全控型器件.doc

典型全控型器件利用控制信号可控制开通与关断的器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。 全控型器件通常分为电流控制型与电压控制型两类。电流控制型器件从控制极注入或抽取电流信号来控制器件的开通或关断，如可关断晶闹管(GTO)、大功率晶体管(GTR)等。这类器件的主要特点是控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低。电压控制型器件通过在控制极建立电场提供电压信号来控制器件的开通与关断，如功率场效应臀(简称功率MosFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。与电流控制型器件相比，这类器件的主要特点是控制功率小、控制电路简单、工作频率较高。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表是（1）门极可关断晶闸管，（2）电力晶体管，（3）电力场效应晶体管（4）绝缘栅双极晶体管。 一. 可关断晶闸管 1 .特点： (1) 晶闸管的一种派生器件.(2)可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 (3)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。 2可关断晶闸管的结构与工作原理 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点：GTO是一种多元的功率集成器件栅的结构示意图、等效电路、电气符号如图1所示。与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 由P1N1P2和 图1 GT()的结构示意图、等效电路与电气符号)工作原理： 图2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。1+2=1是器件临界导通的条件。3. 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：a) 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO关断。b) 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。c) 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 4. 由上述分析我们可以得到以下结论：a) GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。b) GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断c) 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5主要参数 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。a）开通时间ton : 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大b)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。下降时间一般小于2s。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 。c) 最大可关断阳极电流IATO:-GTO额定电流。d)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。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 。 二电力晶体管 1. GTR的结构和工作原理 图3 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流GTR的主要特点是：a)与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。b)主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。c)通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。d)采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。e)在应用中，GTR一般采用共发射极接法。2.GTR的基本特性静态特性: a)共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。b)在电力电子电路中GTR工作在开关状态。c)在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。 图4. GTR的静态特性动态特性:开通过程：a)延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton，b)加快开通过程的办法 。关断过程：a）储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff ，b)加快关断速度的办法，c)GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。 图5 GTR的开通和关断过程电流波形（3）GTR的主要参数除前已述及的：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ，此外，还有：a）最高工作电压 (I)GTR上电压超过规定值时会发生击穿。(II)击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。(III)BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。(IV)实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。b)集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点c)集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。d)GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。