電力電子第一章電力電子器件3ppt課件

1、楊淑英合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院安徽省高等學校精品課程電 力 電 子 技 術(shù)Power Electronic Technology上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧P1AGKN1P2P2N1N2J2J1J3上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧晶閘管工作特性：晶閘管工作特性：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還

2、晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都將保持導通存在，晶閘管都將保持導通要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即維持電流以下。下，即維持電流以下。 上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧晶閘管的分類：1、快速晶閘管FST上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧2、雙向晶閘管TRIAC3、逆導晶閘管RCT4、光控晶閘管LTT光控晶閘管光控晶閘管Light Triggered ThyristorLight Trigge

3、red ThyristorLTTLTT）1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件光強度強弱b)AGKa)OUAKIA圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性1又稱之為光觸發(fā)晶閘管，利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管2大功率LTT裝有光纜，光纜上裝有發(fā)光二極管或半導體激光器3提供了電氣隔離，避免電磁干擾的影響4多用于高壓大功率場合1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管GTO） 電力晶體管GTR） 電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET） 絕緣柵雙極晶體管IGBT）1.4.1 1

4、.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管Gate-Turn-Off Thyristor (GTO)Gate-Turn-Off Thyristor (GTO)1.4.1 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO） GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的動態(tài)特性 GTO的主要參數(shù)門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管Gate-Turn-Off Thyristor Gate-Turn-Off Thyristor GTOGTO）晶閘管的一種派生器件，在晶閘管問世后不久出現(xiàn)晶閘管的一種派生器件，在晶閘管問世后不久出現(xiàn)可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷GTO

5、GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO）構(gòu)造：構(gòu)造：與普通晶閘管的相同點：與普通晶閘管的相同點： PNPNPNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：和普通晶閘管的不同：GTOGTO是一種多元的功率集成器是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小數(shù)百個共陽極的小GTOGTO元，元，這些這些GTOGTO元的陰極和門

6、極則元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO）結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKN1P1 P2AKGN2N2N2工作原理：工作原理：與普通晶閘管一樣：與普通晶閘管一樣：1 1可以用下圖所示的雙晶體管模型來分析可以用下圖所示的雙晶體管模型來分析2 2 ）1 +1 +2 = 12 = 1 是 器 件 臨 界 導 通 的 條 件 。 當是 器 件 臨 界 導 通 的 條 件 。 當1+1+2121時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當通；當1+1

7、+2121時，不能維持飽和導通而關(guān)斷時，不能維持飽和導通而關(guān)斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO）結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 GTOGTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：與普通晶閘管有如下區(qū)別： 1 1設(shè)計設(shè)計2 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2V2控制控制靈敏，易于靈敏，易于GTOGTO關(guān)斷關(guān)斷 2 2 導 通 時 導 通 時1 +1 +2 2 更 接 近更 接 近 1 1（1 . 0 51 . 0 5 ， 普 通 晶 閘 管，

8、普 通 晶 閘 管1+1+2 21.151.15導通時飽和不深，導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導通時管壓降增大但導通時管壓降增大 3 3多元集成結(jié)構(gòu)使多元集成結(jié)構(gòu)使GTOGTO元陰極面積元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使很小，門、陰極間距大為縮短，使得得P2P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流抽出較大電流c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO）結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P

9、1AGKN1P2P2N1N2a)b) 導通過程導通過程: :與普通晶閘管一樣，只是導與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺通時飽和程度較淺 關(guān)斷過程：關(guān)斷過程： 強烈正反饋強烈正反饋門極加負脈沖即從門極抽門極加負脈沖即從門極抽出電流，則出電流，則Ib2Ib2減小，使減小，使IKIK和和Ic2Ic2減小，減小，Ic2Ic2的減小又使的減小又使IAIA和和Ic1Ic1減小，又進一步減小，又進一步減小減小V2V2的基極電流的基極電流 當當IAIA和和IKIK的減小使的減小使1+1+212 BUcex BUces BUcer BUceo 實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多1.4

10、.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）GTR主要參數(shù)主要參數(shù)2)2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcMIcM通常規(guī)定為通常規(guī)定為hFEhFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/2-1/31/2-1/3時所對應(yīng)的時所對應(yīng)的IcIc實際使用時要留有裕量，只能用到實際使用時要留有裕量，只能用到IcMIcM的一半或稍的一半或稍多一點多一點3) 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcMPcM最高工作溫度下允許的耗散功率最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給產(chǎn)品說明書中給PcMPcM時同時給出殼溫時同時給出殼溫TCTC，間接表示，間接表示了最高工作溫度了最高工作溫度

