PWM交流斩控技术的交流稳压电源设计3文档格式.docx

1、 顾名思义，可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术量大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都是属于信息电子技术。电力电子技术是基于晶闸管、电力晶体管、IGBT等电力电子器件之上的，具体的说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前现代科技中所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至毫瓦级。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是两张本质上的不同。1.2电力电子技术的发展史 现代电力电子技术的

2、发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 整流器时代 : 大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传

3、动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。逆变器时代; 七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GT0）成为当时电力电子器件的主角

4、。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。变频器时代 : 进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管（IGBT）的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功

5、率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础1.3电力电子技术作用（1） 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是

6、节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。（2） 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。（3） 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信

7、号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。（4） 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。2.电力电子器件介绍2.1电力电子器件的概念 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被称为主电路。电力电子器件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。同时，我们在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一样，广义上电力电子器件也可分为电真空器件

8、和半导体器件两类。但是，自20世纪50年代以来除了在频率很高的大功率高频电源中还在使用真空管外，基于半导体材料的电力电子器件已经逐步取代了以前的汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为电能变换和控制领域的绝对主力。因此，电力电子器件也往往专指电力半导体器件。与普通半导体器件一样，目前电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。2.2电力二极管 二极管，（英语：Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectify

9、ing）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。早期的真空电子二极管；它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。早期的二极管包含“猫须晶体（Cats Wh

10、isker Crystals）”以及真空管（英国称为“热游离阀（Thermionic Valves）”）。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗图 a）电力二极管外形 b）基本结构 c）电气图形符号 图 电力二极管内部结构断面示意图2.3晶闸管的简介晶闸管（Thyristor）就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV6kA。晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。图1.2 a）晶闸管外形 b）内部结构 c）电气图形符号 d）模块外形图1.

11、3 晶闸管的内部结构和等效电路1.晶闸管的基本特点有三个： （1）欲使晶闸管导通需具备两个条件有： 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压； 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。 （2） 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。 （3） 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。2.晶闸管的工作特性 单向晶闸管的伏安特性曲线如图所示。从特性曲线上可以看出它分五个区，即反向击穿区、反向阻断区、正向阻断区、负阻区和正向导通区。大多数情况下，晶闸管的应用电路均工作在正向阻断和正向导通两个区域。晶闸管A、K极间所加的

12、反向电压不能大于反向峰值电压，否则有可能便其烧毁。单向晶闸管的上述特性，可以用以下几个主要参数来表征：3.额定平均电流IT:在规定的条件下，晶闸管允许通过的50Hz正弦波电流的平均值。4.正向转折电压VB0:是指在额定结温及控制极开路的条件下，在阳极和阴极间加以正弦波半波正向电压，使其由关断状态发生正向转折变为导通状态时所对应的电压峰值。单向晶闸管伏安特性曲线：图1-1单向晶闸管伏安特性曲线5.正向阻断峰值电压VDRM:定义为正向转折电压减去100V后的电压值。6.反向击穿电压VBR:是指在额定结温下，阳极和阴极间加以正弦波反向电压，当其反向漏电流急剧上升时所对应的电压峰值。7.反向峰值电压V

13、RRM:定义为反向击穿电压减去1OOV后的电压值。8.正向平均压降VT:是指在规定的条件下，当通过的电流为其额定电流时，晶闸管阳极、阴极间电压降的平均值。9.维持电流IH:是指维持晶闸管导通的最小电流。10. 控制极触发电压VCT和触发电流IGT:在规定的条件下，加在控制极上的可以使晶闸管导通的所必需的最小电压和电流。11. 导通时间tg（ton）:从在晶闸管的控制极加上触发电压VGT开始到晶闸管导通，其导通电流达到90%时的这一段时间称为导通时间。12. 关断时间tg（toff）:从切断晶闸管的工向电流开始到控制极恢复控制能力的这一段时间称为关断时间。此外，晶闸管还有一些其他参数，例如，为了

14、使晶闸管能可靠地触发导通，对加在控制极上的触发脉冲宽度是有一定要求的;为使晶闸管能可靠地关断，对晶闸管的工作频率也有一定的规定;为避免晶闸管损坏，对控制极的反向电压也有一定的要求。2.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT）2.4.1IGBT基本介绍 绝缘栅双极型晶体管集MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，已广泛应用于变频器和其他调速电路中。 图IGBT的构造和等值电路2.4.2 IGBT的工作原理 图 IGBT的工作原理图IGBT的等效电路如图2.2所示。由图2.2可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MO

15、SFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFE截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。（1）导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那

16、么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET 电流）；空穴电流（双极）。uGE大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。（2）导通压降 电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。（3）关断 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（

17、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，尾流特性与VCE、IC和 TC有关。栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。（4）反向阻断 当集电极被

18、施加一个反向电压时，J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。（5）正向阻断 当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。（6）闩锁 IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体

19、地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。2.2.3

20、 IGBT的工作特性（1）静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之

21、间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs（th） 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。 最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds（on） 可用式（2.1）表示Uds（on） Uj1 Udr IdRoh （2.1）式中Uj1 JI 结的正向电压

22、，其值为0.7 1V ；Udr 扩展电阻Rdr 上的压降；Roh 沟道电阻。通态电流Ids 可用下式（2.2）表示：Ids=（1+Bpnp）Imos （2.2）式中Imos 流过MOSFET 的电流。 由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。（2）动态特性 IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td（on） 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏

23、极电流开通时间ton 即为td （on） tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，

24、造成漏极电流较长的尾部时间，td（off）为关断延迟时间，trv为电压Uds（f）的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由t（f1）和t（f2）两段组成，而漏极电流的关断时间为t（off）=td（off）+trv十t（f） （2.3）式中，td（off）与trv之和又称为存储时间。 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的IGBT器

25、件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1m以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。2.2.4 IGBT的发展历史 1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被

26、介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。2在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的3。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。 90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT

27、，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。4在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。 硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。 这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好

28、的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本性能”的综合效果得到进一步改善。 1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现6，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块

29、PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为12001800A/18003300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。2.2.5 IGBT的发展前景编辑 2010年，中国科学院微电子研究所成功研制国内首款可产业化IGBT芯片，由中国科学院微电子研究所设计研发的15-43A /1200V IGBT系列产品（采用Planar NPT器件结构）在华润微电子工艺平台上流片成功，各项参数均达到设计要求，部分性能优于国外同类产品。这是我国国内首款自主研制可产业化的IGBT（绝缘栅双极晶体管）产品，标志着我国全国产化IGBT芯片产业化