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文档简介
第二讲电力电子器件及其驱动电路PowerElectronicPartsandDriver 杜少武 第二讲电力电子器件及其驱动电路PowerElectronicPartsandDriver 2 1门极可关断晶闸管2 2电力场效应晶体管2 3绝缘栅双极晶体管 2 1门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor GTO 晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压 电流容量较大 与普通晶闸管接近 因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用 返回 GTO的结构和工作原理 结构 与普通晶闸管的相同点 PNPN四层半导体结构 外部引出阳极 阴极和门极和普通晶闸管的不同 GTO是一种多元的功率集成器件 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元 这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起 GTO的结构和工作原理 工作原理 导通原理与普通晶闸管一样 同样可以用双晶体管模型来分析 1 2 1是器件临界导通的条件 当 1 2 1时 两个等效晶体管过饱和而使器件导通 当 1 2 1时 不能维持饱和导通而关断 GTO的结构和工作原理 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别 设计 2较大 使晶体管V2控制灵敏 易于GTO关断导通时 1 2更接近1 1 05 普通晶闸管 1 2 1 15 导通时饱和不深 接近临界饱和 有利门极控制关断 但导通时管压降增大多元集成结构使GTO元阴极面积很小 门 阴极间距大为缩短 使得P2基区横向电阻很小 能从门极抽出较大电流 导通过程 与普通晶闸管一样 只是导通时饱和程度较浅关断过程 强烈正反馈 门极加负脉冲即从门极抽出电流 则Ib2减小 使IK和Ic2减小 Ic2的减小又使IA和Ic1减小 又进一步减小V2的基极电流当IA和IK的减小使 1 2 1时 器件退出饱和而关断多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快 承受di dt能力强 GTO的结构和工作原理 GTO的动态特性 开通过程 与普通晶闸管类似 需经过延迟时间td和上升时间tr图2 7GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性 关断过程 与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子 储存时间ts 使等效晶体管退出饱和等效晶体管从饱和区退至放大区 阳极电流逐渐减小 下降时间tf残存载流子复合 尾部时间tt通常tf比ts小得多 而tt比ts要长门极负脉冲电流幅值越大 前沿越陡 抽走储存载流子的速度越快 ts越短门极负脉冲的后沿缓慢衰减 在tt阶段仍保持适当负电压 则可缩短尾部时间 GTO的主要参数 GTO的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同 以下只介绍意义不同的参数1 开通时间ton延迟时间与上升时间之和 延迟时间一般约1 2 s 上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大2 关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和 不包括尾部时间 GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大 下降时间一般小于2 s不少GTO都制造成逆导型 类似于逆导晶闸管 需承受反压时 应和电力二极管串联 GTO的主要参数 3 最大可关断阳极电流IATO GTO的额定电流4 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 1 8 off一般很小 只有5左右 这是GTO的一个主要缺点 1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A GTO的驱动 GTO的开通控制与普通晶闸管相似 但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高 且一般需在整个导通期间施加正门极电流使GTO关断需施加负门极电流 对其幅值和陡度的要求更高 关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力推荐的GTO门极电压电流波形如图2 8所示 图2 8推荐的GTO门极电压电流波形 GTO的驱动 驱动电路通常包括开通驱动电路 关断驱动电路和门极反偏电路三部分 可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡 可得到较陡的脉冲前沿 因此目前应用较广 但其功耗大 效率较低 GTO的驱动 典型的直接耦合式GTO驱动电路V1开通时 输出正强脉冲V2开通时输出正脉冲平顶部分V2关断而V3开通时输出负脉冲V3关断后R3和R4提供门极负偏压 2 2电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型但通常主要指绝缘栅型中的MOS型简称电力MOSFET PowerMOSFET 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管特点 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 返回 电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型 对于N P 沟道器件 栅极电压大于 小于 零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型 电力MOSFET的结构 导通时只有一种极性的载流子参与导电 是单极型器件导电机理与小功率MOS管相同 但结构上有较大区别电力MOSFET的多元集成结构 电力MOSFET的结构 小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构 又称为VMOSFET VerticalMOSFET 大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异 又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散结构的VDMOSFET VerticalDouble diffusedMOSFET 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论 电力MOSFET的工作原理 截止 漏源极间加正电源 栅源极间电压为零P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏 漏源极之间无电流流过导电 在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的 所以不会有栅极电流流过 但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开 而将P区中的少子 电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT 开启电压或阈值电压 时 栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度 使P型半导体反型成N型而成为反型层 该反型层形成N沟道而使PN结J1消失 漏极和源极导电 电力MOSFET的基本特性 电力MOSFET的基本特性 主要包括静态特性与动态特性 静态特性 包括转移特性和输出特性动态特性 包括开通延时时间 关断延时时间和开关速度等 返回 电力MOSFET的静态特性 1 静态特性 包括转移特性和输出特性 电力MOSFET的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 电力MOSFET的静态特性 MOSFET的转移特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性ID较大时 ID与UGS的关系近似线性 曲线的斜率定义为跨导Gfs 电力MOSFET的静态特性 MOSFET的漏极伏安特性 输出特性 截止区 对应于GTR的截止区 饱和区 对应于GTR的放大区 非饱和区 对应于GTR的饱和区 电力MOSFET工作在开关状态 即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管 