《典型全控型器》PPT课件

2.4典型全控型器件,2.4.1门极可关断晶闸管（GTO）,它是晶闸管的一种派生器件，开通原理和普通晶闸管相同，只要有一个门极触发脉冲就可以导通。,但与晶闸管不同，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。,GTO在许多方面并不占优势，但它的电压、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。,1.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。,GTO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,工作原理：1.导通原理与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。,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较小，2较大，即P1N1P2不灵敏,N1P2N2灵敏，在Ie0时，1与2均很小，导通后逐渐增大，在IG加上电流后，由于强烈的正反馈，晶闸管导通。,不考虑漏电流时，GTO的阳极电流IA=IC1+IC2=1IA+2Ik（1）又当IG0时，Ik=IA+IG（2）将（2）式带入（1）式可得：,该式说明：IG必须保持上式的电流大小时，才能使晶闸管导通。,在该式中，我们还可以看出：在正反馈的作用下，1+2会从一个较小的值逐渐增大，当1+2=1时，式中IG=0,即这时晶闸管已经导通，门极电流可以为零了。而当1+21时，晶闸管饱和导通。当1+2=1时，是器件的临界导通条件注意：由于GTO导通的条件就是1+21，所以任何使1、2变化的因素都可能使其导通。如：阳极电压过高,du/dt过大，器件结温过高等。,2.关断原理,由于1+2=1是器件的临界导通条件，若想办法使1+21，则器件就可能关断。要关断时，在GTO门极加一个负偏压，使V1的集电极电流被抽出，形成门极负电流IG，由于IC1被抽走，使V2的基极电流减小，进而使其集电极电流IC2减小，于是引起IC1的进一步下降。这样也形成了一个正反馈，由于IC1、IC2的不断减小使1+21，从而使GTO关断。,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：,（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）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。（3）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。,使用中要注意的问题：1.GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗。2.对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子。a.门极电流应大于元件的擎住电流IL;b.正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5s，大功率电路小于1s；c.门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻。3.由于多元集成，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏。,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。,2.GTO的动态特性,GTO的开通过程电流波形,GTO的关断过程电流波形,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。,3.GTO的主要参数,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。,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值的增大而增大。,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2s。,最大可关断阳极电流IATO,GTO额定电流，阳极电流超过IATO，则GTO处于较深的饱和导通状态，抽出的电流不足以使GTO关断，会导致门极关断失败。,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=IATO/IGM,off可描述负门极电流关断大的阳极电流的能力，一般很小，只有35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。,2.4.2电力晶体管（GTR）,GTR是一种耐高压，大电流的双极结型晶体管。它具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低、安全工作区宽等优点。20世纪80年代是GTR发展和应用的全盛时期。由于GTR实现了高频化、模块化，廉价化，因此被广泛应用于交流电机调速、UPS、中频电源等电力变流装置中，并在中小功率应用方面取代了传统的晶闸管。但随着IGBT的兴起，GTR在逐步被IGBT取代。,电力晶体管GTR（巨型晶体管）,1.GTR的结构和工作原理,GTR内部结构与元件符号,内部载流子的流动,GTR是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成。基本结构有NPN和PNP两种。为了GTR提高耐压，一般采用NPvN三重扩散结构,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的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。,达林顿GTR的等效电路,GTR集成模块的等效电路,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。,2.GTR的基本特性(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，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区,共发射极接法时GTR的输出特性,该图表示集电极电流IC与集射极电压UCE的关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映了GTR的四种工作状态。在晶体管关断状态时，基极电流IB0，集电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电结均处于反向偏置，即UBE0，UBC0，UBC（IC/）时，晶体管就充分饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置，即UBE0，UBC0，电流增益和导通压降UCE均达到最小值，GTR进入饱和区（IV区）。GTR工作在饱和区，相当于处于导通状态的开关。,GTR的开通和关断过程电流波形,(2)动态特性,GTR的开通和关断的实验电路,开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。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。,GTR的开通过程电流波形,关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。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。,3.GTR的主要参数前已述及：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)：1)最高工作电压GTR上电压超过规定值时会发生击穿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。BUcboBUcexBUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。,2)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。3)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。,4.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，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。,二次击穿实验曲线,二次击穿临界线,在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到ISB，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立即产生二次击穿，而要有一个触发时间。当加在BJT上的能量超过临界值（触发能量）时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量。,安全工作区（SafeOperatingAreaSOA）,GTR的安全工作区,GTR工作的安全范围由下图所示的几条曲线限定：集电极最大允许直流电流线ICM，由集电极允许承受的最大电流决定；集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决定；集电极直流功率耗散线PCM，由热阻决定；二次击穿临界线PSB，由二次击穿触发功率决定。,2.4.3电力场效应晶体管（MOSFET）,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistorFET）但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（StaticInductionTransistorSIT）,功率场效应晶体管,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。