电力电子第2章——全控型器件

1、2.4 全全控型器件控型器件Full-controlled Devices主讲：孙向东、伍文俊主讲：孙向东、伍文俊 、宁耀斌、宁耀斌自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术- 目录目录门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管电力晶体管电力晶体管电力电力MOSFETMOSFET绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力电子电力电子器件器件总结总结2自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-32.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO(Gate-Turned-Off Thyristor)一、结构与工作原理一、结构与工作原理1 1、结构：

2、、结构：多元集成元件，放射门极结构。它可以等效成多个小GTO元的集成(并联)-可实现门极控制关断。对比晶闸管：中央门极结构自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-42 2、工作原理、工作原理与普通晶闸管相同，可采用双晶体管模型分析。开关速度高于普通晶闸管，di/dt承受能力大于晶闸管。3 3、电气符号、电气符号RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 晶闸管？自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-二、工作特性二、工作特性1 1、特点、特点1 1）门极可以控制开通

3、，也可以控制关断；-全控型 流控型器件 脉冲控制型52、静态特性、静态特性伏安特性同晶闸管4）单向导电性。3）开关速度及di/dt承受能力高于晶闸管2）开通条件：正向阳极电压，正向门极电压； 关断条件：门极加负脉冲（不能通过门极电流为零来关断）自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-63、动态特性、动态特性1 1）开通过程：）开通过程：开通时间： ton=td+trSCRtt同上升时间延迟时间rdOt0tiGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技

4、术-72 2）关断过程：）关断过程： 关断时间: toff=ts+tf+tt 存储时间ts :IA0.9IA 下降时间tf: 0.9IA0.1IA 拖尾时间tt:远大ts Ot0tiGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时储存抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间的大量载流子的时间等效晶体管从饱和区等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电退至放大区，阳极电流逐渐减小时间流逐渐减小时间 残存载流残存载流子复合所子复合所需时间需时间 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡。抽走存储载流子门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡。抽走存储载流子的速度越快，的速度越

5、快，ts越小。若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，越小。若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在在tt阶段仍能保持适当的负电压，则阶段仍能保持适当的负电压，则tt越小。越小。自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-83、最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO GTO通过负脉冲能够关断的最大阳极电流。它是GTO的额定电流。4、电流关断增益电流关断增益off最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。一般很小，510。若1000A的GTO，门极负脉冲电流峰值为200100A，很大，这是GTO的缺点。Back三三、可关断晶闸管的主要参数、可关断晶闸管的主要

6、参数1、开通时间开通时间ton：延迟时间和上升时间之和，td=1-2us，tr随阳极电流增大而增大。2、关断时间关断时间toff：储存时间ts和下降时间tf之和，不包括拖尾时间， ts随阳极电流增大而增大，下降时间一般小于2us。自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-91 1、结构、结构普通晶体管结构GTR结构符号2.4.2 2.4.2 电力晶体管电力晶体管GTRGTR(Giant TransistorPower BJT)(Giant TransistorPower BJT)一、结构与工作原理一、结构与工作原理由至少两个晶体管按达林顿接法组成单元，同GTO

7、一样采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。2 2、工作原理、工作原理 同普通的双极结型晶体管3 3、电气符号、电气符号Bipolar junction transistor自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-10二、工作特性二、工作特性2、静态特性、静态特性3）开关频率较高、动态性能好、功耗较小、控制方便。阻断能力差、瞬态过电压及过载能力差。截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib200，u uGSGS u uT T. . 关断条件关断条件：( (漏源极电压为正漏源极电压为正) )，栅源极电压小于开启电压。即，栅源极电压小于开启电

8、压。即u uGSGS u uT T.漏源极加反压，为二极管特性漏源极加反压，为二极管特性!3、电气符号、电气符号阀值电压自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-17二、工作特性二、工作特性1 1）栅极可以控制开通，也可以控制关断；）栅极可以控制开通，也可以控制关断；-全控型全控型 电压控制型器件电压控制型器件 电平控制型电平控制型2 2）导通条件导通条件：正向漏源电压，正向栅源电压；：正向漏源电压，正向栅源电压； 关断条件关断条件： 栅源电压小于开启电压。栅源电压小于开启电压。1、特点、特点3)3)驱动功率小，开关速度高，无二次击穿，安全工作区宽。驱动功率小

