电力电子器件

1、杨淑英 合肥工业大学电气与自动化工程学院,电 力 电 子 技 术,Power Electronic Technology,2.5 门极可关断晶闸管,2.5 门极可关断晶闸管（GTO）,GTO的基本结构和工作原理 GTO的动态特性 GTO的主要参数 GTO的驱动 GTO的应用特点,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现 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,2.5 门极可关断晶闸管（GTO）,结构： 与普通晶闸管的相同点：

2、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元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起,2.5.1 GTO的基本结构和工作原理,工作原理： 与普通晶闸管一样： 1）可以用下图所示的双晶体管模型来分析 2）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,2.5.1 GTO的基本结构和工作原理,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

3、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,2.5.1 GTO的基本结构和工作原理,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Ib2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,2.5.1 GTO的

4、基本结构和工作原理,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,关断过程：与普通晶闸管有所不同:,1) 需要经历抽取饱和导通时存储大量载流子的时间存储时间ts，使晶体管退出饱和状态,2) 从饱和区到放大区阳极电流逐渐减小的时间下降时间tf,3) 残存载流子复合的时间尾部时间tt,2.5.2 GTO的动态特性,门极负脉冲电流波形对关断时间的影响：,1) 门极负脉冲电流的幅值和前沿陡度会影响储存时间ts，幅值愈大，前沿越陡，ts 就越短；,2) 门极负脉冲电流后沿陡度影响复合时间tt，门极负脉冲后沿缓慢衰减，保持一段时间负压，可以缩短尾部时间,2.5.2 GTO的动态特性,GTO

5、的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数 1）开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1-2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大,2.5.3 GTO的主要参数,GTO的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数 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,2.5.3 GTO的主要参数,3）最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流 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 （1-8）,o

6、ff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,2.5.3 GTO的主要参数,1、触发脉冲的要求,1）要有正的触发脉冲电流使其导通,2.5.4 GTO的驱动,2）要有负的触发脉冲电流使其关断,3）不需要持续的正、负电流保持其通态和断态,4）实际应用中为了降低GTO正向压降，可持续维持一定的门极电流；且关断时维持5V的负压提高抗干扰能力,2、驱动电路,2.5.4 GTO的驱动,驱动电路,GTO的驱动电路如图所示，开关S1闭合时，门极正电流流通，GTO导通；开关S2闭合时，门极反电流流过，GTO关断。在GTO关断时，门极驱动电路的阻抗要极小

7、，以便获得较陡的峰值高的门极反电流。,3、理想的门极电流波形,2.5.4 GTO的驱动,理想的门极电流波形,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，储存时间就越短。 若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在尾部时间阶段仍能保持适当的负电压，可以缩短尾部时间。,2.5.5 GTO的应用特点,GTO保留了晶闸管的大部分特点，是高压大功率领域难得的全控性器件。 但其控制灵活性差、对驱动电路要求很高，器件很小的引线电感都会影响驱动效果，而且工作频率较低，同时GTO的通态管压降比较大，导通损耗大，因此通常只在特大功率场合使用GTO。,2.6 电力晶体管（Giant Transitor）,2.

8、6 电力晶体管（Giant Transistor）,GTR的结构和工作原理 GTR的基本特性 GTR的主要参数 GTR的击穿现象和安全工作区 GTR的驱动 GTR的应用特点,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,2.6 电力晶体管（Giant Transistor）,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

9、取代 与普通的双极结型晶体管基本原理一样，但器件制造时的侧重点有所不同 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 目前常用GTR器件：单管、达林顿管、模块。,2.6 电力晶体管（Giant Transistor）,2.6.1 GTR的基本结构和工作原理,达林顿双极功率晶体管 Darlington Power Bipolar Transistor,达林顿接法,达林顿结构克服大电流注入条件下电流放大倍数较低的问题,GTR的结构示意图（单管）,2.6.1 GTR的基本结构和工作原理,一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为,（1-9）, GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的

10、控制能力 （电流驱动）,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 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。 hFE是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,2.6.1 GTR的基本结构和工作原理,上次课内容回顾,晶闸管的动态特性,上次课内容回顾,晶闸管的主要参数,UDRM,URRM,UTM,IT(AV),IH,IL,du/dt,didt,晶闸管的派生器件,快速晶闸管,双向晶闸管,尼导晶闸管,光控晶闸管,晶闸管的触发电路,上次课内容回顾,GTO的机构和工作原理,多元集成结构,GTO