11、 1.4.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）GTR主要參數(shù)主要參數(shù)一次擊穿一次擊穿電壓承受能力是電力電子器件的重要工作特電壓承受能力是電力電子器件的重要工作特性之一。性之一。GTRGTR在其開關(guān)應(yīng)用中的電壓承受能在其開關(guān)應(yīng)用中的電壓承受能力主要由它的集電結(jié)擊穿特性決定的。力主要由它的集電結(jié)擊穿特性決定的。1.4.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）GTR二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿現(xiàn)象集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變1.4.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）

12、GTR二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿二次擊穿一次擊穿發(fā)生時一次擊穿發(fā)生時IcIc增大到某個臨增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降電壓的陡然下降常常立即導致器件的永久損壞，常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，再經(jīng)數(shù)或者工作特性明顯衰變，再經(jīng)數(shù)次類似過程之后必永久損壞。次類似過程之后必永久損壞。 實際應(yīng)用中，二次擊穿并不總是實際應(yīng)用中，二次擊穿并不總是發(fā)生在一次擊穿之后。發(fā)生在一次擊穿之后。安全工作區(qū)安全工作區(qū)Safe Operating AreaSOASafe Operating AreaSOA）最高電壓最高電壓UceMUceM、集電

13、極最大電流、集電極最大電流IcMIcM、最大耗、最大耗散功率散功率PcMPcM、二次擊穿臨界線限定、二次擊穿臨界線限定1.4.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）GTR安全工作區(qū)安全工作區(qū)SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 （Power Field Effect Transistor）1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管Power Field Effect Transistor） 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的基本特性 電力MOSFET的主要參數(shù)1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管

14、Power Field Effect Transistor） 場效應(yīng)晶體管：有電壓信號控制電流的半導體器件。 場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型 結(jié)型：利用PN結(jié)的反向電壓對耗盡層厚度的控制來改變漏、源極之間導電溝道的寬度，從而控制漏、源極之間的等效電阻和電流的大小。1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管Power Field Effect Transistor） 場效應(yīng)晶體管：有電壓信號控制電流的半導體器件。 場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型 絕緣柵型：利用柵極、源極之間電壓形成電場來改變半導體表面感生電荷的多少，改變導電溝道的導電能力，控制漏、源極之間的等效電阻和電流SiO2絕緣層 電力場

15、效應(yīng)管也分為結(jié)型和絕緣柵型類似小功率Field Effect TransistorFET） 但通常主要指絕緣柵型中的MOS型Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱 電力MOSFETPower MOSFET） 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管Static Induction TransistorSIT）1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管Power Field Effect Transistor）1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管Power Field Effect Transistor）1、結(jié)構(gòu)和工作原理、結(jié)構(gòu)和工作原理 電力電力MOSF

16、ETMOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為按導電溝道可分為 P P溝道溝道 和和N N溝道溝道 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道 增強型增強型對于對于N NP P溝道器件，柵極電壓大于小于零溝道器件，柵極電壓大于小于零時才存在導電溝道時才存在導電溝道 電力電力MOSFETMOSFET主要是主要是N N溝道增強型溝道增強型1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電子載流子具有更高的遷移率，利于提高電流密度1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.3 電力場效應(yīng)晶體

17、管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 非電力MOS管，即小功率MOS管采用的是平面水平溝道作用，電流方向與芯片表面平行。 電力MOSFET具有垂直于芯片表面的導電路徑，也稱VMOS。其源極和漏極分置于芯片兩個表面，具有較高的通流能力和耐壓能力。1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 按垂直導電結(jié)構(gòu)的差異，電力MOSFET又分為：利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散結(jié)構(gòu)的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET）電場集中 由于電力MOS是多元集成

18、結(jié)構(gòu)，可按器件單元的平面布局特征取名。如 International Rectifier的HEXFET采用正六邊形結(jié)構(gòu) Siemens的SIPMOSFET采用了正方形結(jié)構(gòu) Motorola的TMOS采用矩形單元的“品字形排列 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 截止：漏源極間加正電源，截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零柵源

