第2章_電力電子器件(23)

1、2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管GTOGTO 電力晶體管電力晶體管GTRGTR 功率場效應管功率場效應管MOSFETMOSFET 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT（MOSFETMOSFETGTRGTR） 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT（MOSFETMOSFETGTOGTO）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件全控型器件全控型器件: :利用控制信號可控制開通與關(guān)斷利用控制信號可控制開通與關(guān)斷的器件的器件, ,通常也稱為自關(guān)斷器件。通常也稱為自關(guān)斷器件。電流控制型電流控制型電流控制型器件從控制極注入或抽取電流信號來

2、控制器件的開通或關(guān)斷.如可關(guān)斷晶閘管（GTOGTO）、集成門極換流晶閘管（IGCTIGCT）。主要特點：主要特點：控制功率較大、控制電路復雜、工作頻率較低。電壓控制型電壓控制型通過在控制極建立電場提供電壓信號實施器件的開通與關(guān)斷控制.如功率場效應管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）主要特點：主要特點：控制功率小、控制電路簡單、工作頻率較高。分類：分類：電流控制型電流控制型 電壓控制型電壓控制型2.4.1 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 晶閘管的一種派生器件晶閘管的一種派生器件 可通過在可通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷門極

3、施加負的脈沖電流使其關(guān)斷 GTOGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，耐壓耐流可達耐壓耐流可達6KV6KV和和6KA6KA，因而在兆瓦級以上的，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用大功率場合仍有較多的應用1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：GTOGTO的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路與電氣符號的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路與電氣符號 -GTO-GTO的開通原理和普通晶閘管相同的開通原理和普通晶閘管相同-GTO-GTO能關(guān)斷的關(guān)鍵是：能從門極抽取電能關(guān)斷的關(guān)鍵是：能從門極抽取電流改變二個晶體管的工作狀態(tài)流改變二個晶體管的工作狀態(tài),GTO,G

4、TO是從是從制造工藝上做到這點的。另外，制造工藝上做到這點的。另外，GTOGTO導通導通時飽和程度較淺。時飽和程度較淺。 GTO能從門能從門極抽取電流極抽取電流使雙晶體管使雙晶體管進入放大狀進入放大狀態(tài)態(tài) 而關(guān)斷而關(guān)斷2.4.12.4.1可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管工作原理：工作原理： 臨界飽和設(shè)計臨界飽和設(shè)計： 1 1+ + 2 2=1=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+ + 2 211時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當 1 1+ + 2 211時，不能維持飽和導通而關(guān)斷。開通原理和時，不能維持飽和導通而關(guān)斷。開通原理和SC

5、RSCR一樣。一樣。 設(shè)計時設(shè)計時 2 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2V2控制靈敏，易于控制靈敏，易于GTOGTO關(guān)斷。關(guān)斷。iB2+ic2=ikic2=2ikik=iB2/(1- 2)=iAGTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：有如下區(qū)別：(1)(1)設(shè)計設(shè)計 2 2較大較大，使晶體管，使晶體管V V2 2控控制靈敏制靈敏，易于，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( 1.051.05，普通晶閘管普通晶閘管 1 1+ + 2 2 1.151.15）導）導通時飽和不深，通時飽和不

6、深，接近臨界飽接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷和，有利門極控制關(guān)斷，但，但導通時管壓降增大。導通時管壓降增大。 (3) (3) 多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)使使GTOGTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得縮短，使得P P2 2基區(qū)橫向電阻很小，基區(qū)橫向電阻很小，易于從門極抽出較大電流易于從門極抽出較大電流。2. GTO2. GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約約1212 s s。一般指儲存時間和下降時間之和，一般指儲存時間和下降時間之和，GTOGTO的儲的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間

7、一存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于般小于2 2 s s。2)2)關(guān)斷時間關(guān)斷時間t toffoff1)1)開通時間開通時間t tonon 3) 3) 最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流I IATOATO4)4) 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 offoff GTO GTO額定電流額定電流, ,利用門極脈沖可以關(guān)斷的最大陽極電流利用門極脈沖可以關(guān)斷的最大陽極電流. .最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值I IGMGM之比之比稱為電流關(guān)斷增益。稱為電流關(guān)斷增益。 offoff一般很小，這是一般很小，這是GTOGTO的一個主要缺點。例如的一個主要

8、缺點。例如 offoff=5=5時，時， 1000A1000A的的GTOGTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A200A。 術(shù)語用法：術(shù)語用法： 電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR，巨型晶體管），巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Bipolar Junction TransistorBJTJunction TransistorBJT） 在電力電子技術(shù)范圍內(nèi)，在電力電子技術(shù)范圍內(nèi)，GTRGTR與與BJTBJT名稱等效。名稱等效。 應用應用 2020世紀世紀8080年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘年代以

