全控型电力电子器.ppt

第二章 全控型电力电子器件,GTO门极可关断晶闸管 GTR电力晶体管 P-MOSFET电力场效应晶体管 IGBT绝缘栅双极晶体管,模块,IGBT,1.1 什么是电力电子技术-电力电子器件,开关器件IGCT驱动电路GCT,4kA/4.5kV IGCT,663A/4.5kV IGCT,GCT分解部件,1.1 什么是电力电子技术-开关器件,第一节 门极可关断（GTO）晶闸管,门极可关断晶闸管具有普通晶闸管的全部特性，如耐压高（工作电压可高达6000 V）、电流大（电流可达6000A）以及造价便宜等。 GTO广泛应用于电力机车的逆变器和大功率的直流斩波器中。GTO与普通晶闸管类似，都是PNPN四层半导体器件，有阳极A、阴极K和门极G三个电极，但内部包含着数百个共阳极的小GTO单元。它的结构、等效电路和电气符号如图21所示。,图21 门极可关断晶闸管的结构、等效电路和电气符号,2. 导通关断条件,GTO的工作原理与普通晶闸管相似。GTO触发导通的条件是：当它的阳极与阴极之间承受正向电压，门极与阴极间加正脉冲信号可以使元件导通。 普通晶闸管导通时处于深度饱和状态，切断门极电流无法使其关断；但GTO采取了特殊工艺， 使管子导通后处于接近临界饱和状态，可用门极与阴极间加负脉冲信号破坏临界状态使其关断。因此，GTO是全控型双极型器件。GTO导通压降较大，一般为23V，门极触发电流较大，所以GTO的导通功耗与门极功耗均较普通晶闸管大。 导通：同晶闸管，阳极与阴极之间承受 正向电压，门极与阴极间加正脉冲信号 关断：门极加上足够大的负脉冲电流,3.特点,全控型 容量大 off较小 电流控制型,电流关断增益off ： 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益,1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。,四、GTO的主要参数,GTO的主要参数有最大可关断阳极电流IATO和关断增益off。 IATO也就是管子的铭牌电流。GTO的阳极电流不能过大，在使用中必须小于最大可关断阳极电流IATO ，否则破坏GTO的临界导通条件，导致门极关断失败。关断增益q为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，即是用来反映GTO关断能力的。 off 一般较小，只有35，这是GTO的一个主要缺点。因为使GTO关断的门极负电流比较大，约为阳极电流的1/5左右，所以要求触发驱动电路要采用高幅值的窄脉冲以减少关断所需的能量。,第二节 GTR电力晶体管,大功率晶体管又可称为电力晶体管（Giant TRansistor）, 简称GTR， 通常指耗散功率（或输出功率） 1 W以上的晶体管。 GTR的电气符号与普通晶体管相同。 图4-5所示为某晶体管厂生产的1300系列GTR的外观，它是一种双极型大功率高反压晶体管，具有自关断能力， 控制方便，开关时间短， 高频特性好，价格低廉。目前GTR的容量已达400 A/1200 V、1000 A/400 V，工作频率可达5 kHz， 模块容量可达1000 A/1800 V， 频率为30 kHz，因此也可被用于不停电电源、中频电源和交流电机调速等电力变流装置中。,1电力晶体管的结构 GTR与普通晶体管有着相似的结构、工作原理和工作特性，都是三层半导体两个PN结的三端器件，也有PNP和NPN之分，但大多采用NPN型。图1-19所示是NPN型晶体管的内部结构，大多数GTR是采用三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长 一层N漂移层，然后 在上面扩散P基区， 接着扩散掺杂N+的发射区。,1.单管GTR,单管GTR的基本工作原理与晶体管相同符号也相同。 作为大功率开关管应用时，GTR工作在截止和导通两种状态。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好,2达林顿GTR,单管 GTR的电流增益低，将给基极驱动电路造成负担。达林顿结构是提高电流增益一种有效方式。 达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定 达林顿GTR的开关速度慢，损耗大,3GTR 模块,将 GTR管芯、稳定电阻、加速二极管、续流二极管等组装成一个单元，然后根据不同用途将几个单元电路组装在一个外壳之内构成GTR模块。 目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝缘的单元电路做在同一模块内，可很方便地组成三相桥式电路。,3. GTR的二次击穿现象,二次击穿是GTR突然损坏的主要原因之一，是它在使用中最大的弱点。二次击穿现象可以用图1-20来说明。处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增加到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，出现击穿现象,但此时集电结的电压基本保持不变，这叫一次击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要进入击穿区的时间不长，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，则当IC上升到某一数值时，UCE突然下降，而IC继续增大（负阻效应），这时进入低压大电流段，在极短的时间内，将使器件内出现明显的电流集中和过热点，导致管子被烧坏，这个现象称为二次击穿。为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中的瞬时功率不要超过集电极最大耗散功率PCM。一般说来，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。,一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击 穿。 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。,二次击穿示意图,安全工作区,安全工作区SOA（Safe Operation Area）是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流电压的极限范围，它受到GTR的直流极限参数ICM、PCM、电压容量BCEO及二次击穿等问题的限制，并由这四条限制界线所围成，如下图所示，阴影部分即为SOA。 