9、，开关速度高，无二次击穿，安全工作区宽。4)4)单极型电压驱动，输入阻抗高，热稳定性好。单极型电压驱动，输入阻抗高，热稳定性好。自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-18 反映漏源电压与漏极电流之间的关系。截止区，饱和区，非饱和区截止区，饱和区，非饱和区开关状态在截止区与非饱和区间来回转换开关状态在截止区与非饱和区间来回转换 伏安特性伏安特性(输出特性）输出特性）2 2、工作特性、工作特性 1 1）静态特性）静态特性表示栅源电压与漏极电流ID之间的关系2)2)转移特性转移特性自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-193

10、)3)动态特性动态特性 为多数载流子器件，没有存储效应，没有电流拖尾问题，开关时间短约20ns。开通时间： ton=td（on）+tri+tfv关断时间： toff=td(off)+trv+tfi uGSP：非饱和栅压。RsRGRFRLiDuGSupiD+UE开通延迟电流上升电压下降关断延迟电压上升电流下降密勒平密勒平台台栅漏极间密勒电容反向充电栅漏极间密勒电容反向充电自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-20三、主要参数三、主要参数2、漏极电压漏极电压 UDS：这是标称电力MOSFET电压定额的参数。3、漏极直流电流漏极直流电流I ID D和漏极脉冲电流

11、峰值漏极脉冲电流峰值IDM 这是标称电力这是标称电力MOSFET电流定额的参数，一般电流定额的参数，一般IDM是是ID的的2-4倍。在计算实际器件参数时，必须考虑其损耗及倍。在计算实际器件参数时，必须考虑其损耗及散热情况得出壳温，由此核算器件的电流额定。通常在散热情况得出壳温，由此核算器件的电流额定。通常在壳温为壳温为80到到90摄氏度时，器件可用的连续工作电流只有摄氏度时，器件可用的连续工作电流只有25摄氏度时摄氏度时ID的的60%到到70%。1、开启电压开启电压 UT：使电力MOSFET导通的最小正向栅源极间电压。4、栅源电压栅源电压 UGS 栅源之间很薄，一般电压绝对值小于20V。自动化

12、与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-217 7、安全工作区、安全工作区 漏源极间的耐压、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。不存在二次击穿不存在二次击穿问题！问题！5 5、漏、漏源通态电阻源通态电阻R RDSDS(on)(on) 该参数是在栅源间施加一定电压该参数是在栅源间施加一定电压（10-15V10-15V）时，漏源间的导通电阻。它直接影响器件的通）时，漏源间的导通电阻。它直接影响器件的通态压降及损耗，它还与驱动电压及结温有关。它具有态压降及损耗，它还与驱动电压及结温有关。它具有正的正的温度系数，使得温度系数，使得MOSFET

13、MOSFET并联运行较为容易。并联运行较为容易。6、极间电容、极间电容 MOSFET的三个电极之间分别为存在极间电的三个电极之间分别为存在极间电容容CGS、 CGDGD 、 CDS。Back自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-22 1 1、结构、结构 2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)(Insulated-Gate Bipolar Transistor)一、结构与工作原理一、结构与工作原理 IGBT为三端四层器件。由MOSFET和双极性晶体管组合而

14、成。即在MOSFET的N+层上再加一层P型区。分N沟道IGBT，记为N-IGBT；和P沟道IGBT，记为P-IGBT。自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-232、工作原理、工作原理 导通条件导通条件：集射电压大于零，栅射电压大于开启电压uth； 关断条件：关断条件：栅射电压小于开启电压。3、电气符号、电气符号RN为晶体管基为晶体管基区内的调制电区内的调制电阻阻电导调制效应！电导调制效应！自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-24 2 2、静态特性、静态特性二、工作特性二、工作特性1 、特点、特点1）栅极可以控制开通，

