第一篇：江南大學電力電子技術考試重點總結

第二章 電力電子器件

1.通態損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。

2.電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅動電路，和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統。

3.按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制程度，可以將電力電子器件分為以下三類：①通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷的電力電子器件被稱為半控型器件。這類器件主要指晶閘管及其大部分派生器件，器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

②通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷的電力電子器件被稱為全控型器件。目前最常用的是：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和電力場效應晶體管（電力MOSFET）。③也有不能用控制信號來控制其通斷的電力電子器件，因此也就不需要驅動電路，這就是電力二極管，又被稱為不可控器件。

4.按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的信號的性質，可以將電力電子器件（二極管除外）分為電流驅動型和電壓驅動型兩類。

5.根據驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間有效信號波形，又可將電力電子器件（電力二極管除外）分為脈沖觸發型和電平觸發型兩類。

6.此外，電力電子器件還可以按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為單極型器件，雙極型器件和復合型器件。

7.電力二極管的主要參數：正向平均電流IF（AV），正向壓降UF，反向重復峰值電壓URRM，最高工作結溫TJM，反向恢復時間trr，浪涌電流IFSM 8.晶閘管正常工作時特性如下：

①當晶閘管承受反向電壓時，無論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。②當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下，晶閘管才能導通。

③晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，無論門極觸發電流是否還存在，晶閘管都保持導通。

④若要使已導通的晶閘管關斷，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值以下。9.晶閘管的主要參數：（了解）電壓定額：

①斷態重復峰值電壓UDRM ②反向重復峰值電壓URRM ③通態電壓UTM

額定電壓一般為晶閘管正常工作時所承受的峰值電壓2~3倍。電流定額：

①通態平均電流IT（AV）②維持電流IH ③擎住電流IL ④浪涌電流ITSM

第四章 逆變電路

1.換流方式分類： 一般來說，換流方式可分為以下幾種：①器件換流；利用全控型器件的自關斷能力進行換流，稱為器件換流。②電網換流；由電網提供換流電壓稱為電網換流。③負載換流；由負載提供換流電壓稱為負載換流。④強迫換流；設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流。2.電壓型逆變電路有以下主要特點：

①直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。

②由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況不同而不同。③當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。3.電流型逆變電路有以下主要特點：

①直流側串聯大電感，相當于電流源。直流側電流基本無脈動，直流回路呈現高阻抗。②電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關。

③當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電感起緩沖無功能量的作用。另外因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣給開關器件反并聯二極管。

第五章 直流—直流變流電路

1.基本斬波電路分為：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路。（需清楚其工作原理及相關公式）

2.根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式： ①保持開關周期T不變，調節開關導通時間ton 稱為脈沖寬度調制。

②保持開關導通時間ton不變，改變開關周期T，稱為頻率調制或調頻型。③ton和T都可調，使占空比改變，稱為混合型。其中方式①應用最多。

2.升壓斬波電路的基本原理：P123

3.升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵原因有兩個，一是電感L儲能之后具有使電壓泵深的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。4.升壓斬波電路的原理：P126

第六章 交流—交流交流電路

1.通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。在每半個周波內，通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調節輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調壓電路。以交流電的周期為單位，控制晶閘管的通斷，改變通態周期數和斷態周期數的比，可以方便地調節輸出功率的平均值，這種電路稱為交流調功電路。

2.P150—P151選擇題

3.電網頻率為50HZ時，交—交變頻電路的輸出上限頻率約為20HZ。

第七章 PWM控制技術

1.面積等效原理 ：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加上具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。

2.如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率，幅值和半個周期內的脈沖數，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來，按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計算法。與計算法相對應的是調制法，即把希望輸出的波形作為調制信號，把接收調制的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。

3.根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式，可分為異步調制和同步調制兩種。

異步調制：是指載波信號和調制信號不保持同步的調制方式。

同步調制：載波比N等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式。

第九章 電力電子器件應用的共性問題

1.電力電子器件的驅動電路是電力電子主電路和控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環節，對整個裝置的性能有很大的影響。2.晶閘管觸發電路應滿足下列要求：

①觸發脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。②觸發脈沖應有足夠的弧度。

③所提供的觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓，電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發區域之內。

④應有良好的抗干擾性能，溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。

3.電力電子裝置中可能發生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓和雷擊過電壓。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括換相過電壓以及關斷過電壓。4.過電流：過載和短路