防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。,4.特点,全控型，电流控制型 二次击穿（工作时要防止） 中大容量，开关频率较低,第三节功率场效应晶体管（P-MOSFET）,G： 栅极 D： 漏极 S： 源极,电力MOSFET的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号,电力场效应晶体管,1）分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属-氧化物- 半导体场效应管（简称MOSFET）。,2）通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。,3）,4）特点：输入阻抗高(可达40M以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电力电子装置。,第2章,电力场效应管及其工作原理,VDMOS的漏极电流ID受控于栅压UGS ；,图1.6.1 N沟道VDMOS管元 胞结构与电气符号,2、电力场效应管的工作原理,（1）截止：,栅源电压 UGS0 或 0UGSUT (UT为开启电压，又叫阈值电压)；,（2）导通：,UGSUT时，加至漏极电压UDS0；,（3）漏极电流ID ：,第2章,电力场效应晶体管的特性与主要参数,在不同的UGS下，漏极电流ID 与漏极电压UDS 间的关系曲线族称为VDMOS的输出特性曲线 。如图2.6.2所示，它可以分为四个区域：,1）截止区：当UGSUT(UT的典型 值为24V)时； 2）线性(导通)区：当UGSUT且 UDS很小时，ID和UGS几乎成 线性关系。又叫欧姆工作区； 3）饱和区(又叫有源区)： 在UGSUT时， 且随着UDS的增大，ID几乎不变; 4）雪崩区：当UGSUT，且 UDS 增大到一定值时；,1、静态输出特性,图1.6.2 VDMOS管的输出特性,第2章,2.4 、绝缘栅双极型晶体管,IGBT：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。 兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。 IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。 目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。,第2章,2.4.1 绝缘栅双极型晶体管 及其工作原理,1. IGBT的结构 IGBT的结构如图1.7.1(a)所示。 简化等效电路如图1.7.1(b)所示。 电气符号如图1.7.1（c）所示 它是在VDMOS管结构的基础上再增加一个P+层，形成了一个大面积的P+N结J1，和其它结J2、J3一起构成了一个相当于由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR; IGBT有三个电极: 集电极、发射极和栅极;,图2.4.1 IGBT的结构、简化等 效电路 与电气符号,第2章,1. 结构,复合结构（= MOSFET+GTR）,栅极,集电极,发射极,2.4.2 缘栅双极型晶体管的特性 与主要参数,（1）IGBT的伏安特性（如图a) 反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流Ic的关系。 IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。,图1.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性,1、IGBT的伏安特性和转移特性,第2章,UGEUGE(TH)(开启电压,一般为36V) ；其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系；,图2.4.2 IGBT的伏安特 性和转移特性,2.4.2 缘栅双极型晶体管的特性 与主要参数,1、IGBT的伏安特性和转移特性,（2）IGBT的转移特性曲线（如图b）,IGBT关断：,IGBT开通：,UGEUGE(TH)；,第2章,3.特点,(1) 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。 (2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。 (3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 (4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。 (5) 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特,第五节：其他新型电力电子器件,SIT静电感应晶体管 SITH静电感应晶闸管 MCTMOS控制晶闸管 IGCT集成门极换流晶闸管 IPC 功率模块与功率集成电路,2.5 静电感应晶体管（SIT）,它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点； 广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的高频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。,第2章,1、SIT的工作原理 1）结构：SIT为三层结构，其元胞结构图如图2.5.1(a)所示，其三个电极分别为栅极G，漏极D和源极S。其表示符号如图2.5.1 (b)所示。 2）分类：SIT分N沟道、P沟道两种，箭头向外的为NSIT，箭头向内的为PSIT。 3）导通、关断：SIT为常开器件，即栅源电压为零时，两栅极之间的导电沟道使漏极D-S之间的导通。则SIT导通；当加上负栅源电压UGS时，栅源间PN结产生耗尽层。随着负偏压UGS的增加，其耗尽层加宽，漏源间导电沟道变窄。当UGS=UP(夹断电压)时，导电沟道被耗尽层所夹断，SIT关断。,2.5.1 静电感应晶体管（SIT）,SIT的漏极电流ID不但受栅极电压UGS控制，同时还受漏极电压UDS控制。