全控型电力半导体器.ppt

1、1,第5章 全控型电力电子器件,2, 典型全控型器件,.1 门极可关断晶闸管 .2 电力晶体管 .3 电力场效应晶体管 .4 绝缘栅双极晶体管,3,典型全控型器件引言,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。,4,典型全控型器件引言,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,5,.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

2、多的应用。,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,6,.1 门极可关断晶闸管,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点：GTO是一种多元的功率集成器件。,图1 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号,1）GTO的结构和工作原理,7,.1 门极可关断晶闸管,工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。,图 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,1+2=1是器件临界导通的条件。,由P1N1P2和

3、N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。,8,.1 门极可关断晶闸管,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。,图 晶闸管的工作原理,9,.1 门极可关断晶闸管,GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使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 。,由上述分析我们

4、可以得到以下结论：,10,.1 门极可关断晶闸管,开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf 尾部时间tt 残存载流子复合。 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，ts越短。,图4 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,11,.1 门极可关断晶闸管,GTO的主要参数, 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的增大而增大。, 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。,（2） 关断时间toff,（1）开通时间ton,不少GTO都制造

5、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 。,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。,12,.1 门极可关断晶闸管,（3）最大可关断阳极电流IATO,（4） 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）,13,.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 Juncti

6、on TransistorBJT），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：,14,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 电力晶体管,1）GTR的结构和工作原理,图5 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动,15,.2 电力晶体管,在应用中，GTR一般采用共发射

7、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控制能力 。 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 （1-10） 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。,1）GTR的结构和工作原理,16,.2 电力晶体管,(1) 静态特性 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。 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。,图6 共发射极接法时GTR的输出特性,2）GTR的基本特

8、性,17,.2 电力晶体管,开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,图7 GTR的开通和关断过程电流波形,(2) 动态特性,18,.2 电力晶体管,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 BUcev BUces BU

9、cer Buceo。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,3）GTR的主要参数,19,.2 电力晶体管,通常规定为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。 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)集电极最大允许电流IcM,20,.2 电力晶体管,一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。 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突然急剧上升，电压陡然下降。 常常立即

10、导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。,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。,图8 GTR的安全工作区,GTR的二次击穿现象与安全工作区,21,.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

11、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,22,.3 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的结构和工作原理,23,.3 电力场效应晶体管,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

12、设计。,图9 电力MOSFET的结构和电气图形符号,24,.3 电力场效应晶体管,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 。,图9 电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力MOSFET的工作原理,25,.3 电力场效应晶体管,(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。,图10

13、电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,2）电力MOSFET的基本特性,26,.3 电力场效应晶体管,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。,图11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：,27,.3 电力场效应晶体管,开通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间ton开通延迟时间与

14、上升时间之和 关断过程 关断延迟时间td(off) 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,),图12 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，RF检测漏极电流,(2) 动态特性,28,.3 电力场效应晶体管,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

15、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,29,.3 电力场效应晶体管,3) 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,30,.4 绝缘栅双极晶体管,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insula

16、ted-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，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。,31,.4 绝缘栅双极晶体管,1) IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,图14 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示

17、意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,32,.4 绝缘栅双极晶体管,图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。,图15 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,IGBT的结构,33,.4 绝缘栅双极晶体管,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uG

18、E大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,IGBT的原理,34,a,),b,),.4 绝缘栅双极晶体管,2) IGBT的基本特性 (1)IGBT的静态特性,图16 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th),输出特性 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。,35,.4 绝缘栅双极晶体管,图17 IGBT的开关过程

19、,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,(2)IGBT的动态特性,36,.4 绝缘栅双极晶体管,图18 IGBT的开关过程,关断延迟时间td(off） 电流下降时间 关断时间toff 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。 tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。 tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,IGBT的关断过

20、程,37,.4 绝缘栅双极晶体管,3) IGBT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UCES,38,.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT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

21、。,39,.4 绝缘栅双极晶体管,擎住效应或自锁效应：,IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件 。,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。,反向偏置安全工作区（RBSOA）,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。,正偏安全工作区（FBSOA）,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。,NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流

22、的控制作用，电流失控。,40,5.5 全控型电力电子器件器件的驱动,5.5.1 电力电子器件驱动电路概述 5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,41,5.5.1 电力电子器件驱动电路概述,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,42,5.5.1 电力电子器件驱动电路概述,

23、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,图19 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,43,5.5.1 电力电子器件驱动电路概述,按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。 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,44,5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,(1) GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相

24、似。 GTO关断控制需施加负门极电流。,图120推荐的GTO门极电压电流波形,1) 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，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。,45,5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,图121 典型的直接耦合式GTO驱动电路,46,5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基

25、极电流有利于减小关断时间和关断损耗。 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,图22 理想的GTR基极驱动电流波形,(2) GTR,47,5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,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。,图23GTR的一种驱动电路,驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,48,5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。 为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15

26、 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。,2) 电压驱动型器件的驱动电路,49,5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,(1) 电力MOSFET的一种驱动电路： 电气隔离和晶体管放大电路两部分,图24电力MOSFET的一种驱动电路,专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。,50,5.5.2 典型全控型器件的驱动电路,(2) IGBT的驱动,图25M57962L型IGBT驱动

27、器的原理和接线图,常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。,多采用专用的混合集成驱动器。,51,5.8 电力电子器件器件的保护,5.8.1 过电压的产生及过电压保护 5.8.2 过电流保护 5.8.3 缓冲电路,52,5.8.1 过电压的产生及过电压保护,外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 雷击过电压：由雷击引起 内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。,电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压,53,5.8.1 过电压的产生及过电压保护,过电压保护措施,图26过电压抑制措施及配置位置 F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电