9、來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，管，耐壓和耐流可達耐壓和耐流可達1.5KV,1KA, 1.5KV,1KA, 可在可在10KHZ10KHZ以內(nèi)開以內(nèi)開關(guān)頻率下工作?，F(xiàn)商品化的關(guān)頻率下工作?，F(xiàn)商品化的GTRGTR耐壓、耐流不超過耐壓、耐流不超過1200V1200V，800A800A。2.4.5 2.4.5 大功率晶體管大功率晶體管1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理開通和關(guān)斷可由基極電流來控制，故稱為全控型器件開通和關(guān)斷可由基極電流來控制，故稱為全控型器件和電流型驅(qū)動器件。和電流型驅(qū)動器件。開通條件：開通條件：UceUce正偏，提供基極電流。正偏，提供基極電流。 關(guān)斷：關(guān)斷：I Ib b

10、小于等于零。小于等于零。共發(fā)射極接法時典共發(fā)射極接法時典型輸出特性：截止型輸出特性：截止區(qū)區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)放大區(qū)和飽和區(qū)。2. GTR的基本特性的基本特性 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性電力電子電路中電力電子電路中GTRGTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在開關(guān)狀態(tài)，即截止區(qū)或飽和區(qū)截止區(qū)或飽和區(qū)3. GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1) 最高工作電壓最高工作電壓 GTRGTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUBUceoceo（基極開路時，集電極和發(fā)射極間的擊穿（基極開路時，集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓）低

11、得多。電壓）低得多。 2) 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流I IcMcM通常規(guī)定為通常規(guī)定為h hFEFE（電流放大系數(shù)）下降到規(guī)定值的（電流放大系數(shù)）下降到規(guī)定值的1/2-1/2-1/31/3時所對應的時所對應的I Ic c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I IcMcM的一半或稍多一點。的一半或稍多一點。 3) 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率P PcMcM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 4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電壓升高至擊穿

12、電壓時，I Ic c迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。穿。 只要只要I Ic c不超過限度，不超過限度，GTRGTR一般不會損壞，工作特性也不變一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時一次擊穿發(fā)生時I Ic c增大到某個臨界點時會突然急劇上升，增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。并伴隨電壓的陡然下降。 常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 最高電壓最高電壓U UceMceM、集電極最大電流、集電極最大電流I

13、IcMcM、最大耗散功率、最大耗散功率P PcMcM、二次擊穿臨界線限定二次擊穿臨界線限定。2.4.2 2.4.2 功率場效應晶體管功率場效應晶體管 場效應管分為結(jié)型、絕緣柵型兩類。場效應管分為結(jié)型、絕緣柵型兩類。 通常指絕緣柵型中的通常指絕緣柵型中的MOSMOS型，簡稱電力型，簡稱電力MOSFETMOSFET（Power MOSFETPower MOSFET） 本節(jié)以本節(jié)以絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管為例介紹場效應管為例介紹場效應管的工作原理及其主要特性、參數(shù)。的工作原理及其主要特性、參數(shù)。2.4.3 2.4.3 功率場效應晶體管功率場效應晶體管 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流用柵極電壓來

14、控制漏極電流 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。（電壓驅(qū)動）驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。（電壓驅(qū)動） 開關(guān)速度快，工作頻率高。（可到開關(guān)速度快，工作頻率高。（可到500kHz500kHz） 熱穩(wěn)定性優(yōu)于熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTRGTR。 電流容量小，耐壓低，電流容量小，耐壓低，最高耐壓為：最高耐壓為：1000V1000V，最，最高耐流高耐流 為為200A200A，一般只適用于功率不超過，一般只適用于功率不超過10kW10kW的電力電子裝置的電力電子裝置 ，但開關(guān)頻率為電力電子器件，但開關(guān)頻率為電力電子器件中最高，可達中最高，可達500KHZ500KHZ。1) 1) 功率場效應管的結(jié)構(gòu)與工作原理功率場

15、效應管的結(jié)構(gòu)與工作原理垂直導電擴散場效應管結(jié)構(gòu)、電路符號垂直導電擴散場效應管結(jié)構(gòu)、電路符號 1) 1) 功率場效應管的結(jié)構(gòu)與工作原理功率場效應管的結(jié)構(gòu)與工作原理1) 1) 功率場效應管的結(jié)構(gòu)與工作原理功率場效應管的結(jié)構(gòu)與工作原理-反向?qū)ㄌ匦裕悍聪驅(qū)ㄌ匦裕郝O源極間的電壓漏極源極間的電壓uDS00） V VGSGS0 0 時，柵源結(jié)相當于一時，柵源結(jié)相當于一電容，柵極帶正電荷，將在靠電容，柵極帶正電荷，將在靠近柵極的近柵極的P P內(nèi)感應產(chǎn)生電子，內(nèi)感應產(chǎn)生電子，即在即在P P區(qū)內(nèi)區(qū)內(nèi) 形成一個形成一個反型層反型層（P P變到變到N N）。）。反型層反型層反型層作為導電溝道將源極反型層作為導電

