电力电子器件

第1章电力电子器件 1 1电力电子器件的基本模型1 2电力二极管1 3晶闸管1 4可关断晶闸管1 5电力晶体管1 6电力场效应晶体管1 7绝缘栅双极型晶体管1 8其它新型电力电子器件1 9电力电子器件的驱动与保护 1 1电力电子器件的基本模型 定义 电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件 PowerElectronicDevice 本书涉及的电力电子器件是指半导体电力电子器件 在对电能的变换和控制过程中 电力电子器件可以抽象成下图1 1 1所示的理想开关模型 它有三个电极 其中A和B代表开关的两个主电极 K是控制开关通断的控制极 它只工作在 通态 和 断态 两种情况 在通态时其电阻为零 断态时其电阻无穷大 图1 1 1电力电子器件的理想开关模型 一 基本模型 1 1电力电子器件的基本模型 二 基本特性 1 1电力电子器件的基本模型 3 在工作中器件的功率损耗 通态 断态 开关损耗 很大 为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏 在其工作时一般都要安装散热器 2 电力电子器件的开关状态由外电路 驱动电路 来控制 1 电力电子器件一般都工作在开关状态 1 1 2电力电子器件的种类 一 按器件的开关控制特性可以分为以下三类 不可控器件 器件本身没有导通 关断控制功能 而需要根据电路条件决定其导通 关断状态的器件称为不可控器件 如 电力二极管 PowerDiode 半控型器件 通过控制信号只能控制其导通 不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件 如 晶闸管 Thyristor 及其大部分派生器件 全控型器件 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件 称为全控型器件 如 门极可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor 功率场效应管 PowerMOSFET 绝缘栅双极型晶体管 Insulated GateBipolarTransistor 等 二 电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种 电流控制型器件 此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制 如 晶闸管 门极可关断晶闸管 功率晶体管等 电压控制半导体器件 这类器件采用电压 场控原理 控制它的通 断 输入控制端基本上不流过控制电流信号 用小功率信号就可驱动它工作 如 代表性器件为MOSFET和IGBT 附表1 1 1 主要电力半导体器件的特性及其应用领域 1 2 1电力二极管及其工作原理 一 电力二极管 1 电力二极管 PowerDiode 也称为半导体整流器 SemiconductorRectifier 简称SR 属不可控电力电子器件 是20世纪最早获得应用的电力电子器件 2 在中 高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用 具有不可替代的地位 二 PN结与电力二极管工作原理 基本结构和工作 原理与信息电子电路中的二极管一样 以半导体PN结为基础 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成 从外形上看 主要有螺栓型和平板型两种 图1 2 1电力二极管的外形 结构和电气图形符a 结构b 外形c 电气图形 二 PN结与电力二极管工作原理 续 PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低 维持在1V左右 所以正向偏置的PN结表现为低阻态 PN结的反向截止状态 PN结有单向导电性 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征 PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 可能导致热击穿 PN结的电容效应 PN结的空间电荷量随外加电压而变化 呈现电容效应 称为结电容CJ 又称为微分电容 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 图1 2 2电力二极管的伏安特性曲线 1 电力二极管的伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值 门槛电压UTO 正向电流才开始明显增加 处于稳定导通状态 与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降 当电力二极管承受反向电压时 只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流 图1 2 2电力二极管的伏安特性曲线 特性曲线 2 电力二极管的开关特性 1 关断特性 电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力 进入截止状态 在关断之前有较大的反向电流出现 并伴随有明显的反向电压过冲 一 定义 反映通态和断态之间的转换过程 关断过程 开通过程 图1 2 3电力二极管开关过程中电压 电流波形 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP 经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值 如2V 这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子 达到稳态导通前管压降较大 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降 电流上升率越大 UFP越高 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程 图1 2 3电力二极管开关过程中电压 电流波形 2 开通特性 2 开通特性 续 延迟时间 td t1 t0电流下降时间 tf t2 t1反向恢复时间 trr td tf恢复特性的软度 下降时间与延迟时间的比值tf td 或称恢复系数 用sr表示 图1 2 3电力二极管开关过程中电压 电流波形 1 普通二极管 普通二极管又称整流管 RectifierDiode 多用于开关频率在 KHZ以下的整流电路中 其反向恢复时间在 s以上 额定电流达数千安 额定电压达数千伏以上 2 快恢复二极管 反向恢复时间在 