功率场效应晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBT其他器件ppt课件

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1、1.2.3 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 功率场效应晶体管是20世纪70年代中后期开发的新型功率半导体器件，通常又叫绝缘栅功率场效应晶体管，简称为PMOSFET，用字母PM表示。功率场效应晶体管已开展了多种构外型式，本节主要引见目前运用最多的单极VDMOS、N沟道加强型PM，G(栅 极)S(源 极)D(漏 极)(a)(b)GSD(c)GSDVD1VD2 因源极S与漏极D间存在寄生二极管。管子截止时，漏源间的反向电流就在此二极管内流动。因此，PMOSFET又可用图b表示。G(栅 极)S(源 极)D(漏 极)(a)(b)GSD(c)GSDVD1VD2G(栅 极)S(源 极)D(漏 极)(a)(

2、b)GSD(c)GSDVD1VD2 在变流电路中，PMOSFET本身的寄生二极管流过反向大电流，能够会导致元件损坏。为防止电路中反向大电流流过PMOSFET，在它的外面常并接一个快速二极管VD2，串接一个二极管VD1。因此，PMOSFET元件在变流电路中的实践方式如图c。特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需求的驱动功率小。开关速度快，任务频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，普通只适用于功率不超越10kW的电力电子安装。G(栅 极)S(源 极)D(漏 极)(a)(b)GSD(c)GSDVD1VD2 1、当栅源极间的电压UGS0或0UGSUVUV为开启电压，又叫阈值电压，典型值

3、为24 V时，即使加上漏源极电压UDS，也没有漏极电流ID出现，PM处于截止形状。2、当UGSUV且UDS0时，会产生漏极电流ID，PM处于导通形状，且UDS越大，ID越大。另外，在一样的 UDS下，UGS越大，ID越大。G(栅 极)S(源 极)D(漏 极)(a)(b)GSD(c)GSDVD1VD2 综上所述，综上所述，PMPM的漏极电的漏极电流流IDID受控于栅受控于栅源电压源电压UGSUGS和和漏漏源电压源电压UDS UDS。(ID(ID受双重受双重控制控制 (1)输入阻抗高，属于纯容性元件，不需求直流电流驱动，属电压控制器件，可直接与数字逻辑集成电路衔接，驱动电路简单。(2)开关速度快，

4、任务频率可达1 MHz，比GTR器件快10倍，可实现高频斩波，开关损耗小。(3)为负电流温度系数，即器件内的电流随温度的上升而下降的负反响效应，因此热稳定性好，不存在二次击穿问题，平安任务区SOA较大。1.P-MOSFET的主要特性的主要特性2.PMOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路 1 对栅极驱动电路的要求对栅极驱动电路的要求 (1)为为PM的栅极提供所需求的栅压，以保证的栅极提供所需求的栅压，以保证P-MOSFET可靠导通。可靠导通。(2)减小驱动电路的输入电阻以提高栅极充放电速减小驱动电路的输入电阻以提高栅极充放电速度，从而提高器件的开关速度。度，从而提高器件的开关速度。(3)实现主

5、电路与控制电路间的电隔离。实现主电路与控制电路间的电隔离。(4)由于由于PM的任务频率和输入阻抗都较高，很容的任务频率和输入阻抗都较高，很容易被干扰，所以栅极驱动电路还应具有较强的抗干易被干扰，所以栅极驱动电路还应具有较强的抗干扰才干。扰才干。t0uGTUG1UG2 理想的栅极控制电压波形如图，提高栅极电压上升率duG/dt可缩短开通时间，但过高会使管子在开通时接受过高的电流冲击。正、负栅极电压的幅值UG1、UG2要小于器件规定的允许值。2 栅极驱动电路根本电路型式栅极驱动电路根本电路型式(a)共源极电路；(b)共漏极电路；(c)转换开关电路；(d)交流开关电路 PMuiuoRoUC C(a)

6、PMuiuoRoUC C(b)PM1ui1UC C(c)VD1PM2ui2VD2RoPM1ui1(d)VD1RoPM2VD2ui2ui(1)图a是共源极电路：相当于普通晶体管的共发射极电路。(2)图b是共漏极电路：相当于射极跟随器。(3)图c转换开关电路：PM1与PM2轮番驱动导通可构成半桥式逆变器。(4)图d交流开关电路：PM1、VD2导通时，负载为交流正向；PM2、VD1导通时，负载为交流负向，它是交流调压电路的常用方式。图4-21 P-MOSFET逆变器 PM1Uo12 VPM2&0.01 F100 k1 M 3 驱动电路举例驱动电路举例1 1、图、图4-214-21是一种数控逆变是一种

