第四章 全控型電力電子器件

第四章全控型電力電子器件4.1典型全控型器件4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管4.1.2電力晶體管4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管4.1.4絕緣柵雙極晶體管

4.1.5電力電子器件的緩沖電路4.1典型全控型器件·引言門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13GTO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b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析。

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管AKGGTO的陰極電流為

門極控制增益為由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益

1和

2

。

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計(jì)

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于關(guān)斷GTO。導(dǎo)通時(shí)

1+

2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管EAAGKEGRIAIC1IC2P1N1P2N1P2N2V1V2IGIKGTO關(guān)斷過(guò)程等效電路GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)。

由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間ts，抽出儲(chǔ)存電荷，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf尾部時(shí)間tt

—?dú)埓孑d流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

圖1-14GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形GTO的動(dòng)態(tài)特性4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2

s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2

s。（2）關(guān)斷時(shí)間toff（1）開(kāi)通時(shí)間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)

。

許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4）

電流關(guān)斷增益

off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A?！狦TO額定電流?！畲罂申P(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管四、GTO門極驅(qū)動(dòng)電路1．理想門極信號(hào)波形4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管（1）導(dǎo)通觸發(fā)GTO在按一定頻率的脈沖觸發(fā)時(shí)，要求前沿陡、幅值高的強(qiáng)脈沖觸發(fā)。（2）關(guān)斷觸發(fā)2．GTO驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管4.1.1門極可關(guān)斷晶閘管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術(shù)語(yǔ)用法：4.1.2電力晶體管與普通的雙極型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15GTR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b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)4.1.2電力晶體管GTR的開(kāi)關(guān)電路+Ub-UbCBE+Ucc4.1.2電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（1-9）

——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(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Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為ic=

ib+Iceo

（1-10）單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理4.1.2電力晶體管

(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性4.1.2電力晶體管開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。加快開(kāi)通過(guò)程的辦法。關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff

。加快關(guān)斷速度的辦法。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖1-17GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形(2)

動(dòng)態(tài)特性4.1.2電力晶體管

前已述及：電流放大倍數(shù)

、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff(此外還有)：

1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)4.1.2電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。

3)

集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說(shuō)明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2)

集電極最大允許電流IcM4.1.2電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)4.1.2電力晶體管五、GTR的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)

GTR基極驅(qū)動(dòng)電路的作用是將輸出的控制信號(hào)電流放大到足以保證GTR可靠開(kāi)通和關(guān)斷。1．GTR對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的要求

1）GTR開(kāi)通時(shí)要采用強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，前沿要陡，并有一定的過(guò)飽和驅(qū)動(dòng)電流（Ib1），以縮短開(kāi)通時(shí)間，減小開(kāi)通損耗。

2）GTR導(dǎo)通后相應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電流（Ib2），使器件處于臨界飽和狀態(tài)，降低驅(qū)動(dòng)功率減小存貯時(shí)間。4.1.2電力晶體管4.1.2電力晶體管

3）GTR關(guān)斷時(shí)要提供較大的反向基極電流（Ib3），迅速抽取基區(qū)的剩余載流子，縮短關(guān)斷時(shí)間。

4）實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離，以保證電路的安全并提高抗干擾能力。

5）具有快速保護(hù)功能。4.1.2電力晶體管2．GTR基極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例4.1.2電力晶體管UAA4002原理框圖4.1.2電力晶體管4.1.2電力晶體管4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管該電路具有以下功能與特點(diǎn)：（1）輸入輸出（2）限流（3）防止退飽和（4）導(dǎo)通時(shí)間間隔控制（5）電源電壓監(jiān)測(cè)（6）熱保護(hù)（7）延時(shí)功能（8）輸出封鎖分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點(diǎn)——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷ｋ娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力MOSFET的工作原理4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管

(1)靜態(tài)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。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)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1-20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2）電力MOSFET的基本特性4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。圖1-20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MOSFET的漏極伏安特性：010203050402468a)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/A4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間ton——開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up—脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測(cè)漏極電流(2)

動(dòng)態(tài)特性4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開(kāi)關(guān)速度4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管3)電力MOSFET的主要參數(shù)——電力MOSFET電壓定額(1)

漏極電壓UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額(3)

柵源電壓UGS——

UGS

>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管四、功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路1．柵極驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)及其要求

1）觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要求陡峭。

2）開(kāi)通時(shí)以低電阻對(duì)柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。

3）為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓；為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓。

