功率场效应晶体管44绝缘栅双极型晶体管IGBT44其他器.ppt

1,1.2.3 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发展了多种结构型式，本节主要介绍目前使用最多的单极VDMOS、N沟道增强型PM，,2,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。,在变流电路中，PMOSFET自身的寄生二极管流过反向大电流，可能会导致元件损坏。为避免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际形式如图c。,3,特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。,4,1、当栅源极间的电压UGS0或0UGSUV（UV为开启电压，又叫阈值电压，典型值为24 V）时，即使加上漏源极电压UDS，也没有漏极电流ID出现，PM处于截止状态。 2、当UGSUV且UDS0时，会产生漏极电流ID，PM处于导通状态，且UDS越大，ID越大。另外，在相同的 UDS下，UGS越大，ID越大。,综上所述，PM的漏极电流ID受控于栅源电压UGS和漏源电压UDS 。(ID受双重控制）,5,(1) 输入阻抗高，属于纯容性元件，不需要直流电流驱动，属电压控制器件，可直接与数字逻辑集成电路连接，驱动电路简单。 (2) 开关速度快，工作频率可达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馈效应，因此热稳定性好，不存在二次击穿问题，安全工作区SOA较大。,1. P-MOSFET的主要特性,6,2. PMOSFET的栅极驱动电路,1 对栅极驱动电路的要求 (1) 为PM的栅极提供所需要的栅压，以保证P-MOSFET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度，从而提高器件的开关速度。 (3) 实现主电路与控制电路间的电隔离。 (4) 因为PM的工作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扰能力。,7,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承受过高的电流冲击。 正、负栅极电压的幅值UG1、UG2要小于器件规定的允许值。,8,2 栅极驱动电路基本电路型式,(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,(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轮流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形式。,9,图4-21 P-MOSFET逆变器,3 驱动电路举例,1、图4-21是一种数控逆变器，两个P-MOSFET的栅极不用任何接口电路直接与数字逻辑驱动电路连接。,该驱动电路是由两个与非门与RC组成的振荡电路。,当门输入高电平时，电路起振时，在PM1、PM2的栅极分别产生高、低电平，使它们轮流导通，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定。,10,图 4-22 直流斩波的驱动电路,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关断时，VD4续流，直到Io0，VD4断开，接着PM3导通。,11,P-MOSFET在电力变流技术中主要有以下应用： (1) 在开关稳压调压电源方面，可使用P-MOSFET器件作为主开关功率器件可大幅度提高工作频率，工作频率一般在200400 kHz。 频率提高可使开关电源的体积减小，重量减轻，成本降低，效率提高。目前，P-MOSFET器件已在数十千瓦的开关电源中使用，正逐步取代GTR。,3. P-MOSFET的应用,12,(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，工作频率高，大大改善了变换器的功能，因而在计算机接口电路中应用较多。 (3) 将P-MOSFET作为高频的主功率振荡、放大器件，在高频加热、超声波等设备中使用，具有高效、高频、简单可靠等优点。,13,1.2.4 绝缘栅双极型晶体管,1. IGBT的工作原理 IGBT的结构是在P-MOSFET结构的基础上作了相应的改善，相当于一个由P-MOSFTET 驱动的厚基区GTR ，其简化等效电路和电气符号如图。,14,IGBT有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G。在应用电路中，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相同。,15,2. IGBT的特性 IGBT的伏安特性（又称静态输出特性）反映了在一定的栅射极电压UGE下，器件的输出端电压UCE与电流IC的关系。UGE越高，IC越大。与普通晶体管的伏安特性一样，IGBT的伏安特性分为截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。,16,需要注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，从曲线可知，其反向阻断电压UBM只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。,17,图是IGBT的转移特性曲线。 UGEUGE(TH)时,IGBT开通.(UGE(TH)是IGBT的开启电压,一般为3-6伏).开通后,电流IC与电压UGE基本呈线性关系. UGEUGE(TH)时,IGBT关断.,18,1 栅极驱动电路 由于IGBT的输入特性几乎和PMOSFET相同，因此P-MOSFET的驱动电路同样适用于IGBT。,3. IGBT的栅极驱动电路及其保护,19,1） 采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路 图是采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路。其工作原理是：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中可能出现的过电压。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。,20,2） 推挽输出栅极驱动电路 图4-27是一种采用光耦合隔离的由V1、V2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，使V1截止，V2导通，IGBT在VDW1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，V1导通，V2截止，经UCC、V1 、RG产生的正向电压使IGBT开通。,21,3） 专用集成驱动电路 EXB系列IGBT专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，得到了广泛的应用。EXB850、EXB851是标准型，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。,22,2 IGBT的保护 1) 过电流保护 IGBT应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），系统能自动调节和控制，不至损坏IGBT。对于不正常的短路故障，要实行过流保护，通常的做法是： (1) 切断栅极驱动信号。只要检测出过流信号，就在2s内迅速撤除栅极信号。 (2) 当检测到过流故障信号时，立即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，若故障消失，则栅极电压恢复正常工作值；若定时器到达设定值时故障仍未消除，则使栅极电压降低到零。这种保护方案要求保护电路在12 s内响应。,23,2) 过电压保护 利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并限制过量的电压变化率du/dt。但由于IGBT的安全工作区宽，因而改变栅极串联电阻的大小可减弱IGBT对缓冲电路的要求。然而，由于IGBT控制峰值电流的能力比P-MOSFET强，因而在有些应用中可不用缓冲电路。 3) 过热保护 利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时，主电路跳闸以实现过热保护。,24,图 4-30 单管模块的内部电路和输出特性 (a) 单管模块； (b) 输出特性,4. IGBT的功率模块,25,图 4-31 双管模块的内部结构和输出特性 (a) 内部结构； (b) 输出特性,26,图 4-32 六管模块的内部电路,27,表4-6 东芝MG25N2S1的最大额定值（TC25）,28,表4-7 东芝MG25N2S1的电气特性（TC25）,29,图 4-33 智能模块内部框图,30,1.2.5 静电感应晶体管,31,1. 什么叫GTR的一次击穿和二次击穿？ 2. 怎样确定GTR的安全工作区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