电力电子技术基础 Fundamentals of Power Electronics Technology

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1 电力电子技术基础 Fundamentals of Power Electronics Technology
South China University of Technology Fundamentals of Power Electronics Technology 电力电子技术基础

2 第二部分 电力电子器件 South China University of Technology 6

3 1.6 绝缘栅双极型晶体管

4 GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强；开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。
电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ——IGBT的产生思路    GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强；开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。      MOSFET的优点——单极型，电压驱动，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；容量小。 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

5 电力电子技术 电力电子技术基础 ——IGBT的概况 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ——IGBT的概况    绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor— —IGBT或IGT）  GTR和MOSFET复合，结合二者的优点， 具有好的特性  1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件  继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位

6 电力电子技术 电力电子技术基础 ——IGBT的结构 IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ——IGBT的结构 IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor

7 电力电子技术 电力电子技术基础 ——IGBT的结构 第二部分 电力电子器件 Powerex CM300DY-24H 4x IGBT
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ——IGBT的结构 Powerex CM300DY-24H 4x IGBT 4x Diode

8 电力电子技术 电力电子技术基础 ————IGBT的静态特性 ★ 输出特性 ★ 饱和电压特性 ★ 转移特性
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ————IGBT的静态特性 ★ 输出特性 饱和区 ★ 饱和电压特性 ★ 转移特性 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具负温度系数 在以上的区段则具有正温度系数，并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联

9 拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢
电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ——IGBT的动态特性 拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢

10 电力电子技术 电力电子技术基础 ——IGBT的擎住（Latch）效应 ★ 静态擎住 ★ 动态擎住 ★ 过热擎住 第二部分 电力电子器件
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ——IGBT的擎住（Latch）效应 ★ 静态擎住 P区体电阻RP引发擎住 ★ 动态擎住 关断过急→位移电流 CJ—PN结电容 RG 不能过小，限制关断时间。 ★ 过热擎住 RP 及PNP、NPN 电流放大倍数 因温度升高而增大。 （150℃时ICM降至1/2）

11 电力电子技术 电力电子技术基础 ——IGBT的主要参数 1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ——IGBT的主要参数 1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2)  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 3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗

12 电力电子技术 电力电子技术基础 ——IGBT的特性和参数特点
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ——IGBT的特性和参数特点 (1)  开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上 时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力 MOSFET相当 (2)  相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力 (3)   通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域 (4)   输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 (5) 与MOSFET和GTR相比，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 IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数

13 1.7 其他新型电力电子器件

14 1996年出现 电力电子技术 电力电子技术基础 ———集成门极换流晶闸管
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———集成门极换流晶闸管 集成门极换流晶闸管（IGCT）是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。 1996年出现

15 IGCT损耗低、开关快速等这些优点保证了它能可靠、高效率地用于300 kVA～10MVA变流器，而不需要串联或并联。
电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———集成门极换流晶闸管 IGCT损耗低、开关快速等这些优点保证了它能可靠、高效率地用于300 kVA～10MVA变流器，而不需要串联或并联。 IGCT将成为高功率高电压变频器的首选功率器件。

16 电力电子技术 电力电子技术基础 ———功率模块与功率集成电路 第二部分 电力电子器件 Toshiba Fuji Semikron
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———功率模块与功率集成电路 Toshiba Fuji Semikron Powerex Eupec/Infineon Standard modules Low labor content Improved reliability Reduced cost

17 电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———功率模块与功率集成电路

18 由于MCT与IGBT在相同的工作频率下，其关断的控制难度要高，制作工艺更复杂，所以其商业化速度没有IGBT那么快。
电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———MOS控制晶闸管MCT   MCT是一种新型MOS/双极复合器件。它是在普通晶闸管中用集成电路工艺制作大量的MOS开关，通过MOS开关的通断来控制晶闸管的开启和关断。所以，MCT既有晶闸管良好的阻断和通态特性，又具有MOS场效应管输入阻抗高，驱动功率低和开关速度快的优点，同时克服了晶闸管速度慢，不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大的缺点。 由于MCT与IGBT在相同的工作频率下，其关断的控制难度要高，制作工艺更复杂，所以其商业化速度没有IGBT那么快。

19 优点 电力电子技术 电力电子技术基础 ———MOS控制晶闸管MCT
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———MOS控制晶闸管MCT 优点 MCT工作于超掣住状态，是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/ s 和2000V/ s。其工作结温亦高达150～200℃。　

20 新型电力电子器件可分为结型场控器件和绝缘栅型场控器件两大类。
电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———静电感晶体管SIT 新型电力电子器件可分为结型场控器件和绝缘栅型场控器件两大类。 结型场控器件主要是指静电感应晶闸管SITH、静电感应晶体管SIT和双级模式静电感应晶体管BSIT。 源漏电流受栅极上的外加垂直电场控制的垂直沟道场效应晶体管,简称静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor）。

21 电力电子技术 电力电子技术基础 ———静电感晶体管SIT
第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———静电感晶体管SIT SIT是利用漏极电压和门极电压的静电感应来调制沟道内部的电位分布和势垒高度，从而控制由源区注入的多子浓度，进而控制漏极电流ID的大小。这是“静电感应”一词的含意。SIT是电压控制器件，而且是门极为零时，它处于导通状态，因此SIT是常开型器件。在门源极加负电压，可关断它。 D S G N—SIT P—SIT

22 1、传输时间短，工作频率高，频带宽，开关速度快。 2、电流容量大，增益高。 3、易得到高的耐压。
电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———静电感晶体管SIT的优点 1、传输时间短，工作频率高，频带宽，开关速度快。 2、电流容量大，增益高。 3、易得到高的耐压。 4、电流通道上没有PN结，不会出现二次击穿，抗烧性好。 5、 属电压控制型器件，阻抗属电容性，容易驱动。 6、输入阻抗高、输出阻抗低、输出功率大、负载能力强。 7、 抗辐照能力强。噪声低、线性度好。

23 1、开关速度和工作频率可以很高，所以适合用于做高频SIT和微波SIT。
电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———静电感晶体管SIT的应用 1、开关速度和工作频率可以很高，所以适合用于做高频SIT和微波SIT。 2、采用多个沟道并联，沟道内是高阻材料，适用于大电流、高电压下作功率电子器件。 3、负载时有电压放大倍数基本不变的特点，可以使功率放大失真度小，适用于需要线性功率放大的地方。

24 5、我国SIT类器件已有一定基础，已研究开发二十余种SIT类器件，但功率较大的SIT仍在开发中。
电力电子技术 第二部分 电力电子器件 电力电子技术基础 ———静电感晶体管SIT的应用 4、SIT的特点是频率覆盖范围宽、功率覆盖范围大，广泛应用于高保真度的音响设备、电源、电机控制、通信机、电视差转机以及雷达、导航和各种电子仪器中。 5、我国SIT类器件已有一定基础，已研究开发二十余种SIT类器件，但功率较大的SIT仍在开发中。 6、产品的发展趋势是模块化、大功率化。

25 END!