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1.3 全控型电力电子器件 1.3.1 可关断型晶闸管 GTO（Gate- Turn- Off Thyristor） 1GTO 的结构和工作原理 与普通晶闸管相似， 可关断型 GTO 也是 P- N- P- N 四层结构、 引出 A、 K、 G 三个电极， GTO 的电路符号如图 1- 4 所示。与普通型晶闸管不同的是当 GTO 处于导通状态在其门极加 以反向的电流可以将 GTO 关断。 既然与普通型晶闸管有相似的结构，GTO 也可以用图 1- 2（c）来等效。试想，如果在 图中 V2的基极和发射极之间加反向电压使其形成反向电流，V1的集电极电流将被抽出，V2 将由于基极得不到电流而关断，V2关断后 V1也将得不到由 V2集电极提供的基极电流而关 断。最终使整个器件从导通状态转为阻断状态。要实现这一功能，要求器件导通时 V1、V2 的饱和深度不能过深，这一点对于普通型晶闸管来说，由于制造工艺的限制是做不到的。 GTO 虽然也是 P- N- P- N 结构，但一个器件中由许多个微小的 P- N- P- N 的单元并联而成，即 所谓多元结构。这样做可以使每一 GTO 单元在导通时处于微饱和状态，门极和阴极加反向 电压时内部的等效晶体管容易退出饱和，器件转入关断状态。 图 1- 4 GTO 的符号 2GTO 的主要参数 断态重复峰值电压 UDRM和反向重复峰值电压 URRM以及通态平均电压 UT的定义与普 通型晶闸管相同，不过 GTO 承受反向电压的能力较小，一般 URRM明显小于 UDRM。擎住电 流 IL和维持电流 IH的定义也与普通型晶闸管相同，但对于同样电流容量的器件，GTO 的 IH 要比普通型晶闸管大得多。GTO 还有一些特殊参数如下。 （1）可关断最大阳极电流 IAT0 可以通过门极进行关断的最大阳极电流，当阳极电流 超过 IAT0时，门极则无力通过 Ig将 GTO 关断。 （2）门极最大负脉冲电流 IGRM 为关断 GTO 门极可以施加的最大反向电流。 （3）电流关断增益OFF IAT0与 IGRM的比值，OFF=IAT0/ IGRM。这一比值比较小，一 K A G PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 炣 般为 5 左右，这就是说，要关断 GTO 门极的负电流的幅度也是很大的。如OFF=5，GTO 的阳极电流为 1000A，那么要想关断它必须在门极加 200A 的反向电流。可以看出，尽管 GTO 可以通过门极反向电流进行可控关断，但其技术实现并不容易。 1.3.2 功率晶体管 GTR（Giant Transistor） 功率晶体管的结构与一般小功率晶体管相似，内有两个 P- N 结，引出三个电极：发射 极、基极、集电极。并且也分为 PNP 和 NPN 两大类。但是功率晶体管的集电极可以通过很 大的电流， 集电极与发射极之间可以承受很高的电压， 并且在实际应用中功率晶体管经常工 作在开关状态。GTR 的电流放大系数一般都很小（ BUCEX BUCES BUCER BUCE0。在使用时要以 BUCE0作为选择 GTR 工作电压的依据，GTR 的实际工作电压与 BUCE0之间要留有充分的裕 量。 （2）二次击穿和安全工作区 图 1- 6 二次击穿特性 晶体管在工作时集电结承受的反向电压过高时会使 P- N 结击穿，击穿出现时的特征是 集电极电流迅速增加而电压基本不变，这属于雪崩击穿，在此叫做一次击穿。出现一次击穿 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 后如果 IC和 PC不超过 ICM和 PCM的限制，器件不会永久性的损坏。但是，如果出现一次击 穿时 IC超过一定的数值，使器件发热严重，进而会导致二次击穿的出现。二次击穿的特征 是，电流急剧上升而电压却随之下降，如图 1- 6。二次击穿会造成 GTR 永久的损坏。因此 二次击穿是必须采取措施予以防止的。 在晶体管的输出特性曲线族中，每一个基极电流决定一条特性曲线，每一条曲线都有 自己的一次击穿点和二次击穿点， 如果把所有的二次击穿临界点连接起来， 得到的曲线叫做 二次击穿临界线，如图 1- 6 中的 SB 曲线。这条曲线反映了二次击穿的功率，但是它与 PCM 曲线并不相同，两者有一交点。这样要使 GTR 安全的工作，要受到 ICM、PCM、BUCE0和二 次击穿四个条件的限制， 不超过上述限制的区域叫做安全工作区 SOA （Safe Operating Area） 。 如图 1- 7。 