電力電子半導體器件GTR

電力電子半導體器件GTR目前一頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點§4.1GTR結構雙極型大功率、高反壓晶體管——GTR（巨型晶體管）GiantTransistor三層半導體材料，兩個PN結(NPN型、PNP型)。一、工藝特點三重擴散；叉指型基極和發(fā)射極；特點：發(fā)射區(qū)高濃度摻雜基區(qū)很?。◣譽m—幾十um）N-摻雜濃度低，提高耐壓能力N+集電區(qū)收集電子使用時要求：發(fā)射結正偏，集電結反偏。目前二頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點二、GTR與普通晶體管區(qū)別1.普通晶體管：信號晶體管，用于放大信號；要求增益適當，fT高，噪聲系數(shù)低，線性度好，溫度漂移和時間漂移小。工作于放大區(qū)，以載流子運動為出發(fā)點，分析載流子擴散、漂移、復合現(xiàn)象。電流控制特性為線性關系。2.GTR：用于功率開關；要求容量足夠大，高電壓，大電流，適當增益，較高工作速度，較低功率損耗。3.大電流工作下，普通晶體管出現(xiàn)的新特點：

①基區(qū)大注入效應：引起電流增益下降。②基區(qū)擴展效應：使基區(qū)注入效率降低，增益β下降，fT減小。③發(fā)射極電流集邊效應：引起電流局部集中，產(chǎn)生局部過熱。因此，GTR在結構上應采取適當措施，減小上述效應。目前三頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點三、單管GTR

采用三重擴散，臺面型結構；可靠性高，對二次擊穿特性有改善，易于提高耐壓，易于耗散體內(nèi)熱量。增加N-漂移區(qū)，由它的電阻率和厚度決定器件阻斷能力，但阻斷能力提高，使飽和導通電阻增大，電流增益降低。一般：β約10—20

工作狀態(tài)：開關狀態(tài)（導通、截止；開通、關斷）飽和壓降低漏電流小時間短目前四頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點四、達林頓GTR為提高電流增益，由兩個或兩個以上晶體管復合組成。NPN型PNP型驅動管輸出管目前五頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點特點：①電流增益β增大：β≈β1β2

，達幾十倍～幾千倍；②飽和壓降VCES增大：VCES

≈VCES1+VBES2

V2管無法飽和導通，VCE2=VCES1，反偏狀態(tài)；導通損耗增大。③開關速度慢：開通時，V1驅動V2；關斷時，V1先關斷，V2才能關斷，且V2關斷無瀉流通路。改進：R1、R2穩(wěn)定電阻，提高溫度穩(wěn)定性和電流通路。

VD1引入，加速V2、V1的同時關斷，引出B2極可另外控制。目前六頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點五、GTR模塊

將GTR管芯、穩(wěn)定電阻R1R2、加速二極管VD1、續(xù)流二極管VD2組成一個單元。將幾個單元組合在一個外殼內(nèi)——模塊。利用集成工藝將上述單元集成于同一硅片上，器件集成度高，小型輕量化，性能/價格比高。單臂橋式電路模塊B1B2C1E2E1C2單相橋式電路模塊；三相橋式電路模塊；目前七頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點§4.2GTR特性與參數(shù)一、靜態(tài)特性與參數(shù)1．共射輸出特性：發(fā)射結正偏集電結反偏VCES很小臨界飽和斷態(tài)，漏電流很小放大區(qū)嚴禁工作目前八頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點2．飽和壓降：如圖：GTR深飽和時，等效電路；VBES：基極正向壓降通態(tài)下，B-E極電壓；VCES：飽和壓降通態(tài)下，C-E極電壓；一般，由于發(fā)射區(qū)高濃度摻雜，rES可忽略；VCES的大小，關系器件導通功率損耗。達林頓管，VCES、VBES較大。目前九頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點TC35-400型GTR：電流50A，β=5；VCES隨IC電流增大而增大；IC不變時，隨溫度增加而增加。VBES隨IC電流增大而增大；小電流下，隨溫度增大而減小，PN結負溫度系數(shù)。大電流下，隨溫度增大而增大。飽和壓降特性曲線基極正向壓降特性曲線目前十頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點TC=250CVCE=400VTC=250CVCE=2VTC=1250C，VCE=2VTC=250C，VCE=－2V3．共射電流增益β：反映GTR的電流放大能力，IC與IB比值。①GTR正向偏置時，βF隨IC減小而減小，基區(qū)復合電流占的比例增大。②隨IC增大，β增大，IC增大到一定程度β=βmax，IC再增大，由于基區(qū)大注入效應、基區(qū)擴展效應，β開始下降。③管子溫度相同時，VCE越大，β越大。④β隨溫度增加而增加，大電流下，β隨溫度增加而減小。⑤GTR反接時，β很小。目前十一頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點4．最大額定值——極限參數(shù)由GTR材料、結構、設計水平、制造工藝決定。①最高電壓額定值：

BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEXO：另一極開路；S：短路；R：外接電阻；X：反向偏置；目前十二頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點Va:：IB=0時，IC電流急劇增加時電壓；Vb:：IE=0時，IC電流急劇增加時電壓；

一般：另：BVEBO集電極開路時，發(fā)射結最高反向偏置電壓。幾伏，典型值8V。目前十三頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點②最大電流額定值：大電流下，三種物理效應會使GTR電氣性能變差，甚至損壞器件。集電極電流最大額定值ICM：

ICM定義：a.以β值下降到額定值1/2到1/3時，對應IC值。

b.以結溫和耗散功率為尺度確定ICM。最大脈沖電流額定值：直流ICM的1.5～３倍定額；引起內(nèi)部引線熔斷的集電極電流；引起集電結損壞的集電極電流。基極電流最大額定值IBM：內(nèi)部引線允許流過的最大基極電流，約為（1/2～1/6）ICM目前十四頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點③最高結溫TJM

塑封，硅管：1250～1500C；金屬封裝，硅管：1500～1750C；高可靠平面管：1750～2000C；④最大功耗PCMPCM=VCE?IC

受結溫限制，使用時注意散熱條件。例：3DF20型GTR各最大額定值參數(shù)：目前十五頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點二、動態(tài)特性與參數(shù)動態(tài)特性是GTR開關過程的瞬態(tài)性能，稱開關特性；主要受結電容（勢壘電容、擴散電容）充、放電和兩種載流子運動影響。如圖：TC40U—400型GTR動態(tài)特性實驗電路和電流波形電路參數(shù)：VCC=200V；RC=10Ω；

RB1=4.7Ω；RB2=1.2Ω；目前十六頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點1．開通時間ton：ton=td+tr（ns級，很?。?/p>

td：延遲時間，基極電流向發(fā)射結電容充電。大小取決于結電容大小、驅動電流大小和上升率，及反偏時電壓大小。

tr：上升時間，取決于穩(wěn)定電流和驅動電流大小。2．關斷時間toff：toff=ts+tfts：存儲時間，過剩載流子從體內(nèi)抽走時間，由反向驅動電流大小決定。(3～８us)tf：下降時間，取決于結電容、正向集電極電流大小。(1us)說明：為加速開通，采用過驅動方法，但基區(qū)過剩大量載流子，關斷時，載流子耗散嚴重影響關斷時間；減小關斷時間，可選用電流增益小的器件，防止深飽和，增加反向驅動電流。目前十七頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點3．集電極電壓上升率dv/dt對GTR的影響當GTR用于橋式變換電路時，如圖：B1B2C1E2E1C2dv/dt產(chǎn)生的過損耗現(xiàn)象嚴重威脅器件和電路安全；當基極開路時，dv/dt通過集電結寄生電容產(chǎn)生容性位移電流，注入發(fā)射結形成基極電流，放大β倍后，形成集電極電流，使GTR進入放大區(qū)，因瞬時電流過大引起二次擊穿。在GTR換流關斷時，dv/dt會引起正在關斷的GTR誤導通，造成橋臂直通。抑制dv/dt，可在集射極間并聯(lián)RCD緩沖網(wǎng)絡進行吸收。目前十八頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點三、二次擊穿與安全工作區(qū)（一）二次擊穿現(xiàn)象一次擊穿電壓BVCEO

；發(fā)生一次擊穿后，電流急劇增大，若外接有限流電阻，不會損壞GTR。否則，集電極電流繼續(xù)增大，在某電壓、電流點產(chǎn)生向低阻抗區(qū)高速移動的負阻現(xiàn)象，稱為——二次擊穿。用S/B表示。二次擊穿時間很短，納秒到微秒數(shù)量級，短時間內(nèi)的大電流會使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點（熱斑），輕者使GTR耐壓降低，性能變差；嚴重時，集電結、發(fā)射結熔通，永久損壞。二次擊穿按偏置狀態(tài)分為兩種：正偏二次擊穿和反偏二次擊穿。目前十九頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點1．正偏二次擊穿：B－E結正偏，GTR工作于放大區(qū)。PP+P+N+BBEN+N－Ｃ如圖，GTR正偏時，由于基極與發(fā)射極在同一平面，基區(qū)電阻存在，使發(fā)射結各點的偏置電壓不同，邊緣大而中心小。同時存在的集—射電場將電流集中到發(fā)射極邊緣下很窄的區(qū)域內(nèi)，造成電流局部集中，電流密度大，溫度升高，出現(xiàn)負阻現(xiàn)象，嚴重時造成熱點、熱斑，使PN結失效。熱點嚴重程度與基區(qū)寬度成反比；與集電極外加電壓成正比。目前二十頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點2．反偏二次擊穿：GTR導通→截止變化時，發(fā)射結反偏。存儲電荷存在，使C—E間仍流過電流，由于基區(qū)電阻存在，使發(fā)射極與基極相接的周邊反偏電壓大，中心反偏很弱，甚至仍為正偏。造成發(fā)射極下，基區(qū)的橫向電場由中心指向邊緣，形成集電極電流被集中于發(fā)射結中心很小局部的不均勻現(xiàn)象。在該局部電流密度很高，形成二次擊穿熱點。一般，比正向偏置時低很多的能量水平下，即可發(fā)生二次擊穿。影響二次擊穿的因素：集電極電壓、電流；負載性質；導通脈沖寬度；基極電路的配置、材料和工藝等。二次擊穿由于器件芯片局部過熱引起，熱點形成需要能量積累，需要一定的電壓、電流數(shù)值和一定的時間。目前二十一頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點二次擊穿特性曲線：IS/B：二次擊穿觸發(fā)電流PS/B：二次擊穿觸發(fā)功率