s以下的称为快恢复二极管 FastRecoveryDiode简称FDR 快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管 前者反向恢复时间为数百纳秒以上 后者则在100ns以下 其容量可达1200V 200A的水平 多用于高频整流和逆变电路中 3 肖特基二极管 肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件 其导通压降的典型值为0 4 0 6V 而且它的反向恢复时间短 为几十纳秒 但反向耐压在200 以下 它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中 二 电力二极管的主要类型 3 电力二极管的主要参数 额定正向平均电流 在指定的管壳温 简称壳温 用TC表示 和散热条件下 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 设该正弦半波电流的峰值为Im 则 1 2 5 1 2 4 1 2 6 1 2 7 可求出正弦半波电流的波形系数 定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数 用Kf表示 额定电流有效值为 1 额定正向平均电流IF AV 额定电流 平均电流 为 1 额定正向平均电流IF AV 续 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的 因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额 并应留有1 5 2倍的裕量 当用在频率较高的场合时 开关损耗造成的发热往往不能忽略 当采用反向漏电流较大的电力二极管时 其断态损耗造成的发热效应也不小 指器件中 结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度 jM通常在125 175 范围内 3 电力二极管的主要参数 续 2 反向重复峰值电压 RRM 指器件能重复施加的反向最高峰值电压 额定电压 此电压通常为击穿电压U 的2 3 3 正向压降 F 指规定条件下 流过稳定的额定电流时 器件两端的正向平均电压 又称管压降 4 反向漏电流 RR 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流 5 最高工作结温 jM 1 3晶闸管 1 3 1晶闸管及其工作原理1 3 2晶闸管的特性与主要参数1 3 3晶闸管的派生器件 1 3晶闸管 晶闸管 Thyristor 包括 普通晶闸管 SCR 快速晶闸管 FST 双向晶闸管 TRIAC 逆导晶闸管 RCT 可关断晶闸管 GTO 和光控晶闸管等 普通晶闸管 也称可控硅整流管 SiliconControlledRectifier 简称SCR 由于它电流容量大 电压耐量高以及开通的可控性的特点 已被广泛应用于相控整流 逆变 交流调压 直流变换等领域 成为特大功率 低频装置中的主要器件 1 3 1晶闸管及其工作原理 1 外形封装形式 可分为小电流塑封式 小电流螺旋式 大电流螺旋式和大电流平板式 额定电流在200A以上 分别由图1 3 1 a b c d 所示 2 晶闸管有三个电极 它们是阳极A 阴极K和门极G 它的电气符号如图1 3 1 e 所示 图1 3 1晶闸管的外型及符号 1 晶闸管的结构 1 晶闸管的结构 续 晶闸管是大功率器件 工作时产生大量的热 因此必须安装散热器 螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上 采用自然散热冷却方式 如图1 3 2 a 所示 平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间 散热方式可以采用风冷或水冷 以获得较好的散热效果 如图1 3 2 b c 所示 图1 3 2晶闸管的散热器 2 晶闸管的工作原理 图1 3 3晶闸管的内部结构和等效电路 1 导通 晶闸管阳极施加正向电压时 若给门极G也加正向电压Ug 门极电流Ig经三极管T2放大后成为集电极电流Ic2 Ic2又是三极管T1的基极电流 放大后的集电极电流Ic1进一步使Ig增大且又作为T2的基极电流流入 重复上述正反馈过程 两个三极管T1 T2都快速进入饱和状态 使晶闸管阳极A与阴极K之间导通 此时若撤除Ug T1 T2内部电流仍维持原来的方向 只要满足阳极正偏的条件 晶闸管就一直导通 晶闸管 单向导电性 导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流 2 阻断 当晶闸管A K间承受正向电压 而门极电流Ig 0时 上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来 晶闸管A K间只有很小的正向漏电流 它处于正向阻断状态 2 晶闸管的工作原理 续 图1 3 3晶闸管的内部结构和等效电路 1 3 2晶闸管的特性与主要参数 定义 晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性 第一象限是正向特性 第三象限是反向特性 图1 3 4晶闸管阳极伏安特性 UDRM URRM 正 反向断态重复峰值电压 UDSM URSM 正 反向断态不重复峰值电压 UBO 正向转折电压 URO 反向击穿电压 晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性 续 晶闸管上施加反向电压时 伏安特性类似二极管的反向特性 晶闸管处于反向阻断状态时 只有极小的反相漏电流流过 当反向电压超过一定限度 到反向击穿电压后 外电路如无限制措施 则反向漏电流急剧增加 导致晶闸管发热损坏 图1 3 4晶闸管阳极伏安特性 1 晶闸管的反向特性 晶闸管的伏安特性 续 IG 0时 器件两端施加正向电压 正向阻断状态 只有很小的正向漏电流流过 正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo 则漏电流急剧增大 器件开通 随着门极电流幅值的增大 正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小 在1V左右 导通期间 如果门极电流为零 并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下 则晶闸管又回到正向阻断状态 IH称为维持电流 图1 3 4晶闸管阳极伏安特性 2 晶闸管的正向特性 2 晶闸管的开关特性 晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形 