電力電子技術7

電力電子技術72023/12/27電力電子技術7第7章自關斷器件7.1電力晶體管7.2可關斷晶閘管7.3電力場效應晶體管7.4絕緣柵雙極晶體管7.5驅(qū)動電路2電力電子技術77.1電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT。DATASHEET1

2

應用20世紀80年代以來，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。術語用法：3電力電子技術7與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達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。7.1電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖7-1GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動4電力電子技術77.1電力晶體管在應用中，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（7-2）

——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為ic=

ib+Iceo（7-1）單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理5電力電子技術77.1電力晶體管

(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關狀態(tài)。在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖7-3共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性2）GTR的基本特性6電力電子技術77.1電力晶體管開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。加快開通過程的辦法。關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff

。加快關斷速度的辦法。GTR的開關時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖7-4GTR的開通和關斷過程電流波形(2)

動態(tài)特性7電力電子技術77.1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、開通時間ton和關斷時間toff

(此外還有)：

1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關，還與外電路接法有關。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)8電力電子技術77.1電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應的Ic。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。

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)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2)

集電極最大允許電流IcM9電力電子技術77.1電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。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7-5GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)10電力電子技術77.2可關斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖7-6GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號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1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理11電力電子技術77.2可關斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖7-7所示的雙晶體管模型來分析。

圖7-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

1+

2=1是器件臨界導通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益

1和

2

。12電力電子技術77.2可關斷晶閘管GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設計

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO。導通時

1+

2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。

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。

圖7-7晶閘管的工作原理13電力電子技術77.2可關斷晶閘管GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強。由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：14電力電子技術77.2可關斷晶閘管開通過程：與普通晶閘管相同關斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf尾部時間tt

—殘存載流子復合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6圖7-8

GTO的開通和關斷過程電流波形GTO的動態(tài)特性15電力電子技術77.2可關斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2

s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大?！话阒竷Υ鏁r間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2

s。（2）關斷時間toff（1）開通時間ton

不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯(lián)

。許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。16電力電子技術77.2可關斷晶閘管（3）最大可關斷陽極電流IATO（4）

電流關斷增益

off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A?！狦TO額定電流?！畲罂申P斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。17電力電子技術77.3電力場效應晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

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10kW的電力電子裝置。電力場效應晶體管18電力電子技術77.3電力場效應晶體管電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。DATASHEET1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理19電力電子技術77.3電力場效應晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導電機理與小功率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)廠家采用了不同設計。圖7-9電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號20電力電子技術77.3電力場效應晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導電結(jié)構(gòu)的差異，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MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)21電力電子技術77.3電力場效應晶體管截止：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，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，P型半導體反型成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，漏極和源極導電。圖7-10電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力MOSFET的工作原理22電力電子技術77.3電力場效應晶體管

(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導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7-11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23電力電子技術77.3電力場效應晶體管截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應GTR的飽和區(qū)）工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。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。圖7-12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/A24電力電子技術77.3電力場效應晶體管開通過程開通延遲時間td(on)

上升時間tr開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和關斷過程關斷延遲時間td(off)下降時間tf關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖7-13電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形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(2)

動態(tài)特性25電力電子技術77.3電力場效應晶體管

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系?？山档万?qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關速度26電力電子技術77.3電力場效應晶體管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將導致絕緣層擊穿。

除跨導Gfs、開啟電壓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CDS27電力電子技術77.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結(jié)合而成的復合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）(DATASHEET1

2)GTR和MOSFET復合，結(jié)合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關速度快，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。28電力電子技術77.4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7-14IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號29電力電子技術77.4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)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖7-15IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號IGBT的結(jié)構(gòu)30電力電子技術77.4絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT的原理31電力電子技術7a)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7.4絕緣柵雙極晶體管2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的靜態(tài)特性圖7-16IGBT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間的關系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。32電力電子技術77.4絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖7-17IGBT的開關過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。(2)

IGBT的動態(tài)特性33電力電子技術77.4絕緣柵雙極晶體管圖7-18IGBT的開關過程關斷延遲時間td(off）電流下降時間

關斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。IGBT的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM34電力電子技術77.4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UCES35電力電子技術77.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關速度高，開關損耗小。相同電壓和電流定額時，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一步提高，同時保持開關頻率高的特點。36電力電子技術77.4絕緣柵雙極晶體管擎住效應或自鎖效應：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）動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決?！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)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。37電力電子技術77.5驅(qū)動電路使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務：按控制目標的要求施加開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。驅(qū)動電路——主電路與控制電路之間的接口38電力電子技術77.5驅(qū)動電路驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。

光隔離一般采用光耦合器

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖7-19光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型39電力電子技術77.5驅(qū)動電路按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。驅(qū)動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。為達到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。分類40電力電子技術77.5驅(qū)動電路(一)晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通。晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。tIIMt1t2t3t4圖7-20理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2

脈沖前沿上升時間（<1

s）t1~t3

強脈寬度IM

強脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4

脈沖寬度I

脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）晶閘管的觸發(fā)電路41電力電子技術77.5驅(qū)動電路(一)

晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。

V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。圖7-21常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路42電力電子技