逆变电器器件介绍.pptx

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,逆变电路,晶闸管的结构与工作原理,01,晶闸管的特性,02,其他新型电力电子器件,05,晶闸管的主要参数,03,晶闸管的派生器件,04,引言,本章主要内容,01,对电力电子器件的,概念,、,特点,和,分类,等问题作了简要概述,02,分别介绍各种常用电力电子器件的,工作原理,、,基本特性,、,主要参数,以及选择和使用中应注意的一些问题。,模拟和数字电子电路的基础,晶体管和集成电路等电子器件,重点,电力电子电路的基础,电力电子器件,引言,电力电子器件的概念,电力电子器件,（,Power Electronic Device,）,指可直接用于处理电能的,主电路,中，实现电能的变换或控制的,电子器件,。,主电路：,在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。,广义上电力电子器件可分为,电真空器件和半导体器件,两类，,目前往往专指电力半导体器件。,引言,A,所能处理,电功率,的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。,B,为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在,开关状态,。,C,自身的,功率损耗,通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装,散热器,。,D,由信息电子电路来控制,而且需要,驱动电路,。,电力电子器件的特征,引言,电力电子器件的功率损耗,通态损耗,开通损耗,关断损耗,开关损耗,断态损耗,通态损耗,是电力电子器件功率损耗的主要成因。,当器件的开关频率较高时，,开关损耗,会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。,引言,应用系统,控制电路,驱动电路,主电路,以电力电子器件为核心,电力电子器件在实际应用,引言,按照能够被控制电路信号,所控制的程度,主要是指,晶闸管（,Thyristor,）,及其大部分派生器件。,全控型器件,目前最常用的是,IGBT,和,Power MOSFET,。,电力二极管（,Power Diode,）,半控型器件,器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。,通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。,不可控器件,不能用控制信号来控制其通断。,引言,按照驱动信号的性质,电流驱动型,电压驱动型,通过从控制端注入或者抽出电流来实现,导通或者关断的控制。,仅通过在控制端和公共端之间施加一定的,电压信号,就可实现导通或者关断的控制。,按照驱动信号的波形,（电力二极管除外,）,脉冲触发型,电平控制型,通过在控制端施加一个电压或电流的,脉冲信号,来实现器件的开通或者关断的控制。,必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通,并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。,引言,按照载流子参与导电的情况,单极型器件,双极型器件,由一种载流子,参与导电。,复合型器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。,由,电子和空穴,两种载流子参与导电。,第一节 晶闸管的结构与工作原理,晶体闸流管,的简称，又称作,可控硅整流器（,Silicon Controlled RectifierSCR,）,，以前被简称为可控硅。,1956,年美国贝尔实验室（,Bell Laboratories,）发明了晶闸管，到,1957,年美国通用电气公司（,General Electric,）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于,1958,年使其商业化。,晶闸管（,Thyristor,）,由于其能承受的,电压和电流容量,仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在,大容量,的应用场合仍然具有比较重要的地位。,第一节 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的结构,从外形上来看，晶闸管也主要有,螺栓型,和,平板型,两种封装结构。,内部是,PNPN,四层半导体结构。,引出,阳极,A,、,阴极,K,和,门极（控制端）,G,三个联接端。,图,1-2,晶闸管的外形、结构和电气图形符号,a),外形,b),结构,c),电气图形符号,第一节 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的工作原理,按照晶体管工作原理，可列出如下方程：,图,1-3,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,a),双晶体管模型,b),工作原理,（,1-2,）,（,1-1,）,（,1-3,）,（,1-4,）,式中,1,和,2,分别是晶体管,V,1,和,V,2,的共基极电流增益；,I,CBO1,和,I,CBO2,分别是,V,1,和,V,2,的共基极漏电流。