1 3 5晶闸管的开通和关断过程波形 延迟时间td 门极电流跃时刻开始 到阳极电流上升到稳态值的10 的时间 上升时间tr 阳极电流从10 上升到稳态值的90 所需的时间 开通时间tgt 以上两者之和 tgt td tr普通晶闸管延迟时为0 5 1 5 s 上升时间为0 5 3 s 2 晶闸管的开关特性 续 1 3 5晶闸管的开通和关断过程波形 1 开通过程 正向阻断恢复时间tgr 晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压 晶闸管会重新正向导通 实际应用中 应对晶闸管施加足够长时间的反向电压 使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力 电路才能可靠工作 关断时间tq trr与tgr之和 即tq trr tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒 2 晶闸管的开关特性 续 1 3 5晶闸管的开通和关断过程波形 2 关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间 3 晶闸管的开通与关断时间 1 开通时间tgt 普通晶闸管的开通时间tgt约为6 s 开通时间与触发脉冲的陡度与电压大小 结温以及主回路中的电感量等有关 2 关断时间tq 普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒 关断时间与元件结温 关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关 3 晶闸管的主要特性参数 1 正向重复峰值电压UDRM门极断开 Ig 0 元件处在额定结温时 正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM 此电压不可连续施加 的80 所对应的电压 此电压可重复施加 其重复频率为50HZ 每次持续时间不大于10ms 2 反向重复峰值电压URRM元件承受反向电压时 阳极电压为反向不重复峰值电压URSM的80 所对应的电压 3 晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值 选用时 额定电压要留有一定裕量 一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 3倍 1 晶闸管的重复峰值电压 额定电压UTe 2 晶闸管的额定通态平均电流 额定电流IT AV 在选用晶闸管额定电流时 根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1 5 2的安全系数 使其有一定的电流裕量 1 定义 在环境温度为40 和规定的冷却条件下 晶闸管在电阻性负载导通角不小于170 的单相工频正弦半波电路中 当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流 3 晶闸管的主要特性参数 2 IT AV 计算方法 1 3 3 1 3 4 根据额定电流的定义可知 额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦半波电流时的允许最大平均电流 额定电流有效值为 额定电流 平均电流 为 3 晶闸管的主要特性参数 这说明额定电流IT AV 100A的晶闸管 其额定有效值为IT KfIT AV 157A 1 3 5 1 3 6 现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数 用Kf表示 根据上式可求出正弦半波电流的波形系数 3 晶闸管的主要特性参数 3 门极触发电流IGT和门极触发电压UGT 1 定义 在室温下 晶闸管加6V正向阳极电压时 使元件完全导通所必须的最小门极电流 称为门极触发电流IGT 对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT 2 晶闸管由于门极特性的差异 其触发电流 触发电压也相差很大 所以对不同系列的元件只规定了触发电流 电压的上 下限值 3 晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值 但触发电流 电压受温度的影响很大 温度升高 UGT IGT值会显著降低 温度降低 UGT IGT值又会增大 为了保证晶闸管的可靠触发 在实际应用中 外加门极电压的幅值应比UGT大几倍 3 晶闸管的主要特性参数 4 通态平均电压UT AV 1 定义 在规定环境温度 标准散热条件下 元件通以正弦半波额定电流时 阳极与阴极间电压降的平均值 称通态平均电压 又称管压降 2 其数值按表1 3 3分组 在实际使用中 从减小损耗和元件发热来看 应选择 T AV 小的晶闸管 表1 3 3晶闸管通态平均电压分组 3 晶闸管的主要特性参数 5 维持电流 和掣住电流 L 1 维持电流 在室温下门极断开时 元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流 H 2 掣住电流 L 给晶闸管门极加上触发电压 当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压 此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流 L 对同一晶闸管来说 掣住电流 L要比维持电流 H大2 4倍 3 晶闸管的主要特性参数 6 通态电流临界上升率di dt 1 定义 晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率di dt 2 影响 门极流入触发电流后 晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通 随着时间的推移 导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积 如果阳极电流上升得太快 则会导致门极附近的 结因电流密度过大而烧毁 使晶闸管损坏 3 晶闸管的主要特性参数 7 断态电压临界上升率du dt 1 定义 把在规定条件下 不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率 称为断态电压临界上升率du dt 2 影响 晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容 若突然加一正向阳极电压 便会有一个充电电流流过结面 该充电电流流经靠近阴极的 结时 产生相当于触发电流的作用 