稱SCR。 它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產水平：4500A/8000V)已被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域, 成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。第11頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的外形、結構和符號 (a) 外形； (b) 結構； (c) 圖形符號第12頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的工作原理 IA=Ic1+Ic2+ICO= 1 IA + 2 IK +ICO （2-1） IK=IA+IG （2-2）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICO是流過J2結

10、的反向漏電流。由以上兩式可得 （2-3）第13頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的阻斷狀態與正向轉折 阻斷狀態：IG=0，1+2很小。正向陽極電壓uAK在一定范圍內可視為IA=IK=IC0。 正向轉折：若增大uAK電流IC0隨之增加，導致1、2上升。當（ 1+2 ）1時，IA急劇上升，晶閘管由阻斷狀態轉為正向導通狀態，稱為正向轉折。 晶閘管發生正向轉折后，陽極電流IA決定于外電路參數，屬于失控狀態，應于避免。 反向陽極電壓uAK在一定范圍內時，晶閘管處于反向阻斷狀態。反向陽極電壓超限會導致晶閘管反向擊穿，造成永久損壞。第14頁，共96頁，2022年，5月20日，1

11、7點43分，星期四晶閘管的門極開通原理 晶閘管陽極施加正向電壓時, 若給門極G也加正向電壓UG,門極電流IG經三極管V2放大后成為集電極電流IC2， IC2又是三極管V1的基極電流, 放大后的集電極電流IC1進一步使IG增大且又作為V2的基極電流流入。重復上述正反饋過程，兩個三極管V1 、 V2都快速進入飽和狀態,使晶閘管陽極A與陰極K之間導通。此時若撤除UG, V1 、 V2內部電流仍維持原來的方向,只要滿足陽極正偏的條件,晶閘管就一直導通。第15頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的關斷 在晶閘管導通之后，它的導通狀態完全依靠管子本身的正反饋作用來維持， 即使控

12、制極電流消失，晶閘管仍將處于導通狀態。因此， 控制極的作用僅是觸發晶閘管使其導通，導通之后，控制極就失去了控制作用。 要想關斷晶閘管， 最根本的方法就是必須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，也就是將晶閘管的陽極電流減小到小于維持電流。 可采用的方法有： 將陽極電源斷開； 改變晶閘管的陽極電壓的方向， 即在陽極和陰極間加反向電壓。第16頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四幾點結論（非常重要） 1.晶閘管具有單向導電和可控開通的開關特性。 2.晶閘管由阻斷狀態轉為導通狀態時，應具備兩個條件：從主電路看，晶閘管應承受正向陽極電壓；從控制回路看，應有符合要求的正向門極電流

13、。 3.晶閘管導通后，只要具備維持導通的主回路條件，晶閘管就維持導通狀態，門極便失去控制作用，其陽極電流由外電路決定。 4.欲使晶閘管關斷，必須從主電路采取措施，使晶閘管陽極電流下降至維持電流之下，通常還要施加一定時間的反向陽極電壓。第17頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的陽極伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性IG2IG1IG第18頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通

14、。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態。IH稱為維持電流。第19頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導致晶閘管發熱損壞。第20頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管

15、的動態特性第21頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的開通過程延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩態值的10%的時間。上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩態值的90%所需的時間。開通時間tgt以上兩者之和，tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時為0.51.5s，上升時間為0.53s。第22頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的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在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向

16、電壓，晶閘管會重新正向導通。實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。第23頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的電壓額定參數1）正向重復峰值電壓UDRM : 門極斷開(Ig=0), 元件處在額定結溫時,正向陽極電壓為正向阻斷不重復峰值電壓UDSM (此電壓不可連續施加)的80%所對應的電壓(此電壓可重復施加,其重復頻率為50HZ，每次持續時間不大于10ms)。2）反向重復峰值電壓URRM : 元件承受反向電壓

17、時,陽極電壓為反向不重復峰值電壓URRM的80%所對應的電壓。 3）晶閘管銘牌標注的額定電壓Ue通常取UDRM與URRM中的最小值, 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23倍。 即 Ue=（23）UM （2-7） UM為晶閘管實際承受的最大重復電壓。第24頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的電流額定參數1）維持電流：在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態電流降至剛好能保持導通的最小陽極電流為維持電流H 。2）掣住電流L ：給晶閘管門極加上觸發電壓，當元件剛從阻斷狀態轉為導通狀態就撤除觸發電壓，此時元件維持導通所需要的最小陽