,由以上式（,1-1,）,（,1-4,）可得：,第一节 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的工作原理,按照晶体管工作原理，可列出如下方程：,图,1-3,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,a),双晶体管模型,b),工作原理,（,1-2,）,（,1-1,）,（,1-3,）,（,1-4,）,式中,1,和,2,分别是晶体管,V,1,和,V,2,的共基极电流增益；,I,CBO1,和,I,CBO2,分别是,V,1,和,V,2,的共基极漏电流。,由以上式（,1-1,）,（,1-4,）可得：,第一节 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的工作原理,由以上式（,1-1,）,（,1-4,）可得：,1,4,3,2,晶体管的特性是：在低发射极电流下,是很小的，而当发射极电流建立起来之后，,迅速增大。,由于外电路负载的限制，,I,A,实际上会维持,有限值,。,如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致,1,+,2,趋近于,1,的话，流过晶闸管的电流,I,A,（阳极电流）,将趋近于,无穷大,，从而实现器件,饱和导通,。,在晶体管,阻断状态,下，,I,G,=0,，而,1,+,2,是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。,第一节 晶闸管的结构与工作原理,SCR,的触发导通,正反馈,原理：,V1,实际上为,V2,构成了正反馈电路，在,A-K,间加正向电压情况下，若外电路向门极注入电流,I,G,：,第一节 晶闸管的结构与工作原理,阳极电压升高至相当高的数值造成,雪崩效应,结温,较高,阳极电压上升率,d,u,/d,t,过高,光触发,除门极触发外其他几种可能导通的情况,这些情况除了,光触发,由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。,只有,门极触发,是最精确、迅速而可靠的控制手段。,第二节 晶闸管的特性,|,静态特性,正常工作时的特性,A,不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。,B,仅在,门极,有,触发电流,的情况下晶闸管才能开通。,C,门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。,D,只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的,电流降到接近于零的某一数值以下,。,当晶闸管承受,反向电压,时,晶闸管一旦导通,当晶闸管承受,正向电压,时,若要使已导通的晶闸管关断,当,I,G,=0,时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向,阻断状态,，只有很小的正向漏电流流过。,如果正向电压超过临界极限即,正向转折电压,U,bo,，则漏电流急剧增大，器件,开通,。,随着,门极电流幅值,的增大，,正向转折电压,降低，晶闸管本身的压降很小，在,1V,左右。,如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值,I,H,以下，则晶闸管又回到,正向阻断,状态，,I,H,称为,维持电流,。,第二节 晶闸管的特性,晶闸管的伏安特性,正向特性,图,1-6,晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,正向转折电压,U,bo,正向,导通,雪崩,击穿,O,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,+,其伏安特性类似,二极管,的反向特性。,晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的,反向漏电流,通过。,当反向电压超过一定限度，到,反向击穿电压,后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。,第二节 晶闸管的特性,晶闸管的伏安特性,反向特性,正向转折电压,U,bo,正向,导通,雪崩,击穿,O,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,+,图,1-6,晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,第二节 晶闸管的特性,|,动态特性,开通过程,由于晶闸管内部的,正反馈过程,需要时间，再加上,外电路电感,的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是,瞬时,的。,延迟时间,t,d,(0.51.5,s),上升时间,t,r,(0.53,s),开通时间,t,gt,=t,d,+t,r,延迟时间随,门极电流,的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到,外电路电感,的严重影响。,提高,阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。