电力电子技术课件08.ppt

1、第7章 全控型电力电子器件 80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、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。门极可关断晶闸管、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（Gate-Turn-Off ThyristorGTO）是也晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。,GTO的关断机理： 在SCR的双晶体管等效模型中，利用门极负电流分流IC1，并快速抽取V2管发射结两侧存储的大量载流子，以实现快速关断。 在工

2、艺结构上比SCR有两点改进： 等效晶体管的电流放大倍数减小，经正反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。 采用多GTO单元并联集成结构，门极和阴极间隔排列，使P2基区载流子均匀快速地从门极抽出，也不易造成局部过热，di/dt耐量增大。,GTO的动态特性 开通过程: 需要经过延迟时间td和上升时间tr。开通时iG为正脉冲，触发导通后门极电流可以撤除。 关断过程: 从iG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储存时间ts，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，阳极电流逐渐减小时间下降时间tf；最后还有残存载流子复合所需

3、时间尾部时间tt。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长，即tftstt。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就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。,图7-2 GTO的开通和关断过程及电流波形,GTO的主要参数 最大可关断阳极电流IATO 即额定电流。而普通晶闸管用通态平均电流来标称其额定电流。 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，即 off=IATO/IGM 。off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。比如，一个1000A的GTO，关断时门极负脉冲电

4、流的峰值要200A，这是一个相当大的数值。 开通时间ton 一般较短，约数s 关断时间toff 关断时间一般比开通时间ton长许多。,GTO的主要优缺点： 优点：电压电流容量大（比SCR略小）；开关速度比SCR高得多。 缺点：关断电流增益小，门极负脉冲电流大，驱动较困难；通态压降较大。 不少GTO都制造成逆导型，无反向阻断能力。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。 GTO的许多性能虽然与绝缘栅双极型晶体管、电力场效应晶体管相比要差，但其电压、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。,7.2 电力晶体管（Giant TransistorGTR） GT

5、R是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）。电流驱动型全控器件 。 GTR的结构：GTR通常采用多单元并联集成工艺的达林顿（Darlington）复合结构，电流放大系数值较高。单管GTR的值较小，通常为10左右，采用达林顿复合接法可以有效地增大电流增益。比如两级复合的达林顿管，=12。 达林顿复合使饱和导通压降增加。二重复合GTR的导通压降为： 单管临界饱和压降约为0.71V，则二重复合GTR的UCES大致为1.42V。三重复合时可达23V。导通压降的升高会使GTR的通态损耗大为增加。,GTR模块：为了改善GTR的性能，方便使用和提

6、高可靠性，将多级复合达林顿GTR与必要的外围电阻和二极管集成在一起，构成电力晶体管模块（GTR Module），集成管芯与管壳散热板之间充满导热硅胶，但与外壳绝缘。,R2为泄漏电阻，为V2管的集电极与发射极之间的漏电流ICEO2提供分流通路，使得在IB2=0、V2截止时，V1对ICEO2的放大作用减弱，从而使ICEO1及整体复合管的ICEO明显减小，提高其温度稳定性。 在晶体管处于关断过程和断态时，R1、R2分别为两个发射结提供低阻回路，保证GTR的可靠阻断和提高工作稳定性，减小外部干扰影响。 VD2在GTR关断过程中为V1管的基区载流子的抽取提供通路，提高其关断速度，因为在关断GTR时需要驱

7、动电路为两管提供负偏压作用于两个发射结，形成负向基流，以便快速抽出发射结两侧的存储电荷。 VD1是GTR的逆导二极管，逆导开关在电力变换电路中很常用。 VD1、VD2均应为快恢复开关二极管，实际工艺中与R1、R2及V1、V2制作在同一硅片上。,GTR的基本特性及控制方式 静态输出特性与普通三极管一样分为三个区。 在导通期间基极电流保持正脉冲Ib1直至关断，,关断GTR时基极作用以短暂的负脉冲Ib2，然后恢复到零，维持阻断。流控器件，基极驱动电流比GTO小。E为公共端。 通常驱动使其临界饱和，以提高关断速度，但导通压降增大。,开关速度比GTO快，但电压电流容量比GTO小。 主要参数 最高工作电压

8、 GTR的击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。5种击穿电压之间的关系为：BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo。 其中BUces 和BUcex为b-e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 二次击穿现象 当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大

9、，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Ic不超过与最大允许耗散功率相对应的限度，GTR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制电流，Ic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 GTR 彻底损坏，管壳却觉不到热。对GTR危害极大 。,图7-7 GTR的二次击穿过程,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，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PSB。,

10、7.3 电力场效应晶体管（Power MOSFET） 电力场效应管有这两种类型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）。至于结型电力场效应晶体管则一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor SIT）。 工艺结构特点： 电力MOSFET属于单极型器件，只有一种极性的载流子（多子）参与导电。 采用垂直导电结构，故又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力（小功率MOS管的导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件）。,按垂直导电结构的差异，又分为利用V

11、型槽实现垂直导电的VVMOSFET（Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical 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PN结所固有的载流子存储效应（失去了电导调制效应），也不存在少

12、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栅极输入电容Cin的充放电快慢，应尽可能减小栅极回路时间常数=RsCin。 特点： 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）； 缺点：电压电流容量较小；通态压降较大，ID大则压降随之增大（因为无正向PN结的电导调制效应）。,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 TransistorIG

13、BT）。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，GTR的基极电流被切断，使得IGBT关断。,IGBT的特点： 开关速度高，开关损耗小。开关频率略低于MOSFET； 电压电流容量大，高于GTR； 驱动

14、电流小，驱动电路简单。,7.5 其它新型电力电子器件 MOS控制晶闸管(MCT) MCT（MOS Controlled Thyristor）是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。MCT将MOSFET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、低通态压降的特点。 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IGBT却进展飞速。,静电感应晶体

15、管SIT SIT（Static Induction Transistor）实际上是一种结型场效应晶体管。SIT是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力MOSFET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、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。 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，SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,静电感应晶闸管（SITH） SITH（Static Inductio

16、n Thyristor）又被称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor FCT）。由于比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，因而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。 属正常导通型，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。,集成门极换流晶闸管（IGCT） IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）将IGBT与GTO的优点结合起来，其容量与 GTO相当，但开关速度比GTO快10倍，而且可以省去GTO应用时庞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，IGCT正在与IGBT以及其它新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。,功率模块与功率集成电路 功率模块（Power Module）: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