4.1-4.3 典型全控型电力电子器件

《电力电子技术》全控型电力电子器件学习目标1.掌握GT0、GTR、功率MOSFET、IGBT四种常见全控型电力电子器件的工作原理、特性、主要参数、驱动电路及使用中应注意的问题。2.熟悉常见全控型电力电子器件各自特点以及适用场合。3.了解新型电力电子器件的概况。《电力电子技术》第一节门极可关断晶闸管(GTO)一、GTO的结构与工作原理1．基本结构a)芯片的实际图形b)GTO结构的纵断面c)GTO结构的纵断面d)图形符号图4-1GTO的内部结构和电气图形符号《电力电子技术》GTO的外形图《电力电子技术》2．工作原理图4-2GTO的工作原理电路当图中开关S置于“1”时，IG是正向触发电流，控制GTO导通；S置于“2”时，则门极加反向电流，控制GTO关断。《电力电子技术》二、GTO的特性与主要参数1．GTO的开关特性图4-3GTO在开通和关断过程中电流的波形《电力电子技术》2．GTO的主要参数GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同。1)反向重复峰值电压URRM：①不规定URRM值。②URRM值很低。③URRM略低于UDRM。④URRM=UDRM。⑤URRM略大于UDRM。2）最大可关断阳极电流IATO：GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个因素限制。阳极电流过大，内部晶体管饱和深度加深，使门极关断失效。所以GTO必须规定一个最大可关断阳极电流，也就是GTO的铭牌电流。3）关断增益βoff最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益βoff。即GMATOoffII《电力电子技术》三、GTO的驱动与保护1．GTO门极驱动电路对门极驱动电路的要求：1）正向触发电流iG。由于GTO是多元集成结构，为了使内部并联的GTO元开通一致性好，故要求GTO门极正向驱动电流的前沿必须有足够的幅度和陡度，正脉冲的后沿陡度应平缓。2）反向关断电流﹣iG。为了缩短关断时间与减少关断损耗，要求关断门极电流前沿尽可能陡，而且持续时间要超过GTO的尾部时间。还要求关断门极电流脉冲的后沿陡度应尽量小。图4-4较为理想的门极电压和电流波形《电力电子技术》2．GTO的驱动电路a)b)图4-5GTO门极驱动电路a)小容量GTO门极驱动电路b)较大容量GTO桥式门极驱动电路《电力电子技术》3．GTO的保护电路a)b)c)d)图4-6GTO的阻容缓冲电路图4-6为GTO的阻容缓冲电路。图4-6a只能用于小电流；图4-6b加在GTO上的初始电压上升率大，因而在GTO电路中不推荐；图4-6c与图4-6d是较大容量GTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量使用速度快的，并使接线短，从而使缓冲器电容效果更显著。《电力电子技术》第二节电力晶体管(GTR)一、电力晶体管的结构与工作原理1．电力晶体管的结构a)b)图4-7NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号a)内部结构b)电气图形符号电力晶体管的外形图《电力电子技术》《电力电子技术》2．工作原理在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏(Ib＞0)时大电流导通；反偏(Ib＜0)时处于截止状态。因此，给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。《电力电子技术》二、电力晶体管的特性与主要参数1.GTR的基本特性(1)静态特性共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-8所示，可分为三个工作区：①截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC＜0，集电极只有漏电流流过。②放大区。iB＞0，uBE＞0，uBC＜0，iC=βiB。③饱和区。，uBE＞0，uBC＞0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。CSBIi《电力电子技术》(2)动态特性图4-8GTR共发射极接法的输出特性图4-9GTR开关特性《电力电子技术》2．GTR的参数(1)最高工作电压①BUCBO：射极开路时，集-基极间的反向击穿电压。②BUCEO：基极开路时，集-射极之间的击穿电压。③BUCER：GTR的射极和基极之间接有电阻R。④BUCES：发射极和基极短路，集-射极之间的击穿电压。⑤BUCEX：发射结反向偏置时，集-射极之间的击穿电压。其中BUCBOBUCESBUCESBUCERBUCEO，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUCEO低得多。(2)集电极最大允许电流ICM(3)集电极最大允许耗散功率PCM(4)最高工作结温TJM《电力电子技术》3．二次击穿和安全工作区(1)二次击穿二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。一般情况下，只要功耗不超过极限，GTR是可以承受的，但是在实际使用中，会出现负阻效应，使iE进一步剧增。由于GTR结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使GTR损坏。(2)安全工作区以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，如图4-10所示。《电力电子技术》图4-10GTR安全工作区《电力电子技术》三、电力晶体管的驱动与保护1．GTR基极驱动电路(1)对基极驱动电路的要求①由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。②在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗，如图4-11所示。③GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。④在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流(如图4-11波形所示)，以加快关断速度，减小关断损耗。⑤应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。图4-11GTR基极驱动电流波形《电力电子技术》(2)基极驱动电路图4-12实用的GTR驱动电路《电力电子技术》3．