漏源极间加反向电压时器件导通电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数 对器件并联时的均流有利 电力MOSFET的动态特性 2 动态特性 电力MOSFET的开关过程a 测试电路b 开关过程波形 电力MOSFET的动态特性 开通过程开通延迟时间td on up前沿时刻到uGS UT并开始出现iD的时刻间的时间段上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后 在up作用下继续升高直至达到稳态 但iD已不变开通时间ton 开通延迟时间与上升时间之和 电力MOSFET的动态特性 关断过程关断延迟时间td off up下降到零起 Cin通过Rs和RG放电 uGS按指数曲线下降到UGSP时 iD开始减小止的时间段下降时间tf uGS从UGSP继续下降起 iD减小 到uGS UT时沟道消失 iD下降到零为止的时间段关断时间toff 关断延迟时间和下降时间之和 电力MOSFET的动态特性 MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系使用者无法降低Cin 但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数 加快开关速度MOSFET只靠多子导电 不存在少子储存效应 因而关断过程非常迅速开关时间在10 100ns之间 工作频率可达100kHz以上 是主要电力电子器件中最高的 电力MOSFET的主要参数 除跨导Gfs 开启电压UT以及td on tr td off 和tf之还有 1 漏极电压UDS电力MOSFET电压定额2 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额3 栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄 UGS 20V将导致绝缘层击穿4 极间电容极间电容CGS CGD和CDS 电力MOSFET的主要参数 厂家提供 漏源极短路时的输入电容Ciss 共源极输出电容Coss和反向转移电容CrssCiss CGS CGDCrss CGDCoss CDS CGD输入电容可近似用Ciss代替 电力MOSFET的安全工作区 漏源间的耐压 漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区一般来说 电力MOSFET不存在二次击穿问题 这是它的一大优点实际使用中仍应注意留适当的裕量 MOSFET正向偏置安全工作区 图中的时间表示脉冲宽度 电力MOSFET的驱动 栅源间 栅射间有数千皮法的电容 为快速建立驱动电压 要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般10 15V 使IGBT开通的驱动电压一般15 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压 一般取 5 10V 有利于减小关断时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻 数十欧左右 可以减小寄生振荡 该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小 返回 电力MOSFET的驱动 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L 其输入信号电流幅值为16mA 输出最大脉冲电流为 2A和 3A 输出驱动电压 15V和 10V 2 3绝缘栅双极晶体管 GTR的特点 双极型 电流驱动 有电导调制效应 通流能力很强 开关速度较低 驱动功率大 驱动电路复杂MOSFET的优点 单极型 电压驱动 开关速度快 输入阻抗高 热稳定性好 驱动功率小 驱动电路简单两类器件取长补短结合而成的复合器件 Bi MOS器件GTR和MOSFET复合 结合二者的优点 具有好的特性1986年投入市场后 取代了GTR和一部分MOSFET的市场 中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量 以期再取代GTO的地位 返回 IGBT的结构和工作原理 IGBT是三端器件 栅极G 集电极C和发射极E IGBT的结构 简化等效电路和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 简化等效电路c 电气图形符号 IGBT的结构 N沟道VDMOSFET与GTR组合 N沟道IGBT N IGBT IGBT比VDMOSFET多一层P 注入区 形成了一个大面积的P N结J1使IGBT导通时由P 注入区向N基区发射少子 从而对漂移区电导率进行调制 使得IGBT具有很强的通流能力简化等效电路表明 IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构 一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管 IGBT的工作原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同 场控器件 通断由栅射极电压uGE决定导通 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导通导通压降 电导调制效应使电阻RN减小 使通态压降小关断 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 IGBT的基本特性 IGBT的基本特性 主要包括静态特性与动态特性 静态特性 包括转移特性和输出特性动态特性 包括开通延时时间 关断延时时间和开关速度等 IGBT的静态特性 IGBT的静态特性 主要包括转移特性和输出特性 IGBT的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 IGBT的静态特性 转移特性 IC与UGE间的关系 与MOSFET转移特性类似开启电压UGE th IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE th 随温度升高而略有下降 在 25 C时 UGE th 的值一般为2 6V输出特性 伏安特性 以UGE为参考变量时 IC与UCE间的关系分为三个区域 正向阻断区 有源区和饱和区 分别与GTR的截止区 放大区和饱和区相对应uCE 0时 IGBT为反向阻断工作状态 IGBT的动态特性 IGBT的动态特性 IGBT的开关过程 IGBT的动态特性 IGBT的开通过程与MOSFET的相似 因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td on 从uGE上升至其幅值10 的时刻 到iC上升至10 ICM 电流上升时间tr iC从10 ICM上升至90 ICM所需时间开通时间ton 开通延迟时间与电流上升时间之和uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段 tfv1 IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程 tfv2 MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 IGBT的动态特性 IGBT的关断过程关断延迟时间td off 从uGE后沿下降到其幅值90 的时刻起 到iC下降至90 ICM电流下降时间tf iC从90 ICM下降至10 ICM关断时间toff 关断延迟时间与电流下降之和电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段 tfi1 IGBT内部的MOSFET的关断过程 iC下降较快 tfi2 IGBT内部的PNP晶体管的关断过程 iC下降较慢 IGBT的其它特性 IGBT中双极型PNP晶体管的存在 虽然带来了电导调制效应的好处 但也引入了少子储存现象 因而IGBT的开关速度低于电力MOSFETIGBT的击穿电压 通态压降和关断时间也是需要折衷的参数 IGBT的主要参数 1 最大集射极间电压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定2 最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3 最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗 IGBT的特性和参数特点 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通态压降比VDMOSFET低 特别是在电流较大的区域输入阻抗高 输入特性与MOSFET类似与MOSFE
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