5.緩沖電路：又稱為吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內因過電壓du/dt或者過電流di/dt，減小器件的開關損耗。

緩沖電路可分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路，關斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗，開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。可將關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起，稱為復合緩沖電路。其他分類方法：緩沖電路中儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，則被成為耗能式緩沖電路；如果緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，則被成為饋能式緩沖電路或稱無損吸收電路

第二篇：電力電子技術課程重點知識點總結

1.解釋GTO、GTR、電力MOSFET、BJT、IGBT，以及這些元件的應用范圍、基本特性。2.解釋什么是整流、什么是逆變。

3.解釋PN結的特性，以及正向偏置、反向偏置時會有什么樣的電流通過。

4.肖特基二極管的結構，和普通二極管有什么不同？ 5.畫出單相半波可控整流電路、單相全波可控整流電路、單相整流電路、單相橋式半控整流電路電路圖。6.如何選配二極管（選用二極管時考慮的電壓電流裕量）

7.單相半波可控整流的輸出電壓計算（P44）8.可控整流和不可控整流電路的區別在哪？

9.當負載串聯電感線圈時輸出電壓有什么變化？（P45）

10.單相橋式全控整流電路中，元件承受的最大正向電壓和反向電壓。

11.保證電流連續所需電感量計算。

12.單相全波可控整流電路中元件承受的最大正向、反向電壓（思考題，書上沒答案，自己試著算）13.什么是自然換相點，為什么會有自然換相點。14.會畫三相橋式全控整流電路電路圖，波形圖（P56、57、P58、P59、P60，對比著記憶），以及這些管子的導通順序。

15.三相橋式全控整流輸出電壓、電流計算。16.為什么會有換相重疊角？換相壓降和換相重疊角計算。

17.什么是無源逆變？什么是有源逆變？ 18.逆變產生的條件。

19.逆變失敗原因、最小逆變角如何確定？公式。做題：P95：1 3 5 13 16 17，重點會做 27 28，非常重要。

20.四種換流方式，實現的原理。

21.電壓型、電流型逆變電路有什么區別？這兩個圖要會畫。

22.單相全橋逆變電路的電壓計算。P102 23.會畫buck、boost電路，以及這兩種電路的輸出電壓計算。

24.這兩種電路的電壓、電流連續性有什么特點？ 做題，P138 2 3題，非常重要。25.什么是PWM,SPWM。

26.什么是同步調制？什么是異步調制？什么是載波比，如何計算？

27.載波頻率過大過小有什么影響？ 28.會畫同步調制單相PWM波形。29.軟開關技術實現原理。

30.電力電子器件的保護方法有哪幾種？

31.了解晶閘管、電力MOSFRT、IGBT的并聯技術。

第三篇：電力電子技術總結

電力電子技術總結

1晶閘管是三端器件，三個引出電極分別是陽極，門極和陰極。2單向半波可控整流電路中，控制角α最大移相范圍是0~180°

3單相半波可控整流電路中，從晶閘管開始導通到關斷之間的角度是導通角 4在電感性負載三相半波可控整流電路中，晶閘管承受的最大正向電壓為√6U2 5在輸入相同幅度的交流電壓和相同控制角的條件下，三相可控整流電路與單相可控整流電路比較，三相可控可獲得較高的輸出電壓

6直流斬波電路是將交流電能轉化為直流電能的電路

7逆變器分為有源逆變器和無源逆變器8大型同步發電機勵磁系統處于滅磁運行時，三相全控橋式變流器工作于有源逆變

9斬波器的時間比控制方式分為點寬調頻，定頻調寬，調寬調頻三種 10 DC/DC變換的兩種主要形式為斬波電路控制型和直交直電路 11在三相全控橋式變流電路中，控制角和逆變角的關系為α+β=π

12三相橋式可控整流電路中，整流二極管在每個輸入電壓基波周期內環流次數為6次 13在三相全控橋式整流逆變電路中，直流側輸出電壓Ud=-2.34U2cosβ 14在大多數工程應用中，一般取最小逆變角β的范圍是β=30° 15在橋式全控有源逆變電路中，理論上你逆變角β的范圍是0~30° 16單相橋式整流電路能否用于有源逆變電路中 是