如果这个电流过大 将会使元件误触发导通 3 晶闸管的主要特性参数 1 3 3晶闸管的派生器件 可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管 FastSwitchingThyristor 简称FST 开关频率在10KHZ以上的称为高频晶闸管 快速晶闸管为了提高开关速度 其硅片厚度做得比普通晶闸管薄 因此承受正反向阻断重复峰值电压较低 一般在2000V以下 快速晶闸管du dt的耐量较差 使用时必须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的du dt 当开关频率升高时 du dt耐量会下降 1 快速晶闸管 FastSwitchingThyristor FST 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成 有两个主电极T1和T2 一个门极G 正反两方向均可触发导通 所以双向晶闸管在第 和第III象限有对称的伏安特性 与一对反并联晶闸管相比是经济的 且控制电路简单 在交流调压电路 固态继电器 SSR 和交流电机调速等领域应用较多 通常用在交流电路中 因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值 1 3 3晶闸管的派生器件 图1 3 6双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性 2 双向晶闸管 TRIAC 1 3 3晶闸管的派生器件 a K G A 逆导晶闸管 ReverseConductingThyristor RCT 是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件 不具有承受反向电压的能力 一旦承受反向电压即开通 具有正向压降小 关断时间短 高温特性好 额定结温高等优点 图1 3 7逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性 1 又称光触发晶闸管 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管 2 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子 3 大功率光控晶闸管则还带有光缆 光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器 4 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘 且可避免电磁干扰的影响 因此目前在高压大功率的场合 如高压直流输电和高压核聚变装置中 占据重要的地位 1 3 3晶闸管的派生器件 图1 3 8光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a 电气图形符号b 伏安特性 4 光控晶闸管 LTT 1 4可关断晶闸管 可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor 简称GTO 它具有普通晶闸管的全部优点 如耐压高 电流大等 同时它又是全控型器件 即在门极正脉冲电流触发下导通 在负脉冲电流触发下关断 1 4 1可关断晶闸管及其工作原理 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 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 图1 4 1GTO的内部结构和电气图形符号 a 各单元的阴极 门极间隔排列的图形 b 并联单元结构断面示意图 c 电气图形符号 1 可关断晶闸管的结构 1 4 1可关断晶闸管及其工作原理 2 可关断晶闸管的工作原理1 GTO的导通机理与SCR是相同的 GTO一旦导通之后 门极信号是可以撤除的 但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和 而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态 这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断 2 在关断机理上与SCR是不同的 门极加负脉冲即从门极抽出电流 即抽取饱和导通时储存的大量载流子 强烈正反馈使器件退出饱和而关断 1 4 2可关断晶闸管的特性与主要参数 导通过程与SCR一样 只是导通时饱和程度较浅 需经过延迟时间td和上升时间tr 图1 4 2可关断晶闸管的开关特性 1 开通过程 1 可关断晶闸管的特性 2 关断过程 与普通晶闸管不同储存时间ts 抽取饱和导通时储存的大量载流子 使等效晶体管退出饱和 下降时间tf 等效晶体管从饱和区退至放大区 阳极电流逐渐减小 尾部时间tt 残存载流子复合 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 图1 4 2可关断晶闸管的开关特性 1 可关断晶闸管的特性 续 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 2ms 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2ms 3 最大可关断阳极电流IATO 它是GTO的额定电流 2 可关断晶闸管的主要参数 1 4 2可关断晶闸管的特性与主要参数 续 GTO的门极可关断能力可用电流关断增益 off来表征 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益 通常大容量GTO的关断增益很小 不超过3 5 这正是GTO的缺点 一个1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 4 电流关断增益 off 1 4 2可关断晶闸管的特性与主要参数 续 3 可关断晶闸管的应用 1 GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方 电压 电流容量较大 与普通晶闸管接近 达到兆瓦级的数量级 2 使用时必须注意 用门极正脉冲可使GTO开通 用门极负脉冲可以使其关断 这是GTO最大的优点 但要使GTO关断的门极反向电流比较大 约为阳极电流的 左右 GTO的通态管压降比较大 一般为2 3V 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 1 5 电力晶体管 1 术语用法 电力晶体管 GiantTransistor