合工大电力电子技术4章

合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组电力电子技术PowerElectronicTechnology合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组第四讲电力电子器件（三）3.0概述3.1门极可关断晶闸管3.2电力晶体管3.3电力场效应晶体管3.4绝缘栅双极晶体管合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.0概述门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor—GTO)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(GiantTransistor——GTR)、电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、绝缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT)返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1门极可关断晶闸管3.1.1概述3.1.2GTO的结构和工作原理3.1.3GTO的动态特性3.1.4GTO的主要参数返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1.1概述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返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1.2GTO的结构和工作原理–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图1-13GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1.2GTO的结构和工作原理工作原理：–与普通晶闸管一样，可以用图1-7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)合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1.2GTO的结构和工作原理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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组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Ib2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3.1.2GTO的结构和工作原理合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1.3GTO的动态特性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tr图1-14GTO的开通和关断过程电流波形Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1.3GTO的动态特性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，则可缩短尾部时间合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1.4GTO的主要参数GTO的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数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返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.1.4GTO的主要参数3)最大可关断阳极电流IATO:GTO的额定电流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（1-8）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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2电力晶体管3.2.1概述3.2.2GTR的结构和工作原理3.2.3GTR的基本特性3.2.4GTR的主要参数3.2.5GTR的二次击穿现象与安全工作区返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.1概述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取代返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.2GTR的结构和工作原理GTR的结构和工作原理(图1-15）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返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.2GTR的结构和工作原理图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动图1-15a)基极bP基区N漂移区N+衬底基极b发射极c集电极cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.2GTR的结构和工作原理一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为（1-9）——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bcii合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.2GTR的结构和工作原理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（1-10）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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.3GTR的基本特性(1)静态特性–共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区–在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区–在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区图1-16共发射极接法时GTR的输出特性截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.3GTR的基本特性(2)动态特性图1-17GTR的开通和关断过程电流波形图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.3GTR的基本特性开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间tontd主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.3GTR的基本特性关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toffts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.4GTR的主要参数前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff此外还有,1)最高工作电压2)集电极最大允许电流IcM3)集电极最大耗散功率PcM返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.4GTR的主要参数1)最高工作电压–GTR上电压超过规定值时会发生击穿–击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关–BUcboBUcexBUcesBUcerBuceo–实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.4GTR的主要参数2)集电极最大允许电流IcM–通常规定为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的一半或稍多一点合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.4GTR的主要参数3)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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.5GTR的二次击穿现象与安全工作区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返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.2.5GTR的二次击穿现象与安全工作区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图1-18GTR的安全工作区SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.3电力场效应晶体管3.3.1概述3.3.2电力MOSFET的结构和工作原理3.3.3电力MOSFET的基本特性3.3.4电力MOSFET的主要参数返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组3.3.1概述也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）