功率變換技術(shù)主講人：朱穎電力電子器件12學(xué)習(xí)目標(biāo)能力目標(biāo)了解功率變換電路中常用的電力電子器件的原理與應(yīng)用培養(yǎng)學(xué)生歸納和學(xué)習(xí)相關(guān)資料的能力

電力電子器件知識(shí)準(zhǔn)備：功率變換技術(shù)是新能源汽車的調(diào)速和轉(zhuǎn)向等動(dòng)力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其基本作用就是通過合理、有效地控制電源系統(tǒng)電壓、電流的輸出和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓、電流的輸入，完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的控制。此外，新能源汽車的充電及低壓設(shè)備的供電也是通過相應(yīng)的功率變換技術(shù)完成。電力電子器件正向著大容量、高可靠性、裝置體積小、節(jié)約電能和智能化方向發(fā)展。除了早期使用的功率二極管、晶閘管外，目前常用的器件主要有門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵極晶體管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）等。從新能源汽車的應(yīng)用上看，MOSFET、IGBT具有較好的應(yīng)用前景。電力電子器件問題1：什么是功率二極管？1）功率二極管的主要類型：功率二極管的類型主要有三種:(1)普通二極管。普通二極管又稱為整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高（1kHZ以下）的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5μs以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。電力電子器件問題1：什么是功率二極管？1）功率二極管的主要類型：功率二極管的類型主要有三種:(2)快速恢復(fù)二極管?？焖倩謴?fù)二極管可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。其中前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長；后者則在100ns以下，甚至達(dá)到如20～30ns。電力電子器件問題1：什么是功率二極管？1）功率二極管的主要類型：功率二極管的類型主要有三種:(3)肖特基二極管。以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SBD，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)是：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10～40ns），正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下，其正向壓降也很?。ㄍǔＴ?.5Ⅴ左右），明顯低于快速恢復(fù)二極管（通常在1V左右或更大），其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速恢復(fù)二極管要小。肖特基二極管的弱點(diǎn)是，當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合。同時(shí)，由于反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，反向穩(wěn)態(tài)損耗不可忽略，而且必須嚴(yán)格限制其工作溫度。電力電子器件問題1：什么是功率二極管？2）PN結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性：(1)PN結(jié)型功率二極管PN結(jié)型功率二極管的基本結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，正向偏置時(shí)表現(xiàn)為低限態(tài),形成正向電流,稱為正向?qū)?；而反向偏置時(shí)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過,稱為反向截止。根據(jù)容量和型號(hào)，功率二極管有各種不同的封裝。功率二極管有兩個(gè)電極，分別是分別是陽極A和陰極K。電力電子器件問題1：什么是功率二極管？2）PN結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性：(1)PN結(jié)型功率二極管伏安特性與關(guān)斷過程電力電子器件問題1：什么是功率二極管？2）PN結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性：（2）肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管，簡稱肖特基二極管（SehottkyBarrierDiode，SBD）,是利用金屬與N型半導(dǎo)體表面接觸形成勢壘的非線性特性制成的二極管。由于N型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，而金屬中僅有極少量的自由電子，當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體接觸后，電子便從濃度高的N型半導(dǎo)體中向濃度低的金屬中擴(kuò)散，隨著電子不斷從半導(dǎo)體擴(kuò)散到金屬，半導(dǎo)體表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢壘，其電場方向?yàn)榘雽?dǎo)體→金屬。在該電場作用之下，金屬中的電子也會(huì)產(chǎn)生從金屬→半導(dǎo)體的漂移運(yùn)動(dòng)，從而削弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡，便形成了肖特基勢壘。電力電子器件問題1：什么是功率二極管？2）PN結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性：（2）肖特基勢壘二極管盡管肖特基二極管具有和結(jié)型二極管相仿的單向?qū)щ娦?，但其?nèi)部物理過程卻大不相同。由于金屬中無空穴，因此不存在從金屬流向半導(dǎo)體材料的空穴流，即SBD的正向電流僅由多子形成，從而沒有結(jié)型二極管的少子存儲(chǔ)現(xiàn)象，反向恢復(fù)時(shí)沒有抽取反向恢復(fù)電荷的過程，因此反向恢復(fù)時(shí)間很短,僅為10～40ns。肖特基二極管導(dǎo)通壓降比普通二極管和快恢復(fù)二極管低，這有助于降低二極管的導(dǎo)通損耗，提高電路的效率。但其反向耐壓在200V以下，因此適用于低電壓輸出的場合。電力電子器件問題1：什么是功率二極管？3）功率二極管的主要參數(shù)：（1）額定電壓??RR反向不重復(fù)峰值電壓??RSM是指即將出現(xiàn)反向擊穿的臨界電壓，反向不重復(fù)峰值電壓??RSM的80％稱為反向重復(fù)峰值電壓??RRM。??RRM也被定義為二極管的額定電壓??RR。