15、也可以控制关断；-全控型 电压控制型器件 电平控制型2）开通条件：正向集射极电压，正向栅射极电压； 关断条件：栅射极电压小于开启电压。3)驱动功率小，开关速度高于晶闸管、驱动功率小，开关速度高于晶闸管、GTOGTO器件，低于器件，低于MOSFETMOSFET器件。器件。无二次击穿，安全工作区宽无二次击穿，安全工作区宽 转移特性：反映集电极电流Ic与栅射极电压之间的关系。自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-25 伏安特性：反映集电极电流Ic与集射极电压之间的关系。 有正向阻断区，饱和区，有源区，反向阻断区。在正向阻断区和饱和区间开关。与MOSFET差别自动

16、化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-26IGBT开关过程开关过程密勒平密勒平台台3 3、动态特性、动态特性 1）开通过程开通时间：ton=td+tri+tfv延迟时间td:0.1UGEM0.1Ic；上升时间tri: 0.10.9Ic 开通延迟电流上升电压下降开通时UCE下降时间分为两部分，tfv1和tfv2： tfv1:IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程; tfv2：MOSFET和PNP同时工作的电压下降过程，tfv2结束后IGBT才完全进入饱和区。自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-27IGBT开关过程开关

17、过程密勒平密勒平台台2）关断过程）关断过程关断时间：toff=ts+tf=td(off)+trv+tfi1+tfi2; 关断延迟（存储时间）td(off):0.9UGEM0.9UcE;下降时间: tfi:0.9Ic0.1Ic; tfi=tfi1+tfi2;tfi1:IGBT内MOSFET关断过程。tfi2:IGBT内PNP的关断过程。 PNP的存在带来电导调制效的存在带来电导调制效应的好处，但引入了少子储应的好处，但引入了少子储存现象，使存现象，使IGBT开关速度慢开关速度慢于于MOSFET。关断延迟电压上升电流下降拖尾电流自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子

18、技术-284 4、IGBTIGBT的安全工作区的安全工作区 正向偏置安全工作区（正向偏置安全工作区（Forward Biased SafeForward Biased Safe Operating AreaFBSOA Operating AreaFBSOA） 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。电极功耗确定。 反向偏置安全工作区（反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA Operating AreaRBSOA） 根据最大集电极电流、

19、最大集射极间电压和最大允根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率许电压上升率d dU UCECE/dt/dt。 为满足实际电路需求，为满足实际电路需求，IGBT往往与反并联快速二极往往与反并联快速二极管封装在一起，制成逆导器件模块。管封装在一起，制成逆导器件模块。自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-295 5、擎住效应、擎住效应 IGBT内部寄生一个N-PN+晶体管和P+NP晶体管组成的寄生晶闸管。NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3J3结施加正偏压，一旦J3J3开通，栅极

20、就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。引发擎柱效应的原因： 集电极电流过大（静态擎住效应）； duCE/dt过大（动态擎住效应）。自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-30三、主要参数三、主要参数1、最大集射极电压 UCE：该参数决定了器件的最高工作电该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的晶体管所能承受的击穿电压确定的;2、最大集电极电流 IC：包括在一定的壳温下额定直流电包括在一定的壳温下额定直流电流流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP。4、栅射电压 UGE 栅源之间很薄，一般电压绝对值小于栅源之间很薄，一般电压绝对值小于20V20V。3、最大集电极耗散功率 PCM：在一定壳温下，在一定壳温下，IGBT允许允许的最大功耗，该功耗将随壳温升高而下降。的最大功耗，该功耗将随壳温升高而下降。Back自动化与信息工程学院电气工程系自动化与信息工程学院电气工程系-电力电子技术-nIGBT开关速度高，开关损耗小，1000V以上电压时，IGBT开关损耗是GTR的1/10，与电力MOSFET相当；n在相同电压和电流定额情况下，IGBT安