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，如不能有效的限制电流，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。e）安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。三功率场效应管 功率场效应督(功率MosFET)是具有漏极(D)、源极(s)与栅极(G)的三端器件。场效应管(MosFET)分为结型、绝缘栅型两类。绝缘栅型MOsFET利用栅极与源极间的电压来控制漏极与源极间的等效电阻，从而控制器件的导通与组断状态。本节以绝缘栅型MOsF2T为例介绍MOsFET的工作原理及其主要特性、参数。 1 .电力场效应晶体管分类及特点： 电力场效应晶体管可以分为结型和绝缘栅型，I)按导电沟道可分为P沟道和N沟道。II)耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。III)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。 特点是：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 。 2功率场效应警的结构与工作原理 以垂直导电扩散场效应管(VDMOSFET)为例来介绍绝缘栅型M05FET路符号如图6所示。 图6 VDMoSFET单元结构与电路符号 从绝缘极型MoSF2T结构示意图可以看出，功率MOSFtT是由许多小MOSFET并联组成的。制造N沟道时，先在N区上用扩散工艺形成P型区域，再在P区内采用扩散工艺形成N型区域(即采用所谓双扩散工艺)，在栅极与P、N型半导体之间用绝缘材料隔离，引出强权时扩散的P、N区是短接的。 3. 根据绝缘栅型MOSFT的结构可说明其工作原理 当漏、源极之间的电压简称漏源电压)承受反向电压，漏、源权之间呈现高阻特性，相当于器件处于阻断状态；如果MGso，栅源结相当于一个电容，此时栅极带正电荷，将在靠近栅极的P区内感应产生电子，即在P区内形成一个反型层(P变到N)。在MGs电压高到一定程度后，这个反型层作为导电沟道将源极N与漏极N连接在一起，形成电流通道，使MosFET处于导通状态。这个电流通道均为多数裁硫子导电，因此功率MosFET称为单极型器件。 当撤去吨Ugs即恢复MGso时，反型层消失，调、源吸之间恢复阻断状态。 由此可见，只需建立栅、源极之间的电场，即给栅、源权之间结电容充电即可使功率M05FET开通而给栅、源极之间结电容放电即可使功率MosFET关断。因此，可以通过控制Ugs大小来控制漏、源极之间的开通与关断。这种通过调节控制极电压大小来改变开通与关断状态的器件称为电乐控制型器件。由于功率MoSFET栅、源极之间结电容很小，电容充、放电时间很短，因此驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快。由于漏、源极之间电流由反型层提供通道，允许通过电流的能力有限，因此功串MosFET电流容量较低。同时，由于功率MosFET反型层等效电阻较大，因而导通压降高，通态损耗较大。功率MOSFET主要用于高频、小功率场合。 图7 MOsFET的典型翻态特性 输出特性描述了一定栅源电压M。s下，漏极电流5u与漏源电压Mm之间的关系。四 绝缘栅双极目体管 1绝缘栅双极邑体冒的结构与工作原理 绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种性能优良的半导体器件，是在MosFET的基础上增加PJ层漏极形成的新型器件。IGBT结构如图8所示，从P层引出的电极称为集电极(c)，与MosFET的源极相连的电极称为发射极(E)，控制极仍称为栅极(G)。由结构可知，IGBT相当于一个功率PNP管与MOsFET复合而成的新型器件，其等效电路如图8(b)所示电气符号如图8(c)所示。 图8 1GBT的结构、等效电路与电气符号 从IGBT等效电路可见，当MoSFET关断时，PNP管也关断，IGBT处于阻断状态；当MOSFET导通时，PNP管随之导通，IGBT处于导通状态。这样可通过控制MoSFET来控制PNP三极管，从而控制整个器件的开通与关断。从IGBT的结构还可知道，当IGBT承受反向电压即发射极电位高于集电权电位时，靠近集电极的PN结处于反向偏置状态，因而此时IGBT处于阻断状态。由于IGBT常用于感性负载电路，而IGBT关断时需给负载电流提供续流通道，因此目前许多IGBT内部集成有反并联二极管。 2绝缘栅双极晶体瞥的主要特性 1)静态特性 静态特性主要指IGBT的转移特性与伏安特性。IGBT的转移特性是指在一定集射电压下，输出集电极电流与栅射电压蝴之间的关系。IGBT的典型转移特性如图9所示，它与MosFET的转移特性相同。由图可见，IGBT也存在开启电压UmM。当MGcuUmM时，IGBT处于阻断状态。只有当MGcuUmM时，IGBT才可能有h产生。IGBT导通后，在大部分集电极电流范围内，成近似线性关系。最高栅射电压EJGc受最大集电极电流Jc的限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT的伏安特性是指以栅射电压MGr为参变量时，集电极电流5c与集射电压队s之间的关系，又称为IGBT的输出特性。集电极结出电流人受Mcs的控制，MGs越高，6c越大。IGBT的典型伏安特性如图10所示，它与三极篮的输出特性相似，也可分为截止区、饱和区、放大区、击穿区、反向截止区等部分。在截止区，MGruLm M，IGBT处于阻断状态。在饱和区，IGBT内PNP管饱和导通，此时Mcs几乎不随jc增加而增加。在放大区，由于比r的控制作用，对给定的收，入不随Mcz的变化而变化，但5c随比s增加而增加。当帅超过正向击穿电压u ym时入随“的增加而迅速增加，此时器件被击穿，特性曲线进入击穿区。在阶so时，靠近集电极的PN结处于反向伯置状态，IGBT中只有很小的漏电流通过，此即IG9T处于反向截止区。当Mcc反向增加超过击穿电压IJM时，反向电流迅速增加，IGBT特技反向击穿。 电力电子电路中，IGBT工作于开关状态，IGBT工作时在饱和区、截止区间切换。 图9 1GBT的静态特性 图10 1GBT的伏安特性 2)动态特性 IGBT的动态特性指其开通和关断过程中集电极电流b、集射电压Mn及动态损耗随时间变化的特性。田225所示的电路为IG盯动态特性的测试电路，开关过程典型波形如图10所示。IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MosFET来运行的，只是在Mcs下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和区，又增加了一段延迟时间。驱动电压发