A B D C ICM BUCE UCE IC 0 直流 FBSOA 1ms 0.01ms UCE IC ICM 0 IB=- 1A IB=- 2A IB=- 3A （a）正向SOA（b）反向SOA 图 1- 7 GTR 的安全工作区 基极电流为正向和反向时安全工作区是不一样的。图 2- 7（a）为基极电流为正时 GTR 的安全工作区，除坐标轴外，安全工作区有 A、B、C、D 四条边界线，其中 A 为集电极电 流的限制，B 为集电极功率的限制，C 为二次击穿的轨迹，为二次击穿对工作区域的限制， D 则为击穿电压的限制。电力电子电路中，GTR 一般工作在开关状态，其电流为脉冲形式， 脉冲的宽度不同，安全工作区的面积也不一样，脉冲宽度越窄安全工作区的面积就越大，图 中给出了脉冲宽度为 0.01ms、1ms 和直流时的安全工作区。 图 2- 7（b）为基极电流为负时 GTR 的安全工作区，称之为反向安全工作区，实际上 是指 GTR 在关断过程中的安全范围。从图中可以看出，反向驱动电流越大， GTR 关断越 迅速，但是安全工作区的面积也会越小。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 133 绝缘栅型功率场效应晶体管 MOSFET 与前面讲述的各种电力电子器件不同，场效应晶体管 FET（Field Effect Transistor）是 一种单极型器件， 即参与导电的只有一种载流子 （前面所讲述的各种器件工作时有两种载流 子参与导电，称为双极型器件） 。场效应管分为结型和绝缘栅型两大类。电力电子技术中最 常用的功率场效应管属于金属- 氧化物- 半导体场效应晶体管 MOSFET（Metal Oxide Semiconductor FET） ，为绝缘栅型。 1MOSFET 的结构和工作原理 电力电子技术的大功率 MOSFET 和小功率的 MOSFET 在结构上是有区别的，功率 MOSFET 采用垂直导电的结构，称为 VMOSFET（Vertical- MOSFET） ，并且也由许多个单元 并联而成组成“胞元结构” 。VMOSFET 有 VVMOSFET 和 VDMOSFET 两种形式。下以 VDMOSFET 为例说明功率 MOSFET 的工作原理。VDMOSFET 的结构示意图如图 1- 8。源 极所连接的 N 型区域被 P 型材料包围，形成一个个孤立的“小岛” ，漏极在器件的下部（所 以叫垂直导电结构） ，漏极连接的 N 型材料形成一个“凸”型，向上一直延伸到栅极的下面。 漏极区域与源极区域之间被 P 型材料隔离，P 型材料的上端是氧化物绝缘材料，再向上为栅 极。这种结构可以大大缩短导电沟道的长度，载流子通过导电沟道后做垂直方向的运动，可 以通过更大的电流。 氧化物 绝缘层 电子流 S G N P P N N N+ D 金属 图 1- 8 VDMOSFET 的结构和电路符号 栅极不加电压的情况下，介于源极 N 型区域和漏极 N 型材料“凸”型部分上端的 N 型区域之间的 P 型材料的两侧形成两个 P- N 结，由于其阻挡作用无论源漏之间的电压方向 如何都会有一个 P- N 结反偏，不可能有电流通过，器件处于阻断状态。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 如果栅极加正电压， 由于电场的作用， 栅极下面 P 型材料中的多数载流子空穴被排斥， 向下运动，同时栅极的正电压又把 P 型材料中的少数载流子电子吸引到 P 型材料的上部， 这样“小岛”和“凸”型上部之间的 P 型材料中就形成一段反型层，并把两侧的 N 型区连 接起来，消除了 P- N 结的阻挡作用。通常漏极接电源正，源极接电源负，电流可以从漏极 的 N 区通过 P 区的反型层到达源极的 N 区，器件导通。栅极施加的正电压越高，反型层越 深，漏源之间的电流就越大。不难看出，这种结构的 MOSFET 属于“增强型” ，栅极不加电 压时漏极电流为 0，栅极加正向电压时才能形成漏极电流。 2功率 MOSFET 的特性 （1）转移特性 因为 MOSFET 没有栅极电流， 不可能有象晶体管那样的反映输出电压和输入电流的输 入特性曲线，但通过改变栅极电压的大小可以控制 VDMOSFET 的漏极电流（输出电流） 。 可以通过转移特性曲线描述栅极电压对漏极电流的控制能力，如图 1- 9（a） 。图中 Uth称为 开启电压或门槛电压，如果 UGSUth后开始出现漏极电流，并且 UGS越大，漏极电流就越大。 (a)转移特性(b)输出特性 图 1- 9 MOSFET 的特性曲线 （2）输出特性 VDMOSFET 的输出特性曲线如图 1- 9（b） ，反映漏极电流 ID与漏源之间的电压 UDS 的关系。