17改變SPWM逆變器中的調制比，可以改變輸出電壓的幅值 電流型逆變器中間直流環節貯能元件是大電感

19三相半波可控整流電路能否用于有源逆變電路中？ 能

20在三相全控整流電路中交流非線性壓敏電阻過電壓保護電路的連接方式有星型和三角形 21抑制過電壓的方法之一是用儲能元件吸收可能產生過電壓的能量，并用電阻將其消耗 22為了利用功率晶閘管的關斷，驅動電流后延應是一個負脈沖 180°導電型電壓源型三相橋式逆變電路，其換相是在同一橋臂的上下兩個開關元件之間進行

24改變SPWM逆變器的調制波頻率，可以改變輸出電壓的基波頻率。

25恒流驅動電路中抗飽和電路的主要作用是減小器件的存儲時間，從而加快關斷時間。26在三相全控橋式整流電路單脈沖觸發方式中，要求脈沖寬度大于60° 27整流電路的總的功率因數P/S 28 PWM跟蹤控制法的常用的有滯環比較方式和三角波比較方式

29單相PWM控制整流電路中，電源IsY與Us完全相位時，該電路工作在整流狀態 30 PWM控制電路中載波比為載波頻率與調制信號之比 Fc/Fr 31電力電子就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，是應用于電力領域的電子技術，主要用于電力變換。分為電力電子器件制造技術和變流技術

32電力電子系統由主電路，控制電路，檢測電路，驅動電路和保護電路組成。33整流電路：將交流電能變成直流電能供給直流用電設備的變流裝置。34逆變電路定義：把直流電逆變為交流電的電路

35有源逆變電路：將交流側和電網連接時的逆變電路，實質是整流電路形式。36無源逆變電路：將交流側不與電網連接，而直接接到負載的電路。逆變電路分類：為電壓型逆變電路（直流側為電壓源）和電源型逆變電路（直流側為電流源）38 PWM控制定義：脈沖寬度控制技術39 SPWM波形：PWM波形脈沖寬度按正弦規律變化，與正弦波等效時。40異步調制：載波信號和調制信號不保持同步的調制方式，即N值不斷變化。

41控制方式：保持載波頻率Fc固定不變，這樣當調制信號頻率Fr變化時，載波比N試變化的

42同步調制：在逆變器輸出變頻工作時，使載波與調制信號波保持同步的調制方式，即改變調制信號波頻率的同時成正比的改變載波頻率，保持載波比N等于常數。

43分段同步調制：把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持載波比N為恒定，不同頻段內的載波比不同。

第四篇：電力電子技術第二章總結

2016 電力電子技術

作業：第二章總結

班級：XXXXXX學號：XXXXXXX姓名：XXXXXX 第二章電力電子器件 總結 1.概述

不可控器件——電力二極管(Power Diode)GPD FRD SBD 半控型器件——晶閘管(Thyristor)FST TRIAC LTT 典型全控型器件 GTO GTR MOSFET IGBT 其他新型電力電子器件 MCT SIT SITH IGCT 功率集成電路與集成電力電子模塊 HVIC SPIC IPM 1.1相關概念

主電路(Main Power Circuit):在電氣設備或電力系統中,直接承擔電能的變換或控制任務的電路? 電力電子器件(Power Electronic Device)是指可直接用于處理電能的主電路中,實現電能的變換或控制的電子器件?

1.2特點

電功率大,一般都遠大于處理信息的電子器件? 一般都工作在開關狀態?

由信息電子電路來控制 ,而且需要驅動電路(主要對控制信號進行放大)? 功率損耗大,工作時一般都需要安裝散熱器?

通態損耗,斷態損耗,開關損耗(開通損耗 關斷損耗)開關頻率較高時,可能成為器件功率損耗的主要因素?

電力電子器件在實際應用中的系統組成

一般是由控制電路?驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統? 關鍵詞 電力電子系統 電氣隔離 檢測電路 保護電路 三個端子

1.3電力電子器件的分類 按能夠被控制電路信號控制的程度不同可分為 半控型器件(開通可控,關斷不可控)全控型器件(開通,關斷都可控)不可控器件(開通,關斷都不可控)按照驅動信號的性質不同可分為 電流驅動型 電壓驅動型

按照驅動信號的波形(電力二極管除外)不同可分為 脈沖觸發型 電平控制型

按照載流子參與導電的情況不同可分為 單極型器件(由一種載流子參與導電)雙極型器件(由電子和空穴兩種載流子參與導電)復合型器件(由單極型器件和雙極型器件集成混合而成,也稱混合型器件)關鍵詞 控制的程度 驅動信號的性質?波形 載流子參與導電的情況 工作原理 基本特性 主要參數

2不可控器件——電力二極管(Power Diode)2.1結構與工作原理

電力二極管實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的?

