電力電子第五版第4講_5

1、電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊圖圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 GTO的導(dǎo)通工作原理與的導(dǎo)通工作原理與SCR一樣，一樣，可以利用雙晶體管模型解釋；可以利用雙晶體管模型解釋； GTO的關(guān)斷工作原理與的關(guān)斷工作原理與SCR不一樣，不一樣

2、，原因在于：原因在于：（1）GTO的的 1+ 2之和稍大于之和稍大于1。 1+ 21.05，處在臨界飽和，為門極信，處在臨界飽和，為門極信號(hào)去關(guān)斷陽(yáng)極電流提供了可能性。號(hào)去關(guān)斷陽(yáng)極電流提供了可能性。正反饋飽正反饋飽和深度淺。和深度淺。（2）SCR的的 1+ 2之和大于之和大于1。 1+ 21.15，正反饋處在深度飽和，關(guān)，正反饋處在深度飽和，關(guān)斷困難。斷困難。（3） 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，是器件臨界導(dǎo)通的條件，也就是正反饋產(chǎn)生的條件。也就是正反饋產(chǎn)生的條件。圖圖2-15 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstd

3、trt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間子的時(shí)間等效晶體管從飽等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間小時(shí)間 殘存殘存載流載流子復(fù)子復(fù)合所合所需時(shí)需時(shí)間間 圖圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)內(nèi)部載流子的流動(dòng)+表示高表示高摻雜濃摻雜濃度，度，-表表示低摻示低摻雜濃度雜濃度 Iiiceobc圖圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)內(nèi)部載流子的流動(dòng) i

4、ibc在應(yīng)用中，在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流法。集電極電流ic與基極電流與基極電流ib之比為之比為 稱為稱為GTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，它反映，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，時(shí)，ic和和ib的關(guān)系為的關(guān)系為 單管單管GTR的的 值比處理信息用的小功值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為率晶體管小得多，通常為10左右，采用左右，采用達(dá)林頓接法達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益?？梢杂行У卦龃箅娏髟鲆妗?2-9)(2-10)空穴流電

5、子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖圖2-17 共發(fā)射極接法時(shí)共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性的輸出特性ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖圖2-18 GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。 是用來(lái)除去飽和導(dǎo)是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分

6、。時(shí)間的主要部分。 實(shí)際使用實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得低得 多。多。BUBUBUBUBUceocercescexcboSOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖圖2-19 GTR的安全工作區(qū)的安全工作區(qū)二次擊穿二次擊穿功率功率 安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn) 連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓 UceM，集電極最大電流，集電

7、極最大電流IcM和最大耗散功和最大耗散功 率率PcM，也不能超過(guò)，也不能超過(guò)二次擊穿臨界線二次擊穿臨界線。N+GSDP 溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-19圖圖2-20 電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號(hào)和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào)GSDfsddUIG 圖圖2-21 電力電力MOSFET的的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性(2-11) 是電壓控制型器件，其輸入阻是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小?？箻O高，輸入電流非常小。輸出特性輸出特性 是是MO

8、SFET的的漏極漏極伏安特性。伏安特性。 截止區(qū)截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、的截止區(qū)）、飽和區(qū)飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、的放大區(qū)）、非飽非飽和區(qū)和區(qū)（對(duì)應(yīng)于（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。電流相應(yīng)增加。 工作在工作在開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在狀態(tài)，即在截止區(qū)截止區(qū)和和非飽非飽和區(qū)和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。本身結(jié)構(gòu)所致，本身結(jié)構(gòu)所致，漏極漏極和和源極源極之間形成之間形成了一個(gè)與了一個(gè)與MOSFET反向并

9、聯(lián)的反向并聯(lián)的寄生二極寄生二極管管。通態(tài)電阻具有通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)，對(duì)器件并，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的聯(lián)時(shí)的均流均流有利。有利。 圖圖2-21 電力電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性輸出特性信號(hào)iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd (off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+ UE圖圖2-22 電力電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程的開(kāi)關(guān)過(guò)程 a)測(cè)試電路測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up為矩形脈沖電壓為矩形脈沖電壓信號(hào)源，信號(hào)源，Rs為信號(hào)為信號(hào)源內(nèi)阻，源內(nèi)阻，RG為柵極為柵極電阻，電阻，RL為漏極負(fù)為漏極負(fù)載電阻，載電

10、阻，RF用于檢用于檢測(cè)漏極電流。測(cè)漏極電流。 (a)(b)圖圖2-23 IGBT的結(jié)構(gòu)、的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等簡(jiǎn)化等效電路效電路 c) 電氣圖形符電氣圖形符號(hào)號(hào)RN為晶體為晶體管基區(qū)內(nèi)的管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。調(diào)制電阻。 （a）圖圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電為參考變量時(shí)，集電極電流流IC與集射極間電壓與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 分為三個(gè)區(qū)域：分為三個(gè)區(qū)域：正向正向阻斷區(qū)阻斷區(qū)、有源區(qū)有源區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。 當(dāng)當(dāng)UCE0時(shí)，時(shí)，IGBT為為反向阻斷工作狀態(tài)。反向阻斷工作狀態(tài)。 在電力電子電路中，在電