由图可见，它类似与晶体管的输出特性曲线族，不同的是每条曲线的参数是 UGS 而双极型晶体管以 IB作为参数。VDMOSFET 输出特性曲线也分三个区域，当 UGSUth时 为截止区，漏极电流极小。在 UDS很小的一个范围，ID随 UDS的增大而增大，该区域称为非 饱和区或可变电阻区，相当于双极型晶体管的“饱和区” 。UDS增大到一定的程度，ID基本 不随 UDS变化，在栅极电压一定的情况下，器件呈恒流特性，该区域称为饱和区，该区域中 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 栅极电压可以控制漏极电流变化，相当与双极型晶体管的放大区。应该注意的是： “饱和” 对于双极型晶体管和场效应晶体管是两个不同的概念。 （3）动态特性 MOSFET 的栅极和源极之间是绝缘的，两极之间的电阻可视为无穷大，但存在着电容 效应。由于这个等效电容的存在，当栅源之间加正电压使其导通、加负电压（或短接）使其 关断时，电容必然要有一个充放电过程，亦即栅源极之间的电压不可能突变，因此漏极与源 极之间的通断要滞后与栅源之间的控制信号电压一段时间。MOSFET 导通和关断中有关电 量的变化情况如图 1- 10 所示。由于驱动信号源中不可避免地存在着电阻，驱动信号源的电 压做阶跃变化时 MOSFET 的栅源之间的电压 uGS有一个充放电的过程而不会随信号源电压 跳变。 ton toff tr tf td ts iD 0 0 0 t t t Uth UP ug us 图 1- 10 MOSFET 的动态特性 在开通过程中， 当 G- S 之间的电压 uGS上升到 MOSFET 的开启电压 Uth时， 开始出现漏 极电流 iD，此后 iD随 uGS的增大而增大，直至达到稳定值。从驱动信号源出现电压到漏极出 现电流这段时间叫做开通延迟时间 td， 从漏极出现电流到 iD达到稳定值对应的时间为上升时 间 tr，两者之和为开通时间 ton，即 rdon ttt+= 在关断过程中，首先驱动信号源的电压下降到 0（或负值） ，G- S 之间的电容通过信号 源内阻放电，开始的一段时间漏极电流并没有变化，这段时间叫做关断延迟时间 ts。之后， PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 炣 iD开始下降，当 uGSUT时，iD下降到 0，此过程对应的时间为下降时间 tf。关断时间 toff定 义为 fsoff ttt+= 3MOSFET 的安全工作区 MOSFET 在运行时受到 D- S 之间最大电压、最大漏极电流和最大漏极功耗等因素的限 制，其正向偏值安全工作区如图 1- 11 所示。该图的横轴为对数坐标，所以功率曲线为直线。 在 UDS的范围，UDS越小 D- S 之间的导通电阻 Ron越大，同样电流下发热越严重，所以在漏 极电流较小的情况下，允许通过的电流随 UDS的减小而减小（如图中左端的斜线） 。当 UDS 大到一定程度，Ron变得很小，允许通过的电流只受最大漏极电流 IDM的约束。但在 UDS比 较大时，安全工作区受到最大漏极功耗的限制，如图中右侧的斜线。另外，电力电子电路中 的 MOSFET 也工作在开关状态，输出电流为脉冲形式，最大漏极功耗与脉冲宽度有关，脉 冲越宽，允许的最大功耗越小，电流为直流时允许功耗最小。 UDS IDM ID 0 TP1 TP2 TP3 DC TP1TP2TP3 图 1- 11 MOSFET 的安全工作区 1.3.4 绝缘栅双极型晶体管 IGBT MOSFET 和 GTR 都有各自的优点，也有各自的缺点。MOSFET 为电压控制型器件，驱 动电路简单，工作频率高，且不存在二次击穿问题，但器件的电压和电流容量均比 GTR 大， 对于电力电子技术中的高电压 MOSFET，由于导通电阻较大，一般导通管压降要比 GTR 大 得多；GTR 的电压和电流容量都比 MOSFET 高得多，导通管压降比 MOSFET 小，但工作 频率比 MOSFET 低，驱动电路复杂且有可能出现二次击穿。将 MOSFET 和 GTR 复合为一 个器件，前级为 MOSFET，后级为 GTR，可以发挥两者的优势，这种器件就是绝缘栅双极 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 炣 型晶体管 IGBT（Insulated- Gate Bipolar Transistor） 。 1.IGBT 的基本结构 在结构上与 MOSFET 比较，IGBT 相当于在 MOSFET 的基础上又增加了一层 P+材料 （掺杂浓度较高的 P 型材料） ，又形成了一个 PN 结，如图 1- 12（a）中的 J3，这样 J2 和 J3 构成一个 PNP 型三极管，该三极管的基区与原来 MOSFET 的漏极相连接，而三极管的集电 极就是原 MOSFET 的源极。