PN節(PN junction):采用不同的摻雜工藝,通過擴散作用,將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體(通常是硅或鍺)基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結?

N型半導體(N為Negative的字頭,由于電子帶負電荷而得此名):即自由電子濃度遠大于空穴濃度的雜質半導體?

P型半導體(P為Positive的字頭,由于空穴帶正電而得此名):即空穴濃度遠大于自由電子濃度的雜質半導體?

正向電流IF :當PN結外加正向電壓(正向偏置)時,在外電路上則形成自P區流入而從N區流出的電流?

反向截止狀態:當PN結外加反向電壓時(反向偏置)時,反向偏置的PN結表現為高阻態,幾乎沒有電流流過的狀態?

反向擊穿:PN結具有一定的反向耐壓能力,但當施加的反向電壓過大,反向電流將會急劇增大,破壞PN結反向偏置為截止的工作狀態?雪崩擊穿 齊納擊穿(可以恢復)熱擊穿(不可恢復)P-i-N結構 電導調制效應(Conductivity Modulation):當正向電流較小時,管壓降隨正向電流的上升而增加;當正向電流較大時,電阻率明顯下降,電導率大大增加的現象? 關鍵詞 少子 擴散運動 空間電荷區(耗盡層?阻擋區?勢壘區)結電容CJ:PN結中的電荷量隨外加電壓而變化,呈現電容效應?(微分電容)擴散電容CD:擴散電容僅在正向偏置時起作用?正向電壓較高時,擴散電容為結電容主要成分? 勢壘電容CB:勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用,外加電壓頻率越高,勢壘電容作用越明顯?在正向偏置時,當正向電壓較低時,勢壘電容為主?

作用:結電容影響PN結的工作頻率,特別是在高速開關的狀態下,可能使其單向導電性變差,甚至不能工作?

2.2基本特性

靜態特性(伏安特性)門檻電壓UTO 正向電壓降UF

反向漏電流是由少子引起的微小而數值定? 動態特性

結電容 零偏置,正向偏置,反向偏置 不能立即轉換狀態 過渡過程

正向偏置時

延遲時間:td=t1-t0

電流下降時間:tf = t2-t1 反向恢復時間:trr= td + tf

恢復特性的軟度:Sr= tf / td,或稱恢復系數,Sr越大恢復特性越軟?

由零偏置轉換為正向偏置

過沖UFP : 原因:1)電導調制效應起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存,在達到穩態導通之前管壓降較大?2)正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降?電流上升率越大,UFP越高?

正向恢復時間:tfr

2.3主要參數

正向平均電流IF(AV)正向壓降UF 反向重復峰值電壓URRM 最高工作結溫TJM 反向恢復時間trr 浪涌電流IFSM

2.4主要類型

普通二極管(General Purpose Diode)快恢復二極管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件——晶閘管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)3.1結構和工作原理

內部是PNPN四層半導體結構如圖a)P1 區引出陽極A?N2 區引出陰極K? P2 區引出門極G 工作原理可以用雙晶體管模型解釋如右圖b)?

工作過程關鍵詞: IG V2 Ic2 Ic1 正反饋 觸發 門觸發電路

其他幾種可能導通的情況

陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高 光觸發 結溫較高 只有門極觸發是最精確?迅速而可靠的控制手段?

3.2基本特性

靜態特性

正常工作特性

當晶閘管承受反向電壓時,不論門極是否有觸發電流,晶閘管都不會導通 ? 當晶閘管承受正向電壓時,僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通 ?

晶閘管一旦導通,門極就失去控制作用,不論門極觸發電流是否還存在,晶閘管都保持導通 ? 若要使已導通的晶閘管關斷,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值以下? 伏安特性

如右圖所示 包括正向特性和反向特性

正向轉折電壓Ubo 維持電流IH

反向最大瞬態電壓URSM 反向重復峰值電壓URRM 斷態重復峰值電壓UDRM 斷態最大瞬時電壓UDSM

動態特性

如右圖所示

延遲時間td(0.5~1.5?s)上升時間tr(0.5~3?s)開通時間tgt=td+tr 反向阻斷恢復時間trr 正向阻斷恢復時間tgr 關斷時間tq=trr+tgr

