【正文】 。 電機調(diào)速 ， 逆變器 、變頻器等中等功率 、中等頻率的場合 ，已取代 GTR。 MOSFET 開關(guān)速度快 ， 開關(guān)損耗小 ， 工作頻率高 ， 門極輸入阻抗高 ， 熱穩(wěn)定性好 ，驅(qū)動電路簡單 ， 沒有 2次擊穿 電流容量小 ， 耐壓低 ， 通態(tài)損耗較大 ，一般適合于高頻小功率場合 開關(guān)電源 、 日用電氣 、 民用軍用高頻電子產(chǎn)品 IGBT 開關(guān)速度高 ， 開關(guān)損耗小 ， 通態(tài)壓降低 ， 電壓 、 電流容量較高 。 ? 電壓型器件： 輸入阻抗很高，所以驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。 ? 雙極型器件： 由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使其導(dǎo)通壓降很低，導(dǎo)通損耗較小；容量大；開關(guān)頻率低。 106 電力工程系 本章小結(jié) ? 主要內(nèi)容 – 介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等。 ? 中小容量場合 ， 若線路電感較小 ， 可只在直流側(cè)設(shè)一個du/dt抑制電路 ， 對 IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容 。 a) b)圖1 3 8RiVDLVd id t抑制電路緩沖電路LiVDiRsCsVDstuCEiCOd id t抑制電路無 時d id t抑制電路有 時有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC105 電力工程系 緩沖電路 ? 緩沖電路注意問題 ? VDs必須選用快恢復(fù)二極管 ， 額定電流不小于主電路器件的1/10。 ? 緩沖電路分類： – 關(guān)斷緩沖電路（ du/dt抑制電路） —— 吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制 du/dt，減小關(guān)斷損耗，通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路； – 開通緩沖電路（ di/dt抑制電路） —— 抑制器件開通時的電流過沖和 di/dt，減小器件的開通損耗； – 將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起 —— 復(fù)合緩沖電路。 – 柵極配線走向英語主電流盡可能遠，同時驅(qū)動電路到 IGBT模塊柵射極引線盡可能短，多采用雙絞線或同軸電纜屏蔽線。 – 驅(qū)動電路與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離，不同 IGBT的驅(qū)動信號也要相互隔離，一般采用光電隔離。 101 電力工程系 驅(qū)動電路 ? IGBT驅(qū)動電路 – 多采用專用的混合集成驅(qū)動器：三菱公司的 M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的 EXB系列（如 EXB8 EXB84 EXB850和 EXB851）。 – 關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓 （ 一般取 5 ~ 15V） 有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗 。 ItIMt1t2t3t4理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2典型的晶閘管觸發(fā)電路 100 電力工程系 驅(qū)動電路 ? 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 – 柵源間 、 柵射間有數(shù)千皮法的電容 ， 為快速建立驅(qū)動電壓， 要求驅(qū)動電路輸出電阻小 。 – 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 98 電力工程系 驅(qū)動電路 ? 晶閘管觸發(fā)電路 – 產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。 – 對縮短器件開關(guān)時間，提高裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 – 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(guān)斷控制信號。 93 電力工程系 散熱計算 ? 熱路和熱阻 – 器件管芯到器件底部的熱阻為 RJC，器件底部與散熱器之間的熱阻為 R CS，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為 R SA，總的熱阻 為： RJA=RJC+RCS+RSA 94 電力工程系 散熱計算 ? 散熱器選擇 – 散熱器熱阻為 RSA≤RJARJCRCS=(Tj_maxTa) /PRJCRCS – 散熱器材質(zhì)的熱導(dǎo)率越大越好，散熱器與空氣接觸面積越大越好。 – 熱量在傳遞過程有一定熱阻。 ? 散熱計算 – 在一定的工作條件下，通過計算 耗散功率和熱阻 來確定合適的散熱措施及散熱器。 ? 散熱措施 – 自然冷卻： 將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間 ； – 風(fēng)冷： 加上散熱風(fēng)扇，以一定的風(fēng)速加強冷卻散熱。 ? 反向偏置安全工作區(qū) – 規(guī)范關(guān)斷過程、斷態(tài)工作點最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大最大允許電壓上升率確定 IGBT在阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍。 限制電流容量原因之一。 – 動態(tài)掣住效應(yīng)比靜態(tài)掣住效應(yīng)所允許的集電極電流小。 88 電力工程系 IGBT的掣住效應(yīng)和安全區(qū) ? 最大集電極功率 PCM – 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率 。集電極峰值電流ICM為避免掣住效應(yīng)而定義。 ? 最大柵射極電壓 UGE – 柵射極電壓是由柵極氧化層的厚度和特性所限制的，為了限制故障電流、確保長期使用的可靠性，應(yīng)將柵極電壓限制在 20V之內(nèi)，其最佳值一般取 15V左右 。 