整个器件相当于一个场效应管与一个双极型三极管组成达林顿 连接，其等效电路图如图 1- 11（b）所示。 G E C J3 J2 C G E N- - J1 N+ J1 N+ P P N+ P C G E (a)结构(b)等效电路(c)电路符号 图 1- 12 IGBT 的结构和符号 由等效电路可以看出，器件的栅极 G 与发射极 E 之间的结构与 MOSFET 是相同的， 所以 IGBT 也是电压控制型器件，也具有驱动简单的特点。但它的漏极不是直接引出，而是 又经过一个 PN 结（等效三极管的发射结） ，在 IGBT 导通时这个 PN 结为正偏，P 区图 1- 12 （a）的最下面一层向 N 区扩散空穴，提高电导率，使器件的导通压降减小，从而提高了通 过电流的能力。 2.IGBT 的静态特性 （1）转移特性 IGBT 也是一种电压控制型器件， 通过改变栅极 G 和发射极之间的电压来控制集电极电 流 IC的大小，栅极也没有电流，不可能有类似双极型晶体管的输入特性曲线，反映控制特 性的曲线为转移特性曲线，如图 1- 13（a）所示。栅极- 发射极之间的电压 uGE较小时没有集 电极电流。 当 uGE达到开启电压 Uth时， 开始出现集电极电流， 随栅极- 发射极之间的电压 uGE 的增大，集电极电流 IC也增大，因此，IGBT 也是一个电压控制型器件，这一点与 MOSFET 类似。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 炣 （2）输出特性 反映集电极电流与集电极- 发射极间电压的关系的曲线为输出特性曲线，为一曲线族， 如图 1- 13（b） 。曲线族中每一条曲线由一个固定的 uGE值确定。在 uCE很小时，IC随 uCE的 增大而迅速上升，这个区域称为线性导电区；uCE增大到一定值，IC不再随 uCE变化而基本 保持恒定，该区域为恒流饱和区；如果继续 uCE的值，使电压超出了器件的承受能力，则曲 线进入击穿区。电流增大，图中曲线发生弯曲。 （a）转移特性（b）输出特性 图 1- 13 IGBT 的特性 3IGBT 的动态特性 IGBT 在开通和关断过程中集电极电流 iC与栅极电压之间也存在着一定的延时，其有关 电量的波形图如图 1- 14 所示。从栅极- 发射极之间电压 uCE上升到稳态值的 10%到集电极电 流 iC上升到稳态值的 10%对应的时间称为开通延迟时间 td，这段延迟时间的产生机理与 MOSFET 相似。从 iC上升到稳态值的 10%到上升至稳态值的 90%所对应的时间为上升时间 tr；整个开通过程对应的时间为开通时间 ton：ton=td+tr。 0 0 0.9UCE tr td ton ts ton tf toff t t t uGE 0.9IC 0.1IC 0.1UCE uCE 0 iC tV1 tV2 图 1- 14 IGBT 的动态特性 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 炣 由图 1- 14 可以看出，在 ton结束时，iC已上升到接近稳态值，但集电极- 发射极之间的电 压 uCE刚开始下降，整个下降过程分为两段，第一段下降较快，为 IGBT 中的 MOSFET 单独 工作的电压下降过程，对应的时间为 tV1，这段时间电压下降较快。在第二段时间 tV2中， MOSFET 和 GTR 同时工作，电压下降速度减慢。 欲使 IGBT 关断， 需使驱动信号源的电压下降到零或负值， 但由于 G- E 之间输入电容的 作用，栅极- 发射极之间电压 uCE不能突跳而是逐渐下降，uCE下降到一定程度集电极电流才 开始下降，把从 uCE下降到原来的 90%到 iC下降到稳态值的 90%所对应的时间称为关断延 迟时间 ts，iC从稳态值的 90%下降到稳态值的 10%对应的时间称为下降时间 tf。关断时间 toff=ts+tf。 4擎住效应和安全工作区 由图 1- 12（a）IGBT 的结构可以看出，在 IGBT 中，除图 1- 12（b）中的 PNP 型三极管 外，还存在着一个 NPN 型寄生三极管，它由 J1 和 J2 之间的 N 型材料、两侧的 P 型材料和 与 E 极连接的 N+材料构成。这样，IGBT 可由图 1- 15 的电路来等效。在 NPN 型三极管（图 1- 15 中的 T2）的 B- E 之间有一个与之并联的扩展电阻 Rbr，IGBT 工作时电流会流过这个电 阻产生压降，相当与给 N