18、極電流稱掣住電流L。對同一晶閘管來說，掣住電流L 要比維持電流H 大24倍。第25頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的電流額定參數3）通態平均電流額定電流ITa 在環境溫度為40和規定的冷卻條件下, 晶閘管在電阻性負載導通角不小于170的單相工頻正弦半波電路中, 當結溫穩定且不超過額定結溫時所允許的最大通態平均電流。在選用晶閘管額定電流時，根據實際最大的電流計算后至少還要乘以1.52的安全系數，使其有一定的電流裕量。第26頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的電流額定參數4）通態平均電流額定電流ITa的計算方法 根據平均值、有效值的定義

19、對正弦半波電流有如下關系：從上兩式有：I=1.57ITa (2-10)晶閘管電流定額可按下式選擇，IVT為晶閘管實際通過電流的有效值。 （2-11）第27頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的動態參數通態電流臨界上升率 di/dt定義：晶閘管能承受而沒有損害影響的最大通態電流上升率稱通態電流臨界上升率 di/dt。影響：門極流入觸發電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區域內導通，隨著時間的推移，導通區才逐漸擴大到PN結的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會導致門極附近的結因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。第28頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分

20、，星期四晶閘管的動態參數斷態電壓臨界上升率du/dt定義：把在規定條件下，不導致晶閘管直接從斷態轉換到通態的最大陽極電壓上升率，稱為斷態電壓臨界上升率du/dt。 影響：晶閘管的結面在阻斷狀態下相當于一個電容，若突然加一正向陽極電壓，便會有一個充電電流流過結面，該充電電流流經靠近陰極的結時，產生相當于觸發電流的作用，如果這個電流過大，將會使元件誤觸發導通。第29頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的型號第30頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的主要派生器件1. 快速晶閘管(Fast Switching ThyristorFST可允許開關

21、頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(Fast Switching Thyrister，簡稱FST)，開關頻率在10KHZ 以上的稱為高頻晶閘管。 快速晶閘管為了提高開關速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復峰值電壓較低，一般在2000V以下。 快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時必須注意產品銘牌上規定的額定開關頻率下的du/dt，當開關頻率升高時，du/dt 耐量會下降。第31頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的主要派生器件2.逆導晶閘管 (RCT)將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 與普通晶閘管相比，逆導晶

22、閘管具有正壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點； 根據逆導晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；因此只能適用于反向不需承受電壓的場合； 逆導晶閘管存在著晶閘管區和整流管區之間的隔離區； 逆導晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示。a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性第32頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四晶閘管的主要派生器件3.雙向晶閘管(TRIAC)可認為是一對反并聯聯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導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性。與一對反并聯晶閘管相比是經濟的，且控制電路

23、簡單，在交流調壓電路、固態繼電器（SSR）和交流電機調速等領域應用多。 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。a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性第33頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四可關斷晶閘管結構與符號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。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在一起。第34頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四可關斷晶閘管的開通過程與普通晶閘管類似，需經過延遲時間td和

24、上升時間tr。第35頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四可關斷晶閘管的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退至放大區，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 。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。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。門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當負電壓，則可縮短尾部時間 。第36頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四可關斷晶閘管的開關損耗GTO在通態和斷態時損耗較小，在開通和關斷的動態過程

25、中損耗較大。在開通過程中，最大瞬時損耗功率出現在上升時間tr內，在不超過門極平均耗散功率的前提下，提高門極電流脈沖的幅值、寬度和前沿陡度可縮短開通時間，降低開通損耗。在關斷過程中，出現兩次峰值損耗功率。一次在下降時間tf內，一次在尾部時間tt內。提高門極關斷電流脈沖的幅值和前沿陡度，盡可能使負電壓脈沖后沿衰減緩慢，盡量減小主電路電感，合理設置吸收電路，可降低關斷損耗。第37頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTO的主要技術參數1.斷態不重復峰值電壓Udsm。使用只絕對不允許超過。2.可關斷峰值電流ITGQM。它是GTO的額定電流。3.維持電流IH。導通狀態下的GTO陽極

26、電流減小至開始出現部分GTO元不能再維持導通狀態的陽極電流值。4.掣住電流IL。GTO經門極觸發后，陽極電流上升到能夠保持所有GTO元導通的最低值。第38頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTO的主要技術參數5.開通時間tgt 。延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態陽極電流值的增大而增大。6.關斷時間tq。一般指儲存時間和下降時間之和，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。7.電流關斷增益off。最大可關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。 off一般很小，只有5左右，這是GTO的