GTR 直译为巨型晶体管 耐高电压 大电流的双极结型晶体管 BipolarJunctionTransistor BJT 英文有时候也称为PowerBJT 在电力电子技术的范围内 GTR与BJT这两个名称等效2 应用 20世纪80年代以来 在中 小功率范围内取代晶闸管 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代 1 5 1电力晶体管及其工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高 电流大 开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 图1 5 2GTR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 内部载流子的流动 产品说明书中通常给直流电流增益hFE 在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比 一般可认为 hFE 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多 通常为10左右 采用达林顿接法可有效增大电流增益 1 5 1电力晶体管及其工作原理 续 1 5 1 IC IB ICEO 在应用中 GTR一般采用共发射极接法 集电极电流Ic与基极电流Ib之比为 GTR的电流放大系数 反映了基极电流对集电极电流的控制能力 当考虑到集电极和发射极间的漏电流ICEO时 IC和IB的关系为 1 5 2 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 深饱和区 UBE 0 UBC 0 IB变化时IC不再改变 管压降UCES很小 类似于开关的通态 图1 5 3共发射极接法时GTR的输出特性 1 GTR共射电路输出特性 输出特性 截止区 又叫阻断区 线性放大区 准饱和区和深饱和区四个区域 截止区 IB 0 或IB 0 UBE 0 UBC 0 GTR承受高电压 且有很小的穿透电流流过 类似于开关的断态 线性放大区 UBE 0 UBC 0 IC IB GTR应避免工作在线性区以防止大功耗损坏GTR 准饱和区 随着IB的增大 此时UBE 0 UBC 0 但IC与IB之间不再呈线性关系 开始下降 曲线开始弯曲 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 续 1 延迟时间td和上升时间tr 二者之和为开通时间ton 2 td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的 增大ib的幅值并增大dib dt 可缩短延迟时间 同时可缩短上升时间 从而加快开通过程 图1 5 4GTR的开通和关断过程电流波形 2 GTR的开关特性 1 开通过程 关断时间tof为 存储时间ts和与下降时间tf之和 ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的 是关断时间的主要部分 减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子 或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压 可缩短储存时间 从而加快关断速度 负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加 从而增大通态损耗 GTR的开关时间在几微秒以内 比晶闸管和GTO都短很多 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 续 图1 5 4GTR的开通和关断过程电流波形 2 GTR的开关特性 续 1 关断过程 集电极电流最大值ICM 一般以 值下降到额定值的1 2 1 3时的IC值定为ICM 基极电流最大值IBM 规定为内引线允许通过的最大电流 通常取IBM 1 2 1 6 ICM 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 续 3 GTR的主要参数 1 电压定额 2 电流定额 集基极击穿电压BUCBO 发射极开路时 集射极能承受的最高电压 集射极击穿电压BUCEO 基极开路时 集射极能承受的最高电压 3 最高结温TjM GTR的最高结温与半导体材料性质 器件制造工艺 封装质量有关 一般情况下 塑封硅管TjM为125 150 金封硅管TjM为150 170 高可靠平面管TjM为175 200 4 最大耗散功率PCM 即GTR在最高结温时所对应的耗散功率 它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积 这部分能量转化为热能使管温升高 在使用中要特别注意GTR的散热 如果散热条件不好 GTR会因温度过高而迅速损坏 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 续 5 饱和压降UCES 为GTR工作在深饱和区时 集射极间的电压值 由图可知 UCES随IC增加而增加 在IC不变时 UCES随管壳温度TC的增加而增加 表示GTR的电流放大能力 高压大功率GTR 单管 一般 10 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 续 图1 5 5饱和压降特性曲线 6 共射直流电流增益 IC IB 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 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 续 4 二次击穿和安全工作区 1 二次击穿 图1 5 6一次击穿 二次击穿原理 图1 5 7二次击穿临界线 按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 续 2 安全工作区 安全工作区SOA SafeOperationArea 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 正偏安全工作区又叫开通安全工作区 它是基极正向偏置条件下由GTR的最大允许集电极电流ICM 最大允许集电极电压BUCEO 最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域 反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区 