7、数控逆变器，两个器，两个P-MOSFETP-MOSFET的栅极的栅极不用任何接口电路直接与不用任何接口电路直接与数字逻辑驱动电路衔接。数字逻辑驱动电路衔接。该驱动电路是由两个与非门与RC组成的振荡电路。当门输入高电平常，电路起振时，在PM1、PM2的栅极分别产生高、低电平，使它们轮番导通，将直流电压变为交流电压，实现逆变。振荡频率由电容与电阻值决议。图 4-22 直流斩波的驱动电路 VD1FPM2VD2C1V2CI3PM1PM3UiVD4VD3MLIo UD U 2、图4-22为直流斩波的驱动电路。斩波电源为UD，由不可控整流器件获得，当管子PM2导通时，负载得电，输出电流Io0。当PM2关断

8、时，VD4续流，直到Io0，VD4断开，接着PM3导通。P-MOSFET在电力变流技术中主要有以下运用：(1)在开关稳压调压电源方面，可运用P-MOSFET器件作为主开关功率器件可大幅度提高任务频率，任务频率普通在200400 kHz。频率提高可使开关电源的体积减小，分量减轻，本钱降低，效率提高。目前，P-MOSFET器件已在数十千瓦的开关电源中运用，正逐渐取代GTR。3.P-MOSFET3.P-MOSFET的运用的运用 (2)将P-MOSFET作为功率变换器件。由于P-MOSFET器件可直接用集成电路的逻辑信号驱动，而且开关速度快，任务频率高，大大改善了变换器的功能，因此在计算机接口电路中运

9、用较多。(3)将P-MOSFET作为高频的主功率振荡、放大器件，在高频加热、超声波等设备中运用，具有高效、高频、简单可靠等优点。1.2.4 1.2.4 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 1.IGBT1.IGBT的任务原理的任务原理 IGBT IGBT的构造是在的构造是在P-MOSFETP-MOSFET构造的根底上作了相应构造的根底上作了相应的改善，相当于一个由的改善，相当于一个由P-MOSFTET P-MOSFTET 驱动的厚基区驱动的厚基区GTR GTR，其简化等效电路和电气符号如图。其简化等效电路和电气符号如图。GRBCPNPJ1NPNJ2J3ERB EGECV1图 4-23 IGBT

10、的简化等效电路 图4-24 IGBT的图形符号 GRBCPNPJ1NPNJ2J3ERBE IGBT有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G。在运用电路中，IGBT的C接电源正极，E接电源负极。它的导通和关断由栅极电压来控制。栅极施以正向电压时，IGBT导通。导通后的IGBT具有较低的通态压降。在栅极上施以负电压时，IGBT关断。IGBT的导通原理与PM一样。2.IGBT2.IGBT的特性的特性 IGBT IGBT的伏安特性又称静态输出特性反映了的伏安特性又称静态输出特性反映了在一定的栅在一定的栅射极电压射极电压UGEUGE下，器件的输出端电压下，器件的输出端电压UCEUCE与与电流电流IC

11、IC的关系。的关系。UGEUGE越高，越高，ICIC越大。与普通晶体管的伏越大。与普通晶体管的伏安特性一样，安特性一样，IGBTIGBT的伏安特性分为截止区、有源放大区、的伏安特性分为截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。饱和区和击穿区。0ICUGE增 加UBMUCEOUCE(a)(b)IC0UGE(TH)UGE 需求留意的是，IGBT的反向电压接受才干很差，从曲线可知，其反向阻断电压UBM只需几十伏，因此限制了它在需求接受高反压场所的运用。0ICUGE增 加UBMUCEOUCE(a)(b)IC0UGE(TH)UGE0ICUGE增加UBMUCEOUCE(a)(b)IC0UGE(TH)UGE图是I

12、GBT的转移特性曲线。UGEUGE(TH)时,IGBT开通.(UGE(TH)是IGBT的开启电压,普通为3-6伏).开通后,电流IC与电压UGE根本呈线性关系.UGEUGE(TH)时,IGBT关断.1 1 栅极驱动电路栅极驱动电路 由于由于IGBTIGBT的输入特性几乎和的输入特性几乎和PMOSFETPMOSFET一样，一样，因此因此P-MOSFETP-MOSFET的驱动电路同样适用于的驱动电路同样适用于IGBTIGBT。3.IGBT3.IGBT的栅极驱动电路及其维护的栅极驱动电路及其维护IGBTVDW1VDW215 VVD2VD1V UDDR1RLui 1 采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路

