电力电子技术08ppt课件

1、第第7章章 全控型电力电子器件全控型电力电子器件80年代以来，随着电力电子技术的年代以来，随着电力电子技术的发展，产生了一代高频化、全控型、发展，产生了一代高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子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器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。门极可关断晶闸了一个崭新时代。门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管就是全控管和绝缘栅双极型晶体管就是全控型电力电子器件的典型代表。型电力电子器件的典型代表。7.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管Ga

2、te-Turn-Off ThyristorGTO是也晶闸管的是也晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。属于全控型器件。 GTO的关断机理：的关断机理： 在在SCR的双晶体管等效模型中，利用门极的双晶体管等效模型中，利用门极负电流分流负电流分流IC1，并快速抽取，并快速抽取V2管发射结管发射结两侧存储的大量载流子，以实现快速关断。两侧存储的大量载流子，以实现快速关断。 在工艺结构上比在工艺结构上比SCR有两点改进：有两点改进： 等效晶体管的电流放大倍数减小，经正反等效晶体管的电流放大倍数减小

3、，经正反馈导通后接近临界饱和状态，有利于减小馈导通后接近临界饱和状态，有利于减小关断时间和提高开关频率。关断时间和提高开关频率。 采用多采用多GTO单元并联集成结构，门极和阴单元并联集成结构，门极和阴极间隔排列，使极间隔排列，使P2基区载流子均匀快速地基区载流子均匀快速地从门极抽出，也不易造成局部过热，从门极抽出，也不易造成局部过热，di/dt耐量增大。耐量增大。 GTO的动态特性的动态特性开通过程开通过程: 需要经过延迟时间需要经过延迟时间td和上升时间和上升时间tr。开。开通时通时iG为正脉冲，触发导通后门极电流可以撤除。为正脉冲，触发导通后门极电流可以撤除。关断过程关断过程: 从从iG的

4、负脉冲开始分为三段，需要经的负脉冲开始分为三段，需要经历抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间历抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间储存时间储存时间ts，从而使等效晶体管退出饱和状态；然，从而使等效晶体管退出饱和状态；然后则是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电后则是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间流逐渐减小时间下降时间下降时间tf；最后还有残存载；最后还有残存载流子复合所需时间流子复合所需时间尾部时间尾部时间tt。通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长，即要长，即tfts BUcex BUces BUcer BUceo。 其中BUces 和BUcex为b-e

5、间短路和反向偏置时c-e间的击穿电压。集电极最大允许电流IcM 通常规定值下降到规定值的1/21/3时，所对应的Ic为集电极最大允许电流。实用时要留有一半左右的裕量。 GTR的耐电流冲击能力远不如SCR和GTO。集电极最大耗散功率PcM 指在最高工作温度下允许的耗散功率。所允许功耗与散热条件有关。 GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区 二次击穿现象二次击穿现象 当当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要被称为一

6、次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最不超过与最大允许耗散功率相对应的限度，大允许耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏。一般不会损坏。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。二次伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。二次击穿常常立即导致器件的永久损坏。内部出现电流集中击穿常常立即导致器件的永久损坏。内部出现电流集中点，引起局部过热，使点，引起局部过热，使 GTR 彻底损坏，管壳却觉不到彻

7、底损坏，管壳却觉不到热。对热。对GTR危害极大危害极大 。 Ci0Bi0BiCEOBUCEuS一次击穿二次击穿临界线SBP负阻区O图7-7 GTR的二次击穿过程安全工作区安全工作区Safe Operating AreaSOA）将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成了二次击穿临界线，临界线上的点反映就构成了二次击穿临界线，临界线上的点反映了二次击穿功率了二次击穿功率PSB。7.3 7.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管Power MOSFETPower MOSFET） 电力场效应管有这两种类型，但通电力场效应管有这两种类型，但通常主要指绝缘栅

8、型中的常主要指绝缘栅型中的MOSMOS型型Metal Metal Oxide Semiconductor FETOxide Semiconductor FET）。至于结型电）。至于结型电力场效应晶体管则一般称作静电感应晶体力场效应晶体管则一般称作静电感应晶体管管Static Induction Transistor Static Induction Transistor SITSIT）。）。工艺结构特点：工艺结构特点：电力电力MOSFETMOSFET属于单极型器件，只有一种极性属于单极型器件，只有一种极性的载流子多子参与导电。的载流子多子参与导电。采用垂直导电结构，故又称为采用垂直导电结构，故

9、又称为VMOSFETVMOSFETVertical MOSFETVertical MOSFET）。这大大提高了）。这大大提高了MOSFETMOSFET器件的耐压和耐电流能力小功率器件的耐压和耐电流能力小功率MOSMOS管的导电沟道平行于芯片表面，是横向管的导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件）。导电器件）。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFETVertical V-groove MOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET）。电力MOSFET也是多单元并联集成结构。控制方式：以G-S间