19、極間電壓為零 P基區(qū)與基區(qū)與N區(qū)之間形成的區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過流流過1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 導電：在柵源極間加正電壓導電：在柵源極間加正電壓UGS 柵極是絕緣的，所以不會有柵柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面會將其下面P區(qū)中的空穴推開，區(qū)中的空穴推開，而將而將P區(qū)中的少子區(qū)中的少子電子吸引電子吸引到柵極下面的到柵極下面的P區(qū)表面區(qū)表面1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原

20、理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 導電：在柵源極間加正電壓導電：在柵源極間加正電壓UGS 當當UGS大于大于UT開啟電壓或閾開啟電壓或閾值電壓時，柵極下值電壓時，柵極下P區(qū)表面的區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成型半導體反型成N型而成為反型而成為反型層，該反型層形成型層，該反型層形成N溝道而溝道而使使PN結(jié)消失，漏極和源極導電結(jié)消失，漏極和源極導電1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)MOSFET是電壓控制型器件場控器件），其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。驅(qū)動電

21、路簡單，需要的驅(qū)動功率小導通時只有一種極性的載流子多子參與導電，是單極型器件；1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管2 電力電力MOSFET的基本特性的基本特性1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管1) 1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 可以用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述可以用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述01020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1

22、-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET基本特性基本特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，表征MOSFET的放大能力。 曲線的斜率定義為 跨導Gfs ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，在一定范圍內(nèi)UGS越高，通態(tài)時MOSFET的等效電阻越小，管壓降UDS也小些，為保證通態(tài)時漏-源極之間的等效電阻、管壓降盡可能小， UGS通常設(shè)計為大于10V。1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET基本特性基本特性 MOSFETMOSFET漏極伏安特性輸出特性）：

23、漏極伏安特性輸出特性）： 指在一定的指在一定的UGSUGS時，漏極電流時，漏極電流IDID與漏與漏- -源電壓源電壓UDSUDS之間的關(guān)系曲線。之間的關(guān)系曲線。 當UGSUT時，器件處于截止狀態(tài)。 當外加UDS超過擊穿折轉(zhuǎn)電壓UBR時，器件被擊穿，使ID急劇增大。應(yīng)避免該情況。1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET基本特性基本特性GTR的截止區(qū)GTR的放大區(qū)GTR的飽和區(qū)1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET基本特性基本特性寄生二極管只有反向電壓達到一定值后反向二極管才會導通1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET基本特性基本特性電力M

24、OSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利正溫度系數(shù)：發(fā)熱越大，通態(tài)電阻就加大，從而限制電流的加大，有利于均流。正溫度系數(shù)的原因：在于其單極性，即其導電靠多數(shù)載流子的遷移，溫度越高載流子的遷移率越低，電阻越高。正溫度系數(shù)消除了器件熱點二次擊穿現(xiàn)象2) 動態(tài)特性圖1-21 電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電流1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET基本特性基本特性 開通過程開通過程 開通延遲時間開通延遲時間td(on) td(on) ：從從upup前沿到前沿到UG

25、S=UTUGS=UT并開并開始出現(xiàn)始出現(xiàn)iDiD 原因：柵極電容充電所原因：柵極電容充電所致致 影響因素：輸入電容、影響因素：輸入電容、信號源內(nèi)阻信號源內(nèi)阻 上升時間上升時間trtr：UGSUGS從開從開啟電壓上升到啟電壓上升到MOSMOS管進管進入非飽和區(qū)時對應(yīng)的電入非飽和區(qū)時對應(yīng)的電壓壓uGSPuGSP 開通時間開通時間ton=+td+ trton=+td+ tr1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET基本特性基本特性iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏和漏極負載電阻極負載電阻RL決定決定uGS達到達到uGSP后，在后，在up作用下繼續(xù)作用下繼續(xù)升高直至達

26、到穩(wěn)態(tài)，但升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變已不變關(guān)斷過程關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off) td(off) ：upup下降到零起，下降到零起，CinCin通過通過RsRs和和RGRG放電，放電，uGSuGS按指數(shù)按指數(shù)曲線下降到曲線下降到UGSPUGSP時，時，iDiD開開始減小止的時間段始減小止的時間段原因：柵極輸入電容通過原因：柵極輸入電容通過輸入電阻放電。輸入電阻放電。1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET基本特性基本特性下降時間下降時間tf uGS從從UGSP繼續(xù)下降起，繼續(xù)下降起，iD減小，到減小，到uGS20V20V將導將導致絕緣層擊穿致絕緣層擊穿4)