4）功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流。功率MOSFET的極間電容越大，在開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)中所需的驅(qū)動(dòng)電流也越大。4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管2．驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路有多種形式，按驅(qū)動(dòng)電路與柵極的連接方式不同可分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)。（1）直接驅(qū)動(dòng)電路功率MOSFET的輸入阻抗極高，一般小功率的TTL集成電路和CMOS電路就足以驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管a中電阻R，以提高輸出驅(qū)動(dòng)電平的幅值。b為改進(jìn)的快速開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路。c是推挽式驅(qū)動(dòng)電路（2）隔離驅(qū)動(dòng)電路隔離式柵極驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)隔離元件的不同可分為電磁隔離和光電隔離兩種。4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管電源Ucc1經(jīng)電阻R3、二極管VD3和電容C加速網(wǎng)絡(luò)向V2提供基極電流，使V2導(dǎo)通并由此將功率MOSFET的柵極接地，迫使MOS－FET關(guān)斷。（3）集成式驅(qū)動(dòng)電路目前，用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的專用集成電路較常用的是美國(guó)國(guó)際整流公司的IR2110、IR2115、IR2130芯片。

IR2110是14引腳雙列直插式大規(guī)模集成芯片。4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管

IR2110的保護(hù)功能包括輸入邏輯保護(hù)及輸出電源欠電壓保護(hù)。輸入邏輯保護(hù)是當(dāng)功率電路發(fā)生過(guò)載、短路等故障時(shí)，檢測(cè)保護(hù)電路的輸出信號(hào)接入IR2110保護(hù)端（SD），高電平有效，芯片內(nèi)部邏輯電路將上下通道的輸入控制信號(hào)進(jìn)行封鎖。欠電壓保護(hù)采取上下通道分別檢測(cè)。

IR2110通常用于驅(qū)動(dòng)N溝道的功率MOSFET，其應(yīng)用的典型連接如：4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管六、功率MOSFET在使用中的靜電保護(hù)措施靜電擊穿有兩種形式：一是電壓型；二是功率型。防止靜電擊穿應(yīng)注意：

1）器件應(yīng)存放在抗靜電包裝袋、導(dǎo)電材料袋或金屬容器中，不能存放在塑料袋中。

2）取用功率MOSFET時(shí)，工作人員必須通過(guò)腕帶良好接地，且應(yīng)拿在管殼部分而不是引線部分。4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管

3）接入電路時(shí)，工作白應(yīng)接地，焊接的烙鐵也必須良好接地或斷電焊接。

4）測(cè)試器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器和工作臺(tái)都要良好接地。器件三個(gè)電極沒(méi)有全部接入測(cè)試儀器前，不得施加電壓。改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓和電流要先恢復(fù)到零。4.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。

MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。4.1.4絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)4.1.4絕緣柵雙極晶體管圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)IGBT的結(jié)構(gòu)4.1.4絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。IGBT的原理4.1.4絕緣柵雙極晶體管a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2)IGBT的基本特性

(1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開(kāi)啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。4.1.4絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程IGBT的開(kāi)通過(guò)程

與MOSFET的相似開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

開(kāi)通時(shí)間tonuCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性4.1.4絕緣柵雙極晶體管圖1-24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）電流下降時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。IGBT的關(guān)斷過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM4.1.4絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)

最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES4.1.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。4.1.4絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。——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duCE/dt確定。

反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——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。

正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始逐漸解決?！狽PN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。4.1.4絕緣柵雙極晶體管四、IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路1．IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

1）提供適當(dāng)?shù)恼聪蜉敵鲭妷?，使IGBT能可靠地開(kāi)通和關(guān)斷。

2）IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮。

3）IGBT開(kāi)通后，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和而損壞。4.1.4絕緣柵雙極晶體管4）IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響。RG的選擇原則是應(yīng)在開(kāi)關(guān)損耗不太大的情況下，選略大的RG

。RG的具體數(shù)值還與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT其RG值較大。

5）驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT的保護(hù)功能。4.1.4絕緣柵雙極晶體管4.1.4絕緣柵雙極晶體管IGBT在使用中除了采取靜電防護(hù)措施外，還必須注意以下事項(xiàng)：1）IGBT的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配。2）當(dāng)G－E端在開(kāi)路的情況下，不要給G－E端加電壓。3）在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，G－E端不能開(kāi)路。4.1.4絕緣柵雙極晶體管

