项目四全控型电力电子器件课件

1、项目4 全控型电力电子器件典型全控型器件门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。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。常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块课题1门极可关断晶闸管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-Off Thyristor GTO）1GTO的结构GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的是：

2、GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管共阳极，门极和阴极并联在一起，成为GTO元。而普通晶闸管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路及电气符号。2GTO的工作原理 （1）开通过程GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数值不同，其中1和2分别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益1+2常为1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。 1+2=1是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体

3、管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。 （2）关断过程当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使1+21时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。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：设计2

4、较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。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。 3 GTO的特性和主要参数 1、GTO的阳极伏安特性 2、GTO的开通特性 开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成 3、GTO的关断特性 GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时间ts、下降时间tf及尾部时间tt。存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。下降时间tf ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程。尾部时间tt ：

5、则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。 GTO的关断特性(开关电压、电流及门极电流波形)（1）最大可关断阳极电流IATO（2）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 。 GTO额定电流。 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。（1-8） 4主要参数 （3）维持电流（4）擎住电流课题2电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transisto

6、rBJT），英文有时候也称为Power BJT。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。术语用法：1GTR的结构1、功率晶体管的结构结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为B(基极)、C(集电极)、E(发射极)。GTR属三端三层两结的双极型晶体管，有两种基本类型，NPN型和PNP型。GTR的基本结构及电气符号如下图所示。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 。2功率晶体管的工作原理以NPN型晶体管为

7、例，若外电源使UBC0，则发射结的PN结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：（1）由于UBC0，发射结处于正偏状态，P区的多数载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流IPE，N区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流INE。3GTR的特性与主要参数 （1）GTR的输出特性 晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。 截止区：GTR的e结和c结均承受高反偏电压，相当于开关断开。 放大区：e结正偏、c结反偏，此时GTR功耗很大。 饱和区：特点是e结和c结均正偏。GTR饱和导通，相当于开关闭合。 GTR作开关时，其断态工作点须在截止区，通态工作点须在饱和区。共射极电路的输出特性曲线 （2）GTR

8、的动态（开关）特性 晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。GTR主要应用于开关工作方式。在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流IB2迫使GTR关断，由于GTR 不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。GTR的开关响应特性延迟时间td：加入IB1后一段时间里，iC仍保持为截止状态时的很小电流，直到iC上升到0.1I CS。上升时间tr：iC不断上升，直到iC=ICS，GTR进入饱和状态。tr指iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需要的时间。GTR的开通时间ton：延迟时间td和上升时间tr之和。

9、即 ton=td+tr当基极电流突然从正向IB1变为反向IB2时，GTR的集电极电流iC并不立即减小，仍保持ICS，要经过一段时间才下降。存储时间ts：把基极电流从正向IB1变为反向IB2时到iC下降到0.9ICS所需的时间。下降时间tf：iC继续下降，iC从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。此后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时BJT完全恢复到截止状态。BJT的关断时间toff：存储时间ts和下降时间tf之和，即 toff=ts+tf 4GTR的主要参数(简介)(1)电压参数 电压参数体现了GTR的耐压能力(2)集电极电流额定值(3)最大耗散功率 (4)直流电流增益 (

10、5)开关频率(6)最高结温额定值 1 二次击穿 处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增大到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，但此时集电结的电压基本保持不变，这叫一次击穿。 发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流IC的增大， 一般不会引起GTR的特性变坏。 如果继续增大UCE，又不限制IC的增长， 则当IC上升到A点（临界值）时，UCE突然下降， 而IC继续增大（负阻效应），这时进入低压大电流段， 直到管子被烧坏， 这个现象称为二次击穿。 5 二次击穿和安全工作区二次击穿示意图 A点对应的电压USB和电流ISB称为二次击穿的临界电压和电流，其乘积为 PSB=USBISB

11、 称为二次击穿的临界功率。当GTR的基极正偏时，二次击穿的临界功率PSB往往还小于PCM，但仍然能使GTR损坏。二次击穿的时间在微秒甚至纳秒数量级内， 在这样短的时间内如果不采取有效保护措施，就会使GTR内出现明显的电流集中和过热点， 轻者使器件耐压降低，特性变差；重者使集电结和发射结熔通， 造成GTR永久性损坏。由于管子的材料、工艺等因素的分散性， 二次击穿难以计算和预测。 GTR发生二次击穿损坏是它在使用中最大的弱点。 但要发生二次击穿，必须同时具备三个条件：高电压、大电流和持续时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、驱动脉冲宽度与驱动电路配置等因素都对二次击穿造成一定的影响。 一般说来，

12、工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。 2 安全工作区 安全工作区SOA（Safe Operation Area）是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流电压的极限范围，如图4-7所示。 二次击穿电压USB与二次击穿电流ISB组成的二次击穿功率PSB如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。 以3DD8E晶体管测试数据为例，其PCM100 W，UCEO200 V，但由于受到二次击穿的限制，当UCE100 V 时，PSB为60 W; 当UCE200 V时， PSB仅为28 W，因此，为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常要比管子的极限电压低得多。 图4-

13、7中阴影部分即为SOA。 GTR安全工作区 课题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（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）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 。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

14、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。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。漏极栅极源极垂直导电提高耐压和耐流小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFE

15、T）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。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沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。2电力MOSFET的工作原理(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。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VU

16、GS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性3电力MOSFET的基本特性截止区（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的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性MOSFET的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱

17、和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A开通过程开通延迟时间td(on) (存在输入电容Cin)上升时间tr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) (存在输入电容Cin)下降时间tf关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf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，

18、RF检测漏极电流(2) 动态特性 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Rs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。MOSFET的开关速度4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 UGS20V将导致绝缘层击

19、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课题4绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。是由P-MOSFET与双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断器件。它将P-MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。IGBT的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求

20、更大容量。1IGBT的基本结构 IGBT是在P-MOSFET基础上发展起来的集成新型器件，其结构是以GTR为主导元件，P-MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其结构、电路符号、等效电路如下图示。外部有三个电极(G门极、C集电极、E发射极)。 2IGBT的工作原理当IGBT门极加上正电压时，MOSFET内形成沟道，使IGBT导通；当IGBT门极加上负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT关断。当UCE0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。当UCE0时，分两种情况：（1）若门极电压UGEUT（开启电压），沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。（2）若门极电压UGEUT ，

21、门极下的沟道形成，从而使IGBT导通。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通态压降。3 IGBT的特性与参数静态特性（1）IGBT的输出（伏安）特性和转移特性（2）IGBT动态特性4IGBT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) 最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1) 最大集射极间电压UCESIGBT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

22、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 。 课题5 全控型电力电子器件驱动电路 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器1.5s10s 电流驱动型按照驱动信号的性质分 电压驱动型 分立元件按驱动电路具体形式可分 专用集成驱动电路双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类(1) GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。OttOuGiG1. 电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，