电力电子技术第二章总结

第一篇：电力电子技术第二章总结

2016 电力电子技术

作业：第二章总结

班级：XXXXXX学号：XXXXXXX姓名：XXXXXX 第二章电力电子器件 总结 1.概述

不可控器件——电力二极管(Power Diode)GPD FRD SBD 半控型器件——晶闸管(Thyristor)FST TRIAC LTT 典型全控型器件 GTO GTR MOSFET IGBT 其他新型电力电子器件 MCT SIT SITH IGCT 功率集成电路与集成电力电子模块 HVIC SPIC IPM 1.1相关概念

主电路(Main Power Circuit):在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路｡ 电力电子器件(Power Electronic Device)是指可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件｡

1.2特点

电功率大,一般都远大于处理信息的电子器件｡ 一般都工作在开关状态｡

由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路(主要对控制信号进行放大)｡ 功率损耗大,工作时一般都需要安装散热器｡

通态损耗,断态损耗,开关损耗(开通损耗 关断损耗)开关频率较高时,可能成为器件功率损耗的主要因素｡

电力电子器件在实际应用中的系统组成

一般是由控制电路､驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统｡ 关键词 电力电子系统 电气隔离 检测电路 保护电路 三个端子

1.3电力电子器件的分类 按能够被控制电路信号控制的程度不同可分为 半控型器件(开通可控,关断不可控)全控型器件(开通,关断都可控)不可控器件(开通,关断都不可控)按照驱动信号的性质不同可分为 电流驱动型 电压驱动型

按照驱动信号的波形(电力二极管除外)不同可分为 脉冲触发型 电平控制型

按照载流子参与导电的情况不同可分为 单极型器件(由一种载流子参与导电)双极型器件(由电子和空穴两种载流子参与导电)复合型器件(由单极型器件和双极型器件集成混合而成,也称混合型器件)关键词 控制的程度 驱动信号的性质､波形 载流子参与导电的情况 工作原理 基本特性 主要参数

2不可控器件——电力二极管(Power Diode)2.1结构与工作原理

电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的｡

PN节(PN junction):采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结｡

N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体｡

P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体｡

正向电流IF :当PN结外加正向电压(正向偏置)时,在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流｡

反向截止状态:当PN结外加反向电压时(反向偏置)时,反向偏置的PN结表现为高阻态,几乎没有电流流过的状态｡

反向击穿:PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN结反向偏置为截止的工作状态｡雪崩击穿 齐纳击穿(可以恢复)热击穿(不可恢复)P-i-N结构 电导调制效应(Conductivity Modulation):当正向电流较小时,管压降随正向电流的上升而增加;当正向电流较大时,电阻率明显下降,电导率大大增加的现象｡ 关键词 少子 扩散运动 空间电荷区(耗尽层､阻挡区､势垒区)结电容CJ:PN结中的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应｡(微分电容)扩散电容CD:扩散电容仅在正向偏置时起作用｡正向电压较高时,扩散电容为结电容主要成分｡ 势垒电容CB:势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显｡在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为主｡

作用:结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作｡

2.2基本特性

静态特性(伏安特性)门槛电压UTO 正向电压降UF

反向漏电流是由少子引起的微小而数值定｡ 动态特性

结电容 零偏置,正向偏置,反向偏置 不能立即转换状态 过渡过程

正向偏置时

延迟时间:td=t1-t0

电流下降时间:tf = t2-t1 反向恢复时间:trr= td + tf

恢复特性的软度:Sr= tf / td,或称恢复系数,Sr越大恢复特性越软｡

由零偏置转换为正向偏置

过冲UFP : 原因:1)电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存,在达到稳态导通之前管压降较大｡2)正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降｡电流上升率越大,UFP越高｡

正向恢复时间:tfr

2.3主要参数

正向平均电流IF(AV)正向压降UF 反向重复峰值电压URRM 最高工作结温TJM 反向恢复时间trr 浪涌电流IFSM

2.4主要类型

普通二极管(General Purpose Diode)快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件——晶闸管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)3.1结构和工作原理

内部是PNPN四层半导体结构如图a)P1 区引出阳极A､N2 区引出阴极K､ P2 区引出门极G 工作原理可以用双晶体管模型解释如右图b)｡

工作过程关键词: IG V2 Ic2 Ic1 正反馈 触发 门触发电路

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 光触发 结温较高 只有门极触发是最精确､迅速而可靠的控制手段｡