11、的开关特性,上次课内容回顾,GTO的主要参数,最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流 电流关断增益off,GTR,2.6.2 GTR的基本特性,(1) 静态特性 分为输入特性和输出特性。 输入特性表示在Uce一定时，基极电流与基极-发射极电压之间的函数关系。与二极管正向伏安特性曲线相似。 Uce增大时，输入特性会向右移动。当Uce1V时，其影响作用很小。反偏的集电极对发射极发射到基区载流子的吸引减少了基极电流。,Uce=1,共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要

12、经过放大区,共发射极接法时GTR的输出特性,准饱和区,饱和区：晶体管发射极集电极间等效电阻最小且不随基极电流而改变。,2.6.2 GTR的基本特性,共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区,共发射极接法时GTR的输出特性,准饱和区,截止区：集电结、发射结都处于反偏状态或者集电结反偏发射结偏压为0，此时发射区不向基区注入载流子，不能形成工作电流，只有漏电流。,2.6.2 GTR的基本特性,在相同温度下，增益随Uce上升而增大（基区宽度调制效应） 温度对增益影响与电流

13、有关，大电流的负温度特性，利于并联 Ic较小是，增益随Ic增大而增大（因基区复合电流占的比重越来越小），Ic较大时，情况相反（“柯克”效应）,2.6.2 GTR的基本特性,(2) 动态特性,开通时间,延迟时间td，主要是对发射结、集电结电容充电；,上升时间tr，随发射区向基区注入载流子的增多，电流开始增大；,td影响因素：发射结、集电极结电容的大小，初始正向驱动电流及其上升率，以及跳变前反向偏置电压的大小；,tr影响因素：与电流增益及稳态电流值的大小有关,2.6.2 GTR的基本特性,(2) 动态特性,关断时间,存储时间ts，从撤销正向驱动信号到集电极电流下降到90%。过剩载流子从体内抽走的过

14、程；,下降时间tf，Ic由90%到10%的时间；,ts影响因素：饱和程度、反向驱动电流的大小；,tr影响因素：结电容和正向集电极电流,关断时间（微秒）比开通时间（ns）大的多,2.6.2 GTR的基本特性,前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff 此外还有： 1)最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关 BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多,2.6.3 GTR主要参数,

15、2)集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE下降到规定值的1/2-1/3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 3) 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,2.6.3 GTR主要参数,一次击穿 电压承受能力是电力电子器件的重要工作特性之一。GTR在其开关应用中的电压承受能力主要由它的集电结击穿（雪崩击穿）特性决定的。,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,2.6.4 GTR的击穿和安全工作区,二次击穿 一次击穿

16、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，再经数次类似过程之后必永久损坏。 实际应用中，二次击穿并不总是发生在一次击穿之后。,“热电正反馈理论” “发射极电流加紧效应”,2.6.4 GTR的击穿和安全工作区,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,集电极最大允许电流,二次击穿功耗,最大耗散功率,最高工作电压,2.6.4 GTR的击穿和安全工作区,2.6.5 GTR的驱动,GTR 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使

17、之不进入放大区和深饱和区 关断时施加一定的负基极电流以减小关断时间和关断损耗。 关断后在基射极间加一定的负压 前沿足够陡峭,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分,贝克嵌位电路,嵌位,电压补偿,加速开通,2.6.5 GTR的驱动,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分,0V,限压,2.6.5 GTR的驱动,2.6.6 GTR的应用特点,曾经是最主要的全控型电力电子器件，由于其属于电流控制型器件，掌握合理的驱动方法较困难，合理利用安全工作区、避免二次击穿也并不容易，故电力晶体管在比较先进的电力电子装置和高功率、高速开关设计方面已逐步退出应用。 由于其制造工艺简

18、单、价格低廉，控制线路较成熟，目前在一些传统电力电子电路中还有一定的应用。,2.7 电力场效应晶体管 （Power Field Effect Transistor）,2.7 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的基本特性 电力MOSFET的主要参数 电力MOSFET的驱动 电力MOSFET的应用特点,2.7 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,场效应晶体管：有电压信号控制电流的半导体器件。 场效应晶体管分为结型和绝缘栅型,结型：利用PN结的反向电压对耗尽层厚

19、度的控制来改变漏、源极之间导电沟道的宽度，从而控制漏、源极之间的等效电阻和电流的大小。,2.7 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,场效应晶体管：有电压信号控制电流的半导体器件。 场效应晶体管分为结型和绝缘栅型,绝缘栅型：利用栅极、源极之间电压形成电场来改变半导体表面感生电荷的多少，改变导电沟道的导电能力，控制漏、源极之间的等效电阻和电流,SiO2绝缘层,电力场效应管也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET） 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简

