合工大電力電子技術4章

電力電子技術

PowerElectronicTechnology第四講電力電子器件〔三〕3.0概述3.1門極可關斷晶閘管3.2電力晶體管3.3電力場效應晶體管3.4絕緣柵雙極晶體管3.0概述門極可關斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor—GTO)在晶閘管問世后不久出現(xiàn)20世紀80年代以來，信息電子技術與電力電子技術在各自開展的根底上相結合——高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術又帶入了一個嶄新時代典型代表——門極可關斷晶閘管、電力晶體管(GiantTransistor——GTR)、電力場效應晶體管(PowerMOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT)前往3.1門極可關斷晶閘管3.1.1概述3.1.2GTO的構造和任務原理3.1.3GTO的動態(tài)特性3.1.4GTO的主要參數(shù)前往3.1.1概述門極可關斷晶閘管〔Gate-Turn-OffThyristor—GTO〕晶閘管的一種派生器件可以經(jīng)過在門極施加負的脈沖電流使其關斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因此在兆瓦級以上的大功率場所仍有較多的運用前往3.1.2GTO的構造和任務原理構造：與普通晶閘管的一樣點：PNPN四層半導體構造，外部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極那么在器件內(nèi)部并聯(lián)在一同圖1-13GTO的內(nèi)部構造和電氣圖形符號a)各單元的陰極、門極間隔陳列的圖形b)并聯(lián)單元構造斷面表示圖c)電氣圖形符號前往3.1.2GTO的構造和任務原理任務原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析1+2=1是器件臨界導通的條件。當1+2>1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+2<1時，不能維持飽和導通而關斷3.1.2GTO的構造和任務原理GTO可以經(jīng)過門極關斷的緣由是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：〔1〕設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷〔2〕導通時1+2更接近1〔1.05，普通晶閘管1+21.15〕導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大〔3〕多元集成構造使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流導經(jīng)過程:與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺關斷過程：劇烈正反響——門極加負脈沖即從門極抽出電流，那么Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流當IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關斷多元集成構造還使GTO比普通晶閘管開經(jīng)過程快，接受di/dt才干強3.1.2GTO的構造和任務原理3.1.3GTO的動態(tài)特性開經(jīng)過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr圖1-14GTO的開通和關斷過程電流波形前往3.1.3GTO的動態(tài)特性關斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導通時儲存的大量載流子——儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小——下降時間tf殘存載流子復合——尾部時間tt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，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍堅持適當負電壓，那么可縮短尾部時間3.1.4GTO的主要參數(shù)GTO的許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義一樣，以下只引見意義不同的參數(shù)1)開通時間ton延遲時間與上升時間之和。延遲時間普通約1~2s，上升時間那么隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大2)關斷時間toff普通指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間普通小于2s不少GTO都制呵斥逆導型，類似于逆導晶閘管，需接受反壓時，應和電力二極管串聯(lián)前往3.1.4GTO的主要參數(shù)3)最大可關斷陽極電流IATO:GTO的額定電流4)

電流關斷增益off最大可關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

〔1-8〕off普通很小，只需5左右，這是GTO的一個主要缺陷。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A3.2電力晶體管3.2.1概述3.2.2GTR的構造和任務原理3.2.3GTR的根本特性3.2.4GTR的主要參數(shù)3.2.5GTR的二次擊穿景象與平安任務區(qū)前往3.2.1概述術語用法：電力晶體管〔GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管〕耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管〔BipolarJunctionTransistor——BJT〕，英文有時候也稱為PowerBJT在電力電子技術的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個稱號等效

運用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取代前往3.2.2GTR的構造和任務原理GTR的構造和任務原理(圖1-15〕與普通的雙極結型晶體管根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構造采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成前往3.2.2GTR的構造和任務原理圖1-15GTR的構造、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a)內(nèi)部構造斷面表示圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動3.2.2GTR的構造和任務原理普通采用共發(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)，反映了基極電流對集電極電流的控制才干3.2.2GTR的構造和任務原理當思索到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為ic=ib+Iceo〔1-10〕產(chǎn)品闡明書中通常給直流電流增益hFE——在直流任務情況下集電極電流與基極電流之比。普通可以為hFE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3.2.3GTR的根本特性(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任務在開關形狀，即任務在截止區(qū)或飽和區(qū)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)圖1-16共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性前往3.2.3GTR的根本特性(2)