,图2.5.1 SIT的结构及其符号,第2章,2、SIT的特性 静态伏安特性曲线（N沟道SIT）：当栅源电压UGS一定时，随着漏源电压UDS的增加，漏极电流ID也线性增加，其大小由SIT的通态电阻所决定 ； SIT采用垂直导电结构,其导电沟道短而宽,适应于高电压,大电流的场合； SIT的漏极电流具有负温度系数,可避免因温度升高而引起的恶性循环；,2.5.1 静电感应晶体管（SIT）,图2.5.2 N-SIT静态 伏安特性曲线,第2章,SIT的漏极电流通路上不存在PN结,一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象,其安全工作区范围较宽； SIT是短沟道多子器件,无电荷积累效应,它的开关速度相当快,适应于高频场合； SIT的栅极驱动电路比较简单：关断SIT需加数十伏的负栅压-UGS , 使SIT导通，也可以加56V的正栅偏压+UGS,以降低器件通态压降； 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,2.5.1 静电感应晶体管（SIT）,2、SIT的特性,图2.5.3 SIT的 安全工作区,第2章,2.5.2 静电感应晶闸管（SITH）,它自1972年开始研制并生产； 优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压降低、损耗小、开关速度快、及耐压高等； 应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域； 缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；,第2章,1、SITH的工作原理 1）结构：在SIT的结构的基础上再增加一个P+层即形成了SITH的元胞结构，如图2.5.4(a)。 2）三极：阳极A、阴极、栅极G， 3）工作原理： 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH； 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断； 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。,2.5.2 静电感应晶闸管（SITH）,图2.5.4 SITH元胞 结构其及符号,第2章,特性曲线的正向偏置部分与SIT相似。栅极负压-UGK可控制阳极电流关断，已关断的SITH，A-K间只有很小的漏电流存在。 SITH 为场控少子器件，其动态特性比GTO优越。SITH的电导调制作用使它比SIT的通态电阻小、压降低、电流大，但因器件内有大量的存储电荷， 所以它的关断时间比SIT要长、工作频率要低。,2.5.2 静电感应晶闸管（SITH）,图2.5.5 SITH的 伏安特性曲线,2、SITH的特性：,静态伏安特性曲线（图2.5.5）：,第2章,2.5.3 MOS控制晶闸管（MCT）,MCT自20世纪80年代末问世，已生产出300A/2000V、1000A/1000V的器件； 结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET； 特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；,第2章,1）结构： MCT是在SCR结构中集成一对MOSFET构成的，通过MOSFET来控制SCR的导通和关断。 使MCT导通的MOSFET称为ON-FET，使MCT关断的MOSFET称为OFF-FET。 MCT的元胞有两种结构类型，一种为N-MCT，另一种为P-MCT。 三个电极称为栅极G、阳极A和阴极K。 图1.8.6中(a)为P-MCT的典型结构，图(b)为其等效电路，图(c)是它的表示符号(N-MCT的表示符号箭头反向)。 对于N-MCT管，要将图1.8.6中各区的半导体材料用相反类型的半导体材料代替，并将上方的阳极变为阴极，而下方的阴极变为阳极。,2.5.3 MOS控制晶闸管（MCT）,图2.5 P-MCT的结构、等效电路和符号,1、MCT的工作原理,第2章,控制信号：用双栅极控制，栅极信号以阳极为基准； 导通：当栅极相对于阳极加负脉冲电压时，ON-FET导通，其漏极电流使NPN晶体管导通。NPN晶体管的导通又使PNP晶体管导通且形成正反馈触发过程，最后导致MCT导通； 关断：当栅极相对于阳极施加正脉冲电压时，OFF-FET导通，PNP晶体管基极电流中断, PNP晶体管中电流的中断破坏了使MCT导通的正反馈过程，于是MCT被关断。 其中：1）导通的MCT中晶闸管流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。 2）使P-MCT触发导通的栅极相对阳极的负脉冲幅度一般为-5-15V，使其关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为+10V。 对于N-MCT管 ，其工作原理刚好相反。,2.5.3 MOS控制晶闸管（MCT）,图1.8.6 P-MCT的结构、 等效电路和符号,2）工作原理(按P-MCT分析),第2章,(1) 阻断电压高(达3000V)、峰值电流大(达1000A)、最大可关断电流密度为6000Acm2; (2) 通态压降小(为IGBT的13，约2.1V); (3) 开关速度快、损耗小，工作频率可达20kHz; (4) 极高的dudt和didt耐量(du/ dt耐量达20kV/s，di/ dt耐量达2kA/s); (5) 工作允许温度高(达200以上); (6) 驱动电路简单;,2.5.3 MOS控制晶闸管（MCT）,2、MCT的特性,（兼有MOS器件和双极型器件的优点）,第2章,(7)安全工作区：MCT无正偏安全工作区，只有反偏安全工作区RBSOA； RBSOA与结温有关，反映MCT关断时电压和电流的极限容量。 （8）保护装置：MCT可用简单的熔断器进行短路保护。因为当工作电压超出RBSOA时器件会失效，但当峰值可控电流超出RBSOA时，MCT不会像GTO那样损坏，只是不能用栅极信号关断。,2.5.3 MOS控制晶闸管（MCT）,图1.8.7 MCT的RBSOA,2、MCT的特性,第2章,2.5.4集成门极换流晶闸管 （IGCT/GCT）,IGCT ：（Integrated Gate-Commutated Thyris