27、一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 第39頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTO的吸收電路設置吸收（緩沖）電路的目的是： (1) 減輕GTO在開關過程中的功耗。為了降低開通時的功耗，必須抑制GTO開通時陽極電流上升率。GTO關斷時會出現擠流現象，即局部地區因電流密度過高導致瞬時溫度過高， 甚至使GTO無法關斷。為此必須在管子關斷時抑制電壓上升率。 (2) 抑制靜態電壓上升率，過高的電壓上升率會使GTO因位移電流產生誤導通。下圖 為GTO的阻容吸收電路，其電路形式和工作原理與普通晶閘管電路基本相似。圖（a）只能用于小電流電路；圖（b）

28、與圖（c）是較大容量GTO電路中常見的緩沖器，其二極管盡量選用快速型、接線短的二極管， 這將使緩沖器阻容效果更顯著。 第40頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTO的吸收電路第41頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四電力晶體管的結構與符號GTR與普通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而成 。第42頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTR的開關特性開通過程：延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間to

29、n。td主要是由發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，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程 。第43頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTR的開關特性關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff 。ts是用來除去飽和導通時儲存在基區的載流子的，是關斷時間的主要部分。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，可縮短儲存時間，從而加快關斷速度。負面作用是會使集電極和發射極間的飽和導通壓降Uces增加，從而增大通態損耗。GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GT

30、O都短很多 。第44頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTR的最大額定值1.最高工作電壓 UM。GTR上電壓超過規定值時會發生擊穿，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。2.集電極最大允許電流IcM。通常規定為hFE下降到規定值的1/21/3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。3.最高結溫TjM。一般情況下，塑封硅管的TjM為125150，金屬封硅管的TjM為150170，高可靠平面管的 TjM為175200。 4.集電極最大耗散功率PcM。最高工作溫度下允許的耗散功率。第45頁，共96頁，2022年，5月20日，17點

31、43分，星期四GTR的二次擊穿一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現雪崩擊穿。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 。第46頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTR的二次擊穿一次擊穿、二次擊穿原理二次擊穿臨界線第47頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTR的安全工作區安全工作區SOA(Safe Operation Area)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運行的電流、電壓的極限

32、范圍。按基極偏置分類可分為正偏安全工作區FBSOA和反偏安全工作區RBSOA。第48頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTR的正偏安全工作區FBSOA 正偏安全工作區又叫開通安全工作區，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區域。第49頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTR的反偏安全工作區RBSOA 反偏安全工作區又稱GTR的關斷安全工作區。它表示在反向偏置狀態下GTR關斷過程中電壓UCE、電流 IC 限制界線所圍成的區域 。第50

33、頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTR的保護與基流控制GTR的過電流保護只能采取快速封鎖驅動電路的方式，快速檢測和快速響應是影響保護性能的主要因素。基極電流控制應從以下幾個方面考慮：1.開通時應保證有足夠的峰值，縮短開通時間，降低開通損耗。2.開通后要維持GTR工作在準飽和狀態，避免進入放大狀態。3.關斷時盡量提供較大的電流，縮短關斷時間，減小關斷損耗。第51頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四功率場效應管MOSFET結構與符號分為結型和絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（M

34、etal Oxide Semiconductor FET）第52頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四MOSFET的工作原理（1）截止：柵源電壓 UGS0 或 0UGSUT(UT為開啟電壓，又叫閾值電壓)；（2）導通：UGSUT時，加至漏極電壓UDS0；（3）漏極電流ID ：VDMOS的漏極電流ID受控于柵壓UGS ；第53頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四MOSFET的主要參數1.漏源擊穿電壓BUDSSBUDSS決定了VDMOS的最高工作電壓，它是為了避免器件進入雪崩區而設立的極限參數。2.最大漏極電流IDMIDM表征器件的電流容量。當UGS=10

35、V，UDS為某一數值時，漏源間允許通過的最大電流稱為最大漏極電流。3.柵源擊穿電壓BUGSBUGS是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過高而發生介電擊穿而設立的參數。一般BUGS =20V。4.通態電阻Ron 在確定的柵壓UGS下，VDMOS由可調電阻區進入飽和區時漏極至源極間的直流電阻稱為通態電阻Ron 。 Ron是影響最大輸出功率的重要參數。 在相同條件下，耐壓等級越高的器件其Ron值越大，另外Ron隨ID的增加而增加，隨UGS的升高而減小。第54頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四正偏安全工作區(FBSOA)：四條邊界極限：1）漏源通態電阻限制線I(由于通態電阻Ron大，

