第2章电力电子器件

典型全控型器件,2.4.1门极可关断晶闸管2.4.2电力晶体管2.4.3电力场效应晶体管2.4.4绝缘栅双极晶体管,2.4,20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,典型全控型器件,2.4,门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6kV/6kA/1kHz的水平。,2.4.1,GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力（3000以上）。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。,在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低（12kHz）。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；今后，它也必将在高压领域占有一席之地。,2.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。,图2-13GTO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：与普通晶闸管一样，可以用图2-7所示的双晶体管模型来分析。,图2-7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。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+2UT，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。,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。,图2-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性,2.电力MOSFET的基本特性,电力场效应晶体管,2.4.3,MOSFET的漏极伏安特性：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的转移特性和输出特性b)输出特性,电力场效应晶体管,2.4.3,2)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truGS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。,图2-21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,电力场效应晶体管,2.4.3,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uGSUT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。,图2-21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,电力场效应晶体管,2.4.3,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10100ns之间，工作频率可达100kHz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。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,电力场效应晶体管,2.4.3,绝缘栅双极晶体管,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。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（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。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。其研制水平已达4500V/1000A,2.4.4,绝缘栅双极晶体管,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2-22IGBT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,2.4.4,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。,IGBT的原理,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,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,图2-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,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+25C时，UGE(th)的值一般为26V。,图2-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,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。uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。,图2-23IGBT的转移特性和输出特性b)输出特性,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,2)IGBT的动态特性,图2-24IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,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MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,通过对IGBT的基本特性的分析，可以看出：,IGBT的特性和参数特点可以总结如下：,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,(1)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。(2)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。(3)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)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。,由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量（600V以上）的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列400600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。,4.IGBT的擎住效应和安全工作区,寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成。,图2-22IGBT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,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,擎住效应或自锁效应：,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。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。,NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。,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。,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。,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集电极功耗确定。,正偏安全工作区（FBSOA）,绝缘栅双极晶体管,2.4.4,其他新型电力电子器件,2.5.1MOS控制晶闸管MCT2.5.2静电感应晶体管SIT2.5.3静电感应晶闸管SITH2.5.4集成门极换流晶闸管IGCT2.5.5功率模块与功率集成电路,2.5,MOS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器件由数以万计的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。已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。,2.5.1,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。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。,2.5.2,静电感应晶闸管SITH,SITH（StaticInductionThyristor）1972年，又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT）。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。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。,2.5.3,集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）20世纪90年代后期出现，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。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。,2.5.4,功率模块与功率集成电路,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（PowerIntegratedCircuitPIC）。,2.5.5,类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。高压集成电路（HighVoltageICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。,功率模块与功率集成电路,2.5.5,由于HVIC的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已有110V/13A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分别用于上述装置。,智能功率集成电路（SmartPowerICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。SPIC电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等