3.3主要參數(包括電壓定額和電流定額)電壓定額

斷態重復峰值電壓UDRM 反向重復峰值電壓URRM 通態(峰值)電壓UT

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓?選用時,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍? 電流定額

通態平均電流 IT(AV)維持電流IH 擎住電流 IL 浪涌電流ITSM 動態參數

開通時間tgt和關斷時間tq 斷態電壓臨界上升率du/dt 通態電流臨界上升率di/dt

3.4晶閘管的派生器件

快速晶閘管(Fast Switching Thyristor, FST)雙向晶閘管(Triode AC Switch——TRIAC or Bidirectional Triode Thyristor)逆導晶閘管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶閘管(Light Triggered Thyristor, LTT)

典型全控型器件

4門極可關斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)晶閘管的一種派生器件,但可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷,因而屬于全控型器件?

4.1結構與工作原理

其結構原理可以參考晶閘管 數十個甚至數百個小GTO單元

4.2基本特性

靜態特性和普通晶閘管類似 動態特性

儲存時間ts 下降時間tf 尾部時間tt

4.3主要參數

最大可關斷陽極電流IATO 電流關斷增益?off 開通時間ton 關斷時間toff

5電力晶體管(Giant Transistor, GTR)5.1結構和工作原理

與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的? 最主要的特性是耐壓高?電流大?開關特性好? 達林頓接法 單元結構 并聯 三層半導體 兩個PN結

5.2基本特性

右圖所示

靜態特性

右圖所示 動態特性

右圖所示

5.3主要參數

電流放大倍數? 直流電流增益hFE

集電極與發射極間漏電流Iceo 集電極和發射極間飽和壓降Uces 開通時間ton和關斷時間toff 最高工作電壓

BUceo:基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓

實際使用GTR時,為了確保安全,最高工作電壓要比BUceo低得多?集電極最大允許電流IcM

集電極最大耗散功率PcM

6電力場效應晶體管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET)6.1結構和工作原理

SDDGN+PN+N+溝道PN+N-GGN+SSDN溝道P溝道a)b)

6.3基本特性

圖1-19靜態特性

動態特性

MOSFET的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關系,可以降低柵極驅動電路的內阻Rs,從而減小柵極回路的充放電時間常數,加快開關速度?

6.4主要參數

跨導Gfs?開啟電壓UT以及開關過程中的各時間參數?

漏極電壓UDS

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

柵源電壓UGS

極間電容 CGS?CGD和CDS?

漏源間的耐壓?漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區?

7絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT or IGT)綜合了GTR和MOSFET的優點 場控器件

7.1結構和工作原理

內部結構圖

其開通和關斷是由柵極和發射極間的電壓UGE決定的?

7.2基本特性

靜態特性 轉移特性 輸出特性 動態特性

開通過程

開通延遲時間td(on)電流上升時間tr 電壓下降時間tfv 開通時間ton= td(on)+tr+tfv

tfv分為tfv1和tfv2兩段?

關斷過程

關斷延遲時間td(off)電壓上升時間trv 電流下降時間tfi

關斷時間toff = td(off)+trv+tfi

tfi分為tfi1和tfi2兩段

7.3主要參數

最大集射極間電壓UCES 最大集電極電流 最大集電極功耗PCM

8其他新型電力電子器件

MOS控制晶閘管MCT 靜電感應晶體管SIT 靜電感應晶閘管SITH 集成門極換流晶閘管IGCT

基于寬禁帶半導體材料的電力電子器件

第五篇：電力電子技術課程總結

學 號：1111111111

Hefei University

功率變換技術課程綜述

報告題目：IGBT研究現狀及發展趨勢

專業班級： XXXXXXXXXXXX 學生姓名： XXX 教師姓名： ZZZZZ老師 完成時間： 2017年5月14日

IGBT研究現狀及發展趨勢

中 文 摘 要

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。

關鍵詞：IGBT；半導體；研究現狀；發展前景

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介紹.....................................................................................................1 2.1 什么是IGBT..........................................................................................1 2.2 IGBT的各種有關參數...........................................................................1 2.3驅動方式及驅動功率..............................................................................2

三、存在的問題....................................................................................................4

四、研究現狀........................................................................................................5

五、發展趨勢........................................................................................................6 參考文獻................................................................................................................7