PS/B=IS/B

*VCE集射極保持電壓外加電壓越高，電流更易集中而產(chǎn)生熱點，IS/B下降。目前二十二頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點（二）安全工作區(qū)：SOAGTR運行中受電壓、電流、功率損耗和二次擊穿定額限制的安全工作范圍。正向偏置安全工作區(qū)FBSOA反向偏置安全工作區(qū)RBSOA反向關斷電流脈沖寬度直流安全工作區(qū)目前二十三頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點四、溫度特性與散熱半導體器件特性參數(shù)隨溫度升高而變差，如：耐壓降低，VCES升高、IC增大、輸出功率下降，PCM和PS/B下降，安全區(qū)面積縮小。為保證GTR不超過規(guī)定的結溫，應根據(jù)容量等級配以相應的散熱器和采用相應的冷卻方式。否則，會因結溫過高導致熱損壞。減小GTR的發(fā)熱，應從根本上減小功耗。在開關狀態(tài)下工作的GTR，功耗由靜態(tài)導通功耗、動態(tài)開關損耗和基極驅動功耗三部分。減小導通壓降，采用緩沖電路、改變主電路形式（諧振型）均可減小功耗，減少發(fā)熱。

目前二十四頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點GTR靜態(tài)參數(shù)：目前二十五頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點GTR動態(tài)參數(shù)：目前二十六頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點§4.3GTR驅動和保護一、驅動電路設計原則1．GTR的特點全控型器件，功率大，熱容量小，過載能力低。與SCR相比，具有自關斷能力，使DC—AC，DC—DC，AC—AC變換電路的變換方式靈活，控制方便，主電路結構簡單。但GTR驅動方式直接影響管子工作狀態(tài)和管子特性。如：過驅動（驅動電流大）可減小開通損耗，降低導通壓降，但對關斷不利，增加關斷損耗，對管子di/dt影響很大。

GTR過載/短路時，us級時間內(nèi)，結溫會超過最大允許值，導致器件損壞，不能用快速熔斷器、過流繼電器（ms級）進行主電路切斷保護。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需快速檢測，對控制信號加以關斷（緩關斷），因此驅動與保護密切聯(lián)系。目前二十七頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點2．驅動電路設計原則①最優(yōu)化驅動特性：應提高開關速度，減小開關損耗。開通時：基極電流上升沿快速且短時過沖，加速開通。導通后：VCES較低，導通損耗小。為減小關斷時間，應工作在準飽和狀態(tài)。關斷時：提供反向驅動電流，加速載流子耗散，縮短關斷時間，減小關斷損耗。目前二十八頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點②驅動方式：由主電路結構決定直接驅動：簡單驅動、推挽驅動、抗飽和驅動隔離驅動：光電隔離、電磁隔離③快速保護功能：

GTR故障時，自動關斷基極驅動信號，保護GTR。如:抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱、脈寬限制、智能化自保護能力。目前二十九頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點二、基極驅動電路基本形式（一）恒流驅動電路：基極電流恒定，不隨IC電流變化而變化。IB>ICmax/β

問題:空載、輕載時，飽和深度加劇，存儲時間大，關斷時間長。改進：1．抗飽和電路（貝克嵌位電路）VD2存在，使GTR導通時b-c結處于零偏或輕微正偏，基極多余電流由VD2從集電極流出，管子處于準飽和狀態(tài)。VCES=VBE+VD1－VD2=VBEVD1、VD2抗飽和二極管；根據(jù)不同情況調(diào)整VD1數(shù)量，控制VCES大小。VD2應選快速二極管，耐壓與GTR一致，電流>IB′VD1、VD3為普通二極管，VD1反向恢復有助于GTR關斷。缺點：導通損耗增大。目前三十頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點２．截止反偏驅動電路目的：關斷時加反偏驅動，迅速抽出基區(qū)過剩載流子，減小存儲時間，加速GTR關斷。

