PowerElectronicsTechnology電力電子技術SouthChinaUniversityofTechnology第二部分電力電子器件6SouthChinaUniversityofTechnology2.1、功率器件部分電力電子技術第二部分電力電子器件——功率器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：(1)

半控型器件——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定電力電子技術第二部分電力電子器件——功率器件的分類按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質，分為兩類：電流驅動型——通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制電壓驅動型——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷的控制電壓驅動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態，所以又稱為場控器件，或場效應器件按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類：單極型器件——由一種載流子參與導電的器件雙極型器件——由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件復合型器件——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件電力電子技術第二部分電力電子器件——功率器件的分類電力電子技術第二部分電力電子器件——功率器件的分類電力電子技術第二部分電力電子器件——當前的格局

IGBT為主體，第四代產品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首選。不斷發展，與IGCT等新器件激烈競爭，試圖在兆瓦以上取代GTOGTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV/6kA光控晶閘管：功率更大場合，8kV/3.5kA，裝置最高達300MVA，容量最大電力MOSFET：長足進步，中小功率領域特別是低壓，地位牢固2.1.1功率二極管電力電子技術第二部分電力電子器件——功率二極管PowerDiode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的從外形上看，主要有螺栓型和平板型以及模塊封裝

AKAK電力電子技術第二部分電力電子器件——PD等效模型勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分電力電子技術第一部分緒論——靜態特性uDiDmAA~m反向阻斷雪崩擊穿0.5~1.2V主要指其伏安特性當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通狀態。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。電力電子技術第二部分電力電子器件——動態特性開通過程：勢壘電容體電感正向恢復時間動態特性——因結電容的存在，三種狀態之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時間變化的電力電子技術第二部分電力電子器件——動態特性參數延遲時間：td=t1-t0,電流下降時間：tf=t2-t1反向恢復時間：trr=td+tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tf/td，或稱恢復系數，用Sr表示IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt電力電子技術第二部分電力電子器件——PD的分類1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關頻率不高時并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數千安和數千伏以上

電力電子技術第二部分電力電子器件——PD的分類2.快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD）恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（1s以下）的二極管，也簡稱快速二極管適用頻率：20～100kHzMUR系列MUR162016A200V電力電子技術第二部分電力電子器件——PD的分類3.肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD），簡稱為肖特基二極管20世紀80年代以來，由于工藝的發展得以在電力電子電路中廣泛應用肖特基二極管的弱點當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度電力電子技術第二部分電力電子器件——PD的分類肖特基二極管的優點反向恢復時間很短（10~40ns）正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高適用頻率：1MHzMBR系列MBR252025A20V電力電子技術第二部分電力電子器件——二極管特性仿真電力電子技術第二部分電力電子器件——電壓波形1N40071N4148MUR1620MBR25202.1.2功率晶體管電力電子技術第二部分電力電子器件——GTR的結構★三重擴散臺面型結構：GTR-GiantTransistorBJT-BipolarJunctionTransistor臺面結構面積大→I大，但β??；單管：β=10~15，驅動電流大電力電子技術第二部分電力電子器件——GTR靜態特性準飽和區深飽和區截止區二次擊穿區二次擊穿臨界曲線放大區★安全工作區SOASOA—SafeOperationArea電力電子技術第二部分電力電子器件——GTR的驅動基本要求：

Ic較大時，增IB可降Uces；深度飽和與快速關斷相矛盾。

增IBP-可加速關斷，但電流變化率增大。一般取：電力電子技術第二部分電力電子器件——關于驅動電路

驅動電路——主電路與控制電路之間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電力電子技術第二部分電力電子器件——驅動電路的隔離驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環節，一般采用光隔離或磁隔離

光隔離一般采用光耦合器

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器光耦合器的類型及接法a)普通型

b)高速型c)高傳輸比型電力電子技術第二部分電力電子器件——電流型和電壓型驅動電流驅動型和電壓驅動型

具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用

專用集成驅動電路

雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路

為達到參數最佳配合，首選所用器件生產廠家專門開發的集成驅動電路電力電子技術第二部分電力電子器件——電壓型驅動2.電壓驅動型器件的驅動電路柵源間、柵射間有數千皮法的電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小使MOSFET開通的驅動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅動電壓一般15~20V關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗在柵極串入一只低值電阻（數十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小電力電子技術第二部分電力電子器件——GTR的集成驅動電路★EXB356：150A/600V；IBP=+3A/-3.4A、IIN=3~9mAEXB356(富士·日)UAA4002(湯姆遜·法)M57950(三菱·日)電力電子技術第二部分電力電子器件——GTR的限制驅動電流大二次擊穿開關速度低2.1.3功率場效應管電力電子技術第二部分電力電子器件——FET的分類★因工藝和結構差異名稱不同。如：

