《新能源汽車電力電子技術(shù)》課件-任務(wù)1 大功率電子器件

項(xiàng)目四電力器件及電力電路PART041.了解大功率電子器件的類型。2.掌握電力二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理。3.掌握晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性。4.掌握電力晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性。5.掌握電力場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理。6.掌握絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性。7.掌握智能功率模塊的組成及工作原理。任務(wù)目標(biāo)一、電力二極管（一）電力二極管組成電力二極管主要由一個PN結(jié)和兩個引出極組成，它的PN結(jié)面積較大，兩個引出極分別為陽極A和陰極K。電力二極管使用的圖形符號也與中、小功率電力二極管一樣，其結(jié)構(gòu)簡圖和圖形符號如右圖所示。任務(wù)1大功率電子器件（二）電力二極管基本特征1.PN結(jié)的基本性能（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)呈低阻狀態(tài)。（2）PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)：PN結(jié)呈高阻狀態(tài)。（3）PN結(jié)的反向擊穿。（4）PN結(jié)的電容效應(yīng)。任務(wù)1大功率電子器件2.電力二極管的特性與主要參數(shù)（1）靜態(tài)特性。電力二極管的靜態(tài)特性主要指其伏安特性。當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值，正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IT對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UT即為其正向電壓降（0.7V）。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。任務(wù)1大功率電子器件（2）動態(tài)特性。動態(tài)特性主要是指開關(guān)特性，反映導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓-電流特性是隨時間變化的。任務(wù)1大功率電子器件（三）電力二極管類型1.普通二極管普通二極管又稱整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高的整流電路中。其反向恢復(fù)時間較長，一般在5s以上。普通二極管按照所用的半導(dǎo)體材料不同，可分為鍺二極管和硅二極管；按管芯結(jié)構(gòu)不同，可分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管和平面型二極管；根據(jù)用途不同，又可分為整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管等。任務(wù)1大功率電子器件任務(wù)1大功率電子器件2.快速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管的恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短，一般5μs以下，也簡稱快速二極管?？焖倩謴?fù)二極管是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管。主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。任務(wù)1大功率電子器件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，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管在結(jié)構(gòu)原理上與PN結(jié)二極管有很大區(qū)別，它的內(nèi)部是由陽極金屬、二氧化硅消除邊緣區(qū)域的電場、N-外延層、N型硅基片、N+陰極層及陰極金屬等構(gòu)成，在N型基片和陽極金屬之間形成肖特基勢壘。任務(wù)1大功率電子器件二、晶閘管（一）晶閘管類型1.按控制方式分晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。2.按引腳和極性分晶閘管按其引腳和極性可分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。任務(wù)1大功率電子器件3.按封裝形式分晶閘管按其封裝形式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。4.按電流容量分晶閘管按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種。5.按關(guān)斷速度分晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通晶閘管和快速晶閘管。