合工大电力电子技术第二章

第二讲电力电子器件及其驱动电路PowerElectronicPartsandDriver杜少武第二讲电力电子器件及其驱动电路PowerElectronicPartsandDriver2.1门极可关断晶闸管2.2电力场效应晶体管2.3绝缘栅双极晶体管2.1门极可关断晶闸管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GTO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GTO的结构和工作原理工作原理：•导通原理与普通晶闸管一样，同样可以用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GTO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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GTO的结构和工作原理GTO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2－7GTO的开通和关断过程电流波形Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO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GTO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GTO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GTO的驱动GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力•推荐的GTO门极电压电流波形如图2－8所示。OttOuGiG图2－8推荐的GTO门极电压电流波形GTO的驱动驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低GTO的驱动典型的直接耦合式GTO驱动电路•V1开通时，输出正强脉冲•V2开通时输出正脉冲平顶部分•V2关断而V3开通时输出负脉冲•V3关断后R3和R4提供门极负偏压50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD42.2电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型但通常主要指绝缘栅型中的MOS型简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小开关速度快，工作频率高热稳定性优于GTR电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置返回电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型电力MOSFET的结构导通时只有一种极性的载流子参与导电，是单极型器件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N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力MOSFET的结构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结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电电力MOSFET的基本特性•电力MOSFET的基本特性：主要包括静态特性与动态特性。•静态特性：包括转移特性和输出特性•动态特性：包括开通延时时间、关断延时时间和开关速度等返回电力MOSFET的静态特性1)静态特性：包括转移特性和输出特性01020305040图1-202468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A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MOSFET的静态特性MOSFET的转移特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性ID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MOSFET的静态特性MOSFET的漏极伏安特性（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MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利电力MOSFET的动态特性2)动态特性：a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形电力MOSFET的动态特性开通过程开通延迟时间td(on)——up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段上升时间tr——uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段•iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定•UGSP的大小和iD的稳态值有关•UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和电力MOSFET的动态特性关断过程•关断延迟时间td(off)——up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段下降时间tf——uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和电力MOSFET的动态特性MOSFET的开关速度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电力MOSFET的主要参数除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之还有: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将导致绝缘层击穿4)极间电容极间电容CGS、CGD和CDS电力MOSFET的主要参数厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容CrssCiss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD输入电容可近似用Ciss代替电力MOSFET的安全工作区漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点实际使用中仍应注意留适当的裕量10ms1msDC10usID0VDSMOSFET正向偏置安全工作区（图中的时间表示脉冲宽度）电力MOSFET的驱动•栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。•使MOSFET开通的驱动电压一般10～15V，使IGBT开通的驱动电压一般15～20V。•关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取–5～-10V）有利于减小关断时间和关断损耗。•在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。返回电力MOSFET的驱动专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC2.3绝缘栅双极晶体管GTR的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，驱动功率大，驱动电路复杂MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小、驱动电路简单两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位返回IGBT的结构和工作原理IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J