它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE 电流IC限制界线所围成的区域 1 5 2电力晶体管的特性与主要参数 续 图1 5 9GTR的反偏安全工作区 图1 5 8GTR正偏安全工作区 正偏安全工作区FBSOA 反偏安全工作区RBSOA 2 安全工作区 1 6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 1 6 1电力场效应管及其工作原理 早期的电力场效应管采用水平结构 PMOS 器件的源极S 栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧 与小功率MOS管相似 存在通态电阻大 频率特性差和硅片利用率低等缺点 20世纪70年代中期将垂直导电结构应用到电力场效应管的制作中 出现了VMOS结构 大幅度提高了器件的电压阻断能力 载流能力和开关速度 20世纪80年代以来 采用二次扩散形成P型区和N 型区 研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管 简称为VDMOS 目前生产的VDMOS中绝大多数是N沟道增强型 这是由于P沟道器件在相同硅片面积下 其通态电阻是N型器件的2 3倍 因此今后若无特别说明 均指N沟道增强型器件 1 电力场效应管的结构 特点 1 垂直安装漏极 实现垂直导电 这不仅使硅片面积得以充分利用 而且可获得大的电流容量 2 设置了高电阻率的N 区以提高电压容量 3 提高了开关频率 4 载流子在沟道内沿表面流动 然后垂直流向漏极 1 6 1电力场效应管及其工作原理 VDMOS的典型结构 1 电力场效应管的结构 续 图1 6 1N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号 VDMOS的漏极电流ID受控于栅压UGS 1 6 1电力场效应管及其工作原理 图1 6 1N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UGS 0或0 UGS UT UT为开启电压 又叫阈值电压 2 导通 UGS UT时 加至漏极电压UDS 0 3 漏极电流ID 1 6 2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1 6 2所示 它可以分为四个区域 1 截止区 当UGS UT UT的典型值为2 4V 时 2 线性 导通 区 当UGS UT且UDS很小时 ID和UGS几乎成线性关系 3 饱和区 又叫有源区 在UGS UT时 且随着UDS的增大 ID几乎不变 4 雪崩区 当UGS UT 且UDS增大到一定值时 ID突增 1 静态输出特性 图1 6 2VDMOS管的输出特性 沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为VDMOS管的阈值电压 1 6 2电力场效应晶体管的特性与主要参数 2 主要参数 1 通态电阻Ron 在确定的栅压UGS下 VDMOS进入饱和区时漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻Ron Ron随ID的增加而增加 2 阈值电压UT IDM表征器件的电流容量 当UGS 10V UDS为某一数值时 漏源间允许通过的最大电流称为最大漏极电流 1 6 1 2 主要参数 续 3 跨导gm 跨导gm定义 表示UGS对ID的控制能力的大小 4 漏源击穿电压U BR DS U BR DS决定了VDMOS的最高工作电压 它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数 5 栅源击穿电压U BR GS 是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生击穿而设立的参数 一般U BR GS 20V 6 最大漏极电流IDM 1 6 2电力场效应晶体管的特性与主要参数 图1 6 3VDMOS极间电容等效电路 1 6 2 2 主要参数 7 最高工作频率fm 定义 式中CIN为器件的输入电容 一般说来 器件的极间电容如图1 6 3所示 图中 输入电容 输出电容 反馈电容 1 6 3 1 6 4 1 6 5 1 6 2电力场效应晶体管的特性与主要参数 图1 6 4VDMOS开关过程电压波形图 1 6 7 1 6 6 8 开关时间ton与toff 开通时间 延迟时间td 对应输入电压信号上升沿幅度为10 Uim到输出电压信号下降沿幅度为90 Uom的时间间隔 上升tr时间 对应输出电压幅度由10 Uom变化到90 Uom的时间 这段时间对应于Ui向器件输入电容充电的过程 关断时间 存储ts时间 对应栅极电容存储电荷的消失过程 下降时间tf在VDMOS管中 ton和toff都可以控制得比较小 因此器件的开关速度相当高 1 漏源通态电阻限制线I 由于通态电阻Ron大 因此器件在低压段工作时要受自身功耗的限制 2 最大漏极电流限制线 3 最大功耗限制线 4 最大漏源电压限制线 1 6 2电力场效应晶体管的特性与主要参数 图1 6 5VDMOS的FBSOA曲线 3 安全工作区 VDMOS开关频率高 常处于动态过程 它的安全工作区分为三种情况 正向偏置安全工作区 FBSOA 四条边界极限 1 6 2电力场效应晶体管的特性与主要参数 图1 6 6VDMOS的SSOA曲线 3 安全工作区 开关安全工作区 SSOA 开关安全工作区 SSOA 反应VDMOS在关断过程中的参数极限范围 由最大峰值漏极电流 最小漏源击穿电压和最高结温所决定 1 6 2电力场效应晶体管的特性与主要参数 图1 6 7VDMOS的CSOA曲线 3 安全工作区 换向安全工作区 CSOA 换向安全工作区 CSOA 是器件寄生二极管或集成二极管反向恢复性能所决定的极限工作范围 如图1 6 7所示 1 7绝缘栅双极型晶体管 IGBT 绝缘栅双极型晶体管 InsulatedGateBipolarTransistor 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 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 1 7 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1 7 1IGBT的结构 简化等效电路与电气符号 IGBT也属场控器件 其驱动原理与电力MOSFET基本相同 是一种由栅极电压UGE控制集电极电流的栅控自关断器件 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 1 7 1绝缘栅双极型晶体管及其工作原理 