常用在中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器中。无二次击穿、安全工作区宽,1.电力MOSFET的结构和工作原理,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,电力MOSFET的结构和电气图形符号,导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。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，不同的生产厂家采用了不同设计。国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列,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。,2.电力MOSFET的基本特性,1)静态特性,电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性,转移特性：一定漏源电压UDS下，漏极电流ID与栅极电压UGS的关系。,UT为开启电压，只有UGS大于门槛电压UT才有漏极电流ID流过。,为MOSFET的跨导，表示栅压对漏极电流的控制能力。是衡量管子放大能力的重要参数。,在ID较大时，ID和UGS近似为线性关系，亦即跨导gFS为常数。,输出特性：也称为漏极伏安特性，基本与三极管相同。截止区（对应于GTR的截止区）UGS很小，还未形成导电沟道，只有很小的漏电流。饱和区（对应于GTR的放大区）UGS电压在变大，而电流ID几乎不变。非饱和区（对应于GTR的饱和区）UGS电压变化时，电流ID几乎不变。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的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,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up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流,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truGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。（UGSP是沟道进入预夹断状态的栅源电压）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。,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tfUGS从UGSP继续下降起，iD减小，到UGS20V将导致绝缘层击穿。,4)极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS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。这些电容都是非线性的。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。,4.大功率MOSFET,（a）VDMOSFET；（b）VMOSFET,5.应用中应注意的问题：,防止静电击穿：由于MOSFET具有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合，电荷不易放走，容易引起静电击穿。防止偶然性震荡损坏：MOSFET在与测试仪器等的输入电容、电阻不匹配时，可能出现偶然性震荡，使器件损坏。防止过电压防止过电流,2.4.4绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）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。现多用于电机控制、开关电源、交流伺服、逆变器等。400W以下的变频器基本都采用IGBT。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,绝缘栅双极型晶体管IGBT,1.IGBT的结构和工作原理,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的结构图aN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，降低了通态压降。但是J1结也限制了IGBT的开关频率。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。,IGBT的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UT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。,2.IGBT的基本特性1)IGBT的静态特性,a)IGBT的转移特性,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压UTIGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UT随温度升高而略有下降，在+25C时，UT的值一般为26V。,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。uCEIcm,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。,1.安全工作区,IGBT的正偏安全工作区,正偏安全工作区（FBSOA）,最大集电极电流ICM、最大集射极间电压Uceo和最大集电极功耗确定。,IGBT的反偏安全工作区,反向偏置安全工作区（RBSOA）,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。,擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。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。,2.5.1MOS控制晶闸管MCT,MCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点：MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。晶闸管的高电压大电流、低导通压降。,一个MCT器件由105个MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。,MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低导通压降的特点。其通态压降只有GTR的1/3左右，还可承受极高的di/dt和du/dt，使其外围保护电路简化，开关速度也超过了GTR。MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但其结构工艺比较复杂，尚待进一步开发。,2.5.2静电感应晶体管SIT,SIT（StaticInductionTransistor）1970年，结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。属于多子导电的器件，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。,特点：工作频率高垂直导电，易实现大规模的多沟道并联和多胞合成，电流容量大，增益高源漏区分别位于硅片的相反面上，易避免电场集中，加上漏源之间有足够厚的高阻后，易得到高耐压性不存在二次击穿现象压控型器件，易驱动输出阻抗低，输出功率大，负载能力强,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。,2.5.3静电感应晶闸管SITH,SITH（StaticInductionThyristor）1972年，又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT）。是在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，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，目前容量已达到400A/4500V。,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，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH可分为单栅和双级两种，单栅的SITH功率范围为10KW1MW，工作频率可达100KHZ。双级的SITH工作频率比单栅高一个数量级。多应用于高压直流输电、大电流开关设备、电动机控制、开关电源、感应加热、焊接等领域。,2.5.4集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）1997年由ABB公司提出，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。截止09年，IGCT在中压变频器领域内成功的应用了11年。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。,特点：1.高阻断电压；2.大导通电流；3.低导通压降；4.开关损耗小；5.关断时间短（小于3us）；6.承受能力极高，不需要缓冲电路对其进行限制。,不对称IGCT的外形图,2.5.5基于宽禁带半导体材料的电力电子器件,宽禁带提高其耐受高压的能力低通态电阻热稳定性好目前的应用主要是碳化硅材料（基于碳化硅的肖特基二极管）氮化镓器件：具有更好的高频特性。金刚石材料是宽禁带的最好材料，但提取困难。,2.6功率模块与功率集成电路,20世纪80年代