静电感应晶体管(SIT)

五、其它新型电力电子器件一、静电感应晶体管（SIT）它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的高频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。3）原理：SIT为常开器件，即栅源电压为零时，SIT导通；当加上负栅源电压UGS时，栅源间PN结产生耗尽层。随着负偏压UGS的增加，其耗尽层加宽，漏源间导电沟道变窄。当UGS=UP(夹断电压)时，导电沟道被耗尽层所夹断，SIT关断。SIT的漏极电流ID不但受栅极电压UGS控制，同时还受漏极电压UDS控制。4-5其它新型电力电子器件（SIT）第4章一、SIT的结构及工作原理1）结构：三层、元胞结构，三个电极：栅极G，漏极D和源极S。2）分类：N沟道、P沟道两种，箭头向外的为N─SIT，箭头向内的为P─SIT。4-5其它新型电力电子器（SITH）二、静电感应晶闸管（SITH）它自1972年开始研制并生产；优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小、及耐压高等；应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域；缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；第1章1、SITH的工作原理1）结构：在SIT的结构基础上再增加一个P+层即形成SITH的元胞结构；三极：阳极A、阴极K、栅极G。4-5其它新型电力电子器（SITH）第1章•2）原理：•SITH为常开器件：栅极开路，在阳、阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；•在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，A-K间电流被夹断，SITH关断；•栅极所加的负偏压越高，可关断的阳极电流也越大。•栅极负压-UGK可控制阳极电流关断，已关断的SITH，A-K间只有很小的漏电流存在。•SITH为场控双极器件，其动态特性比GTO优越。其通态电阻比SIT小、压降低、电流大，但因器件内有大量的存储电荷，所以其关断时间比SIT要长、工作频率要低。4-5其它新型电力电子器（SITH）2、SITH的特性：第14-5其它新型电力电子器（MCT）三、MOS控制晶闸管MCT（MOS-ControlledThyristor)MCT自20世纪80年代末问世，已生产出300A/2000V、1000A/1000V的器件；结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET。MCT既具有晶闸管良好的导通特性，又具备MOS场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快的优点，克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大的不足。特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；第4章在应用方面，美国西屋公司采用MCT开发的10kW高频串并联谐振DC-DC变流器，功率密度已达到6.1W/cm3。美国正计划采用MCT组成功率变流设备，建设高达500KV的高压直流输电HVDC设备。国内的东南大学采用SDB键合特殊工艺在实验室制成了100mA/100VMCT样品；西安电力电子技术研究所利用国外进口厚外延硅片也试制出了9A/300VMCT样品。MCT器件的最大可关断电流已达到300A，最高阻断电压为3KV，可关断电流密度为325A/cm2，且已试制出由12个MCT并联组成的模块。4-5其它新型电力电子器（MCT）第4章•1、MCT的工作原理•1）结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET其元胞有两种结构类型，N-MCT和P-MCT。三个电极：栅极G、阳极A和阴极K。4-5其它新型电力电子器（MCT）图1.8.6P-MCT的结构、等效电路和符号第4章P-MCT的等效电路第4章2）工作原理（P-MCT）控制信号：用双栅极控制，栅极信号以阳极为基准；导通：当栅极相对于阳极加负脉冲电压时，ON-FET导通，其漏极电流使NPN晶体管导通。NPN晶体管的导通又使PNP晶体管导通且形成正反馈触发过程，最后导致MCT导通关断：当栅极相对于阳极施加正脉冲电压时，OFF-FET导通，PNP晶体管基极电流中断,PNP晶体管中电流的中断破坏了使MCT导通的正反馈过程，于是MCT被关断。4-5其它新型电力电子器（MCT）第4章其中：1）导通的MCT中晶闸管流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。2）使P-MCT触发导通的栅极相对阳极的负脉冲幅度一般为-5～-15V，使其关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为+10V。4-5其它新型电力电子器（MCT）IGCT：（IntegratedGate-CommutatedThyristor）也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）。•20世纪90年代后期出现。结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；•IGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优选功率器件之一。第1章4-5其它新型电力电子器（IGCT）2、SIT的特性（N沟道SIT）：当栅源电压UGS一定时，随着漏源电压UDS的增加，漏极电流ID也线性增加，场控多子器件,垂直导电结构,导电沟道短而宽,无电荷积累效应,其开关速度相当快,适应于高压,大电流、高频场合；SIT的漏极电流具有负温度系数,可避免因温度升高而引起的恶性循环；T0C↑→ID↓SIT的漏极电流通路上不存在PN结,一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象,其安全工作区范围较宽；栅极驱动电路简单：关断SIT需加数十伏的负栅压-UGS；导通时，也可加5～6V的正栅偏压+UGS,以降低其通态压降。4-5其它新型电力电子器（SIT）第4章4-5缓冲电路1）原因：电力电子器件断态时承受高电压，通态时承载大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、过流、过大的du／dt和di／dt以及过大的瞬时功率。2）缓冲电路作用：防止高电压和大电流可能使器件工作点超出安全工作区而损坏器件。3）原理：关断缓冲电路吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du／dt,减小关断损耗；开通缓冲电路抑制器件开通时的电流过冲和di／dt,减小器件的开通损耗。第1章GTR开通过程：一方面ＣS经ＲS、ＬS和GTR回路放电减小了电流上升率di／dt，另一方面负载电流经电感ＬS后受到了缓冲，避免了开通过程中GTR同时承受大电流和高电压的情形。GTR关断过程：流过负载ＲL的电流经电感LS、二极管ＤS给电容ＣS充电，因为ＣS上电压不能突变，这就使GTR在关断过程电压缓慢上升，同时也使电压上升率du／dt被限制。4-5缓冲电路GTR缓冲电路中、小功率开关器件GTR的缓冲电路。第1章大功率开关器件GTR的缓冲电路。将无感电容器C、快恢复二极管D和无感电阻R组成RCD缓冲吸收回路。器件关断过程：电流经过C、D给无感电容器充电，使器件的UCE电压缓慢上升，有效抑制过电压的产生；器件开通过程：C上的电荷再通过电阻R经器件放电，可加速器件的导通。作用：①保护了器件，使之工作在安全工作区；②器件的开关损耗有一部分转移到了缓冲吸收回路的功率电阻R上，降低了器件的损耗，且降低器件的结温。从而可充分利用器件的电压和电流容量。4-5缓冲电路两种经常使用的缓冲吸收回路第1章