20、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）,2.7 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,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,2.7.1 结构和工作原理,电子载流子具有更高的迁移率，利于提高电流密度,2.7.1 结构和工作原理,电力MOSFET的结构,非电力MOS管，

21、即小功率MOS管采用的是平面水平沟道作用，电流方向与芯片表面平行。 电力MOSFET具有垂直于芯片表面的导电路径，也称VMOS。其源极和漏极分置于芯片两个表面，具有较高的通流能力和耐压能力。,2.7.1 结构和工作原理,按垂直导电结构的差异，电力MOSFET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结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）,电场集中,2.7.1 结构和工作原理,由于电力MOS是多元集成结构，可按器件单元的平面布局特征取名。如 International Rectifier的HEXFET采用正六边形结构 S

22、iemens的SIPMOSFET采用了正方形结构 Motorola的TMOS采用矩形单元的“品”字形排列,2.7.1 结构和工作原理,电力MOSFET的结构,2.7.1 结构和工作原理,电力MOSFET的结构,截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零 P基区与N区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过,2.7.1 结构和工作原理,电力MOSFET的结构,导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面,2.7.1 结构和工作原理,电力MOSFET的结构,导电：在栅源极间加正电压UGS

23、 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使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结消失，漏极和源极导电 电压驱动型器件,2.7.1 结构和工作原理,电力MOSFET的结构,MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高（1015），输入电流非常小。驱动电路简单，需要的驱动功率小 导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型器件；,2.7.1 结构和工作原理,2.7.1 结构和工作原理,1)静态特性 可以用转移特性和输出特性表述,图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,2

24、.7.2 电力MOSFET基本特性,漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，表征MOSFET的放大能力。 曲线的斜率定义为 跨导Gfs ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，,在一定范围内UGS越高，通态时MOSFET的等效电阻越小，管压降UDS也小些，为保证通态时漏-源极之间的等效电阻、管压降尽可能小， UGS通常设计为大于10V。,2.7.2 电力MOSFET基本特性,MOSFET漏极伏安特性（输出特性）： 指在一定的UGS时，漏极电流ID与漏-源电压UDS之间的关系曲线。,当UGSUT时，器件处于截止状态。 当外加UDS超过击穿折转电压UBR时，器件被击穿，使I

25、D急剧增大。应避免该情况。,GTR的截止区,GTR的放大区,GTR的饱和区,2.7.2 电力MOSFET基本特性,寄生二极管,只有反向电压达到一定值后反向二极管才会导通，应该避免二极管导通,同步整流,2.7.2 电力MOSFET基本特性,电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利,正温度系数：发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。,正温度系数的原因：在于其单极性，即其导电靠多数载流子的迁移，温度越高载流子的迁移率越低，电阻越高。,正温度系数消除了器件热点二次击穿现象,2.7.2 电力MOSFET基本特性,栅源电容 与几何形状及SiO2有关，数值稳定几乎

26、不随漏源电压变化,栅漏电容 与几何形状及SiO2有关，随栅源电压和漏源电压变化,漏源电容 主要是由PN结形成的，受漏源电压和温度的影响,2.7.2 电力MOSFET基本特性,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 Ciss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 输入电容可近似用Ciss代替 这些电容都是非线性的,2.7.2 电力MOSFET基本特性,2.7.2 电力MOSFET基本特性,2)动态特性,密勒平台Miller Plateau,2)动态特性,2.7.2 电力MOSFET基本特性,2.7.2 电力MOSFE

27、T基本特性,2)动态特性,开通过程 开通延迟时间td(on) (t0-t1)：从up前沿到UGS=UT并开始出现iD 原因：栅极电容充电所致 影响因素：输入电容、信号源内阻 电流上升时间tri (t1-t2)：UGS从开启电压上升到uGSP，相应的漏极电流上升到稳态值； 漏极电压下降时间tfv (t2-t3):漏源电压下降 开通时间ton=td(on)+ tri+tfv,2.7.2 电力MOSFET基本特性,2)动态特性,关断过程 关断延迟时间td(off) (t5-t6)：从up下降沿到UGS=UGSP 原因：栅极电容放电电所致 影响因素：输入电容、信号源内阻 漏极电压上升时间trv (t6

28、-t7)：UGS几乎为UGSP保持不变，相应的漏极电压上升到稳态阻断值； 电流下降时间tfi (t7-t8):漏电流下降，栅极电压下降到UT以下。 关断时间ton=td(off)+ trv+tfi,MOSFET的开关速度 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10-100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是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，

