全控器件和其他新型器件

电力电子技术 河南理工大学电气学院 朱艺锋Email zyfny PowerElectronicsTechnology 第一章电力电子器件 好学力行 河南理工大学 明德任责 内容提要 1 1电力二极管 POWERDIODE 1 2晶闸管 THYRISTOR 1 3全控型电力电子器件1 4其他类型电力电子器件 1 3典型全控型器件 1 3 1门极可关断晶闸管1 3 2电力晶体管1 3 3电力场效应晶体管1 3 4绝缘栅双极晶体管 第一章电力电子器件 常用的典型全控型器件 电力MOSFET IGBT单管及模块 1 3典型全控型器件 1 3 1门极可关断晶闸管 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 门极可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor 1 3典型全控型器件 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点 GTO是一种多GTO元并联的功率集成器件 1 GTO的结构和工作原理 1 3典型全控型器件 1 3 1门极可关断晶闸管 GTO 工作原理 与普通晶闸管一样 可以用双晶体管模型来分析 图晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 2 1是器件临界导通的条件 由P1N1P2和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 3典型全控型器件 1 3 1门极可关断晶闸管 GTO 1 3 1门极可关断晶闸管 GTO能够通过门极关断的原因 设计 2较大 使晶体管V2控制灵敏 易于关断 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 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 1 3典型全控型器件 1 1时关断 关断正反馈 开通过程 与普通晶闸管相同 ton td tr关断过程 不同于晶闸管储存时间ts 抽少子使等效晶体管退出饱和 下降时间tf 由饱和转至放大区 尾部时间tt 残存载流子复合 toff ts tf 图GTO的开通和关断过程电流波形 2 GTO的动态特性 1 3典型全控型器件 1 3 1门极可关断晶闸管 1 3 1门极可关断晶闸管 3 GTO的主要参数 2 关断时间toff在几十us 1 开通时间ton 在几个us 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 3典型全控型器件 3 最大可关断阳极电流IATO 额定电流 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 逆导型 1 3 1门极可关断晶闸管 1 3典型全控型器件 4 电流关断增益 off 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 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 3 2电力晶体管 GTR 电力晶体管 GiantTransistor巨型晶体管 耐高电压 大电流的双极结型晶体管 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 因此不作为重点 只了解基本概念和思想 1 3典型全控型器件 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 多采用NPN 主要特性是耐压高 电流大 开关特性好 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 比普通三极管增加了一个低掺杂N区 提高耐压能力 1 3 2电力晶体管 1 GTR的结构和工作原理 1 3典型全控型器件 存在电导调制效应 从而流过大电流时通态压降也比较小 从而具有强的流通电流的能力 1 3 2电力晶体管 1 静态特性共发射极接法时的典型输出特性 截止区 放大区和饱和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态 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 图共发射极接法时GTR的输出特性 2 GTR的基本特性 1 3典型全控型器件 1 3 2电力晶体管 GTR的开通和关断过程电流波形 2 动态特性 1 3典型全控型器件 开关过程与GTO的异同点 基本相同 开通不能用脉冲触发 需用持续电流驱动 GTR的开关时间在几微秒以内 比晶闸管和GTO都短很多 1 3 2电力晶体管 一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时 Ic迅速增大 不损坏 二次击穿 一次击穿发生后 Ic突然急剧上升 电压陡然下降 永久损坏 或者工作特性明显衰变 安全工作区 SafeOperatingArea SOA 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 3 GTR的二次击穿现象与安全工作区 二次击穿功率 耗散功率 1 3典型全控型器件 1 3 3电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型 MetalOxideSemiconductorFET 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 StaticInductionTransistor SIT 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 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 1 3典型全控型器件 1 3 3电力场效应晶体管 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 1 电力MOSFET的结构和工作原理 1 3典型全控型器件 1 3 3电力场效应晶体管 电力MOSFET的结构 导电机理与小功率MOS管相同 但结构上有较大区别 增加了低掺杂N区 提高耐压能力 但无电导调制效应 采用垂直导电结构 流通电流能力提高 采用多元集成结构 不同的生产厂家采用了不同设计 1 3典型全控型器件 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当UGS大于UT时 P型半导体反型成N型而成为反型层 该反型层形成N导电沟道而使PN结J1消失 漏极和源极导电 电力MOSFET的工作原理 1 3典型全控型器件 1 3 3电力场效应晶体管 栅极绝缘 1 3 3电力场效应晶体管 1 静态特性漏极电流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 反映了栅极的控制能力 电力MOSFET的转移特性 2 电力MOSFET的基本特性 1 3典型全控型器件 1 3 3电力场效应晶体管 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GTR的饱和区 工作在开关状态 即在截止区和非饱和区之间来回转换 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 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的输出特性 MOSFET的漏极伏安特性 1 3典型全控型器件 开通过程开通延迟时间td on 上升时间tr开通时间ton td on tr关断过程关断延迟时间td off 下降时间tf关断时间toff td off tf 2 动态特性 1 3典型全控型器件 1 3 3电力场效应晶体管 图1 PowerMOSFET的开关过程波形 电平驱动 压控方式 只有一种载流子导电 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 可降低驱动电路内阻减小时间常数 加快开关速度 不存在少子储存效应 关断过程非常迅速 开关时间在10 100ns之间 工作频率可达500kHz以上 是主要电力电子器件中最高的 场控器件 静态时几乎不需输入电流 但在开关过程中需对输入电容充放电 仍需一定的驱动功率 但很小 开关频率越高 