36、因此器件在低壓段工作時要受自身功耗的限制)；2）最大漏極電流限制線；3）最大功耗限制線；4）最大漏源電壓限制線；第55頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四開關安全工作區(SSOA)開關安全工作區(SSOA)反應VDMOS在關斷過程中的參數極限范圍；由最大峰值漏極電流IDM、最小漏源擊穿電壓BUDSS和最高結溫TJM所決定。第56頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四換向安全工作區(CSOA) 換向安全工作區(CSOA)是器件寄生二極管或集成二極管反向恢復性能所決定的極限工作范圍。在換向速度(寄生二極管反向電流變化率)一定時，CSOA由漏極正向電壓UDS

37、(即二極管反向電壓UR)和二極管的正向電流的安全運行極限值IFM來決定。第57頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四MOSFET的特點1.開關速度快，一般為10ns100ns。2.溫度穩定性好，通態電阻具有正溫度系數，可實現自動均流。3.輸入阻抗大、驅動功率小，因此驅動電路也較簡單。4.導通電阻大、通態壓降大，因此在大電流時通態損耗較大。第58頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四絕緣柵晶體管IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。兼具功率MOSFET高速開關特性和GTR的低導通壓降特性兩者優

38、點的一種復合器件。結構、等效電路、符號第59頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的工作原理 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。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。導通壓降：電導調制效應使電阻晶體管基區調制電阻RN減小，使通態壓降小。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。第60頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的靜態特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性第61頁，共96頁

39、，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的工作原理 （1） IGBT的轉移特性曲線IGBT開通：UGEUGE(TH)(開啟電壓,一般為36V) ；其輸出電流Ic與驅動電壓UGE基本呈線性關系； IGBT關斷：UGEUGE(TH)（2）IGBT的伏安特性（如前圖a) 反映在一定的柵極一發射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流Ic的關系。 IGBT的伏安特性分為:截止區、有源放大區、飽和區和擊穿區。第62頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的動態特性 ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2toff

40、tontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第63頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的開通過程 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。 電流上升時間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間ton開通延遲時間與電流上升時間之和。uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作

41、的電壓下降過程。第64頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四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 。電流下降時間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。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。第65頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的掣住效應 NPN晶體管基極與發射極之間存在體區短路電阻，P形體區的橫向

42、空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。動態擎住效應比靜態擎住效應所允許的集電極電流小。 擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。第66頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的安全工作區 正偏安全工作 區FBSOA：IGBT在開通時為正向偏置時的安全工作區，如圖(a)所示。 反偏安全工作區RBSOA：IGBT在關斷時為反向偏置時的安全工作區，如圖(b) IGBT的導通時間越長，發熱越嚴重，安全工作區越小。 在使用中一般通過選擇適當的UCE和柵極驅動電阻控制 ，

43、避免IGBT因 過高而產生擎住效應。第67頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的特點 (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，安全工作區比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。(3) 通態壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區域。(4) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。(5) 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點 。第68頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四MOS控制晶閘管（MCT）結構

44、與符號MCT是在SCR結構中集成一對MOSFET構成的，通過MOSFET來控制SCR的導通和關斷。使MCT導通的MOSFET稱為ON-FET，使MCT關斷的MOSFET稱為OFF-FETMCT的元胞有兩種結構類型，一種為N-MCT，另一種為P-MCT。三個電極稱為柵極G、陽極A和陰極K第69頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四MCT的特點MOSFET與晶閘管的復合 MCT結合了二者的優點： MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程。 晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降。一個MCT器件由數以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開

45、通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。MCT曾一度被認為是一種最有發展前途的電力電子器件。因此，20世紀80年代以來一度成為研究的熱點。但經過十多年的努力，其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數值，未能投入實際應用。第70頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四集成門極換流晶閘管IGCT集成門極換流晶閘管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是1996年問世的一種新型半導體開關器件。該器件是將門極驅動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的。門極換流晶閘管GCT是基于GTO結構的一種新

46、型電力半導體器件，它不僅有與GTO相同的阻斷能力和低通態壓降，而且有與IGBT相同的開關性能，即它是GTO與IGBT相互取長補短的結果，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關器件，目前單只容量可達到4500V/4000A。在實際應用中，電壓較低時可選用IGBT，電壓較高時可選用IGCT。第71頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四集成門極換流晶閘管IGCT結構圖的左側是GCT，右側是反并聯的二極管。第72頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四注入增強門極晶體管IEGT為了克服IGBT的缺點（正向壓降較大），日本東芝公司于1999年推出4500V注入增強門極晶體管