29、所需要的驱动功率越大。,2.7.2 电力MOSFET基本特性,电力MOSFET的主要参数 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on) 和td(off) 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,2.7.3 电力MOSFET主要参数,漏源间的耐压、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,一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点,不可能出现区域

30、,2.7.3 电力MOSFET主要参数,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，开关时间短，一般为纳秒级，工作频率高 热稳定性优于GTR（不存在热电反馈二次击穿）,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（不存在电导调制效应，体电阻较大）,2.7.3 电力MOSFET主要参数,2.7.4 电力MOSFET的驱动,1、与GTO和GTR通过电流驱动不同，MOSFET是电压驱动型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于驱动电路设计,2、驱动电路内阻要尽量小，以减小充电时间常数，提高开关速度，但要避免震荡。,3、理论场控器件静态时几乎不需要

31、输入电流，但开关过程中需要电容充放电，仍需一定的驱动功率。,4、为提高开关速度，驱动电路必须有足够的电压以保证器件开通时有足够的电压变化率，进而加快输入电容充电。,2.7.4 电力MOSFET的驱动,5、一般采用双电源供电，MOSFET开通驱动电压一般为1015V，关断时施加一定幅值的负压（-5V-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。,6、需要电气隔离。,电力MOSFET的一种驱动电路,推挽电路,2.7.4 电力MOSFET的驱动,电力MOSFET的薄弱之处是绝缘层易被击穿损坏，栅源间的电压不得超过20V，使用时必须采用相应保护措施：,2.7.5 电力MOSFET的应用特点,1、防止静电击穿

32、（在静电场较强的场合难于释放电荷，容易引起静电击穿）,2、防止栅源过电压（栅极一般不容许开路或悬浮，防止静电干扰使输入电容上的电压上升到大于门限电压而造成误导通，甚至损坏器件，为了保护器件，通常需要在栅源之间并接阻尼电阻或并接稳压管）,电力MOSFET的通态电阻Ron具有正温度系数，易于并联使用,电力MOSFET是多子导电的单极性器件，开关速度较快,2.7.5 电力MOSFET的应用特点,电力MOSFET是通态压降与电流成正比,单极性器件使其耐压难以较好地提高，限制了器件在大功率场合的应用,上次课内容回顾,GTR,二次击穿,上次课内容回顾,电力MOSFET,上次课内容回顾,电力MOSFET,密

33、勒平台Miller Plateau,1 IGBT的结构和工作原理 2 IGBT的基本特性 3 IGBT的主要参数 IGBT的擎住效应和安全工作区 IGBT的驱动 IGBT的应用特点,2.8 绝缘栅双极型晶体管,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。但是导通压降大。 两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件,2.8 绝缘栅双极型晶体管,根据开关状态的控制方式的不同，有不同类型的Bi-MOS器件。 比如有将单、

34、双极器件按达林顿方式结合在一起的利用MOS器件的漏极电流控制双极器件开关状态的电流型控制方式（器件集成），也有直接利用MOS栅控制双极器件导电沟道的电压型控制方式。 电压控制型：只能控制开通的MOS栅晶闸管（MGT），能控制通断的绝缘栅晶体管IGBT，以及由IGBT引出的一些新型器件如MOS控制的晶闸管（MCT）。,2.8 绝缘栅双极型晶体管,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，中小功率电力电子设备的主导器件

35、。,继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,2.8 绝缘栅双极型晶体管,IGBT的结构和工作原理,2.8 绝缘栅双极型晶体管,2.8.1 IGBT结构和工作原理,IGBT的结构 N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT） P沟道VDMOSFET与GTR组合P沟道IGBT（P-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 ，使得IGBT具有很强的通流能力,2.8.1 IGBT结构和工作原理,IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET

36、内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通,导通后的N飘逸区电导调制效应，减小了电阻RN，使得高耐压IGBT的通态压降也较低。,2.8.1 IGBT结构和工作原理,IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定 关断：栅射极间施加反压或撤除uGE时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得VJ1截止，IGBT关断,2.8.1 IGBT结构和工作原理,2.8.2 IGBT的基本特性,1）IGBT的静态特性 同样可以用转移特性和输出特性表述,IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,2.8.2 IGBT的基本特性,转移特性IC与

37、UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似,开启电压UGE(th)：IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高略有降低 UGE最大值限制,2.8.2 IGBT的基本特性,输出特性（伏安特性）UGE一定时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应 uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态,P+N+的正向偏压所致,IGBT不适合要求器件压降低于0.7V的场合使用,2.8.2 IGBT的基本特性,通态压降: VDC(on)=VJ1+VN+IDRon,电流分配:,高压IGBT中PNP的电流放大倍数小于1，因此，流