動態(tài)特性

圖1-17GTR的開通和關斷過程電流波形3.2.3GTR的根本特性開經(jīng)過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間tontd主要是由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開經(jīng)過程3.2.3GTR的根本特性關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toffts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關斷時間的主要部分減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關斷速度負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降Uces添加，從而增大通態(tài)損耗GTR的開關時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多3.2.4GTR的主要參數(shù)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)

最高任務電壓2)

集電極最大允許電流IcM3)集電極最大耗散功率PcM前往3.2.4GTR的主要參數(shù)1)

最高任務電壓GTR上電壓超越規(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實踐運用時，為確保平安，最高任務電壓要比BUceo低得多3.2.4GTR的主要參數(shù)2)

集電極最大允許電流IcM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實踐運用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點3.2.4GTR的主要參數(shù)3)集電極最大耗散功率PcM最高任務溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品闡明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高任務溫度3.2.5GTR的二次擊穿景象與平安任務區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只需Ic不超越限制，GTR普通不會損壞，任務特性也不變二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會忽然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降經(jīng)常立刻導致器件的永久損壞，或者任務特性明顯衰變前往3.2.5GTR的二次擊穿景象與平安任務區(qū)平安任務區(qū)〔SafeOperatingArea——SOA〕最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界限限定圖1-18GTR的平安任務區(qū)3.3電力場效應晶體管3.3.1概述3.3.2電力MOSFET的構造和任務原理3.3.3電力MOSFET的根本特性3.3.4電力MOSFET的主要參數(shù)前往3.3.1概述也分為結型和絕緣柵型〔類似小功率FieldEffectTransistor——FET〕但通常主要指絕緣柵型中的MOS型〔MetalOxideSemiconductorFET〕簡稱電力MOSFET〔PowerMOSFET〕結型電力場效應晶體管普通稱作靜電感應晶體管〔StaticInductionTransistor——SIT〕前往3.3.1概述

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需求的驅(qū)動功率小開關速度快，任務頻率高熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR電流容量小，耐壓低，普通只適用于功率不超越10kW的電力電子安裝3.3.2電力MOSFET的構造和任務原理電力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加強型——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溝道加強型前往3.3.2電力MOSFET的構造和任務原理電力MOSFET的構造圖1-19電力MOSFET的構造和電氣圖形符號3.3.2電力MOSFET的構造和任務原理導通時只需一種極性的載流子〔多子〕參與導電，是單極型晶體管導電機理與小功率MOS管一樣，但構造上有較大區(qū)別電力MOSFET的多元集成構造國際整流器公司〔InternationalRectifier〕的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司〔Siemens〕的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司〔Motorola〕的TMOS采用了矩形單元按“品〞字形陳列3.3.2電力MOSFET的構造和任務原理小功率MOS管是橫導游電器件電力MOSFET大都采用垂直導電構造，又稱為VMOSFET〔VerticalMOSFET〕——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流才干按垂直導電構造的差別，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙分散構造的VDMOSFET〔VerticalDouble-diffusedMOSFET〕這里主要以VDMOS器件為例進展討論3.3.2電力MOSFET的構造和任務原理電力MOSFET的任務原理截止：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)之間構成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過3.3.2電力MOSFET的構造和任務原理電力MOSFET的任務原理導電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)外表當UGS大于UT〔開啟電壓或閾值電壓〕時，柵極下P區(qū)外表的電子濃度將超越空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層構成N溝道而使PN結J1消逝，漏極和源極導電3.3.3電力MOSFET的根本特性1)

靜態(tài)特性圖1-20電力MOSFET的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性前往3.3.3電力MOSFET的根本特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs3.3.3電力MOSFET的根本特性MOSFET的漏極伏安特性〔輸出特性〕：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)〔對應于GTR的飽和區(qū)〕電力MOSFET任務在開關形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換電力MOSFET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電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利3.3.3電力MOSFET的根本特性2)