3.2基本特性

静态特性

正常工作特性

当晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通 ｡ 当晶闸管承受正向电压时,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,不论门极触发电流是否还存在,晶闸管都保持导通 ｡ 若要使已导通的晶闸管关断,只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下｡ 伏安特性

如右图所示 包括正向特性和反向特性

正向转折电压Ubo 维持电流IH

反向最大瞬态电压URSM 反向重复峰值电压URRM 断态重复峰值电压UDRM 断态最大瞬时电压UDSM

动态特性

如右图所示

延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt=td+tr 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr

3.3主要参数(包括电压定额和电流定额)电压定额

断态重复峰值电压UDRM 反向重复峰值电压URRM 通态(峰值)电压UT

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压｡选用时,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍｡ 电流定额

通态平均电流 IT(AV)维持电流IH 擎住电流 IL 浪涌电流ITSM 动态参数

开通时间tgt和关断时间tq 断态电压临界上升率du/dt 通态电流临界上升率di/dt

3.4晶闸管的派生器件

快速晶闸管(Fast Switching Thyristor, FST)双向晶闸管(Triode AC Switch——TRIAC or Bidirectional Triode Thyristor)逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶闸管(Light Triggered Thyristor, LTT)

典型全控型器件

4门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)晶闸管的一种派生器件,但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断,因而属于全控型器件｡

4.1结构与工作原理

其结构原理可以参考晶闸管 数十个甚至数百个小GTO单元

4.2基本特性

静态特性和普通晶闸管类似 动态特性

储存时间ts 下降时间tf 尾部时间tt

4.3主要参数

最大可关断阳极电流IATO 电流关断增益off 开通时间ton 关断时间toff

5电力晶体管(Giant Transistor, GTR)5.1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｡ 最主要的特性是耐压高､电流大､开关特性好｡ 达林顿接法 单元结构 并联 三层半导体 两个PN结

5.2基本特性

右图所示

静态特性

右图所示 动态特性

右图所示

5.3主要参数

电流放大倍数 直流电流增益hFE

集电极与发射极间漏电流Iceo 集电极和发射极间饱和压降Uces 开通时间ton和关断时间toff 最高工作电压

BUceo:基极开路时集电极和发射极间的击穿电压

实际使用GTR时,为了确保安全,最高工作电压要比BUceo低得多｡集电极最大允许电流IcM

集电极最大耗散功率PcM

6电力场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET)6.1结构和工作原理

SDDGN+PN+N+沟道PN+N-GGN+SSDN沟道P沟道a)b)

6.3基本特性

图1-19静态特性

动态特性

MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系,可以降低栅极驱动电路的内阻Rs,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度｡

6.4主要参数

跨导Gfs､开启电压UT以及开关过程中的各时间参数｡

漏极电压UDS

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

栅源电压UGS

极间电容 CGS､CGD和CDS｡

漏源间的耐压､漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区｡

7绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT or IGT)综合了GTR和MOSFET的优点 场控器件

7.1结构和工作原理

内部结构图

其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的｡

7.2基本特性

静态特性 转移特性 输出特性 动态特性

开通过程

开通延迟时间td(on)电流上升时间tr 电压下降时间tfv 开通时间ton= td(on)+tr+tfv

tfv分为tfv1和tfv2两段｡

关断过程

关断延迟时间td(off)电压上升时间trv 电流下降时间tfi

关断时间toff = td(off)+trv+tfi

tfi分为tfi1和tfi2两段

7.3主要参数

最大集射极间电压UCES 最大集电极电流 最大集电极功耗PCM

8其他新型电力电子器件

MOS控制晶闸管MCT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH 集成门极换流晶闸管IGCT

基于宽禁带半导体材料的电力电子器件

第二篇：电力电子技术总结

电力电子技术总结

1晶闸管是三端器件，三个引出电极分别是阳极，门极和阴极。2单向半波可控整流电路中，控制角α最大移相范围是0~180°

3单相半波可控整流电路中，从晶闸管开始导通到关断之间的角度是导通角 4在电感性负载三相半波可控整流电路中，晶闸管承受的最大正向电压为√6U2 5在输入相同幅度的交流电压和相同控制角的条件下，三相可控整流电路与单相可控整流电路比较，三相可控可获得较高的输出电压