38、过MOS管的电流构成IGBT电流的主要部分。,2.8.2 IGBT的基本特性,2)IGBT的动态特性,2.8.2 IGBT的基本特性,2)IGBT的动态特性,2.8.2 IGBT的基本特性,2)IGBT的动态特性,IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) t0-t1 电流上升时间tri t1-t2 电压下降时间tfv MOSFET的电压下降时间tfv1(t2-t3);PNP晶体管的电压下降时间tfv2(t3-t4); 开通时间ton= td(on) + tri + tfv,2.8.2 IGBT的基本特性,2)IGB

39、T的动态特性,IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 关断延迟时间td(off) t5-t6 电压上升时间trv t6-t7 电流下降时间tfi MOSFET的电流下降时间tfi1(t7-t8);PNP晶体管的电流下降时间tfi2(t8-t9); 关断时间toff= td(off) + trv + tfi,2.8.2 IGBT的基本特性,IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。 IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间是互相矛盾的参数。实际应用中，

40、需根据具体情况合理选择。,2.8.2 IGBT的基本特性,IGBT的开关时间与漏极电流、门极电阻以及结温等参数有关。,2.8.2 IGBT的基本特性,2.8.3 IGBT的主要参数,1）最大集射极间电压UCES ：内部PNP晶体管所能承受的击穿电压 2）最大集电极电流：允许通过集电极的最大电流。包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3）最大集电极功耗PCM ：正常工作温度下允许的最大耗散功率,2.8.3 IGBT的主要参数,IGBT的特性和参数特点 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当 相同电压和电流定额时，安全工作区比

41、GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域 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,2.8.3 IGBT的主要参数,2.8.4 IGBT的擎住效应和安全工作区,寄生晶闸管 该晶闸管由寄生三极管Vj2和VJ1组成。Rbr为Vj2的基极和发射极间的体区电阻。Rbr上的电压降作为一个正向偏压加在Vj2的基极和发射极之间。,当IGBT处于截止态和正常稳定通态时，Rbr上的压降都很小，不足以产生Vj2的基极电流， Vj2不起作用。,2.8.4 IGBT的擎住效应和安全工作区

42、,寄生晶闸管,但是如果ic瞬时过大，Rbr上压降过大，则可能使Vj2导通，一旦Vj2通，即使撤除栅极电压，IGBT仍会像晶闸管一样处于通态，使栅极G失去控制作用。这种现象称为擎住效应或自锁效应。,2.8.4 IGBT的擎住效应和安全工作区,擎住效应：静态擎住效应和动态擎住效应,静态擎住效应：发生于导通状态的IGBT中。即流过IGBT的电流过大，致使Rbr上的压降足以使VJ2的发射结导通。,动态擎住效应：发生于IGBT的关断过程中。MOS管迅速关断，J2结反向电压迅速建立，此时会发生J2结电容电压变化引起位移电流，该位移电流同样会在体电阻Rbr上产生压降。,A,动态擎住效应主要由电压变化率决定，

43、还受集电极电流和结温的影响。他比静态擎住效应所容许的电流更小,2.8.4 IGBT的擎住效应和安全工作区,IGBT安全工作区：正向偏置安全工作区（FBSOA）和反向偏置安全工作区（RBSOA） 正向偏置安全工作区（FBSOA) 导通工作状态的参数极限范围：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 反向偏置安全工作区（RBSOA）（表示驱动电压为0或负值时器件关断瞬态的限制区域）阻断工作状态的参数极限范围：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duCE/dt确定,2.8.4 IGBT的擎住效应和安全工作区,2.8.5 IGBT的驱动,2.8.5 IGBT的驱动,IGBT

44、的输入阻抗高，属于电压型控制器件，要求的驱动功率小,IGBT的可以使用电力MOSFET的驱动技术对其进行驱动，但IGBT的栅极输入电容较大，因而其驱动电压和反向偏压较电力MOSFET高。,具体而言IGBT的驱动要求一般为：,1）栅极驱动电压（正向电压1220V，反向偏压一般-5-15V）,2）串联栅极电阻（一方面减小栅极电阻利于器件的开通，另一方面过小的栅极电阻会降低栅极的噪声抑制能力并且可能会引起震荡）,M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,过流保护,2.8.5 IGBT的驱动,2.8.6 IGBT的应用特点,2.8.6 IGBT的应用特点,IGBT是性能理想的中大容量的中高速电压控制型器件,在通流能力方面，IGBT综合了电力MO