動態(tài)特性圖1-21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3.3.3電力MOSFET的根本特性開經(jīng)過程〔開關過程圖〕開通延遲時間td(on)——up前沿時辰到uGS=UT并開場出現(xiàn)iD的時辰間的時間段上升時間tr——uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決議UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關UGS到達UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至到達穩(wěn)態(tài)，但iD已不變開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和3.3.3電力MOSFET的根本特性關斷過程〔開關過程圖〕

關斷延遲時間td(off)——up下降到零起，Cin經(jīng)過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開場減小止的時間段下降時間tf——uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消逝，iD下降到零為止的時間段關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和3.3.3電力MOSFET的根本特性MOSFET的開關速度MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系運用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因此關斷過程非常迅速開關時間在10~100ns之間，任務頻率可達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，所需求的驅(qū)動功率越大。3.3.4電力MOSFET的主要參數(shù)3.電力MOSFET的主要參數(shù)除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之還有:1)

漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額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柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿4)

極間電容極間電容CGS、CGD和CDS

前往3.3.4電力MOSFET的主要參數(shù)廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容CrssCiss=CGS+CGD〔1-14〕Crss=CGD〔1-15〕Coss=CDS+CGD〔1-16〕輸入電容可近似用Ciss替代這些電容都是非線性的3.3.4電力MOSFET的主要參數(shù)

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決議了電力MOSFET的平安任務區(qū)MOSFET正向偏置平安任務區(qū)(圖中的時間表示脈沖寬度〕

普通來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點

實踐運用中仍應留意留適當?shù)脑Ａ?.4絕緣柵雙極晶體管3.4.1概述3.4.2IGBT的構造和任務原理3.4.3IGBT的根本特性3.4.4IGBT的主要參數(shù)3.4.5IGBT的擎住效應和平安任務區(qū)前往3.4.1概述GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應，通流才干很強，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)動電路簡單兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件前往3.4.1概述絕緣柵雙極晶體管〔Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT〕

GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點，具有好的特性

1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,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的位置3.4.2IGBT的構造和任務原理IGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22IGBT的構造、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部構造斷面表示圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號前往3.4.2IGBT的構造和任務原理IGBT的構造〔顯示圖〕圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT〔N-IGBT〕

IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，構成了一個大面積的P+N結J1——使IGBT導通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進展調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流才干簡化等效電路闡明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓構造，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3.4.2IGBT的構造和任務原理IGBT的原理

驅(qū)動原理與電力MOSFET根本一樣，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決議導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)構成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通導通壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷3.4.3IGBT的根本特性1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性前往3.4.3IGBT的根本特性轉移特性——IC與UGE間的關系，與MOSFET轉移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值普通為2~6V輸出特性〔伏安特性〕——以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關系分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應uCE<0時，IGBT為反向阻斷任務形狀3.4.3IGBT的根本特性2)

IGBT的動態(tài)特性圖1-24IGBT的開關過程3.4.3IGBT的根本特性IGBT的開經(jīng)過程

〔開關過程圖〕與MOSFET的類似，由于開經(jīng)過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運轉開通延遲時間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時辰，到iC上升至10%ICM2

電流上升時間tr——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨任務的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時任務的電壓下降過程3.4.3IGBT的根本特性IGBT的關斷過程〔開關過程圖〕關斷延遲時間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時辰起，到iC下降至90%ICM電流下降時間tf——iC從90%ICM下降至10%ICM關斷時間toff——關斷延遲時間與電流下降之和電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT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3.4.3IGBT的根本特性IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調(diào)制效應的益處，但也引入了少子儲存景象，因此IGBT的開關速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關斷時間也是需求折衷的參數(shù)3.4.4IGBT的主要參數(shù)1)最大集射極間電壓UCES由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)

最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗PCM正常任務溫度下允許的最大功耗前往3.4.4IGBT的主要參數(shù)IGBT的特性和參數(shù)特點開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只需GTR的1/10，與電力MOSFET相當一樣電壓和電流定額時，平安任務區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊才干通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流才干還可以進一步提高，同時堅持開關頻率高的特點3.4.5IGBT的擎住效應和平安任務區(qū)

圖1-22