6直流斩波电路是将交流电能转化为直流电能的电路

7逆变器分为有源逆变器和无源逆变器8大型同步发电机励磁系统处于灭磁运行时，三相全控桥式变流器工作于有源逆变

9斩波器的时间比控制方式分为点宽调频，定频调宽，调宽调频三种 10 DC/DC变换的两种主要形式为斩波电路控制型和直交直电路 11在三相全控桥式变流电路中，控制角和逆变角的关系为α+β=π

12三相桥式可控整流电路中，整流二极管在每个输入电压基波周期内环流次数为6次 13在三相全控桥式整流逆变电路中，直流侧输出电压Ud=-2.34U2cosβ 14在大多数工程应用中，一般取最小逆变角β的范围是β=30° 15在桥式全控有源逆变电路中，理论上你逆变角β的范围是0~30° 16单相桥式整流电路能否用于有源逆变电路中 是

17改变SPWM逆变器中的调制比，可以改变输出电压的幅值 电流型逆变器中间直流环节贮能元件是大电感

19三相半波可控整流电路能否用于有源逆变电路中？ 能

20在三相全控整流电路中交流非线性压敏电阻过电压保护电路的连接方式有星型和三角形 21抑制过电压的方法之一是用储能元件吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗 22为了利用功率晶闸管的关断，驱动电流后延应是一个负脉冲 180°导电型电压源型三相桥式逆变电路，其换相是在同一桥臂的上下两个开关元件之间进行

24改变SPWM逆变器的调制波频率，可以改变输出电压的基波频率。

25恒流驱动电路中抗饱和电路的主要作用是减小器件的存储时间，从而加快关断时间。26在三相全控桥式整流电路单脉冲触发方式中，要求脉冲宽度大于60° 27整流电路的总的功率因数P/S 28 PWM跟踪控制法的常用的有滞环比较方式和三角波比较方式

29单相PWM控制整流电路中，电源IsY与Us完全相位时，该电路工作在整流状态 30 PWM控制电路中载波比为载波频率与调制信号之比 Fc/Fr 31电力电子就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。分为电力电子器件制造技术和变流技术

32电力电子系统由主电路，控制电路，检测电路，驱动电路和保护电路组成。33整流电路：将交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。34逆变电路定义：把直流电逆变为交流电的电路

35有源逆变电路：将交流侧和电网连接时的逆变电路，实质是整流电路形式。36无源逆变电路：将交流侧不与电网连接，而直接接到负载的电路。逆变电路分类：为电压型逆变电路（直流侧为电压源）和电源型逆变电路（直流侧为电流源）38 PWM控制定义：脉冲宽度控制技术39 SPWM波形：PWM波形脉冲宽度按正弦规律变化，与正弦波等效时。40异步调制：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式，即N值不断变化。

41控制方式：保持载波频率Fc固定不变，这样当调制信号频率Fr变化时，载波比N试变化的

42同步调制：在逆变器输出变频工作时，使载波与调制信号波保持同步的调制方式，即改变调制信号波频率的同时成正比的改变载波频率，保持载波比N等于常数。

43分段同步调制：把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内保持载波比N为恒定，不同频段内的载波比不同。

第三篇：电力电子技术课程总结

学 号：1111111111

Hefei University

功率变换技术课程综述

报告题目：IGBT研究现状及发展趋势

专业班级： XXXXXXXXXXXX 学生姓名： XXX 教师姓名： ZZZZZ老师 完成时间： 2017年5月14日

IGBT研究现状及发展趋势

中 文 摘 要

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

关键词：IGBT；半导体；研究现状；发展前景

Present situation and development trend of IGBT research

ABSTRACT IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), insulated gate bipolar transistor, is composed of BJT(bipolar transistor)and MOS(insulated gate FET)composite full controlled voltage composed of driven power semiconductor devices, has the advantages of high input impedance and low conductance GTR with MOSFET through the two aspects pressure drop.The GTR saturation voltage is reduced, the carrier current density is large, but the driving current is large.The driving power of MOSFET is very small and the switching speed is fast, but the turn-on voltage drop is large and the carrier current density is small.IGBT combines the advantages of the above two devices, small driving power and lower saturation voltage KEYWORD:IGBT;Semiconductor;Status;Development prospect.一、引言..............................................................................................................1

二、IGBT介绍.....................................................................................................1 2.1 什么是IGBT..........................................................................................1 2.2 IGBT的各种有关参数...........................................................................1 2.3驱动方式及驱动功率..............................................................................2

三、存在的问题....................................................................................................4