16、溝道將源極N N+ +與漏極與漏極 N N- -連接在一起，形成電流通道連接在一起，形成電流通道 注：注： 撤除柵源電壓，反型層消失，撤除柵源電壓，反型層消失，DSDS間恢復阻斷狀態(tài)間恢復阻斷狀態(tài)1) 1) 功率場效應管工作原理小結(jié)功率場效應管工作原理小結(jié) 使使MOSFETMOSFET正向?qū)ㄖ恍杞旁撮g電場正向?qū)ㄖ恍杞旁撮g電場, , 即即給柵源間結(jié)電容充電即可，而給柵源間結(jié)電給柵源間結(jié)電容充電即可，而給柵源間結(jié)電容放電即可使容放電即可使MOSFETMOSFET關(guān)斷關(guān)斷電壓控制型器件電壓控制型器件 MOSFETMOSFET柵源間結(jié)電容很小，柵源間結(jié)電容柵源間結(jié)電容很小，柵源間結(jié)電容沖放

17、電時間很短，因此沖放電時間很短，因此MOSFETMOSFET驅(qū)動功率小，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快。開關(guān)速度快。 漏源間電流由反型層提供通道，容許漏源間電流由反型層提供通道，容許通通過電流的能力有限過電流的能力有限 功率功率MOSFETMOSFET主要用于主要用于高頻、小功率高頻、小功率場合。場合。 2. 2. 功率功率MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 MOSFETMOSFET的基本特性包括的基本特性包括靜態(tài)特性與動態(tài)特性靜態(tài)特性與動態(tài)特性。 MOSFETMOSFET的的靜態(tài)特性指其靜態(tài)特性指其轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性與與輸出特性輸出特性，動態(tài)特性主要指其動態(tài)特性主要指其開關(guān)特性開關(guān)特性。1.

18、1.轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性:一定漏源電壓下漏極電流和柵源電壓之間的關(guān)系。 開啟電壓開啟電壓（閾值電壓）（閾值電壓）2. 2. 輸出特性輸出特性 描述一定柵源電壓下，漏極電流與漏源電壓的關(guān)系描述一定柵源電壓下，漏極電流與漏源電壓的關(guān)系 區(qū)區(qū)-非飽和區(qū)非飽和區(qū) 也稱可變電阻區(qū)也稱可變電阻區(qū) 區(qū)區(qū)-飽和區(qū)，飽和區(qū)， 也稱恒流區(qū)也稱恒流區(qū) 區(qū)區(qū)-截止區(qū)截止區(qū) IVIV區(qū)區(qū)-雪崩擊穿區(qū)雪崩擊穿區(qū) 電力電子電路中電力電子電路中MOSFETMOSFET主要工作在主要工作在非飽和區(qū)（非飽和區(qū)（區(qū)）、截止區(qū)（區(qū)）、截止區(qū)（ 區(qū)），區(qū)），即工作在開關(guān)狀態(tài)即工作在開關(guān)狀態(tài) 3. 3. 動態(tài)特性動態(tài)特性 -反映反

19、映MOSFETMOSFET的開關(guān)過程的開關(guān)過程 上升延遲時間上升延遲時間td(on)上升時間上升時間tr 開通時間開通時間 ton=td(on)+tr 下降延遲時間下降延遲時間td(off) 下降時間下降時間tf 關(guān)斷時間關(guān)斷時間 toff=td(off)+tf 3. 3. 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 漏極擊穿電壓漏極擊穿電壓U UDSDS 漏極直流電流漏極直流電流I ID D和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值I IDMDM 通態(tài)電阻通態(tài)電阻R RONON 開啟電壓開啟電壓U UGS(th)GS(th) 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓U UGSGS 開通時間開通時間 t

20、tonon與關(guān)斷時間與關(guān)斷時間t toffoff（1 1）場效應管能承受的最高工作場效應管能承受的最高工作電壓，電壓，電力電力MOSFETMOSFET電壓定額電壓定額（2 2）在規(guī)定測試條件下場效應管能承）在規(guī)定測試條件下場效應管能承受的最大漏極連續(xù)電流、漏極脈沖電受的最大漏極連續(xù)電流、漏極脈沖電流的幅值，流的幅值，電力電力MOSFETMOSFET電流定額。電流定額。（3 3）一定柵源電壓下，）一定柵源電壓下，MOSFETMOSFET從可從可變電阻區(qū)進入飽和區(qū)時的直流電阻值。變電阻區(qū)進入飽和區(qū)時的直流電阻值。通態(tài)電阻越小，通態(tài)損耗越少。通態(tài)電阻越小，通態(tài)損耗越少。（4 4）漏源之間形成導電溝道

