电力电子技术基础2―器件

第二部分电力电子器件6SouthChinaUniversityofTechnology电力电子技术基础第二部分电力电子器件——全控型器件门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管1.3可关断晶闸管（GTO）电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO的特点电力电子技术基础门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO的结构和工作原理电力电子技术基础结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极和普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO的结构和工作原理电力电子技术基础与普通晶闸管一样，可以用右图所示的双晶体管模型来分析1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b))(121CBO2CBO1G2AIIII电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO与普通晶闸管的区别电力电子技术基础GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO与普通晶闸管的区别电力电子技术基础导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则IG减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2)(121CBO2CBO1G2AIIIIIK=IA+IGIA=Ic1+Ic2Ic1=1IA+ICBO1Ic2=2IK+ICBO2电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO的动态特性电力电子技术基础开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间trOt0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO的动态特性电力电子技术基础关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间ts，使等效晶体管退出饱和等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小——下降时间tf残存载流子复合——尾部时间tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要长门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO的主要参数电力电子技术基础许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，1)开通时间ton延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大2)关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联电力电子技术第二部分电力电子器件——GTO的主要参数电力电子技术基础3)最大可关断阳极电流IATOGTO额定电流4)电流关断增益off最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200AGMATOoffII1.4电力晶体管（GTR）电力电子技术第一部分绪论——GTR电力电子技术基础术语用法：电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的结构和工作原理电力电子技术基础与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的主要特性是耐压高、电流大、开关特性好通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的结构和工作原理电力电子技术基础一般采用共发射极接法——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力台面结构面积大→I大，但β小；电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的结构和工作原理电力电子技术基础当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo忽略漏电流Iceo时=ΔIc/ΔIb产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的结构和工作原理电力电子技术基础NPNT1T2PNPT1T2CT1T2R1R2D1D2BEGTR（达林顿）模块：多级复合、单桥臂、桥…复合（达林顿）管：电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的静态特性电力电子技术基础静态特性：iCuCE准饱和区深饱和区截止区二次击穿区二次击穿临界曲线放大区电力电子技术第二部分电力电子器件——一次击穿与二次击穿电力电子技术基础iCuCEsns~一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变电力电子技术第二部分电力电子器件——安全工作区电力电子技术基础ICMiCuCEUCEMPCMPSBSOACTston251安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的动态特性电力电子技术基础图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdts—存储时间tf—下降时间ton—开通时间（ns级）td—延迟时间tr—上升时间toff—关断时间（μs级）iCiBRBRCUCC电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的其它参数电力电子技术基础集电极最大允许电流IcM通常规定为直流电流增益hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度电力电子技术第二部分电力电子器件——GTR的限制电力电子技术基础驱动电流大二次击穿开关速度低1.5电力场效应晶体管电力电子技术第二部分电力电子器件——FET的分类电力电子技术基础★因工艺和结构差异名称不同。如：MotorolaTMOSNECVDMOSSiemensSiPMOS结型(JFET)MOS型增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道PowerMOSFETDSG电力电子技术第二部分电力电子器件——FET的分类电力电子技术基础小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的结构特点电力电子技术基础★胞元并联结RDS小，可达mΩ。★垂直导电VD，面积大，电流大；N-DGSPN+N+PN+N+N+★沟道短D-S间U、R、C均小；电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的结构特点电力电子技术基础导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别电力MOSFET的多元集成结构国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的静态特性电力电子技术基础★安全工作区SOAiDuGS跨导gUIGSD开启电压UGST1.5¡«4V★转移特性SOA—SafeOperationAreaIDMiDuDSUDMPCMRONSOAID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的输出特性电力电子技术基础饱和区调阻区雪崩击穿区iDuDSUGS★输出特性截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的动态特性电力电子技术基础CGDDSGCGSCDSRSRFRLRGUCCiDuPt1—开通延时t2—上升时间t3—关断延时t4—下降时间ts—开通时间（ns级）tc—关断时间（ns级）iDttt1t2t3t4UGSTtuGSUCC/RLuPUGSSRs、Cin决定开关速度电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的开关速度电力电子技术基础MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。电力电子技术第二部分电力电子器件——MOSFET的参数电力电子技术基础跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有1)漏极电压UDS电力MOSFET电压定额2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额3)栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄，UGS20V将导致绝缘