,阳极电流稳态值的,90%,100%,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,阳极电流稳态值的,10%,图,1-8,晶闸管的开通和关断过程波形,第二节 晶闸管的特性,|,动态特性,关断过程,由于,外电路电感,的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。,反向阻断恢复时间,t,rr,正向阻断恢复时间,t,gr,关断时间,t,q,=,t,rr,+,t,gr,关断时间约几百微秒。,在,正向阻断恢复时间,内如果重新对晶闸管施加,正向电压,，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。,反向恢复电流最大值,尖峰电压,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,图,1-8,晶闸管的开通和关断过程波形,第三节 晶闸管的主要参数,|,电压定额,断态重复峰值电压,U,DRM,C,A,B,是在门极断路而结温为额定值时，允许,重复,加在器件上的,正向峰值电压,。,断态不重复峰值电压应低于,正向转折电压,U,bo,。,国标规定断态重复峰值电压,U,DRM,为断态不重复峰值电压,（即断态最大瞬时电压）,U,DSM,的,90%,。,第三节 晶闸管的主要参数,|,电压定额,反向重复峰值电压,U,RRM,C,A,B,是在门极断路而结温为额定值时，允许,重复,加在器件上的,反向峰值电压,。,反向不重复峰值电压应低于,反向击穿电压,。,规定反向重复峰值电压,U,RRM,为反向不重复峰值电压,（即反向最大瞬态电压）,U,RSM,的,90%,。,晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。,第三节 晶闸管的主要参数,|,电压定额,通态（峰值）电压,U,T,通常取晶闸管的,U,DRM,和,U,RRM,中较小的标值作为该器件的,额定电压,。,选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压,23,倍,。,第三节 晶闸管的主要参数,|,电流定额,通态平均电流,I,T(AV,）,1,2,3,按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的,发热效应,来定义的。,一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的,原则所得计算结果的,1.52,倍,。,国标规定通态平均电,流为晶闸管在环境温度为,40,C,和规定的,冷却状态,下，,稳定结温不超过额定结温,时所允许流过的最大工频,正弦半波电流的平均值。,第三节 晶闸管的主要参数,|,电流定额,通态平均电流,I,T(AV,）,擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。,指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性,最大正向过载电流,。,维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的,最小,电流，一般为几十到几百毫安。,擎住电流,I,L,浪涌电流,I,TSM,结温越高，则,I,H,越小。,约为,I,H,的,24,倍。,第三节 晶闸管的主要参数,|,动态参数,开通时间,t,gt,和关断时间,t,q,断态电压临界上升率,d,u,/d,t,在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的,外加电压最大上升率,。,电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。,通态电流临界上升率,d,i,/d,t,在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的,最大通态电流上升率,。,如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。,第四节 晶闸管的派生器件,快速晶闸管（,Fast Switching ThyristorFST,）,E,由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其,开关损耗,的发热效应。,D,高频晶闸管的不足在于其,电压,和,电流,定额都不易做高。,C,从,关断时间,来看，,普通晶闸管一般为,数百微秒,，快速晶闸管为,数十,微秒，而高频晶闸管则为,10,s,左右。,B,快速晶闸管的开关时间以及,d,u,/d,t,和,d,i,/d,t,的耐量都有了明显改善。,A,有快速晶闸管和高频晶闸管。,第四节 晶闸管的派生器件,双向晶闸管（,Triode AC SwitchTRIAC,或,Bidirectional triode thyristor,）,a),b),I,O,U,I,G,=,0,G,T,1,T,2,图,1-12,双向晶闸管的电气图形,符号和伏安特性,a),电气图形符号,b),伏安特性,可以认为是一对,反并联联接,的普通晶闸管的集成。,门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，,在第,和第,III,象限有,对称的伏安特性,。,双向晶闸管通常用在交流电路中，,因此不用平均值而用,有效值,来表示其额定电流值。,第四节 晶闸管的派生器件,逆导晶闸管（,Reverse Conducting ThyristorRCT,）,是将,晶闸管反并联一个二极管,制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受,反向电压,的能力，一旦承受反向电压即开通。