所需要的驱动功率越大 MOSFET的开关速度 1 3典型全控型器件 1 3 3电力场效应晶体管 3 电力MOSFET的主要参数 电力MOSFET电压定额 1 漏极电压UDS 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 UGS 20V将导致绝缘层击穿 除跨导Gfs 开启电压UT以及td on tr td off 和tf之外还有 4 极间电容 极间电容CGS CGD和CDS 1 3典型全控型器件 5 通态电阻Ron越小越好 反映损耗 1 3 3电力场效应晶体管 1 3 4绝缘栅双极晶体管 IGBT 绝缘栅双极晶体管 Insulated gateBipolarTransistor GTR和MOSFET复合 结合二者的优点 Bi MOS器件1986年投入市场 是中高功率电力电子设备的主导器件仍在提高电压和电流容量 GTR和GTO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 所需驱动功率大 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 所需驱动功率小而且驱动电路简单 1 3典型全控型器件 1 IGBT的结构和工作原理三端器件 栅极G 集电极C和发射极E 图1 19IGBT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 E 1 3典型全控型器件 1 3 4绝缘栅双极晶体管 IGBT N沟道MOSFET与GTR组合 N沟道IGBT IGBT比VDMOSFET多一层P 注入区 从而具有电导调制效应 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 RN为晶体管基区内的调制电阻 1 3典型全控型器件 1 3 4绝缘栅双极晶体管 IGBT 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 电压驱动功率小 通态压降 电导调制效应使电阻RN减小 通态压降减小 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的原理 1 3典型全控型器件 1 3 4绝缘栅双极晶体管 IGBT a b 2 IGBT的基本特性 1 IGBT的静态特性 图1 20IGBT的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 1 3典型全控型器件 1 3 4绝缘栅双极晶体管 IGBT 与MOS管的异同点 图1 21IGBT的开关过程 IGBT的开通过程开通延迟时间td on 电流上升时间tr开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段 tfv1 IGBT中MOS单独工作的电压下降过程 2 IGBT的动态特性 1 3典型全控型器件 tfv2 MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 1 3 4绝缘栅双极晶体管 图1 21IGBT的开关过程 关断延迟时间td off 电流下降时间关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段 tfi1 IGBT器件内部的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 拖尾电流 IGBT的关断过程 1 3典型全控型器件 3 IGBT的主要参数 正常工作温度下允许的最大功耗 3 最大集电极功耗PCM 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 2 最大集电极电流ICM 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 1 最大集射极间电压UCES 1 3典型全控型器件 4 最大栅极电压UGS UGS 20V将导致绝缘层击穿 1 3 4绝缘栅双极晶体管 IGBT的特性和参数特点可以总结如下 开关速度高 开关损耗小 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 输入阻抗高 输入特性与MOSFET类似 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点 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起 制成模块 成为逆导器件 1 3典型全控型器件 1 3 4绝缘栅双极晶体管 1 4其他新型电力电子器件 1 4 1MOS控制晶闸管MCT1 4 2静电感应晶体管SIT1 4 3静电感应晶闸管SITH1 4 4集成门极换流晶闸管IGCT1 4 5基于宽禁带半导体材料的电力电子器件 第一章电力电子器件 1 4 1MOS控制晶闸管MCT MCT结合了二者的优点 承受极高di dt和du dt 快速的开关过程 开关损耗小 高电压 大电流 高载流密度 低导通压降 其关键技术问题没有大的突破 亦未能投入实际应用 MCT MOSControlledThyristor MOSFET与晶闸管的复合 1 4其他新型电力电子器件 1 4 2静电感应晶体管SIT 多子导电的器件 工作频率与电力MOSFET相当 甚至更高 功率容量更大 因而适用于高频大功率场合 在雷达通信设备 超声波功率放大 脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用 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 SIT StaticInductionTransistor 结型感应晶体管 本质上也还是MOS管 1 4其他新型电力电子器件 1 4 3静电感应晶闸管SITH 可看作是SIT和GTO的复合 工作原理和SIT类似 SITH是两种载流子导电的双极型器件 具有电导调制效应 通态压降低 通流能力强 其很多特性与GTO类似 但开关速度比GTO高得多 是大容量的快速器件 SITH一般也是正常导通型 此外 电流关断增益较小 且工艺复杂 因而其应用范围还有待拓展 SITH StaticInductionThyristor 场控晶闸管 FieldControlledThyristor FCT 1 4其他新型电力电子器件 1 4 4集成门极换流晶闸管IGCT 20世纪90年代后期出现 容量与GTO相当 开关速度快10倍 功耗也大为降低 可省去GTO复杂的缓冲电路 但驱动功率仍很大 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争 试图最终取代GTO在大功率场合的位置 IGCT IntegratedGate CommutatedThyristor 1 4其他新型电力电子器件 新半导体材料做成的器件 具有更好的性能 重点是SiC 目前已有SiC肖特基二极管产品 1 5功率集成电路与集成电力电子模块 20世纪80年代中后期开始 模块化趋势 将多个器件封装在一个模块中 称为功率模块 可缩小装置体积 降低成本 提高可靠性 对工作频率高的电路 可大大减小线路电感 从而简化对保护和缓冲电路的要求 将器件与逻辑 控制 保护 传感 检测 自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上 称为功率集成电路 PowerIntegratedCircuit PIC 基本概念 第一章电力电子器件 第一章电力电子器件 智能功率模块 不可控器件 PowerDiode 不能用控制信号来控制其通断 因此也就不需要驱动电路 如大功率二极管 半控型器件 Thyristor 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断 晶闸管及其派生器件 GTO除外 全控型器件 IGBT MOSFET 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断 又称自关断器件 其他器件 如IGBT等 1 6电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度 分为以下三类 第一章电力电子器件 脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制 半控器件 电平控制型 必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导