合工大電力電子技術(shù)第二章

第二講電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)電路

PowerElectronicPartsandDriver杜少武第二講電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)電路

PowerElectronicPartsandDriver2.1門極可關(guān)斷晶閘管2.2電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.3絕緣柵雙極晶體管2.1門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)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(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，因此在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)所仍有較多的運(yùn)用前往GTO的構(gòu)造和任務(wù)原理構(gòu)造：與普通晶閘管的一樣點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)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(gè)甚至數(shù)百個(gè)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GTO的構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理：導(dǎo)通原理與普通晶閘管一樣，同樣可以用雙晶體管模型來分析1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷GTO的構(gòu)造和任務(wù)原理GTO可以經(jīng)過門極關(guān)斷的緣由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GTO關(guān)斷導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1〔1.05，普通晶閘管1+21.15〕導(dǎo)通時(shí)飽和不深，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構(gòu)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(dǎo)經(jīng)過程:與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺關(guān)斷過程：劇烈正反響——門極加負(fù)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(jìn)一步減小V2的基極電流當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷多元集成構(gòu)造還使GTO比普通晶閘管開經(jīng)過程快，接受di/dt才干強(qiáng)GTO的構(gòu)造和任務(wù)原理GTO的動(dòng)態(tài)特性開經(jīng)過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr圖2－7GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形GTO的動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子——儲(chǔ)存時(shí)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(shí)間tf殘存載流子復(fù)合——尾部時(shí)間tt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，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts越短門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍堅(jiān)持適當(dāng)負(fù)電壓，那么可縮短尾部時(shí)間GTO的主要參數(shù)GTO的許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)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(shí)間ton延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間普通約1~2s，上升時(shí)間那么隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大2)關(guān)斷時(shí)間toff普通指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間普通小于2s不少GTO都制呵斥逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需接受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)GTO的主要參數(shù)3)最大可關(guān)斷陽極電流IATO:GTO的額定電流4)

電流關(guān)斷增益off最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益

〔1-8〕off普通很小，只需5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺陷。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200AGTO的驅(qū)動(dòng)GTO的開通控制與普通晶閘管類似，但對(duì)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且普通需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流

使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾才干引薦的GTO門極電壓電流波形如圖2－8所示。圖2－8引薦的GTO門極電壓電流波形GTO的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可防止電路內(nèi)部的相互關(guān)擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前運(yùn)用較廣，但其功耗大，效率較低GTO的驅(qū)動(dòng)典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路V1開通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖V2開通時(shí)輸出正脈沖平頂部分V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓2.2電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型但通常主要指絕緣柵型中的MOS型簡(jiǎn)稱電力MOSFET〔PowerMOSFET〕結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管普通稱作靜電感應(yīng)晶體管特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需求的驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)速度快，任務(wù)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的電力電子安裝前往電力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)電溝道加強(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溝道加強(qiáng)型電力MOSFET的構(gòu)造導(dǎo)通時(shí)只需一種極性的載流子參與導(dǎo)電，是單極型器件導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管一樣，但構(gòu)造上有較大區(qū)別電力MOSFET的多元集成構(gòu)造電力MOSFET的構(gòu)造小功率MOS管是橫導(dǎo)游電器件電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電構(gòu)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(dǎo)電構(gòu)造的差別，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙分散構(gòu)造的VDMOSFET〔VerticalDouble-diffusedMOSFET〕這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)展討論電力MOSFET的任務(wù)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(gòu)成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)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(dāng)UGS大于UT〔開啟電壓或閾值電壓〕時(shí)，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(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層構(gòu)成N溝道而使PN結(jié)J1消逝，漏極和源極導(dǎo)電電力MOSFET的根本特性電力MOSFET的根本特性：主要包括靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性：包括轉(zhuǎn)移特性和輸出特性動(dòng)態(tài)特性：包括開通延時(shí)時(shí)間、關(guān)斷延時(shí)時(shí)間和開關(guān)速度等前往電力MOSFET的靜態(tài)特性1)

