第2章_理想开关和半导体开关

IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射 极E
发射极 栅极 G E N+ N N+ N P P J3 J N 2 N+ J1 P+ C 集电极 a)
+ +
漂移区 缓冲区 G 注入区
VJ1+ ID RN + + IDRon -
C IC C G
E b) c)
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
特点——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小
开关速度快，工作频率高
热稳定性优于GTR
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
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为 P沟道 和N沟道
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之 间就存在导电沟道 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极 电压大于（小于）零时才存在导电沟道
电力二极管的外形、结构和电气图形符号
I IF
O UTO
UF
U
电力二极管的伏安特性
2.4 晶闸管
晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器（SCR） 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取 代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管 广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接 且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
A P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K
G
K
K
J1 J2 J3
G
A
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2章 理想开关和半导体开关
赵春柳
理想开关
1.开关处于关断状态时流过的漏电流为零
2.开关处于导通时开关的电压降为零
3.开关的关断状态和导通状态的切换时间为零
理想开关和半导体开关
理想开关
开关导通时间 电压降为零
半导体开关
存在正向压降
开关关断时间
开关动作时间
完全关断
无
存在漏电流
需要一定时间
2.1 用开关来进行电能变换
Ri VDi Li
di 抑制电路 dt uCE iC 无缓冲电路时 di 无 抑制电路 时 dt iC uCE
缓冲电路 V Rs
VDs
有缓冲电路时 O di 有 抑制电路 时 dt
Cs
t
L VD
a)
a) 电路
b)
di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 图1-38
b) 波形

按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，
分为以下三类：
1）半控型器件——通过控制信号可以控制
其导通而不能控制其关断 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和 电流决定
2）全控型器件——通过控制信号既可控制其导 通又可控制其关断，又称自关断器件
其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发 光触发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，称为光 控晶闸管（LTT） 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速 而可靠的控制手段
2.9 缓冲电路
缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、 du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗
关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关 断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时 的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起——复 合缓冲电路 其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 （无损吸收电路） 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电 路叫做di/dt抑制电路
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称
为电力MOSFET）
门极可关断晶闸管（GTO）
3）不可控器件——不能用控制信号来控制其 通断，因此也就不需要驱动电路 电力二极管
只有两个端子，器件的通和断是由其在主
电路中承受的电压和电流决定的
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号 的 性质，分为两类： 1）电流驱动型——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 2）电压驱动型——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 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的 电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的 电场来改变流过器件的电流大小和通断状态， 所以又称为场控器件(Field Controlled Device)， 或场效应器件
P-MOSFET通态导电时的等效电
阻具有正温度系数，电流具有负温度系
数（即温度升高时等效电阻加大，电流
减小），因此结温升高，其等效电阻变
大，电流变小，不易产生内部局部热点，
这一特点还使多个器件并联工作时能自
动调节、均匀负载电流。
2.7 IGBT 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 两类器件取长补短结合而成的复合器件— Bi-MOS器件
晶闸管本身的压降很小，在1V左右
动态特性
iA 100% 90%
10% 0 uAK
td
tr
t
IRM
O
t
trr
URRM t gr
2.5 电力晶体管
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
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组 成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成
2.6 电力MOSFET
也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor——FET）
但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）
简称 电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶 体管（Static Induction Transistor——SIT）
静态特性
承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到 接近于零的某一数值以下
IA
晶闸管的阳 极伏安特性
第I象限的是 正向特性 第III象限的 是反向特性
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导 电的情况分为三类：
1）单极型器件——由一种载流子参与导
电的器件 2）双极型器件——由电子和空穴两种载 流子参与导电的器件 3）复合型器件——由单极型器件和双极
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型器件集成混合而成的器件
2.3 电力二极管
A A K I
P J b)
N
K
K
A a) c)
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
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，即工作在截止 区或饱和区
饱和区
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 Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uc e
截止区 O
图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性
电力MOSFET主要是N沟道增强型
MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减 小时间常数，加快开关速度 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应， 因而关断过程非常迅速 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 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关 过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功 率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
1.理想开关进行电能变换，其开关器件没有能量 损耗，半导体开关器件存在能量损耗； 2.用开关来进行电能变换的控制方式有移相控制
和PWM控制；
3.电能变换后一半采用LC低通滤波器来滤除高频 成分；在采用PWM控制方式中，LC滤波器在设 计时使其谐振频率为开关器件的开关频率的十分 之一左右。
2.2 电力半导体器件的分类
缓冲电路作用分析 无缓冲电路： V开通时电流迅速上升，di/dt很大 关断时du/dt很大，并出现很高的过电压 有缓冲电路 V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个 台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢 V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻 了V的负担，抑制了du/dt和过电压
URSM URRM -UA IH O
正向 导通
IG2
IG1
IG=0
UDRM Ubo +UA UDSM
雪崩 击穿
-IA
晶闸管阳极伏安特性 IG2>IG1>IG
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状 态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超
过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急
剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”， 一般不允许硬开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