,图,1-13,逆导晶闸管的电气图形符号,和伏安特性,a),电气图形符号,b),伏安特性,具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。,第四节 晶闸管的派生器件,光控晶闸管（,Light Triggered ThyristorLTT,）,是利用一定波长的,光照信号,触发导通的晶闸管。,由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的,绝缘,，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在,高压大功率,的场合。,图,1-14,光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性,a),电气图形符号,b),伏安特性,第五节 其他新型电力电子器件,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。,典型代表,20,世纪,80,年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。,门极可关断晶闸管,绝缘栅双极晶体管,电力晶体管,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,IGBT,单管及模块,晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，,因而属于,全控型器件,。,第五节 其他新型电力电子器件,门极可关断晶闸管,GTO,的结构和工作原理,GTO,的结构,是,PNPN,四层半导体结构。,是一种多元的功率集成器件，,虽然外部同样引出个极，,但内部则包含数十个甚至数百,个共阳极的,小,GTO,元,，,这些,GTO,元的,阴极,和,门极,则在器件内部,并联,在一起。,图,1-19 GTO,的内部结构和电气图形符号,各单元的阴极、门极间隔排列的图形,并联单元结构断面示意图,电气图形符号,第五节 其他新型电力电子器件,门极可关断晶闸管,GTO,的工作原理,仍然可以用如图,2-8,所示的,双晶体管模型,来分析，,V,1,、,V,2,的共基极电流增益分别是,1,、,2,。,1,+,2,=1,是器件临界导通的条件，大于,1,导通，小于,1,则关断。,图,1-20,晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理,a),双晶体管模型,b),工作原理,GTO,与普通晶闸管的不同,设计,2,较大，使晶体管,V,2,控制 灵敏，易于,GTO,关断。,导通时,1,+,2,更接近,1,，导通时接近,临界饱和,，,有利门极控制,关断，但导通时管,压降,增大。,多元集成结构，使得,P,2,基区,横向电阻很小，,能从门极抽出较大电流。,C,A,B,GTO,的导通过程与普通晶闸管是一样的，,只不过导通时,饱和程度,较浅。,GTO,的,多元集成结构,使得其比普通晶闸管,开通过程,更快，承受,d,i,/d,t,的能力增强。,而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流,I,A,和,I,K,的,减小使,1+,21,时，器件退出,饱和,而关断。,第五节 其他新型电力电子器件,门极可关断晶闸管,第五节 其他新型电力电子器件,门极可关断晶闸管,开通过程与普通晶闸管类似。,关断过程,储存时间,t,s,下降时间,t,f,尾部时间,t,t,通常,t,f,比,t,s,小得多，而,t,t,比,t,s,要长。,门极负脉冲电流,幅值,越大，,前沿,越陡，,ts,就越短。使门极负脉冲的,后沿,缓慢衰减，在,tt,阶段仍能保持适当的,负电压,，则可以缩短,尾部时间,。,GTO,的动态特性,O,t,0,t,i,G,i,A,I,A,90%,I,A,10%,I,A,t,t,t,f,t,s,t,d,t,r,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间,等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间,残存载流子复合所需时间,图,1-21 GTO,的开通和关断过程电流波形,第五节 其他新型电力电子器件,门极可关断晶闸管,GTO,的主要参数,GTO,的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。,A,用来标称,GTO,额定电流,。,B,最大可关断阳极电流,I,ATO,与门极负脉冲电流,最大值,I,GM,之比。,off,一般很小，只有,5,左右，,这是,GTO,的一个主要缺点。,C,延迟,时间与,上升,时间之和。,延迟时间一般约,12,s,，,上升时间则随,通态阳极电流值,的增大而增大。,D,一般指,储存,时间和,下降,时间之和，,而不包括,尾部,时间。,储存时间随,阳极电流,的增大而增大，,下降时间一般小于,2,s,。,最大可关断阳极电流,I,ATO,电流关断增益,off,开通时间,t,on,关断时间,t,off,第五节 其他新型电力电子器件,门极可关断晶闸管,不少,GTO,都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。