13、图是采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路。其任务原理是：控制脉冲ui经晶体管V放大后送到脉冲变压器，由脉冲变压器耦合，并经VDW1、VDW2稳压限幅后驱动IGBT。脉冲变压器的初级并接了续流二极管VD1，以防止V中能够出现的过电压。R1限制栅极驱动电流的大小，R1两端并接了加速二极管，以提高开通速度。2 推挽输出栅极驱动电路推挽输出栅极驱动电路 图图4-27是一种采用光耦合隔离的由是一种采用光耦合隔离的由V1、V2组成的推挽输出栅组成的推挽输出栅极驱动电路。当控制脉冲使光耦合关断时，光耦合输出低电平，极驱动电路。当控制脉冲使光耦合关断时，光耦合输出低电平，使使V1截止，截止，V2导通，导通，IGB

14、T在在VDW1的反偏作用下关断。当控的反偏作用下关断。当控制脉冲使光耦合导通时，光耦合输出高电平，制脉冲使光耦合导通时，光耦合输出高电平，V1导通，导通，V2截止，截止，经经UCC、V1、RG产生的正向电压使产生的正向电压使IGBT开通。开通。V1V2VDW1VDW2R3RGR2RUCCR5IGBTR4 3 公用集成驱动电路 EXB系列IGBT公用集成驱动模块是日本富士公司出品的，它们性能好，可靠性高，体积小，得到了广泛的运用。EXB850、EXB851是规范型，EXB840、EXB841是高速型，它们的内部框图如图4-28所示，各管脚功能列于表4-2，表4-3是其额定参数。2 IGBT的维护

15、 1)过电流维护 IGBT运用于电力电子系统中，对于正常过载如电机启动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等，系统能自动调理和控制，不至损坏IGBT。对于不正常的短路缺点，要实行过流维护，通常的做法是：(1)切断栅极驱动信号。只需检测出过流信号，就在2s内迅速撤除栅极信号。(2)当检测到过流缺点信号时，立刻将栅极电压降到某一电平，同时启动定时器，在定时器到达设置值之前，假设缺点消逝，那么栅极电压恢复正常任务值；假设定时器到达设定值时缺点仍未消除，那么使栅极电压降低到零。这种维护方案要求维护电路在12 s内呼应。2)过电压维护过电压维护 利用缓冲电路能对利用缓冲电路能对IGBT实行过电压制制并限制

16、过量实行过电压制制并限制过量的电压变化率的电压变化率du/dt。但由于。但由于IGBT的平安任务区宽，因的平安任务区宽，因此改动栅极串联电阻的大小可减弱此改动栅极串联电阻的大小可减弱IGBT对缓冲电路的对缓冲电路的要求。然而，由于要求。然而，由于IGBT控制峰值电流的才干比控制峰值电流的才干比P-MOSFET强，因此在有些运用中可不用缓冲电路。强，因此在有些运用中可不用缓冲电路。3)过热维护过热维护 利用温度传感器检测利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超越允许温度的壳温，当超越允许温度时，主电路跳闸以实现过热维护。时，主电路跳闸以实现过热维护。图 4-30 单管模块的内部电路和输出特性(a)

17、单管模块；(b)输出特性 ECEG(a)(b)0246810160320480640201512108UCE/VUGE7 VTC25IC/A4.IGBT4.IGBT的功率模块的功率模块图 4-31 双管模块的内部构造和输出特性(a)内部构造；(b)输出特性 C1E1(a)G2E1/C2G2E2E2(b)02468107 V1012152020406080UC E/VUG E 8 VTC 25IC/A图 4-32 六管模块的内部电路 GAEAGXEXGBEBGYEYGCECGZEZABC表表4-6 4-6 东芝东芝MG25N2S1MG25N2S1的最大额定值的最大额定值TCTC2525 表表4-

18、7 4-7 东芝东芝MG25N2S1MG25N2S1的电气特性的电气特性TCTC2525 图 4-33 智能模块内部框图 过 流 保 护短 路 保 护 层驱 动 器欠 压 保 护控 制 输 入D过 流 保 护短 路 保 护 层驱 动 器欠 压 保 护控 制 输 入故障输出过 流 保 护1.2.5 1.2.5 静电感应晶体管静电感应晶体管 1.什么叫GTR的一次击穿和二次击穿？2.怎样确定GTR的平安任务区SOA？3.GTR对基极驱动电路的要求是什么？4.在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路？5.与GTR相比，功率MOS管有何优、缺陷？6.试简述功率场效应管IGBT在运用中的本卷须知。7.与GTR相比，IGBT管有何特点？习题及思索题习题及思索题 8.下表给出了1200 V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电阻引荐值。试阐明为什么随着电流容量的增大，栅极电阻值相应减小?9.试述静电感应晶体管SIT的性能特点。10.试述静电感应晶闸管SITH的性能特点。