27、4) 極間電容極間電容 極間電容極間電容CGSCGS、CGDCGD和和CDSCDS1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET主要參數(shù)主要參數(shù) 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss Ciss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 輸入電容可近似用Ciss代替 這些電容都是非線性的1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET主要參數(shù)主要參數(shù) 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū) 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點1.4

28、.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PMOSFET主要參數(shù)主要參數(shù) 特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小 開關(guān)速度快，開關(guān)時間短，一般為納秒級，工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR熱電反饋二次擊穿） 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管Power Field Effect Transitor）1 IGBT1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2 IGBT2 IGBT的基本特性的基本特性3 IGBT3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)4 IGBT4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)

29、1.4.4 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 GTRGTR和和GTOGTO的特點的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應(yīng)，雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。復(fù)雜。 MOSFETMOSFET的優(yōu)點的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。但抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。但是導通壓降大。是導通壓降大。 兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-

30、MOSBi-MOS器件器件1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 根據(jù)開關(guān)狀態(tài)的控制方式的不同，有不同類型的Bi-MOS器件。 比如有將單、雙極器件按達林頓方式結(jié)合在一起的利用MOS器件的漏極電流控制雙極器件開關(guān)狀態(tài)的電流型控制方式器件集成），也有直接利用MOS柵控制雙極器件導電溝道的電壓型控制方式。 電壓控制型：只能控制開通的MOS柵晶體管MGT），能控制通斷的絕緣柵晶體管IGBT，以及由IGBT引出的一些新型器件如MOS控制的晶閘管MCT）。 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 I n s u l a t e

31、d - g a t e B i p o l a r I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorIGBTTransistorIGBT或或IGTIGT） GTRGTR和和MOSFETMOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有好的特性。復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有好的特性。 19861986年投入市場后，取代了年投入市場后，取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市場，中的市場，中小功率電力電子設(shè)備的主導器件。小功率電力電子設(shè)備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極

32、晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理IGBTIGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)N N溝道溝道VDMOSFETVDMOSFET與與GTRGTR組合組合N N溝道溝道IGBTIGBTN-IGBTN-IGBT）P P溝道溝道VDMOSFETVDMOSFET與與GTRGTR組合組合P P溝道溝道IGBTIGBTP-IGBTP-IGBT）IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一層多一層P+P+注入注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的區(qū)，形成了一個大面積的P+NP+N結(jié)結(jié)J1J1，使得，使得IGBTIGB

33、T具有很強的通流能具有很強的通流能力力1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBTIGBT的原理的原理 驅(qū)動原理與電力驅(qū)動原理與電力MOSFETMOSFET基本相同，通斷由柵射極基本相同，通斷由柵射極電壓電壓uGEuGE決定決定 導通：導通：uGEuGE大于開啟電壓大于開啟電壓UGE(th)UGE(th)時，時，MOSFETMOSFET內(nèi)形成內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極溝道，為晶體管提供基極電流，電流，IGBTIGBT導通導通, ,導通后的導通后的N N飄逸區(qū)電導調(diào)制效應(yīng)，減飄逸區(qū)電導調(diào)制效應(yīng)，減小了電阻小了電阻RNRN，使得高耐壓，使得高耐壓IGBTIG

34、BT的通態(tài)壓降也較低。的通態(tài)壓降也較低。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBTIGBT的原理的原理 驅(qū) 動 原 理 與 電 力驅(qū) 動 原 理 與 電 力MOSFETMOSFET基本相同，通斷由基本相同，通斷由柵射極電壓柵射極電壓uGEuGE決定決定 關(guān)斷：柵射極間施加反壓關(guān)斷：柵射極間施加反壓或撤除或撤除uGEuGE時，時，MOSFETMOSFET內(nèi)的內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極溝道消失，晶體管的基極電流被切

35、斷，使得電流被切斷，使得VJ1VJ1截止，截止，IGBTIGBT關(guān)斷關(guān)斷EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2、IGBT的基本特性1 1IGBTIGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性同樣可以用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述同樣可以用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)

