电力电子技术基础2—器件.ppt

1、,Fundamentals of Power Electronics Technology,电力电子技术基础,South China University of Technology,第二部分 电力电子器件,6,South China University of Technology,电力电子技术基础,第二部分 电力电子器件,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，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、

2、绝缘栅双极晶体管,1.3 可关断晶闸管（GTO）,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,GTO的特点,电力电子技术基础,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 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,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,GTO的结构和工作原理,电力电子技术基础,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：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

3、元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,GTO的结构和工作原理,电力电子技术基础,与普通晶闸管一样，可以用右图所示的双晶体管模型来分析 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+21时，不能维持饱和导通而关断,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,GTO与普通晶闸管的区别,电力电子技术基础,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： （1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于 GTO关断 （2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15） 导通时饱和不深，接近临界饱和，有

4、利门极 控制关断，但导通时管压降增大 （3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流,GTO与普通晶闸管的区别,电力电子技术基础,导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程 度较浅 关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门 极抽出电流，则IG减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流 当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强,IK=IA+IG,IA=Ic1+Ic2,Ic1=1 IA + ICBO1,Ic2=2 I

5、K + ICBO2,GTO的动态特性,电力电子技术基础,开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr,GTO的动态特性,电力电子技术基础,关断过程：与普通晶闸管有所不同 抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间tf 残存载流子复合尾部时间tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长 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越短 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间,GTO的主要参数,电力电子技术基础,许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，

6、1)开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大 2)关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联,GTO的主要参数,电力电子技术基础,3)最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流 4) 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 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

7、,1.4 电力晶体管（GTR）,GTR,电力电子技术基础,术语用法： 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 TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效 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,GTR的结构和工作原理,电力电子技术基础,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

8、结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成,GTR的结构和工作原理,电力电子技术基础,一般采用共发射极接法 GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力,台面结构面积大I 大，但小；,GTR的结构和工作原理,电力电子技术基础,当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo 忽略漏电流Iceo时 = Ic / Ib 产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益,GTR的结构和工作原理,电力电子技术基础

9、,GTR的静态特性,电力电子技术基础,截止区,一次击穿与二次击穿,电力电子技术基础,一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变,二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变,安全工作区,电力电子技术基础,安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定,GTR的动态特性,电力电子技术基础,ts存储时间 tf下降时间,ton开通时间 （ n s

10、 级）,td延迟时间 tr上升时间,toff关断时间 （s 级）,GTR的其它参数,电力电子技术基础,集电极最大允许电流IcM 通常规定为直流电流增益hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度,GTR的限制,电力电子技术基础,1.5 电力场效应晶体管,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,FET的分类,电力电子技术基础, 因工艺和结构差异名称不同。如： Motorola TMOS NEC VDMOS Siemens S

11、iPMOS,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,FET的分类,电力电子技术基础,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）大大提高了 MOSFET器件的耐压和耐电流能力 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VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS 结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET） 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,MOSFET的结构特点,电力电子技术基础, 胞元并联结RDS小， 可达m。, 垂直

12、导电VD，面积 大，电流大；, 沟道短D-S间U、R、 C均小；,电力电子技术,第二部分 电力电子器件,MOSFET的结构特点,电力电子技术基础,导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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 电力MOSFET的多元集成结构 国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列,MOSFET的静态特性,电力电子技术基础, 安全工作区SOA,跨导,开启电压

13、, 转移特性,SOASafe Operation Area,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,MOSFET的输出特性,电力电子技术基础,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）,MOSFET的动态特性,电力电子技术基础,Rs、Cin决定 开关速度,MOSFET的开关速度,电力电子技术基础,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，

14、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的参数,电力电子技术基础,跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有 1)漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额 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 栅源之间的绝缘层很薄， UGS20V将导致绝缘层击穿 4)极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS 厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共 源极输出电容Coss和反向转移电容Crss,MOSFET的特点,电力电子技术基础, 电压控制，输入阻抗高。, 单极型，温流负反馈， 温度稳定性高，无二次击穿。, 横向导电，电流小，耐压低，一般只适