任務(wù)1大功率電子器件（二）晶閘管結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管是四層三端器件，它有三個極：陽極A、陰極K和門極G，并形成3個PN結(jié)：J1、J2、J3。為了說明晶閘管的工作原理，從N1和P2中間將晶閘管分為兩個部分，分別構(gòu)成P1N1P2晶體管和N1P2N2晶體管，這樣可以把晶閘管等效為兩只晶體管組成的一對互補(bǔ)管，其中左下部分為NPN型管，右上部分為PNP型管。對于P1N1P2晶體管，P1N1為發(fā)射結(jié)，N1P2為集電結(jié)；對于N1P2N2晶體管，P2N2為發(fā)射結(jié)，N1P2為集電結(jié)，因此N1P2為公共集電結(jié)。任務(wù)1大功率電子器件任務(wù)1大功率電子器件如果把電源Ea反接，VT1和VT2都不具備放大工作條件，即使有觸發(fā)信號，晶閘管也無法工作而處于關(guān)斷狀態(tài)。同樣，在沒有輸入觸發(fā)信號或觸發(fā)信號極性相反時，即使晶閘管加上正向電壓。它也無法導(dǎo)通。任務(wù)1大功率電子器件（三）晶閘管的工作特性1.靜態(tài)特性（1）正常工作時的特性。①當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。②當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。③晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。④若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。任務(wù)1大功率電子器件（2）晶閘管伏安特性。晶閘管陽極與陰極間的電壓和晶閘管陽極電流的關(guān)系，簡稱晶閘管的伏安特性。任務(wù)1大功率電子器件①晶閘管反向伏安特性。晶閘管的反向特性是指晶閘管的反向陽極電壓（陽極相對陰極為負(fù)電壓）與陽極漏電流的伏安特性。任務(wù)1大功率電子器件②晶閘管正向伏安特性。晶閘管的正向特性是指晶閘管的正向陽極電壓（陽極相對陰極為正電壓）與陽極漏電流的伏安特性，包括通態(tài)和斷態(tài)兩種情況。任務(wù)1大功率電子器件2.動態(tài)特性（1）開通過程。①由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。②延遲時間td(0.5~1.5μs)；上升時間tr(0.5~3μs)；開通時間tgt=td+tr。③延遲時間隨門極電流的增大而減小，上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓，延遲時間和上升時間都可顯著縮短。任務(wù)1大功率電子器件（2）關(guān)斷過程。①由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。②反向阻斷恢復(fù)時間trr；正向阻斷恢復(fù)時間tgr；關(guān)斷時間tq=trr+tgr。③關(guān)斷時間約幾百微秒。任務(wù)1大功率電子器件任務(wù)1大功率電子器件（四）晶閘管主要參數(shù)1.晶閘管電壓參數(shù)（1）正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM。（2）反向關(guān)斷狀態(tài)重復(fù)峰值電壓URRM。（3）額定電壓。（4）正向平均電壓降UF。（5）正向轉(zhuǎn)折電壓UBO。（6）反向擊穿電壓UBR。（7）導(dǎo)通狀態(tài)電壓UTM。任務(wù)1大功率電子器件2.晶閘管電流參數(shù)（1）通態(tài)平均電流ITA。（2）維持電流IH。（3）斷態(tài)重復(fù)峰值電流IDRM。（4）反向重復(fù)峰值電流IRRM。（5）擎住電流IL。（6）浪涌電流ITSM。任務(wù)1大功率電子器件3.晶閘管門極參數(shù)（1）門極觸發(fā)電壓UGT。（2）門極觸發(fā)電流IGT。任務(wù)1大功率電子器件三、電力晶體管（GTR）（一）電力晶體管（GTR）結(jié)構(gòu)電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常類似。電力晶體管是由三層硅半導(dǎo)體（兩個PN結(jié)）構(gòu)成的，它和小功率晶體管一樣，也有PNP和NPN兩種結(jié)構(gòu)。即電力晶體管的中間是一塊很薄的半導(dǎo)體，兩邊各為一塊半導(dǎo)體，從3塊半導(dǎo)體上各自引出一根引線就是晶體管的3個電極，B為基極，C為集電極，E為發(fā)射極，如圖（a）所示為PNP型電力晶體管結(jié)構(gòu)，中間是N型半導(dǎo)體，兩邊各為一塊P型半導(dǎo)體，B、C、E為3個引出電極，其符號如圖（b）所示。任務(wù)1大功率電子器件任務(wù)1大功率電子器件（二）電力晶體管（GTR）共發(fā)射極接法晶體管電路有共發(fā)射極、共基極、共集電極三種接法。圖中，1為從基極注入的越過正向偏置發(fā)射結(jié)的空穴，2為與電子復(fù)合的空穴，3為因熱騷動產(chǎn)生的載流子構(gòu)成的集電結(jié)漏電流，4為越過集電結(jié)形成集電極電流的電子，5為發(fā)射極電子流在基極中。任務(wù)1大功率電子器件（三）電力晶體管（GTR）基本特性1.