47、（IEGT），它屬于IGBT大類，又不同于常規的IGBT。IEGT是一種兼顧GTO優點與IGBT優點于一體的新型特大功率半導體器件。它的設計思路是在IGBT的基礎上，使其內部的載流子分布趨近于GTO的注入增強結構，從而大大降低其正向壓降。在IEGT中，MOS柵極結構的作用如同具有高電子注入效率的發射極，并實現在發射極的N型高阻基區層中存儲大量載流子，使IEGT獲得類似于晶閘管的開態特性和低的正向壓降。目前IEGT的容量可達1500A/4500V。第73頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IEGT與IGBT的I/V特性比較第74頁，共96頁，2022年，5月20日，17點4

48、3分，星期四IEGT的結構與外形IEGT的結構模壓封裝的IEGT外形第75頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四功率集成電路功率集成電路(PIC)是指將功率半導體器件及其驅動電路等組合在同一個芯片或封裝中，即把更多功能的控制部分、功率部分或保護電路都組合在一個器件中。采用PIC可以提高電路的功率密度，簡化安裝工藝，提高電力電子裝置性能。目前，PIC內部使用的功率器件通常為MOSFET或IGBT。PIC自20世紀80年代問世以來，發展十分迅速，已成為電力電子技術的重要發展方向。PIC有很多品種，如智能功率模塊(intelligent Power Module簡稱IPM)、用戶

49、專用智能功率模塊(Application Specific IPM簡稱ASIPM)、簡單PIC等。IPM就是將電力電子器件與驅動電路、保護電路、檢測電路等組成在一個芯片或模塊內，使裝置更趨小型化、智能化。目前，IPM中的功率器件一般由IGBT充當，主要用于交流傳動系統的電動機控制、家用電器等。IPM體積小、可靠性高、使用方便，得到了廣泛應用。下面以IPM為例分析PIC的結構、功能。第76頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四功率集成電路IPM內部多采用IGBT作為功率器件。根據內部功率電路配置的不同，IPM內部可集成多個IGBT單元，常用的IPM內部封裝了一個、二個、六個或

50、七個IGBT。小功率的IPM使用多層環氧絕緣系統，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。典型的IPM功能框圖如下圖所示。IPM內置驅動和保護電路，隔離接口電路需用戶自己設計。第77頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四功率集成電路IPM內置有驅動和保護電路。驅動電路與功率器件可以更好地匹配，這使得功率器件工作更可靠。保護電路可以實現控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。如果IPM模塊中有一種保護電路的動作，IGBT柵極驅動單元就合關斷門極電流并輸出一個故障信號。(1)控制電壓欠壓保護：IPM使用單一電源供電，若供電電壓低于規定值且時間超過設定值，則發生欠壓保護，封鎖門極驅

51、動電路，輸出故障信號。(2)過熱保護；在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過規定溫度值時，發生過熱保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。(3)過流保護：若流過IGBT的電流值超過規定過流動作電流，且時間超過規定值，則發生過流保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。IPM內置的驅動和保護電路便系統硬件電路簡單、可靠，縮短了系統開發時間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的1GBT模塊相比，IPM在系統性能及可靠性方面都有進一步的提高。第78頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四電力電子器件的驅動概述驅動電路主電路與控制電路之間

52、的接口使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。對器件或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。驅動電路的基本任務：將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。第79頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四GTO的幾種驅動電路第80頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四MOSFET的一種驅動電路第81頁，共

53、96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四IGBT的一種驅動電路第82頁，共96頁，2022年，5月20日，17點43分，星期四過電壓保護措施電力電子裝置可能發生的過電壓有外因過電壓和內因過電壓兩類。外因過電壓主要由雷擊和系統操作過程等外部因素造成。雷擊過電壓指由雷電引起的過電壓。系統操作過電壓由分閘、合閘等開關操作引起。電力電子電路中通常含有變壓器、電感(包括線路等效電感)等器件。電路分間斷開電路的過程中，因電感電流不能突變，會在變壓器、電感等元件中產生感應過電壓，這種電壓施加到電力電子器件上會形成操作過電壓。電路合閘瞬間，由于變壓器原、副邊分布電容的存在，高壓變壓器原邊電壓會直接傳遞到副邊，也會在電力電子器件上形成操作過電壓。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程。(1)換相過電壓：品閘管或與全控型器件反并聯的二極管在換相結束后，不能立即恢復反向阻斷能力，在外部電源作用下會有較大反向電流流過二極管，使內部載流子恢復，PN結空間電荷層由導通時的較薄逐漸變厚，在其恢復反向阻斷能力后，反向電流急劇減小，這時線路電感會在器件兩端感應出過電壓。(2)關斷過電壓：全控型器件在高頻下工作，當其關斷時，正向電流迅速降低而內線路電感在器件兩端感