10、施加电压的高低来控制D-S 间主电流的通断。源极S为公共端。门极几乎不取用电流，属压控器件。uGS正电压超过开启电压时导通，负电压作用可使其快速关断。 VMOSFET开关速度高的根本原因：开关控制机开关速度高的根本原因：开关控制机理上属于单极型多子导电器件，通过电场感理上属于单极型多子导电器件，通过电场感应控制反型层沟道宽度，不存在正偏应控制反型层沟道宽度，不存在正偏PN结所固结所固有的载流子存储效应失去了电导调制效应），有的载流子存储效应失去了电导调制效应），也不存在少子复合问题。也不存在少子复合问题。 影响开关速度的主要因素：开关时间主要决定于影响开关速度的主要因素：开关时间主要决定于栅极

11、输入电容栅极输入电容Cin的充放电快慢，应尽可能减小的充放电快慢，应尽可能减小栅极回路时间常数栅极回路时间常数=RsCin。 特点：特点： 优点：开关频率最高；驱动电流小，易驱动；通优点：开关频率最高；驱动电流小，易驱动；通态电阻具有正温度系数有利于器件并联均流）；态电阻具有正温度系数有利于器件并联均流）； 缺点：电压电流容量较小；通态压降较大，缺点：电压电流容量较小；通态压降较大，ID大大则压降随之增大因为无正向则压降随之增大因为无正向PN结的电导调制结的电导调制效应）。效应）。不用时G-S间 短接，以防静电击穿。7. 4 绝缘栅双极型晶体管IGBT）结构特点：复合型器件，将GTR双极型电流

12、驱动器件和电力MOSFET单极型电压驱动器件结合，相互取长补短，构成绝缘栅双极晶体管Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）。综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场。控制方式：IGBT的驱动与VMOSFET类似，也是一种压控器件。其C-E间主电流的通断是由栅极和射极间的电压uGE的高低决定的。 E极为公共端。当uGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为PNP型GTR提供基极电流进而使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，

13、GTR的基极电流被切断，使得IGBT关断。 IGBT的特点：的特点： 开关速度高，开关损开关速度高，开关损耗小。开关频率略低耗小。开关频率略低于于MOSFET； 电压电流容量大，高电压电流容量大，高于于GTR； 驱动电流小，驱动电驱动电流小，驱动电路简单。路简单。7.5 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 MOS控制晶闸管控制晶闸管(MCT)MCTMOS Controlled Thyristor是将是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。与晶闸管组合而成的复合型器件。MCT将将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大率、快速的开关

14、过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来。电流、低导通压降的特点结合起来。MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。态压降的特点。MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因而，力电子器件。因而，20世纪世纪80年代以来一年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。而其竞争对手实际应用。而其竞争对

15、手IGBT却进展飞速。却进展飞速。 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT SITStatic Induction Transistor实际上是一种结型场实际上是一种结型场效应晶体管。效应晶体管。SIT是一种多子导电的器件，其工作频率是一种多子导电的器件，其工作频率与电力与电力MOSFET相当，甚至超过电力相当，甚至超过电力MOSFET，而功，而功率容量也比电力率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率大，因而适用于高频大功率场合，目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲场合，目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的功率放大和高频感应加热

16、等某些专业领域获得了较多的应用。应用。 缺点：正常导通型器件，在栅极不加任何信号时是导通缺点：正常导通型器件，在栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，使用不太方便；此外，的，栅极加负偏压时关断，使用不太方便；此外，SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。多数电力电子设备中得到广泛应用。 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH） SITHStatic Induction Thyristor又被称为场又被称为场控晶闸管控晶闸管Field Controlled Thyristor FCT）。由于比）。

17、由于比SIT多了一个具有少子注入功能多了一个具有少子注入功能的的PN结，因而结，因而SITH是两种载流子导电的双极型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。其很多特性与力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。高得多，是大容量的快速器件。 属正常导通型，其制造工艺比属正常导通型，其制造工艺比GTO复杂得多，复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT） IGCTIntegr

18、ated Gate-Commutated Thyristor将将IGBT与与GTO的优点结合起的优点结合起来，其容量与来，其容量与 GTO相当，但开关速度比相当，但开关速度比GTO快快10倍，而且可以省去倍，而且可以省去GTO应用时庞应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。目前，动功率仍然很大。目前，IGCT正在与正在与IGBT以及其它新型器件激烈竞争，试图最以及其它新型器件激烈竞争，试图最终取代终取代GTO在大功率场合的位置。在大功率场合的位置。 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 功率模块功率模块Power Module）:按照典型电力电子按照典型电力电子电路所需要的拓扑结构，将多个相同的电力电电路所需要的拓扑结构，将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，可以缩小装置体积，降件封装在一个模块中，可以缩小装置体积，降低成本，提高可靠性，对工作频率较高的电路，低成本，提高可靠性，对工作频率较高的电路，这可以大大减小线路电感。如这可以大大减小线路电感。如IGBT模块模块IGBT Module）。）。 功率集成电路功率集成电路Power Integrated CircuitPIC）：将电力电子器件与逻辑、控制、维护、）：