電力晶體管（GTR）靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的電力晶體管（GTR）典型輸出特性分為：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。任務(wù)1大功率電子器件（1）截止區(qū)。（2）放大區(qū)。（3）飽和區(qū)。（4）準(zhǔn)飽和區(qū)。（5）失控區(qū)。任務(wù)1大功率電子器件2.電力晶體管（GTR）動態(tài)特性（1）開通過程。延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大IB1的幅值并增大diB/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程。任務(wù)1大功率電子器件（2）關(guān)斷過程。關(guān)斷過程中，ts為儲存時間，tf為下降時間，二者之和為關(guān)斷時間toff。ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流IB2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。減小導(dǎo)通時的飽和深度的負(fù)面作用是使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降UCES增加，從而增大通態(tài)損耗。任務(wù)1大功率電子器件（四）電力晶體管（GTR）特點(diǎn)GTR區(qū)別于小功率晶體管在于它能輸出大的功率。GTR的另一個重要性能是當(dāng)溫度和工作狀態(tài)改變時的穩(wěn)定性。由于GTR在大耗散功率下工作，當(dāng)工作電流和工作電壓變化時會導(dǎo)致GTR的溫度急劇變化，這樣又引起晶體管的工作狀態(tài)急劇變化，還會在其內(nèi)部產(chǎn)生大的機(jī)械應(yīng)力，引起GTR損壞。因此，GTR應(yīng)有下列性能要求或參數(shù)：具有高的極限工作溫度、小的熱阻、小的飽和導(dǎo)通壓降或飽和電阻、工作穩(wěn)定可靠、大電流容量、高耐壓和快的開關(guān)速度。任務(wù)1大功率電子器件（五）GTR的主要參數(shù)1.最高工作電壓UCEMGTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿，擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。有UCBO＞UCEX＞UCES＞UCEO，實(shí)際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比UCEO低得多。2.集電極最大允許電流ICM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的時所對應(yīng)的IC，實(shí)際使用時要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一點(diǎn)。任務(wù)1大功率電子器件3.集電結(jié)最大耗散功率PCM集電結(jié)最大耗散功率PCM是晶體管在熱特性方面的指標(biāo)。一般來講，集電結(jié)消耗的功率比發(fā)射結(jié)大得多，因此晶體管總的消耗功率近似認(rèn)為是集電結(jié)消耗的功率。耗散功率要產(chǎn)生熱量，熱量使集電結(jié)結(jié)溫升高，結(jié)溫升高使集電極電流增大，又使集電結(jié)結(jié)溫升高，這是一個正反饋的過程。因此必須要有良好的散熱條件，才能保證晶體管可靠工作。在開關(guān)狀態(tài)下，GTR的耗散功率PCM主要來自導(dǎo)通損耗、截止損耗和開關(guān)損耗三個方面。任務(wù)1大功率電子器件4.二次擊穿當(dāng)集電極電壓升高至擊穿電壓時，IC迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿，此擊穿即一次擊穿。發(fā)生一次擊穿時，IC增大，但集電結(jié)電壓基本不變，只要IC不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。當(dāng)IC增大到某個臨界點(diǎn)時會急劇上升，并伴隨集電極電壓的陡然下降，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。二次擊穿持續(xù)時間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，必須避免。任務(wù)1大功率電子器件5.安全工作區(qū)為了確保GTR在開關(guān)過程中能安全可靠地工作，它的動態(tài)軌跡必須限定在特定的范圍內(nèi)，該范圍被視為GTR的安全工作區(qū)，一般由GTR最大工作電流ICM、最大耗散功率PCM、最高工作電壓UCEM和二次擊穿臨界功率線PSB4條線直接圍成。任務(wù)1大功率電子器件四、電力場效應(yīng)晶體管（一）電力場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)（1）開關(guān)速度快，高頻特性好。（2）高輸入阻抗，低驅(qū)動電流。（3）安全工作區(qū)寬，不存在二次擊穿。（4）熱穩(wěn)定性能優(yōu)良，易并聯(lián)。