电力电子技术第五节.ppt

门极可关断晶闸管 GTO,门极可关断晶闸管GTO,Gate-Turn-Off Thyristor ：晶闸管的一种派生器件,多元集成的结构可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO电气图形符号,门极可关断晶闸管GTO,GTO的主要参数（1）最大可关断阳极电流IATO（2）电流关断增益off：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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 门极可关断晶闸管GTO,GTO性能特点：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应用现在最大容量6KV/4KA，开关速度10微秒级，开关频率1—10KHZ，略高于晶闸管导通压降2-3V、比晶闸管略高电流型驱动器件，所需驱动电路功率较大实际使用时，常做成逆导型器件电力晶体管 GTR,电力晶体管GTR,Giant Transistor： 耐高电压、大电流的双极结型晶体管与普通的双极结型晶体管原理基本相同采用集成电路工艺将许多单元并联而成 GTR电气图形符号,电力晶体管GTR,GTR 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，要经过放大区共发射极接法 GTR输出特性,电力晶体管GTR,GTR工作特点：不存在内部的电流正反馈，开关特性好于GTO，开关时间<10us应用中，GTR一般采用共射接法，通过基极电流控制集电极电流（电流型驱动器件）单管GTR的电流放大系数 （集电极电流ic与基极电流ib之比 ）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.,电力场效应管 POWER MOSFET,电力场效应管 POWER MOSFET,POWER MOSFET 采用多元集成结构的金属氧化物绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor FET）,N沟道MOSFET结构剖面示意图,电力场效应管 POWER MOSFET,N沟道增强型电力MOSFET工作原理,截止：栅源极间电压为零时， PN结反偏，即使漏源极间加正电源，漏源极之间无电流流过导电：在栅源极间加正电压(UGS>0) ，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 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。

电力场效应管 POWER MOSFET,分类：按导电沟道性质分： N沟道和P沟道按导电沟道的变化趋势： 增强型和耗尽型电力MOSFET主要是N沟道增强型,栅极电压大于零时产生N型导电沟道P沟道,N沟道,电力场效应管 POWER MOSFET,电力MOSFET的静特性： 转移特性：漏极电流ID和栅源间电压UGS关系跨导Gfs： ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导,电力MOSFET的转移特性,为了保证较小的导通电阻（大跨导），一般UGS设置较大（ UGS >10v）,电力场效应管 POWER MOSFET,电力MOSFET的静特性：漏极伏安特性：在不同栅源电压下，漏极电流随漏源电压的变化特性 截止区 饱和区 非饱和区电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFET的输出特性,电力场效应管 POWER MOSFET,电力MOSFET的动特性：开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间： ton= td(on) +tr关断过程关断延迟时间td(off）下降时间tf关断时间： toff= td(off）+tf,电力MOSFET的开关过程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,i,D,O,O,u,p,t,t,t,td(on),tr,td(off),tf,,,,,,,电力场效应管 POWER MOSFET,电力MOSFET的主要参数:漏极电压UDS ——电力MOSFET电压定额漏极直流电流ID，漏极脉冲电流幅值IDM ——电力MOSFET电流定额栅源电压UGS —— UGS>20V将导致绝缘层击穿极间电容 ——极间电容CGS、CGD和CDS,电力场效应管 POWER MOSFET,电力 MOSFET的特点:场控器件，用栅极电压来控制器件的通断，静态时几乎不需输入电流。

需要的驱动功率小，驱动电路简单关断过程非常迅速，开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的 少子导电，通态电阻较大，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置导通电阻具有正温度系数,绝缘栅双极晶体管IGBT,绝缘栅双极晶体管IGBT,Bi-MOS器件： GTR和GTO的特点——电流驱动，双极型，有电导调制效应，通流能力很强，所需驱动功率大，驱动电路复杂 MOSFET的优点——电压驱动，单极型，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 Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（IGBT或IGT） ——两类器件取长补短结合而成的复合器件,绝缘栅双极晶体管IGBT,IGBT原理,a) 内部结构断面示意图 b)电气图形符号(N沟道) c)简化等效电路,IGBT的等效电路：GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区晶体管,绝缘栅双极晶体管IGBT,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往往与反并联的快速二极管封装在一起，成为逆导器件 IGBT原理：,绝缘栅双极晶体管IGBT,IGBT的静态特性,a) 转移特性,b) 输出特性,绝缘栅双极晶体管IGBT,IGBT的擎住效应或自锁效应：内部寄生晶闸管导致栅极失效成因：集电极电流过大（静态擎住效应）；duCE/dt过高（动态擎住效应）正偏安全工作区── 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反向偏置安全工作区── 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确定绝缘栅双极晶体管IGBT,IGBT的主要参数:最大集射极间电压UCES ——由内部晶体管的击穿电压确定最大集电极电流——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 最大集电极功耗PCM——正常工作温度下允许的最大功耗 绝缘栅双极晶体管IGBT,IGBT的应用特点：输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似通态压降比MOSFET低相对于GTO，开关速度高，损耗小 工艺较成熟，自锁效应得到较好解决，与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提，以期再取代GTO的地位。

其他新型电力电子器件,MCT（MOS Controlled Thyristor） MOSFET与晶闸管的复合，关键问题未攻克，限制了容量发展SIT（Static Induction Transistor） 结型场效应晶体管，多子导电，工作频率高，正常导通型器件，主要应用在大功率高频环境 SITH（Static Induction Thyristor） 场控晶闸管，速度快，容量大工艺复杂，一般为正常导通型器件IGCT/GCT（Gate-Commutated Thyristor） 门极换流晶闸管，GTO的派生器件，容量比IGBT大，受到IGBT挑战,其他新型电力电子器件,功率模块：将多个电力电子器件封装在一个模块中，称为功率模块利于缩小装置体积，降低成本，提高可靠性对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求功率集成电路（Power Integrated Circuit——PIC） ：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 智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM）：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）。

小结,当前的格局：光控晶闸管：容量最大：制造水平8kV / 3.5kA，装置最高达300MVAGTO/IGCT：兆瓦以上应用，制造水平6kV / 6kAIGBT：中小功率（千瓦-兆瓦）应用的主体，仍在不断发展电力MOSFET：中小功率（300V/180A）领域特别是低压领域地位牢固功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势小结,当前器件应用的格局：,。