36、移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與與UGE間的關(guān)系，與間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類轉(zhuǎn)移特性類似似開啟電壓開啟電壓UGE(th)：IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射制而導通的最低柵射電壓電壓 UGE(th)隨溫度升高隨溫度升高略有降低略有降低 UGE最大值限制最大值限制EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) 輸出特

37、性伏安特性）輸出特性伏安特性）UGE一定時，一定時，IC與與UCE間的關(guān)系間的關(guān)系 分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng) uCE0時，時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)為反向阻斷工作狀態(tài)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性P+N+的正向偏壓所致IGBT不適合要求器件壓降低于0.7V的場合使用通態(tài)壓降通態(tài)壓降:VDC(on)=VJ1+VN+IDRon1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)

38、射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) =(1+)DSDPNPDPNPDIIII電流分配電流分配:高壓IGBT中PNP的電流放大倍數(shù)小于1，因而，流過M O S 管的 電 流 構(gòu) 成IGBT電流的主要部分。 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM IGBT的開通過程與的開通過程與MOSFET的相似，的相似，因為開通過程中因為開通過程中IGBT

39、在大部分時間在大部分時間作為作為MOSFET運行運行 開通延遲時間開通延遲時間td(on) 從從UGE上升上升至其幅值至其幅值10%的時刻，到的時刻，到iC上升至上升至10%ICM 電流上升時間電流上升時間tr iC從從10%ICM上上升至升至90%ICM所需時間所需時間1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM IGBT的開通過程與的開通過程與M

40、OSFET的相似，的相似，因為開通過程中因為開通過程中IGBT在大部分時間在大部分時間作為作為MOSFET運行運行 開通時間開通時間ton開通延遲時間與電開通延遲時間與電流上升時間之和流上升時間之和 uCE的下降過程分為的下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。tfv1IGBT中中MOSFET單獨工作單獨工作的電壓下降過程；的電壓下降過程；tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時工作的電壓下降過晶體管同時工作的電壓下降過程程1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off) 從從UGE后沿后沿下降到其幅值下降到

41、其幅值90%的時刻起，到的時刻起，到iC下下降至降至90%ICM 電流下降時間電流下降時間tfiC從從90%ICM下下降至降至10%ICM 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff關(guān)斷延遲時間與電關(guān)斷延遲時間與電流下降之和流下降之和ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性 IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程 電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為tfi1和和tfi2

42、兩段。兩段。 tfi1IGBT內(nèi)部內(nèi)部MOSFET的關(guān)斷過的關(guān)斷過程，程，iC下降較快；下降較快； tfi2IGBT內(nèi)部內(nèi)部PNP晶體管的關(guān)斷晶體管的關(guān)斷過程，過程，iC下降較慢非平衡載流子的下降較慢非平衡載流子的復(fù)合過程）復(fù)合過程）ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引

43、入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET。 IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間是互相矛盾的參數(shù)。實際應(yīng)用中，需根據(jù)具體情況合理選擇。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 IGBT的開關(guān)時間與漏極電流、門極電阻以及結(jié)溫等參數(shù)有關(guān)。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性3、IGBT的主要參數(shù)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1 1最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES UCES ：內(nèi)部：內(nèi)部PNPPNP晶體管所能承晶體管所能承受的擊穿電壓受的擊穿電壓2 2最大集電極電流：允許通過集電極的最大電流。最大集電極電流：允許

44、通過集電極的最大電流。包括額定直流電流包括額定直流電流ICIC和和1ms1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICPICP3 3最大集電極功耗最大集電極功耗PCM PCM ：正常工作溫度下允許的最：正常工作溫度下允許的最大耗散功率大耗散功率 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管主要參數(shù)主要參數(shù)IGBTIGBT的特性和參數(shù)特點的特性和參數(shù)特點開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V1000V以上時，開關(guān)損耗以上時，開關(guān)損耗只有只有GTRGTR的的1/101/10，與電力，與電力MOSFETMOSFET相當相當相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比相同電壓和電流定額時，安

45、全工作區(qū)比GTRGTR大，且具有耐脈大，且具有耐脈沖電流沖擊能力沖電流沖擊能力通態(tài)壓降比通態(tài)壓降比VDMOSFETVDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域低，特別是在電流較大的區(qū)域輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFETMOSFET類似類似與與MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點同時保持開關(guān)頻率高的特點1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管主要參數(shù)主要參數(shù)4 4、IGBTIGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管