靜態(tài)特性：包括轉(zhuǎn)移特性和輸出特性電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性電力MOSFET的靜態(tài)特性MOSFET的轉(zhuǎn)移特性漏極電流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電力MOSFET的靜態(tài)特性MOSFET的漏極伏安特性〔輸出特性〕：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)于GTR的飽和區(qū)〕電力MOSFET任務(wù)在開關(guān)形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)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(shí)器件導(dǎo)通電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利電力MOSFET的動(dòng)態(tài)特性2)

動(dòng)態(tài)特性：電力MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形電力MOSFET的動(dòng)態(tài)特性開經(jīng)過程開通延遲時(shí)間td(on)——up前沿時(shí)辰到uGS=UT并開場(chǎng)出現(xiàn)iD的時(shí)辰間的時(shí)間段上升時(shí)間tr——uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決議UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS到達(dá)UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至到達(dá)穩(wěn)態(tài)，但iD已不變開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和電力MOSFET的動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)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(shí)，iD開場(chǎng)減小止的時(shí)間段下降時(shí)間tf——uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時(shí)溝道消逝，iD下降到零為止的時(shí)間段關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和電力MOSFET的動(dòng)態(tài)特性MOSFET的開關(guān)速度MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系運(yùn)用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因此關(guān)斷過程非常迅速開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，任務(wù)頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的電力MOSFET的主要參數(shù)除跨導(dǎo)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(dǎo)致絕緣層擊穿4)

極間電容極間電容CGS、CGD和CDS電力MOSFET的主要參數(shù)廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD輸入電容可近似用Ciss替代電力MOSFET的平安任務(wù)區(qū)

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(wù)區(qū)

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(diǎn)實(shí)踐運(yùn)用中仍應(yīng)留意留適當(dāng)?shù)脑Ａ縈OSFET正向偏置平安任務(wù)區(qū)〔圖中的時(shí)間表示脈沖寬度〕電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)?xùn)旁撮g、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓普通10～15V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓普通15～20V。關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓〔普通取–5～-10V〕有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻〔數(shù)十歐左右〕可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。前往電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號(hào)電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。2.3絕緣柵雙極晶體管GTR的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流才干很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，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)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),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的位置前往IGBT的構(gòu)造和任務(wù)原理IGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT的構(gòu)造、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)IGBT的構(gòu)造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(gòu)成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)展調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流才干簡(jiǎn)化等效電路闡明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓構(gòu)造，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管IGBT的任務(wù)原理驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET根本一樣，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決議導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)構(gòu)成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷IGBT的根本特性IGBT的根本特性：主要包括靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性：包括轉(zhuǎn)移特性和輸出特性動(dòng)態(tài)特性：包括開通延時(shí)時(shí)間、關(guān)斷延時(shí)時(shí)間和開關(guān)速度等IGBT的靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性：主要包括轉(zhuǎn)移特性和輸出特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性IGBT的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，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(shí)，IC與UCE間的關(guān)系分為三個(gè)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(duì)應(yīng)uCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷任務(wù)形狀I(lǐng)GBT的動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性：IGBT的開關(guān)過程IGBT的動(dòng)態(tài)特性IGBT的開經(jīng)過程與MOSFET的類似，由于開經(jīng)過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)轉(zhuǎn)開通延遲時(shí)間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時(shí)辰，到iC上升至10%ICM2

電流上升時(shí)間tr——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段：tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)任務(wù)的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)任務(wù)的電壓下降過程IGBT的動(dòng)態(tài)特性IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)：從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)辰起，到iC下降至90%ICM電流下降時(shí)間tf：iC從90%ICM下降至10%ICM關(guān)斷時(shí)間toff：關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段：tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢IGBT的其它特性IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的益處，但也引入了少子儲(chǔ)存景象，因此IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需求折衷的參數(shù)IGBT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(wù)溫度下允許的最大功耗IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只需GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)一樣電壓和電流定額時(shí)，平安任務(wù)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