四、研究现状........................................................................................................5

五、发展趋势........................................................................................................6 参考文献................................................................................................................7

一、引言

自20 世纪50 年代末第一只晶闸管问世以来, 电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台, 以此为基础开发的可控硅整流装置, 是电气传动领域的一次革命, 使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代, 这标志着电力电子的诞生。

进入70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品, 普通晶闸管不能自关断的半控型器件, 被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高, 电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展, 是电力电子技术的又一次飞跃, 先后研制出GTR.GTO, 功率MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件, 开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。

二、IGBT介绍

2.1 什么是IGBT 绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和双极晶体管(Bipolar)基础上发展起来的一种新型复合功率器件，具有MOS输入、双极输出功能。IGBT集Bipolar器件通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。作为电力电子变换器的核心器件，为应用装置的高频化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基础。

自IGBT商业化应用以来，作为新型功率半导体器件的主型器件，IGBT在1—100kHz的频率应用范围内占据重要地位，其电压范围为600V—6500V，电流范围为1A—3600A(140mm x 190mm模块)。IGBT广泛应用于工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术，因此被称为功率变流产品的“CPU”、“绿色经济之核”。在未来很长一段时间内，为适应全球降低CO2排放的战略需要，IGBT必将扮演更为重要的角色，是节能技术和低碳经济的重要支点。

2.2 IGBT的各种有关参数

2.2.1容量

低功率IGBT应用范围一般都在600V、1KA、1KHZ以上区域，为满足家电行业的需求，ST半导体，三菱公司推出低功率IGBT产品，适用于微波炉，洗衣机等。而非传统性IGBT采用薄片技术，在性能上高速，低损耗，在设计600V-1200V的IGBT时，其可靠性最高。2.2.2 开关频率

IGBT的开通过程按时间可以分为四个过程，如下：第一：门射电压Vge小于阀值电压Vth时。其门极电阻RG和门射电容CGEI的时间常数决定这一过程。当器件的集电极电流IC 和集射电压VCE均保持不变时，CGEI就是影响其导通延迟时间tdon的唯一因素。第二：当门射电压Vge达到其阀值电压时，开通过程进入第二阶段，IGBT开始导通，其电流上升速率dI/dt的大小与门射电压Vge和器件的跨导gfs有如下关系：dIc/dt=gfs（Ic）＊dVge/dt。其中，dVge/dt由器件的门极电阻Rg和门射电容CGEI所决定（对于高压型IGBT来说，门集电容Cgc可忽略不计）。第三：第三阶段从集电极电流达到最大值ICmax。第四：通之后，器件进入稳定的导通状态。

2.2.3 关断过程

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。

2.3驱动方式及驱动功率

2.3.1 栅极驱动电压

因IGBT栅极—发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行驱动，但 IGBT 的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET 驱动所需偏压强。在+20℃情况下，实测60 A，1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为5～6 V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，当Uge 增

加时，导通时集射电压Uce将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程Uge 增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc的选择不应太大，这足以使 IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力）。2.3.2对电源的要求

对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于 IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使 IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止 IGBT 关断时产生的du/dt误使IGBT导通，应加上一个-5V的关栅电压，以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿，一般为-2～10V之间)。2.3.3对驱动波形的要求

从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使 IGBT 快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在 IGBT 关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压 Ldi/dt，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成 IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及 du/dt 吸收电路性能综合考虑。

2.3.4对驱动功率的要求

由于 IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出：IGP=△Uge/RG+Rg；式中△ Uge=+Uge+|Uge|；RG是IGBT内部电阻；Rg 是栅极电阻。

驱动电源的平均功率为：PAV=Cge△Uge2f，（*式中f为开关频率；Cge 为栅极电容)。2.3.5 栅极电阻

为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT集电极的电压尖峰，应在IGBT栅极串上合适的电阻Rg。当Rg增大时IGBT导通时间延长，损耗发热

加剧;Rg减小时，di/dt 增高，可能产生误导通，使 IGBT 损坏。应根据 IGBT 的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取 Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间(在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整)。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏IGBT，建议在栅射间加入一电阻Rge，阻值为10 kΩ左右。

2.3.6栅极布线要求

合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护IGBT正常工作有很大帮助：

（1）布线时须将驱动器的输出级和lGBT之间的寄生电感减至最低(把驱动回路包围的面积减到最小)；

（2）正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合；

（3）应使用辅助发射极端子连接驱动电路；

（4）驱动电路输出不能和 IGBT 栅极直接相连时，应使用双绞线连接；（5）栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。2.3.7 隔离问题