图1 7 2IGBT伏安特性 2 IGBT的工作原理 1 7 2绝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 2IGBT的伏安特性和转移特性 1 IGBT的伏安特性和转移特性 UGE UGE TH 开启电压 一般为3 6V 其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系 图1 7 2IGBT的伏安特性和转移特性 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 UGE UGE TH 1 7 2绝缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 2 IGBT的开关特性 1 IGBT的开通过程 从正向阻断状态转换到正向导通的过程 开通延迟时间td on IC从10 UGEM到10 ICM所需时间 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 ton td on tr 图1 7 3IGBT的开关特性 1 7 2绝缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 2 IGBT的开关特性 2 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 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tfi2tfi1 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 图1 7 3IGBT的开关特性 1 7 2绝缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 1 最大集射极间电压UCEM IGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压 2 通态压降 是指IGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压降 3 集电极电流最大值ICM IGBT的IC增大 器件会发生擎住效应 为防止发生擎住效应 规定的集电极电流最大值ICM 4 最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗 3 IGBT的主要参数 1 7 2绝缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 3 IGBT的主要参数 5 安全工作区正偏安全工作区FBSOA IGBT在开通时为正向偏置时的安全工作区 如图1 7 5 a 所示 反偏安全工作区RBSOA IGBT在关断时为反向偏置时的安全工作区 如图1 7 5 b 图1 7 5IGBT的安全工作区 1 7 2绝缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 6 输入阻抗 IGBT的输入阻抗高 可达109 1011 数量级 呈纯电容性 驱动功率小 这些与VDMOS相似 7 最高允许结温TjM IGBT的最高允许结温TjM为150 VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加 而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小 具有良好的温度特性 3 IGBT的主要参数 1 7 2绝缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 1 8 1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 1 SIT的工作原理1 结构 SIT为三层结构 其元胞结构图如图1 8 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1 8 1 b 所示 2 分类 SIT分N沟道 P沟道两种 箭头向外的为N SIT 箭头向内的为P SIT 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 1 8 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1 8 1SIT的结构及其符号 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 1 8 1静电感应晶体管 SIT 图1 8 2N SIT静态伏安特性曲线 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5 6V的正栅偏压 UGS 以降低器件的通态压降 1 8 1静电感应晶体管 SIT 2 SIT的特性 图1 8 3SIT的安全工作区 1 8 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 开关速度快 损耗小 及耐量高等 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 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1 8 4 a 2 三极 阳极A 阴极 栅极G 3 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 1 8 2静电感应晶闸管 SITH 图1 8 4SITH元胞结构其及符号 第1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 1 8 2静电感应晶闸管 SITH 图1 8 5SITH的伏安特性曲线 2 SITH的特性 静态伏安特性曲线 图1 8 5 第1章 1 8 1静电感应晶体管1 8 2静电感应晶闸管1 8 3MOS控制晶闸管1 8 4集成门极换流晶闸管1 8 5功率模块与功率集成电路 1 8 其它新型电力电子器件 第1章 1 8 3MOS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1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 1 8 3MOS控制晶闸管 MCT 图1 8 6P MCT的结构 等效电路和符号 1 MCT的工作原理 第1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