46、寄生晶閘管寄生晶閘管 該晶閘管由寄該晶閘管由寄生三極管生三極管Vj2Vj2和和VJ1VJ1組成。組成。RbrRbr為為Vj2Vj2的基極和的基極和發(fā)射極間的體發(fā)射極間的體區(qū)電阻。區(qū)電阻。RbrRbr上上的電壓降作為的電壓降作為一個正向偏壓一個正向偏壓加在加在Vj2Vj2的基極的基極和發(fā)射極之間。和發(fā)射極之間。 當IGBT處于截止態(tài)和正常穩(wěn)定通態(tài)時，Rbr上的壓降都很小，不足以產(chǎn)生Vj2的基極電流， Vj2不起作用。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)寄生晶閘管寄生晶閘管但是如果ic瞬時過大，Rbr上壓降過大，則可能使Vj2導通，一旦Vj2通，即使

47、撤除柵極電壓，IGBT仍會像晶閘管一樣處于通態(tài)，使柵極G失去控制作用。這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 擎住效應(yīng)：靜態(tài)擎住效應(yīng)和擎住效應(yīng)：靜態(tài)擎住效應(yīng)和動態(tài)擎住效應(yīng)動態(tài)擎住效應(yīng) 靜態(tài)擎住效應(yīng)：發(fā)生于導通狀態(tài)的靜態(tài)擎住效應(yīng)：發(fā)生于導通狀態(tài)的IGBT中。即流過中。即流過IGBT的電流過大，的電流過大，致使致使Rbr上的壓降足以使上的壓降足以使VJ2的發(fā)射的發(fā)射結(jié)導通。結(jié)導通。 動態(tài)擎住效應(yīng)：發(fā)生于發(fā)生于動態(tài)擎住效應(yīng)：發(fā)生于發(fā)生于IGBT的關(guān)斷過程中。的關(guān)斷過程中。MOS管迅速管迅速關(guān)斷，關(guān)斷，J2結(jié)反向電壓迅速建立，此時會發(fā)

48、生結(jié)反向電壓迅速建立，此時會發(fā)生J2結(jié)電容電壓變化結(jié)電容電壓變化引起位移電流，該位移電流同樣會在體電阻引起位移電流，該位移電流同樣會在體電阻Rbr上產(chǎn)生壓降。上產(chǎn)生壓降。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)A動態(tài)擎住效應(yīng)主要由電壓變化率決定，還受集電極電流和結(jié)溫的影響。他比靜態(tài)擎住效應(yīng)所容許的電流更小 IGBTIGBT安全工作區(qū)：正向偏置安全工作區(qū)安全工作區(qū)：正向偏置安全工作區(qū)FBSOAFBSOA和反向偏和反向偏置安全工作區(qū)置安全工作區(qū)RBSOARBSOA） 正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)FBSOA) FBSOA) 導通工作狀態(tài)的參數(shù)極限導

49、通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍：最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極范圍：最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定功耗確定 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)RBSOARBSOA）阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍：最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電范圍：最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率壓上升率duCE/dtduCE/dt確定確定1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)GTOGTO：管壓降較大，容量較大通流和耐壓能力），：管壓降較大，容量較大通流和耐壓能力）， fsfs較低，只能用于工頻場合

50、，電流驅(qū)動，驅(qū)動電較低，只能用于工頻場合，電流驅(qū)動，驅(qū)動電路復(fù)雜所有全控型器件中最復(fù)雜），驅(qū)動電流路復(fù)雜所有全控型器件中最復(fù)雜），驅(qū)動電流很大。很大。GTRGTR：電流驅(qū)動，容量中等，管壓降較低，開關(guān)頻率：電流驅(qū)動，容量中等，管壓降較低，開關(guān)頻率中等，驅(qū)動較復(fù)雜中等，驅(qū)動較復(fù)雜IGBTIGBT：與：與GTRGTR比，容量和管壓降差不多，但是比，容量和管壓降差不多，但是fsfs明顯明顯增加，開通損耗也更小。增加，開通損耗也更小。MOSFETMOSFET： fsfs最高，但是通流容量較小，承受電壓較最高，但是通流容量較小，承受電壓較低低各類全控型器件的總結(jié)各類全控型器件的總結(jié)IGBT的常見封裝的常見封裝1.5 1.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 MOS控制晶閘管MCT 靜電感應(yīng)晶體