一、引言

自20 世紀50 年代末第一只晶閘管問世以來, 電力電子技術開始登上現代電氣傳動技術舞臺, 以此為基礎開發的可控硅整流裝置, 是電氣傳動領域的一次革命, 使電能的變換和控制從旋轉變流機組和靜止離子變流器進入由電力電子器件構成的變流器時代, 這標志著電力電子的誕生。

進入70 年代晶閘管開始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產品, 普通晶閘管不能自關斷的半控型器件, 被稱為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術理論研究和制造工藝水平的不斷提高, 電力電子器件在容易和類型等方面得到了很大發展, 是電力電子技術的又一次飛躍, 先后研制出GTR.GTO, 功率MOSFET 等自關斷全控型第二代電力電子器件。而以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的第三代電力電子器件, 開始向大容易高頻率、響應快、低損耗方向發展。

二、IGBT介紹

2.1 什么是IGBT 絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)和雙極晶體管(Bipolar)基礎上發展起來的一種新型復合功率器件，具有MOS輸入、雙極輸出功能。IGBT集Bipolar器件通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點于一身。作為電力電子變換器的核心器件，為應用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基礎。

自IGBT商業化應用以來，作為新型功率半導體器件的主型器件，IGBT在1—100kHz的頻率應用范圍內占據重要地位，其電壓范圍為600V—6500V，電流范圍為1A—3600A(140mm x 190mm模塊)。IGBT廣泛應用于工業、4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統產業領域以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質量，具有高效節能和綠色環保的特點，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關鍵支撐技術，因此被稱為功率變流產品的“CPU”、“綠色經濟之核”。在未來很長一段時間內，為適應全球降低CO2排放的戰略需要，IGBT必將扮演更為重要的角色，是節能技術和低碳經濟的重要支點。

2.2 IGBT的各種有關參數

2.2.1容量

低功率IGBT應用范圍一般都在600V、1KA、1KHZ以上區域，為滿足家電行業的需求，ST半導體，三菱公司推出低功率IGBT產品，適用于微波爐，洗衣機等。而非傳統性IGBT采用薄片技術，在性能上高速，低損耗，在設計600V-1200V的IGBT時，其可靠性最高。2.2.2 開關頻率

IGBT的開通過程按時間可以分為四個過程，如下：第一：門射電壓Vge小于閥值電壓Vth時。其門極電阻RG和門射電容CGEI的時間常數決定這一過程。當器件的集電極電流IC 和集射電壓VCE均保持不變時，CGEI就是影響其導通延遲時間tdon的唯一因素。第二：當門射電壓Vge達到其閥值電壓時，開通過程進入第二階段，IGBT開始導通，其電流上升速率dI/dt的大小與門射電壓Vge和器件的跨導gfs有如下關系：dIc/dt=gfs（Ic）＊dVge/dt。其中，dVge/dt由器件的門極電阻Rg和門射電容CGEI所決定（對于高壓型IGBT來說，門集電容Cgc可忽略不計）。第三：第三階段從集電極電流達到最大值ICmax。第四：通之后，器件進入穩定的導通狀態。

2.2.3 關斷過程

當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關系。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。

2.3驅動方式及驅動功率

2.3.1 柵極驅動電壓

因IGBT柵極—發射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅動技術進行驅動，但 IGBT 的輸入電容較MOSFET大，所以IGBT的驅動偏壓應比MOSFET 驅動所需偏壓強。在+20℃情況下，實測60 A，1200 V 以下的 IGBT 開通電壓閥值為5～6 V，在實際使用時，為獲得最小導通壓降，應選取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，當Uge 增

加時，導通時集射電壓Uce將減小，開通損耗隨之減小，但在負載短路過程Uge 增加，集電極電流Ic也將隨之增加，使得 IGBT 能承受短路損壞的脈寬變窄，因此Ugc的選擇不應太大，這足以使 IGBT 完全飽和，同時也限制了短路電流及其所帶來的應力(在具有短路工作過程的設備中，如在電機中使用IGBT時，+Uge在滿足要求的情況下盡量選取最小值，以提高其耐短路能力）。2.3.2對電源的要求

對于全橋或半橋電路來說，上下管的驅動電源要相互隔離，由于 IGBT 是電壓控制器件，所需要的驅動功率很小，主要是對其內部幾百至幾千皮法的輸入電容的充放電，要求能提供較大的瞬時電流，要使 IGBT 迅速關斷，應盡量減小電源的內阻，并且為防止 IGBT 關斷時產生的du/dt誤使IGBT導通，應加上一個-5V的關柵電壓，以確保其完全可靠的關斷(過大的反向電壓會造成 IGBT 柵射反向擊穿，一般為-2～10V之間)。2.3.3對驅動波形的要求