①單極性脈沖變壓器驅動電路VAVB缺點：變壓器單邊工作，有直流磁化現(xiàn)象，鐵心體積大。反偏電壓大小隨導通時間變化。ttVA00VBW3回饋能量目前三十一頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點②電容儲能式驅動電路工作原理：Vi高電平，*端為正，W2經(jīng)GTR的B-E結、C、VD2使GTR導通，V截止，電容C充電。Vi低電平，*端為負，VD2截止，W2經(jīng)還在導通的B-E結、R2、V發(fā)射結、C使V迅速飽和導通，電容C上電壓反加于GTR的B-E結，GTR迅速截止。下一次導通前，C上電壓經(jīng)VD1、R1、R2、V發(fā)射結放電完畢。目前三十二頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點③固定反偏互補驅動電路目前三十三頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點（二）比例驅動電路使GTR基極電流正比于集電極電流變化，在不同負載時，管子飽和深度基本相同，而且輕載時，驅動功率大大減小。1．反激式比例驅動電路特點：靠正反饋加速GTR開通，當工作頻率較高時，分布參數(shù)影響使開通速度變慢。目前三十四頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點2．具有強制開通、強制關斷的比例驅動電路特點：電路復雜。目前三十五頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點三、過電流檢測與保護

GTR運行時，過流檢測能保證管子正常工作。要求檢測電路靈敏度高，響應快。（一）狀態(tài)識別法

GTR過載或短路時，集電極電流急劇變化，引起基極電壓VBE，集電極電壓VCE相應變化。目前三十六頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點

管子開通時，電流上升越快，VBE變化越大。如GTR短路時開通，監(jiān)測VBE變化，確認故障快。但導通后，較輕過載時，監(jiān)測VBE靈敏度低。但VCE電壓監(jiān)測適合過載電流保護，但不適合短路電流保護，二者結合，效果較好。VBE識別電路VCE識別電路存在問題：保護電路存在盲區(qū)，等GTR開通后，保護電路才能使用。目前三十七頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點典型VCE識別電路：GTRVCE目前三十八頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點（二）橋臂互鎖保護法檢測電路檢測電路當逆變器運行時，由于GTR關斷時間過長、驅動信號失誤重疊、或某一GTR損壞，導致橋臂直通，損壞器件。利用互鎖可保證管子一個關斷后，另一個才能開通。目前三十九頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點1．電流法檢測電路：電流互感器，LEM霍爾元件其中LEM是磁場平衡式霍爾電流傳感器，反映速度1us，一次、二次絕緣電壓2KV，無慣性、線性度好、使用簡單、方便。利用電流法判斷時，存在問題，如特定負載下，GTR導通，但無集電極電流，判斷發(fā)生錯誤。2．電壓法檢測電路：由VBE電壓判斷管子狀態(tài)，更加可靠。目前四十頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點（三）實用驅動電路要求：信號隔離，過電流保護，過電壓保護，抗飽和導通，信號互鎖等。常用：由小規(guī)模集成電路構成的專用驅動電路混合微膜組件驅動電路（三菱M57917L）集成化驅動電路（法國UAA4002）

目前四十一頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點§4.4緩沖電路一、概述緩沖電路也稱吸收電路，在電力半導體器件應用中有著極其重要的作用。開關元件開通時，流過大電流；關斷時，承受高反壓；開關轉換瞬間，電路中各種儲能元件能量釋放，導致器件沖擊很大，造成器件超出安全工作區(qū)而損壞。吸收電路用來減小器件在電路中承受的各種應力（電、熱），如：浪涌電壓、dv/dt、di/dt等。應力越低，器件可靠性越高。吸收電路還能減少開關損耗，避免二次擊穿，抑制電磁干擾，提高可靠性。目前四十二頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點1．GTR開關波形及緩沖電路作用：無緩沖電路

圖b為復合緩沖電路，LS開通保護，限制di/dt；CS、VDS緩沖電路，限制dv/dt；RD放電回路，消耗能量。2．種類①耗能式緩沖電路：用電阻消耗緩沖電路吸收的開關損耗，簡單，效率低。②饋能式緩沖電路：將開關損耗以一定方式送至負載或回饋給電源，復雜，效率高。目前四十三頁\總數(shù)五十四頁\編于十六點二、耗能式緩沖電路（一）關斷緩沖電路電容為0電容較小電容較大緩沖電容越大，關斷損耗越小，關斷時間長同時，CS上儲存的能量，必須在GTR開通時，經(jīng)RS放掉，消耗在電阻上；CS越大，RS