由于功率IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离。

三、存在的问题

因为IGBT工作时，其漏极区（p+区）将要向漂移区（n-区）注入少数载流子——空穴，则在漂移区中存储有少数载流子电荷；当IGBT关断（栅极电压降为0）时，这些存储的电荷不能立即去掉，从而IGBT的漏极电流也就相应地不能马上关断，即漏极电流波形有一个较长时间的拖尾——关断时间较长（10～50ms）。所以IGBT的工作频率较低。为了缩短关断时间，可以采用电子辐照等方法来降低少数载流子寿命，但是这将会引起正向压降的增大等弊病。

IGBT中存在有寄生晶闸管—MOS栅控的n+-p-n-p+晶闸管结构，这就使得器件的最大工作电流要受到此寄生晶闸管闭锁效应的限制（采用阴极短路技术可以适当地减弱这种不良影响）。

四、研究现状

最近20年中，IGBT的发展很快，技术改进方案很多，并且实用化。每种改进措施的采取，都会把IGBT的性能向前推进。其中，最重要的还是不断把“通态压降—开关时间”的矛盾处理到更为优化的折衷点。不同公司宣布自己研制生产的IGBT进入了第X代。但是，总体看，随着重大技术改进措施的成功，可以把IGBT的演变归纳成以下五代。

（1）第一代：即平面栅(PT)型。它提出了在功率MOS场效应管结构中引入一个漏极侧pn结以提供正向注入少数载流子实现电导调制来降低通态压降的基本方案。

（2）第二代：采用缓冲层，精密控制图形和少子寿命的平面栅穿通（PT）型外延衬底IGBT。器件纵向采用n′缓冲层，既可以减薄有效基区厚度和硅片总厚度来减小通态压降，又能降低该发射结的注入系数，以抑制“晶闸管效应”。器件横向（平面）采用精密图形，减少每个元胞的尺寸，提高器件的开关速度。再采用专门的扩铂与快速退火措施，以控制基区内少数载流子寿命的较合理分布。这样的IGBT耐压达到1200V，通态压降达到2.1-2.3V，锁定效应得到有效抑制。这时，IGBT已经充分实用化了。

（3）第三代：沟槽栅（Trench gate）型IGBT。这一代IGBT采取沟槽栅结构代替平面栅。在平面栅结构中，电流流向与表面平行的沟道时，栅极下面由P阱区围起来的一个结型场效应管（J-FET）是电流的必经之路，它成为电流通道上的一个串联电阻。在沟槽栅结构中，这个栅下面的J-FET是被干法刻蚀的工艺很好地挖去了，连同包围这个区域、延伸到原来栅极下构成沟道的部分P区层也都挖掉。于是n+发射源区和留下的P区层就暴露在该沟槽的侧壁，通过侧壁氧化等一系列特殊加工，侧壁氧化层外侧的P区内形成了垂直于硅片表面的沟道。

（4）第四代：非穿通（NPT）型IGBT。随着阻断电压突破2000V的需求，IGBT中随承受电压的基区宽度超过150微米。这时靠高阻厚外延来生成硅衬底的做法，不仅十分昂贵（外延成本同外延层厚度成正比），而且外延层的掺杂浓度和外延层厚度的均匀性都难以保证。这时，采用区熔单晶硅片制造IGBT的呼声日渐成熟，成本可以大为降低，晶体完整性和均匀性得到充分满足。

（5）第五代：电场截止（FS）型。当单管阻断电压进一步提高，硅片的基区厚度就会急剧增加。于是，IGBT的通态压降势必随其耐压的提高而增大。FS型IGBT吸收了PT型和NPT型两类器件的优点，形成硅片厚度比NPT型器件薄约

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3、又保持正电阻温度系数单极特征的各项优点。

五、发展趋势

IGBT作为电力电子领域非常理想的开关器件，各种新结构、新工艺及新材料技术还在不断涌现，推动着IGBT芯片技术的发展，其功耗不断降低，工作结温不断升高，从125℃提升到了175℃并向200℃迈进，并可以在芯片上集成体二极管，形成逆导IGBT(RC-IGBT/BIGT)，无需再反并联续流二极管，在相同的封装尺寸下，可将模块电流提高30%，还可以将电流及温度传感器集成到芯片内部，实现芯片智能化。