,当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。,按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的,双极结型晶体管（,Bipolar Junction TransistorBJT,）,第五节 其他新型电力电子器件,电力晶体管（,Giant TransistorGTR,）,GTR,的结构和工作原理,与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。,最主要的特性,开关特性好,电流大,耐压高,第五节 其他新型电力电子器件,电力晶体管（,Giant TransistorGTR,）,GTR,的结构,+,表示高掺杂浓度，,-,表示低掺杂浓度,图,1-15 GTR,的结构、电气图形符号和内部载流子的流动,a),内部结构断面示意图,b),电气图形符号,c),内部载流子的流动,采用至少由两个晶体管按,达林顿接法,组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元,并联,而成。,GTR,是由,三层半导体,（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个,PN,结（集电结和发射结）构成，多采用,NPN,结构。,第五节 其他新型电力电子器件,电力晶体管（,Giant TransistorGTR,）,在应用中，,GTR,一般采用共发射极接法。,集电极电流,i,c,与基极电流,i,b,之比为,称为,GTR,的,电流放大系数,，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流,I,ceo,时，,i,c,和,i,b,的关系为,单管,GTR,的,值比处理信息用的小功率晶体管小得多，,通常为,10,左右，采用,达林顿接法,可以有效地增大电流增益。,空穴流,电,子,流,c),E,b,E,c,i,b,i,c,=,b,i,b,i,e,=(1+,b,),i,b,图,1-15 c),内部载流子的流动,第五节 其他新型电力电子器件,电力晶体管,GTR,的基本特性,静态特性,在,共发射极,接法时的典型输出特性分为,截止区,、,放大区,和,饱和区,三个区域。,在电力电子电路中，,GTR,工作在,开关状态,，即工作在,截止区,或,饱和区,。,在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过,放大区,。,截止区,放大区,饱和区,O,I,c,i,b3,i,b2,i,b1,i,b1,i,b2,20V,将导致绝缘层击穿。,极间电容,C,GS,、,C,GD,和,C,DS,漏源间的耐压、,漏极最大允许,电流,和,最大耗散功率,决定了电力,MOSFET,的安全工作区。,栅源电压,U,GS,第五节 其他新型电力电子器件,绝缘栅双极晶体管,C,A,B,GTR,和,GTO,是双极型电流驱动器件，,由于具有电导调制效应，其通流能力很强，,但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。,绝缘栅双极晶体管,（,Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT,或,IGT,）,综合了,GTR,和,MOSFET,的优点，因而具有良好的特性。,而电力,MOSFET,是单极型电压驱动器件，,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。,第五节 其他新型电力电子器件,IGBT,的结构和工作原理,IGBT,的结构,绝缘栅双极晶体管,是三端器件，具有,栅极,G,、,集电极,C,和,发射极,E,。,由,N,沟道,VDMOSFET,与,双极型晶体管,组合,而成的,IGBT,，比,VDMOSFET,多一层,P,+,注入区，,实现对漂移区电导率进行调制，使得,IGBT,具有,很强的,通流,能力。,简化等效电路表明，,IGBT,是用,GTR,与,MOSFET,组成的,达林顿,结构，,相当于一个由,MOSFET,驱动的厚基区,PNP,晶体管。,图,1-27 IGBT,的结构、简化等效电路和,电气图形符号,a),内部结构断面示意图,b),简化等效电路,c),电气图形符号,R,N,为晶体管基区内的调制电阻。,第五节 其他新型电力电子器件,IGBT,的工作原理,绝缘栅双极晶体管,IGBT,的驱动原理与,电力,MOSFET,基本相同，是一种,场控,器件。,电导调制效应,使得电阻,R,N,减小，这样高耐压的,IGBT,也具有很小的,通态压降,。,其开通和关断是由栅极和发射极间的电压,U,GE,决定的。,当,U,GE,为正且大于开启电压,U,GE(th),时，,MOSFET,内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而,使,IGBT,导通。,当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，,MOSFET,内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，,使得,IGBT,关断。,第五节 其他新型电力电子器件,IGBT,的基本特性,静态特性,绝缘栅双极晶体管,转移特性,描述的是集电极电流,I,C,与栅射电压,U,GE,之间的关系。