GTR的保护电路a)b)c)图4-13GTR的缓冲电路图4-13a所示RC缓冲电路简单，对关断时集电极—发射极间电压上升有抑制作用。这种电路只适用于小容量的GTR(电流10A以下)。图4-13b所示充放电型R、C、VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以用于大容量的GTR。但它的损耗(在缓冲电路的电阻上产生的)较大，不适合用于高频开关电路。图4-13c所示阻止放电型R、C、VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路，其最大优点是缓冲产生的损耗小。《电力电子技术》第三节电力场效应晶体管(PowerMOSFET)一、电力MOSFET的结构电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。a)b)图4-14电力MOSFET的结构和符号a)MOSFET元组成剖面图b)图形符号电力MOSFET的外形图《电力电子技术》《电力电子技术》2．电力MOSFET的工作原理当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。当uGS大于某一电压值UGS(th)时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。此时，若在漏源极之间加正向电压，则电子将从源极横向穿过沟道，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流iD。电压UGS(th)称为开启电压，uGS超过UGS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流iD也越大。《电力电子技术》二、电力MOSFET的特性1．转移特性转移特性是指电力MOSFET的输入栅源电压uGS与输出漏极电流iD之间的关系，如图4-15a所示。由图可见，当uGSUGS(th)时，iD近似为零；当uGS＞UGS(th)时，随着uGS的增大，iD也越大。当iD较大时，iD与uGS的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为跨导gm，则有GSDmdduig《电力电子技术》二、电力MOSFET的特性a)b)图4-15电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性《电力电子技术》2．输出特性输出特性是指以栅源电压uGS为参变量，漏极电流iD与漏源电压uDS之间关系的曲线，如图4-15b所示。①截止区。uGS≤UGS(th)，iD=0，这和电力晶体管的截止区相对应。②饱和区。uGS＞UGS(th)，uDS≥uGS-UGS(th)，当uGS不变时，iD几乎不随uDS的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。这里的饱和区对应电力晶体管的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。③非饱和区。uGS＞UGS(th)，uDS＜uGS-UGS(th)，漏源电压uDS和漏极电流iD之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。《电力电子技术》3．开关特性a)b）图4-16电力MOSFET的开关过程a)测试MOSFET开关特性的电路b)开关特性曲线《电力电子技术》2．电力MOSFET的主要参数1）漏极电压UDS：即电力MOSFET的额定电压，选用时必须留有较大安全裕量。2）漏极最大允许电流IDM：即电力MOSFET的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。3）栅源电压UGS：栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过20V，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电压、电流的额定等级都应留有较大裕量。4）极间电容：电力MOSFET极间电容包括CGS、CGD和CDS，其中CGS为栅源电容，CGD是栅漏电容，是由器件结构中的绝缘层形成的；CDS是漏源电容，是由PN结形成的。《电力电子技术》三、电力MOSFET的驱动与保护1．电力MOSFET的驱动图4-18电力MOSFET的一种驱动电路《电力电子技术》三、电力MOSFET的驱动与保护2．MOSFET的保护(1)防止静电击穿①在测试和接入电路之前器件应存放在静电包装袋，导电材料或金属容器中。②将器件焊接时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时烙铁应断电。③在测试器件时，测量仪器和工作台都必须良好接地。④注意栅极电压不要过限。(2)防止偶然性振荡损坏器件(3)防止过电压(4)防止过电流(5)消除寄生晶体管和二极管的影响《电力电子技术》小结是一种压控型器件，用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，驱动功率小。单极型器件，开关时间短，开关速度快，工作频率高。不存在二次击穿电流容量小，耐压低，通态压降大。《电力电子技术》第四节绝缘栅双极晶体管(IGBT)一、基本结构a)b)c)图4-191GBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构b)简化等效电路c)电气图形符号IGBT的外形图《电力电子技术》《电力电子技术》二、工作原理IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压uGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图4-19c所示。对应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT统称为IGBT。由于实际应用中以N沟道IGBT为多。《电力电子技术》三、1GBT的基本特性a)b)图4-201GBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性《电力电子技术》三、1GBT的基本特性图4-20a为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流iC与栅射电压uGE之间的关系，与功率MOSFET的转移特性相似。开启电压uGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。uGE(th)随温度升高而略有下降，温度升高1℃，其值下降5mV左右。图4-20