（2）額定電流??FR功率二極管的額定電流??FR被定義為在環(huán)境溫度+40℃和規(guī)定的散熱條件下，其管芯PN結(jié)的溫升不超過允許值時(shí)，所允許流過的正弦半波電流平均值。電力電子器件問題1：什么是功率二極管？3）功率二極管的主要參數(shù)：（3）正向壓降正向壓降是指在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的正向壓降。（4）最高工作結(jié)溫??????結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不損壞的前提下所能承受的最高平均溫度，通常在125℃~175℃之間。（5）浪涌電流????????浪涌電流是指功率二極管所能承受的最大的連續(xù)的一個(gè)或幾個(gè)周期的過電流。電力電子器件問題2：什么是功率場效應(yīng)晶體管？1）功率場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理：MOSFET種類和結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極間存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型；對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。在功率MOSFET中，應(yīng)用較多的是N溝道增強(qiáng)型。功率MOSFET導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但在結(jié)構(gòu)上有較多區(qū)別。小功率MOS管是一次擴(kuò)散形成的器件，其導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，是橫向?qū)щ娖骷?。而功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能大大提高器件的耐壓和通流能力。電力電子器件問題2：什么是功率場效應(yīng)晶體管？2）功率MOSFET導(dǎo)電機(jī)理：?a)??GS=0b)＜??GS＜??Tc)??GS＞??T電力電子器件問題2：什么是功率場效應(yīng)晶體管？3）功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性及輸出特性：?（1）截止區(qū)，??GS＜??T，??D=0。?（2）飽和區(qū)，或稱為有源區(qū)，??GS＞??T，在該區(qū)中當(dāng)??GS不變時(shí)，??D幾乎不隨??DS的增加而加大，近似于一個(gè)常數(shù)，故稱為飽和區(qū)。當(dāng)用于開關(guān)工作時(shí)，MOSFET在此區(qū)內(nèi)運(yùn)行。?（3）非飽和區(qū)，或稱為可調(diào)電阻區(qū)，這時(shí)漏源電壓??DS與漏極電流??D之比近似為常數(shù)，而幾乎與??GS無關(guān)。當(dāng)MOSFET作為線性放大時(shí)，應(yīng)工作在此區(qū)。電力電子器件問題2：什么是功率場效應(yīng)晶體管？3）功率MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的開關(guān)特性：電力電子器件問題3：什么是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）？電力晶體管（GTR）屬于雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，其優(yōu)點(diǎn)是通流能力很強(qiáng)，但不足之處是開關(guān)速度相對(duì)低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，而MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快，輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，而且驅(qū)動(dòng)電路簡單；缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降大。于是有人提出將這兩類器件的優(yōu)點(diǎn)，即GTR的低導(dǎo)通壓降與MOSFET的高輸入阻抗結(jié)合起來．制成復(fù)合型器件，通常稱為Bi-MOS器件，即絕緣柵雙極型晶體管（Insulate-GateBipolarTransistor，IGBT）。它綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有低導(dǎo)通壓降和高輸入阻抗的綜合優(yōu)點(diǎn)。它自投入市場以來，應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)已成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。當(dāng)前IGBT即應(yīng)用水平已達(dá)到：2500～6500V，600～2500A。電力電子器件問題3：什么是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）？1）IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理：IGBT比MOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，因而形成了一個(gè)大面積的P+、N+結(jié)J1。這樣使得IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向基區(qū)發(fā)射少量載流子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力電力電子器件1）IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理：問題3：什么是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）？2）IGBT基本特性：IGBT的輸出特性也分為3個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。這分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。此外，當(dāng)??CE＜0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)，在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力電子器件問題3：什么是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）？3）IGBT動(dòng)態(tài)特性：IGBT中雙極型PNP型晶體管的存在，雖然帶來電導(dǎo)調(diào)制效