,开启电压,U,GE(th),是,IGBT,能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随,温度,升高而略有下降。,图,1-29 IGBT,的转移特性和输出特性,a),转移特性,第五节 其他新型电力电子器件,IGBT,的基本特性,静态特性,绝缘栅双极晶体管,输出特性（伏安特性）,描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流,I,C,与集射极间电压,U,CE,之间的关系。,分为三个区域：,正向阻断区,、,有源区,和,饱和区,。,当,U,CE,0,时，,IGBT,为反向阻断工作状态。,在电力电子电路中，,IGBT,工作在,开关状态,，因而是在,正向阻断区,和,饱和区,之间来回转换。,图,1-29 IGBT,的转移特性和输出特性,b),输出特性,第五节 其他新型电力电子器件,IGBT,的基本特性,动态特性,绝缘栅双极晶体管,关断过程,关断延迟时间,t,d(off),电压上升时间,t,rv,电流下降时间,t,fi,关断时间,t,off,=,t,d(off),+,t,rv,+,t,fi,t,fi,分为,t,fi1,和,t,fi2,两段,引入了少子储存现象，,因而,IGBT,的开关速度要低于电力,MOSFET,。,开通过程,开通延迟时间,t,d(on),电流上升时间,t,r,电压下降时间,t,fv,开通时间,t,on,=t,d(on),+t,r,+,t,fv,t,fv,分为,t,fv1,和,t,fv2,两段。,图,1-30 IGBT,的开关过程,第五节 其他新型电力电子器件,IGBT,的主要参数,绝缘栅双极晶体管,前面提到的,各参数。,由器件内部的,PNP,晶体管所能承受的,击穿电压所确定的。,最大集射极间电压,U,CES,包括额定直流电流,I,C,和,1ms,脉宽最大,电流,I,CP,。,最大集电极电流,在正常工作温度下,允许的最大耗散功率。,最大集电极功耗,P,CM,第五节 其他新型电力电子器件,绝缘栅双极晶体管,在相同电压和电流定额的情况下，,IGBT,的,安全工作区,比,GTR,大，,而且具有耐脉冲电流冲击的能力。,02,输入阻抗,高，其输入特性与电力,MOSFET,类似。,04,开关速度,高，,开关损耗,小。,01,通态压降,比,VDMOSFET,低，,特别是在电流较大的区域。,03,与电力,MOSFET,和,GTR,相比，,IGBT,的,耐压,和,通流能力,还可以进一步提高，同时保持,开关频率,高的特点。,05,IGBT,的特性和参数特点总结,第五节 其他新型电力电子器件,IGBT,的擎住效应和安全工作区,绝缘栅双极晶体管,IGBT,的擎住效应,在,IGBT,内部寄生着一个,N,-,PN,+,晶体管和作为主开关器件的,P,+,N,-,P,晶体管组成的寄生晶闸管。其中,NPN,晶体管的基极与发射极之间存在,体区短路电阻,，,P,形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对,J,3,结施加一个,正向偏压,，,一旦,J,3,开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，,这种现象称为,擎住效应,或,自锁效应,。,第五节 其他新型电力电子器件,IGBT,的擎住效应和安全工作区,绝缘栅双极晶体管,IGBT,的擎住效应,引发擎住效应的原因，可能是,集电极电流,过大（静态擎住效应），,d,U,CE,/d,t,过大（动态擎住效应），或,温度,升高。,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，,因此所允许的最大集电极电流实际上是根据,动态擎住效应,而确定的。,本章小结,将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问题作了全面的介绍。,电力电子器件归类,按照器件内部,电子和空穴,两种载流子参与导电的情况,单极型,：,肖特基二极管、电力,MOSFET,和,SIT,等。,双极型,：,基于,PN,结的电力二极管、晶闸管、,GTO,和,GTR,等。,复合型,：,IGBT,、,SITH,和,MCT,等。,图,2-26,电力电子器件分类“树”,本章小结,电力电子器件归类,按驱动类型,电压,驱动型器件,单极型器件和复合型器件。,共同特点是：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,驱动型器件,双极型器件。,共同特点是：,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，驱动电路也比较复杂。,本章小结,电力电子器件归类,按控制信号的波形,电平,控制型器件,电压驱动型器件和部分电流驱动型器件,（如,GTR,）,脉冲,触发型器件,部分电流驱动型器件（如晶闸管和,GTO,）,本章小结,电力,MOSFET,和,IGBT,中的技术创新仍然在继续，,IGBT,还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域。,宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料。,20,世纪,90,年代中期以来，逐渐形成了,小功率（,10kW,以下）,场合以,电力,MOSFET,为主，,中、大功率,场合以,IGBT,为主的压倒性局面，在,10MVA,以上或者数千伏以上,的应用场合，如果不需要自关断能力，那么,晶闸管,仍然是目前的首选器件。,电力电子器件的现状和发展趋势,