ttt1 0 %9 0 %1 0 %9 0 %uC EiC00uG EUG E MIC MUC E Mtf v 1tf v 2to f fto ntf i 1tf i 2tstftdtrUC E ( o n )UG E MUG E MIC MIC M02. 動態(tài)特性 87 電力工程系 IGBT的主要參數(shù) ? 集射極擊穿電壓 UCE – 額定電壓，由內(nèi)部的 PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。 ttt1 0 %9 0 %1 0 %9 0 %uC EiC00uG EUG E MIC MUC E Mtf v 1tf v 2to f fto ntf i 1tf i 2tstftdtrUC E ( o n )UG E MUG E MIC MIC M02. 動態(tài)特性 86 電力工程系 IGBT的特性 關(guān)斷過程 ? 關(guān)斷延遲時間 ts：從驅(qū)動電壓 uGE的后沿下降至其幅值 90%時刻開始，到集電極電流 iC下降至其幅值的 90%所需時間。 ICUTUG EO1. 靜態(tài)特性 —— 轉(zhuǎn)移特性 85 電力工程系 IGBT的特性 開通過程 ? 延遲時間 td ：從驅(qū)動電壓 uGE的前沿上升至其幅值 10%時刻開始，到集電極電流 iC上升至其幅值的 10%所需時間 ? 上升時間 tr： 集電極電流 iC從其幅值 10%上升至 90%所需時間。 0放 大 區(qū)截 止 區(qū)飽 和 區(qū)ICUC EUTUG E增 加UG E 1UG E 2UG E 3擊 穿 區(qū)1. 靜態(tài)特性 —— 輸出特性 84 電力工程系 IGBT的特性 ? 集電極電流 IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系。正常情況下不會進入擊穿區(qū)。 ? 當(dāng) UGEUT時，阻斷工作狀態(tài)。 83 電力工程系 IGBT的特性 ? 集電極電流 IC與 UCE之間的關(guān)系。 – 當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時， MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得 IGBT關(guān)斷。 ? 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓 UGE決定的。等效電路中 Rdr是 GTR基區(qū)內(nèi)的擴展電阻 。 ? 簡化等效電路： 用 GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)。 79 電力工程系 絕緣柵雙極晶體管 結(jié)構(gòu)與工作原理 特性 參數(shù) 掣住效應(yīng)與安全工作區(qū) 80 電力工程系 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 結(jié)構(gòu) ? 由 N溝道 VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成 。 ? 顯著優(yōu)點：它將 MOSFET和 GTR的優(yōu)點集于一身，耐壓高、電流大、工作頻率高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動功率小、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好。 78 電力工程系 絕緣柵雙極晶體管 ? 絕緣柵雙極晶體管（ Insulated Gate Bipolar Transistor），是一種復(fù)合型、電壓控制器件。 ? 極間電容： CGS、 CGD和 CDS。 ? 漏極直流電流 ID和漏極脈沖電流幅值 IDM ：額定電流。 77 電力工程系 Power MOSFET的參數(shù) ? 跨導(dǎo) Gfs、開啟電壓 UT以及開關(guān)過程中的各時間參數(shù)。 ? ID較大時， ID與 UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的跨導(dǎo) Gfs，即 ? 是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。 ? 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。 ? 工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū) I和非飽和區(qū) II之間來回轉(zhuǎn)換。 ? 在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。 N+N+NSGDP PN+N+N+溝 道73 電力工程系 Power MOSFET的 結(jié)構(gòu)和工作原理 2. 工作原理 ? 不存在少子儲存效應(yīng)，因而其關(guān)斷非常迅速。 – 當(dāng) UGSUT時，使 P型半導(dǎo)體反型成 N型半導(dǎo)體，形成 N溝道而使 PN結(jié) J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。 ? 正向（ UDS0 ）截止 – 當(dāng) UGS=0時， P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結(jié) J1反偏，漏源極之間無電流流過。 ? 功率場效應(yīng)晶體管適用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場合，但不適用于大功率裝置。 2. 動態(tài)特性 67 電力工程系 功率場效應(yīng)晶體管 ? 功率場效應(yīng)晶體管 (Power MOSFET)， FET：場效應(yīng)晶體管，MOS：金屬、氧化物、半導(dǎo)體 ? 單極型、電壓控制器件 ，通過柵極電壓來控制漏極電流。 – 減小導(dǎo)通時的飽和深度，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可以加快關(guān)斷速度。 – 增大基極驅(qū)動電流 ib的幅值并增大 dib/dt，可以加快開通過程。 ? 要使驅(qū)動電流足夠大， 避免GTR工作于線性區(qū) ，否則功耗將會很大。 a )P 基 區(qū)N+襯 底P+P+N+b )N漂 移 區(qū)基 極 B 發(fā) 射 極 E基 極 B集 電 極 CBE