21、所需的）漏源之間形成導電溝道所需的最小柵源電壓。開啟電壓多為最小柵源電壓。開啟電壓多為5V5V左右。左右。 （5 5）保證柵源絕緣不被擊穿的最高電）保證柵源絕緣不被擊穿的最高電壓，約為壓，約為2020伏。一般柵源驅(qū)動電壓通常伏。一般柵源驅(qū)動電壓通常為為1215V.1215V.4) MOSFET4) MOSFET的柵極驅(qū)動電路的柵極驅(qū)動電路 MOSFETMOSFET是電壓控制型器件，是電壓控制型器件，開關(guān)過程中只要開關(guān)過程中只要對等效輸入電容充放電對等效輸入電容充放電即可。即可。 設(shè)設(shè)MOSFETMOSFET穩(wěn)態(tài)導通時柵源電壓為穩(wěn)態(tài)導通時柵源電壓為U UGSGS 等效柵極輸入電容為等效柵極輸入電

22、容為C Cinin 開通時驅(qū)動電路提供的充電電流近似為開通時驅(qū)動電路提供的充電電流近似為: : 關(guān)斷時驅(qū)動電路抽取的電流近似為關(guān)斷時驅(qū)動電路抽取的電流近似為: : 采用光耦隔離的采用光耦隔離的MOSFET的典型驅(qū)動電路的典型驅(qū)動電路 tubtuatuGStui?輸入電容在開通輸入電容在開通過程中是變化的過程中是變化的!1. IGBT1. IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) （MOSFETMOSFETGTRGTR復合）復合）2.4.4 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor C-集電極 E-發(fā)射極 G-柵極IGBTIGBT的工作

23、原理的工作原理 MOSFETMOSFET關(guān)斷時，關(guān)斷時，PNPPNP管也關(guān)斷，管也關(guān)斷，IGBTIGBT處于阻斷狀態(tài)處于阻斷狀態(tài)MOSFETMOSFET導通時導通時PNPPNP管隨之導通，管隨之導通，IGBTIGBT處于導通狀態(tài)。處于導通狀態(tài)。通過控制MOSFET來控制PNP三極管，從而控制IGBT的開通與關(guān)斷。1 1）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性 指在一定指在一定C C、E E電壓下，輸出集電極電電壓下，輸出集電極電流流i iC C與與G G、E E間電壓間電壓u uGEGE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 2. IGBT2. IGBT的基本特性的基本特性2 2）伏安特性）伏安特性 指以柵極電壓指以柵極電壓u

24、 uGEGE為參變量時，集電極電流為參變量時，集電極電流i iC C與集射與集射極電壓極電壓i iCECE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 UFBR 正向擊穿電壓正向擊穿電壓 URM 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 3 3）動態(tài)特性）動態(tài)特性指指IGBTIGBT開通和關(guān)斷過程中集電極電流、集射極電壓開通和關(guān)斷過程中集電極電流、集射極電壓及動態(tài)損耗隨時間變化的特性。及動態(tài)損耗隨時間變化的特性。 由于IGBT中存在雙極型PNP管，雖然增大了耐流能力，但也引入了少子存儲現(xiàn)象，因此IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET。4) 4) 擎住效應擎住效應. .過大的過大的i ic c原因. .過快集射極過快集射極 電壓變化電

25、壓變化. .過高集射過高集射 極電壓極電壓電流過高，電壓表變化率高，溫升高都可能會產(chǎn)生。電流過高，電壓表變化率高，溫升高都可能會產(chǎn)生。3.IGBT3.IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗正常工作溫度下允許的最大功耗 。3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流包括額定直流電流IC和和1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICP 。 2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。晶體管的擊穿電壓確定。1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES4.IGBT4.IGBT的主要特性的主要特性 目前目前IGBTIGBT的最高柵極電壓通常為的最高柵

26、極電壓通常為20V20V，最高容許，最高容許結(jié)溫為結(jié)溫為150; IGBT150; IGBT的柵極驅(qū)動電壓通常為的柵極驅(qū)動電壓通常為1215V.1215V. 目前商用目前商用IGBTIGBT的集電極電流最大可做到的集電極電流最大可做到3600A,3600A,集射極電壓可達到集射極電壓可達到4500V4500V以上以上, ,明顯高于明顯高于MOSFETMOSFET。 中小容量中小容量IGBTIGBT的開關(guān)工作頻率在的開關(guān)工作頻率在20 kHz40kHz,20 kHz40kHz,大容量大容量IGBTIGBT通常在通常在5kHz5kHz左右左右, ,高于高于BJTBJT。 IGBTIGBT廣泛用于中小功率，尤其在廣泛用于中小功率，尤其在PWMPWM控制的電力控制的電力電子裝置中占據(jù)重要地位。電子裝置中占據(jù)重要地位。2.4.