IGBT芯片内部集成传感器通过对IGBT芯片的边缘结构进行隔离处理，可以形成具有双向阻断能力的IGBT(RB-IGBT),在双向开关应用中无需再串联二极管，并具有更小的漏电流及更低的损耗。

与此同时，IGBT的工艺水平也在不断提升，许多先进工艺技术，如离子注入、精细光刻等被应用到IGBT制造上。IGBT芯片制造过程中的最小特征尺寸已由5um，到3um，到1um，甚至达到亚微米的水平。采用精细制造工艺可以大幅提高功率密度，同时可以降低结深，减小高温扩散工艺，从而使采用12英寸甚至更大尺寸的硅片来制造IGBT成为可能。随着薄片与超薄片加工工艺的发展，英飞凌在8英寸硅片上制造了厚度只有40um的芯片样品，不久的未来有望实现产品化应用。

此外，新材料如宽禁带半导体材料技术的发展，可以实现更低功耗、更大功率容量、更高工作温度的器件，其中SiC成为目前的大功率半导体的主要研究方向，并在单极器件上实现商品化，在IGBT等双极器件的研究上也不断取得进展。目前IGBT主要受制造工艺及衬底材料的缺陷限制，例如沟道迁移率及可靠性、电流增益较小及高掺杂P型衬底生长等问题，未来随着材料外延技术的发展，SiC IGBT将会实现突破。

参考文献

[1] 王兆安，黄俊电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2000.[2] 陈志明.电力电子器件基础[M].北京：机械工业出版社，1992 [3] 周志敏，周纪海，纪爱华.IGBT和IPM及其应用电路，北京：人民邮电出版社，2006.3

[4] 刘国友, 罗海辉, 刘可安等.牵引用3300V IGBT芯片均匀性及其对可靠性的影响[J]，机车电传动，2013, No.231(02)6-9

第四篇：电力电子技术实验总结

电力电子技术实验总结

物理系 自动化二班

对于工科大学生，在大学里我们应在生活学习中参加科学研究实践，学会进行科学研究的方法，为今后参加科学研究工作打下基础尤为重要。拿我个人来说，通过半年对电力电子技术实验的学习，在老师的循循善诱，谆谆教导下，通过循序渐进的系统学习和操作训练，对实验的知识和思想有了冰山之一角的认识，自己从中受益匪浅。

首先，实验课给我提供了手脑并用的良好机会，对培养自己理论联系实际的科学作风也有特殊的功能，每次做实验前，都会提前读实验教材讲义和相关参考资料，完成预习报告，做好实验准备，经过一年半的学习，明显觉得自己的自学能力大大提高了。其次，在实验教材和老师的提示下，独立地对实验进行操作，正确观察实验现象，进行实验数据测量，发现自己的动手能力也提高了。同时，每次都会列出实验表格，记录和处理数据，绘制数据曲线，运用课本上的理论对实验进行分析判断，并撰写实验报告，明显感觉到自己的分析判断能力和表达能力得到充分的锻炼。

通过这个学期的电力电子技术基础实验，我觉的作为一名工科类的学生，我深知自己的实践能力仍十分欠缺，需要不断的提高，而实验正是一个很好的机会能够锻炼我的动手能力和思维创新能力，在学习及实验的同时我也学到了很多其他课程上没有学到的知识。这样的学习方法使得我们可以更深入的理解实验的原理，也同时拓宽了我们的思维创新能力。随着实验的水平的提高，对我们的要求也会越来越高，这更能够促使我们进步。希望以后我们会有比较开放的实验，这样可以充分调动我们的动手能力，提高我们的实践水平。我想，大学的实验并不重在对实验结果测量的准确性上，而是在与在实验过程中的思考问题的能力，以及将其付诸实验的动手能力，所以我期待着新的实验，期待着自己不断的进步。亲自做过实验后让我更明白从事科学研究必须要有严谨的科学作风，研究工作要一丝不苟，实事求是，科学实验常常要做大量的重复工作。

在现阶段，我们所接触的实验还处在基础实验和提高部分，这些是以后创新实验的坚实基础。因此，作为初学者的大学生，在试验中一定要培养自己的创新意识。总之，我觉得我从电力电子技术实验这门课中学到许多。最后我感谢给我帮助的老师和同组实验同学。

第五篇：电力电子技术报告

电力电子技术调查报告电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。

电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。电力电子技术现阶段在各方面的应用都非常的广泛！

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。