從減小損耗角度講，門極驅動電壓脈沖的上升沿和下降沿要盡量陡峭，前沿很陡的門極電壓使 IGBT 快速開通，達到飽和的時間很短，因此可以降低開通損耗，同理，在 IGBT 關斷時，陡峭的下降沿可以縮短關斷時間，從而減小了關斷損耗，發熱量降低。但在實際使用中，過快的開通和關斷在大電感負載情況下反而是不利的。因為在這種情況下，IGBT過快的開通與關斷將在電路中產生頻率很高、幅值很大、脈寬很窄的尖峰電壓 Ldi/dt，并且這種尖峰很難被吸收掉。此電壓有可能會造成 IGBT 或其他元器件被過壓擊穿而損壞。所以在選擇驅動波形的上升和下降速度時，應根據電路中元件的耐壓能力及 du/dt 吸收電路性能綜合考慮。

2.3.4對驅動功率的要求

由于 IGBT 的開關過程需要消耗一定的電源功率，最小峰值電流可由下式求出：IGP=△Uge/RG+Rg；式中△ Uge=+Uge+|Uge|；RG是IGBT內部電阻；Rg 是柵極電阻。

驅動電源的平均功率為：PAV=Cge△Uge2f，（*式中f為開關頻率；Cge 為柵極電容)。2.3.5 柵極電阻

為改變控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減小IGBT集電極的電壓尖峰，應在IGBT柵極串上合適的電阻Rg。當Rg增大時IGBT導通時間延長，損耗發熱

加劇;Rg減小時，di/dt 增高，可能產生誤導通，使 IGBT 損壞。應根據 IGBT 的電流容量和電壓額定值以及開關頻率來選取 Rg 的數值。通常在幾歐至幾十歐之間(在具體應用中，還應根據實際情況予以適當調整)。另外為防止門極開路或門極損壞時主電路加電損壞IGBT，建議在柵射間加入一電阻Rge，阻值為10 kΩ左右。

2.3.6柵極布線要求

合理的柵極布線對防止潛在震蕩，減小噪聲干擾，保護IGBT正常工作有很大幫助：

（1）布線時須將驅動器的輸出級和lGBT之間的寄生電感減至最低(把驅動回路包圍的面積減到最小)；

（2）正確放置柵極驅動板或屏蔽驅動電路，防止功率電路和控制電路之間的耦合；

（3）應使用輔助發射極端子連接驅動電路；

（4）驅動電路輸出不能和 IGBT 柵極直接相連時，應使用雙絞線連接；（5）柵極保護，箝位元件要盡量靠近柵射極。2.3.7 隔離問題

由于功率IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，所以驅動電路必須與整個控制電路在電位上完全隔離。

三、存在的問題

因為IGBT工作時，其漏極區（p+區）將要向漂移區（n-區）注入少數載流子——空穴，則在漂移區中存儲有少數載流子電荷；當IGBT關斷（柵極電壓降為0）時，這些存儲的電荷不能立即去掉，從而IGBT的漏極電流也就相應地不能馬上關斷，即漏極電流波形有一個較長時間的拖尾——關斷時間較長（10～50ms）。所以IGBT的工作頻率較低。為了縮短關斷時間，可以采用電子輻照等方法來降低少數載流子壽命，但是這將會引起正向壓降的增大等弊病。

IGBT中存在有寄生晶閘管—MOS柵控的n+-p-n-p+晶閘管結構，這就使得器件的最大工作電流要受到此寄生晶閘管閉鎖效應的限制（采用陰極短路技術可以適當地減弱這種不良影響）。

四、研究現狀

最近20年中，IGBT的發展很快，技術改進方案很多，并且實用化。每種改進措施的采取，都會把IGBT的性能向前推進。其中，最重要的還是不斷把“通態壓降—開關時間”的矛盾處理到更為優化的折衷點。不同公司宣布自己研制生產的IGBT進入了第X代。但是，總體看，隨著重大技術改進措施的成功，可以把IGBT的演變歸納成以下五代。