輸入控制信號(hào)通過(guò)光耦合器B引入驅(qū)動(dòng)電路，然后經(jīng)MOS管VM放大后由推挽式電路V1和V2向IGBT提供柵極正、反向驅(qū)動(dòng)電流。2．驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例4.1.4絕緣柵雙極晶體管EXB841結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)部分：放大、過(guò)電流保護(hù)和5V基準(zhǔn)電源。4.1.4絕緣柵雙極晶體管4.1.4絕緣柵雙極晶體管EXB841驅(qū)動(dòng)模塊的工作原理如下：（１）開(kāi)通過(guò)程

（２）關(guān)斷過(guò)程（３）保護(hù)動(dòng)作4.1.4絕緣柵雙極晶體管4.1.4絕緣柵雙極晶體管五、IGBT容量的選擇１．電壓額定值交流輸入電壓與IGBT額定電壓的關(guān)系：4.1.4絕緣柵雙極晶體管2．電流額定值4.1.4絕緣柵雙極晶體管六、IGBT與MOSFET和GTR的比較4.1.4絕緣柵雙極晶體管4.1.4絕緣柵雙極晶體管4.1.5電力電子器件的緩沖電路一、緩沖電路的作用

電力電子器件大多工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，電流在芯片中的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致器件局部過(guò)流過(guò)熱，特別在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的瞬間，電路中各種儲(chǔ)能元件能量的釋放使器件受到很大的沖擊，容易使器件損壞。由于器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗是影響電力電子器件正常運(yùn)行的重要因素之一。

緩沖電路實(shí)質(zhì)上是一種開(kāi)關(guān)輔助電路，利用它來(lái)減小器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、du／dt和di／dt，以確保器件安全可靠運(yùn)行。4.1.5電力電子器件的緩沖電路二、緩沖電路的基本類型與結(jié)構(gòu)

緩沖電路之所以能減小開(kāi)關(guān)損耗，關(guān)鍵在于將開(kāi)關(guān)損耗由器件本身轉(zhuǎn)移至緩沖電路。根據(jù)被轉(zhuǎn)移能量的去向可將緩沖電路分為耗能式和饋能式緩沖電路。4.1.5電力電子器件的緩沖電路一個(gè)完整的緩沖電路應(yīng)含有開(kāi)通緩沖和關(guān)斷緩沖兩部分，其基本設(shè)計(jì)思路是：在器件開(kāi)通時(shí)使電流緩升；關(guān)斷時(shí)使電壓緩升，這樣就能避免管子同時(shí)承受高電壓與大電流，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程中的功率損耗。1．開(kāi)通緩沖電路4.1.5電力電子器件的緩沖電路2．關(guān)斷緩沖電路

關(guān)斷緩沖電路是將電容并接于器件兩端，利用電容上電壓不能突變的原理來(lái)減小器件的du／dt和抑制尖峰電壓。4.1.5電力電子器件的緩沖電路3．復(fù)合緩沖電路

實(shí)際應(yīng)用中，總是將關(guān)斷緩沖電路與開(kāi)通緩沖電路結(jié)合在一起，稱為復(fù)合緩沖電路。4.1.5電力電子器件的緩沖電路三、緩沖電路的應(yīng)用

IGBT的緩沖電路功能更側(cè)重于開(kāi)關(guān)過(guò)程中過(guò)電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率高達(dá)20～50kHz，因此很小的電路電感就可能引起很大的Ldi／dt，從而產(chǎn)生過(guò)電壓危及IGBT的安全。4.1.5電力電子器件的緩沖電路

GTO的緩沖電路除用來(lái)抑制換相過(guò)電壓、限制du／dt、動(dòng)態(tài)均壓之外，還關(guān)系到GTO的可靠開(kāi)通和關(guān)斷。4.1.5電力電子器件的緩沖電路

該電路的特點(diǎn)是：①三只電容之間連線短，所以寄生電感?。虎谌浑娙荻紖⑴c工作，利用率高；③電路損耗較小，約為RCD電路損耗的40％。

值得注意的是：若緩沖電路中的二極管選擇不當(dāng)，在二極管反向恢復(fù)期會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，故必須選擇快恢復(fù)二極管。4.1.5電力電子器件的緩沖電路4.2其他新型電力電子器件4.2.1MOS控制晶閘管MCT4.2.2靜電感應(yīng)晶體管SIT4.2.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH4.2.4集成門極換流晶閘管IGCT4.2.5功率模塊與功率集成電路4.2.1

MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