MotorolaTMOSNECVDMOSSiemensSiPMOS結型(JFET)MOS型增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道PowerMOSFET電力電子技術第二部分電力電子器件——FET的分類小功率MOS管是橫向導電器件電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為

VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了

MOSFET器件的耐壓和耐電流能力按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MO

結構的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）

這里主要以VDMOS器件為例進行討論電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的結構特點★胞元并聯結RDS小，可達mΩ?！锎怪睂щ奦D，面積大，電流大；★溝道短D-S間U、R、C均??；電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的結構特點導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區別電力MOSFET的多元集成結構國際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的靜態特性★安全工作區SOA跨導開啟電壓★轉移特性SOA—SafeOperationAreaID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的輸出特性飽和區

調阻區雪崩擊穿區★輸出特性截止區（對應于GTR的截止區）飽和區（對應于GTR的放大區）非飽和區（對應于GTR的飽和區）電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的動態特性t1—開通延時t2—上升時間t3—關斷延時t4—下降時間ts—開通時間（ns級）tc—關斷時間（ns級）Rs、Cin決定開關速度電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的開關速度

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系使用者無法降低Cin，但可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，加快開關速度MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的場控器件，靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的參數跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有1)

漏極電壓UDS

電力MOSFET電壓定額2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

電力

MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS

柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS

廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容Crss電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的特點

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小開關速度快，工作頻率高熱穩定性優于GTR★電壓控制，輸入阻抗高?！飭螛O型，溫—流負反饋，溫度穩定性高，無二次擊穿?！?/p>

橫向導電，電流小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置

。

K為器件的幾何常數，N=2.5~2.7電力電子技術第二部分電力電子器件——MOSFET的并聯運行電力MOSFET并聯運行的特點Ron具有正溫度系數，具有電流自動均衡的能力，容易并聯注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯電路走線和布局應盡量對稱可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用2.1.4絕緣柵雙極型晶體管電力電子技術第二部分電力電子器件——IGBT的產生思路

GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜

MOSFET的優點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單兩類器件取長補短結合而成的復合器件—絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）

GTR和MOSFET復合，結合二者的優點，具有好的特性

1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設備的主導器件

繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位電力電子技術第二部分電力電子器件電力電子技術第二部分電力電子器件——IGBT的結構IGBT—InsulatedGateBipolarTransistor電力電子技術第二部分電力電子器件——IGBT的靜態特性★轉移特性★輸出特性飽和區★飽和電壓特性在1/2或1/3額定電流以下的區段，通態壓降具負溫度系數在以上的區段則具有正溫度系數，并聯使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯電力電子技術第二部分電力電子器件——IGBT的動態特性動態特性：拖尾電流MOS已經關斷，IGBT存儲電荷釋放緩慢電力電子技術第二部分電力電子器件——IGBT的擎?。↙atch）效應★靜態擎住★動態擎住★過熱擎住P區體電阻RP引發擎住關斷過急→位移電流CJ—PN結電容RG不能過小，限制關斷時間。RP及PNP、NPN電流放大倍數因溫度升高而增大。（150℃時ICM降至1/2）電力電子技術第二部分電力電子器件——

IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態壓降和關斷時間也是需要折衷的參數3.IGBT的主要參數1)最大集射極間電壓UCES

由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)

最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗PCM

正常工作溫度下允許的最大功耗電力電子技術第二部分電力電子器件——IGBT的特性和參數特點IGBT的特性和參數特點(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電力電子技術第二部分電力電子器件——IGBT典型厚膜集成驅動電路1驅動電路的設計原則—

安全+低耗+快速★隔離：光電耦合、光纖、脈沖變壓器；★電平適當：+12~16V/-5~10V★邊沿陡直：tUP、tDn<1μs電壓尖峰動態擎住★驅動回路短、回路阻抗小、驅動功率足電力電子技術第二部分電力電子器件——EXB840/841厚膜驅動電路★EXB840：150A/600V、75A/1200V；40kHz、延遲<1μs、25mA

EXB841：400A/600V、300A/1200V；40kHz、延遲<1μs、47mA橋臂直通、ic過大、T℃過高Uce↑允許短路時間<10μs延時搜索/緩降柵壓“0”強迫-5V封鎖電力電子技術第二部分電力電子器件——M57962AL厚膜驅動電路短路檢測時間：P2-P4間電容1000~8000p對應3~6μS★600A/600V、400A/1200V；20kHz、延遲<1μs、500mA電力電子技術第二部分電力電子器件——M57962AL應用電路（雙電源）30V穩