（1）第一代：即平面柵(PT)型。它提出了在功率MOS場效應管結構中引入一個漏極側pn結以提供正向注入少數載流子實現電導調制來降低通態壓降的基本方案。

（2）第二代：采用緩沖層，精密控制圖形和少子壽命的平面柵穿通（PT）型外延襯底IGBT。器件縱向采用n′緩沖層，既可以減薄有效基區厚度和硅片總厚度來減小通態壓降，又能降低該發射結的注入系數，以抑制“晶閘管效應”。器件橫向（平面）采用精密圖形，減少每個元胞的尺寸，提高器件的開關速度。再采用專門的擴鉑與快速退火措施，以控制基區內少數載流子壽命的較合理分布。這樣的IGBT耐壓達到1200V，通態壓降達到2.1-2.3V，鎖定效應得到有效抑制。這時，IGBT已經充分實用化了。

（3）第三代：溝槽柵（Trench gate）型IGBT。這一代IGBT采取溝槽柵結構代替平面柵。在平面柵結構中，電流流向與表面平行的溝道時，柵極下面由P阱區圍起來的一個結型場效應管（J-FET）是電流的必經之路，它成為電流通道上的一個串聯電阻。在溝槽柵結構中，這個柵下面的J-FET是被干法刻蝕的工藝很好地挖去了，連同包圍這個區域、延伸到原來柵極下構成溝道的部分P區層也都挖掉。于是n+發射源區和留下的P區層就暴露在該溝槽的側壁，通過側壁氧化等一系列特殊加工，側壁氧化層外側的P區內形成了垂直于硅片表面的溝道。

（4）第四代：非穿通（NPT）型IGBT。隨著阻斷電壓突破2000V的需求，IGBT中隨承受電壓的基區寬度超過150微米。這時靠高阻厚外延來生成硅襯底的做法，不僅十分昂貴（外延成本同外延層厚度成正比），而且外延層的摻雜濃度和外延層厚度的均勻性都難以保證。這時，采用區熔單晶硅片制造IGBT的呼聲日漸成熟，成本可以大為降低，晶體完整性和均勻性得到充分滿足。

（5）第五代：電場截止（FS）型。當單管阻斷電壓進一步提高，硅片的基區厚度就會急劇增加。于是，IGBT的通態壓降勢必隨其耐壓的提高而增大。FS型IGBT吸收了PT型和NPT型兩類器件的優點，形成硅片厚度比NPT型器件薄約

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3、又保持正電阻溫度系數單極特征的各項優點。

五、發展趨勢

IGBT作為電力電子領域非常理想的開關器件，各種新結構、新工藝及新材料技術還在不斷涌現，推動著IGBT芯片技術的發展，其功耗不斷降低，工作結溫不斷升高，從125℃提升到了175℃并向200℃邁進，并可以在芯片上集成體二極管，形成逆導IGBT(RC-IGBT/BIGT)，無需再反并聯續流二極管，在相同的封裝尺寸下，可將模塊電流提高30%，還可以將電流及溫度傳感器集成到芯片內部，實現芯片智能化。

IGBT芯片內部集成傳感器通過對IGBT芯片的邊緣結構進行隔離處理，可以形成具有雙向阻斷能力的IGBT(RB-IGBT),在雙向開關應用中無需再串聯二極管，并具有更小的漏電流及更低的損耗。

與此同時，IGBT的工藝水平也在不斷提升，許多先進工藝技術，如離子注入、精細光刻等被應用到IGBT制造上。IGBT芯片制造過程中的最小特征尺寸已由5um，到3um，到1um，甚至達到亞微米的水平。采用精細制造工藝可以大幅提高功率密度，同時可以降低結深，減小高溫擴散工藝，從而使采用12英寸甚至更大尺寸的硅片來制造IGBT成為可能。隨著薄片與超薄片加工工藝的發展，英飛凌在8英寸硅片上制造了厚度只有40um的芯片樣品，不久的未來有望實現產品化應用。

此外，新材料如寬禁帶半導體材料技術的發展，可以實現更低功耗、更大功率容量、更高工作溫度的器件，其中SiC成為目前的大功率半導體的主要研究方向，并在單極器件上實現商品化，在IGBT等雙極器件的研究上也不斷取得進展。目前IGBT主要受制造工藝及襯底材料的缺陷限制，例如溝道遷移率及可靠性、電流增益較小及高摻雜P型襯底生長等問題，未來隨著材料外延技術的發展，SiC IGBT將會實現突破。

參考文獻

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