任務(wù)1大功率電子器件（二）電力場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)MOSFET經(jīng)歷了常規(guī)小信號橫向N溝導(dǎo)MOSFET、橫向雙擴(kuò)散MOSFET、V形槽MOSFET和垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOSFET的發(fā)展過程。任務(wù)1大功率電子器件（三）電力場效應(yīng)晶體管工作原理1.VDMOS工作原理電力MOSFET有3個極：柵極G、源極S和漏極D。這種N溝道增強(qiáng)型器件在使用時源極接電源負(fù)極，漏極接電源正極，N溝道增強(qiáng)型電力MOSFET的符號如下圖。任務(wù)1大功率電子器件2.VDMOS的主要參數(shù)（1）開啟電壓UGS（th）。開啟電壓即擴(kuò)散溝道區(qū)發(fā)生變形使溝道導(dǎo)通所必需的柵源電壓。隨著柵極電壓的增加，導(dǎo)電溝道逐漸“增強(qiáng)”，即其電阻逐漸減小，電流逐漸增大。（2）漏極電流ID。當(dāng)柵極加適當(dāng)?shù)臉O性和大小的電壓時，溝道連接了源極和漏極的輕摻雜區(qū)，并且產(chǎn)生了漏極電流，當(dāng)漏極電壓較小時，漏極電流與漏極電壓呈線性關(guān)系。任務(wù)1大功率電子器件（四）MOSFET應(yīng)用1.鉗位感應(yīng)開關(guān)2.NMOS關(guān)斷電路任務(wù)1大功率電子器件3.P溝道直接驅(qū)動任務(wù)1大功率電子器件五、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）（一）絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極型晶體管是一種由場效應(yīng)管和晶體管組合成的復(fù)合器件。就IGBT的結(jié)構(gòu)而言，是在N溝道MOSFET的漏極N層上又附加一層P層的P-N-P-N的四層結(jié)構(gòu)。任務(wù)1大功率電子器件從右圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一個PNP型晶體管和增強(qiáng)型NMOS管，有三個極：C極（集電極）、G極（柵極）和E極（發(fā)射極）。任務(wù)1大功率電子器件（二）絕緣柵雙極型晶體管工作原理IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。任務(wù)1大功率電子器件（三）絕緣柵雙極型晶體管工作特性1.靜態(tài)特性（1）IGBT的伏安特性是指以柵源電壓UGS為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。（2）IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關(guān)系曲線。（3）IGBT的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。任務(wù)1大功率電子器件2.動態(tài)特性IGBT在開通過程中，大部分時間是MOSFET來運(yùn)行的，只是在漏源電壓UDS下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又有了一段延遲時間。tD（ON）為開通延遲時間，tri為電流上升時間。應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間ton即為tD（ON）與tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成。任務(wù)1大功率電子器件IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。MOSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，tD（OFF）為關(guān)斷延遲時間，tre為電壓UDS（f）的上升時間。應(yīng)用中給出的漏極電流的下降時間tf由t（fi1）和t（fi2）兩段組成。任務(wù)1大功率電子器件（四）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）柵極驅(qū)動1.驅(qū)動電壓對IGBT的影響任務(wù)1大功率電子器件2.IGBT一般驅(qū)動方式（1）小功率的IGBT驅(qū)動。AC220V采用自舉IGBT驅(qū)動，高頻脈沖變壓器，直流電壓驅(qū)動。AC400V采用簡單光耦的新型自舉IGBT驅(qū)動器。（2）中等功率的IGBT驅(qū)動。AC400V采用自舉供電的光耦。AC690V采用隔離的脈沖變壓器以及復(fù)雜的IGBT驅(qū)動系統(tǒng)。任務(wù)1大功率電子器件（3）大功率的IGBT驅(qū)動。采用隔離變壓器的IGBT驅(qū)動。采用Uce飽和壓降進(jìn)行過電流檢測和管理的IGBT驅(qū)動系統(tǒng)，包括軟關(guān)斷動作，以及分別采用不同的門極電阻進(jìn)行開通和關(guān)斷。任務(wù)1大功率電子器件（五）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）保護(hù)電路1.IGBT的失效機(jī)制（1）MOS絕緣柵結(jié)構(gòu)在高溫情況下會失去絕緣能力。（2）由于硅芯片與鋁導(dǎo)線之間熱