电力电子技术32

哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.1电力电子技术功率半导体器件(2)8.4电力晶体管GTR的结构和工作原理采用多元集成结构，耐压高、电流大。cbii单管GTR的电流放大系数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。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.2电力电子技术功率半导体器件(2)共发射极接法时GTR的输出特性截止区放大区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3UceGTR的静态特性•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。•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。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.3电力电子技术功率半导体器件(2)•开通过程•延迟时间和上升时间之和为开通时间•加快开通过程的办法：增大基极电流•关断过程储存时间和下降时间之和为关断时间。加快关断速度的办法：加负基极电流。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的开关特性GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.4电力电子技术功率半导体器件(2)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•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，最高工作电压要比BUceo低得多。GTR的主要参数哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.5电力电子技术功率半导体器件(2)（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。（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。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.6电力电子技术功率半导体器件(2)安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）由最高电压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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM安全工作区GTR的的安全工作区哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.7电力电子技术功率半导体器件(2)电力MOSFET的结构和工作原理N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号8.4电力场效应晶体管•单极型晶体管（只有一种载流子参与导电）,导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。•采用多元集成结构。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.8电力电子技术功率半导体器件(2)•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。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19•导通：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，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。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.9电力电子技术功率半导体器件(2)010203050402468ID/AUTUGS/V电力MOSFET的转移特性电力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。表明栅极电压对漏极电流的控制能力。•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。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.10电力电子技术功率半导体器件(2)•工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。•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。•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的输出特性102030504001020305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力MOSFET的的漏极伏安特性哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.11电力电子技术功率半导体器件(2)a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf电力MOSFET的的开关特性•开通过程开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和•关断过程关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.12电力电子技术功率半导体器件(2)•MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。•可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。•不存在少子储存效应，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。•MOSFET的开关速度哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.13电力电子技术功率半导体器件(2)电力MOSFET的主要参数——电力MOSFET电压定额(1)漏极电压UDS(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——UGS20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(4)极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.14电力电子技术功率半导体器件(2)•绝缘栅双极晶体管(IGBT)，是GTR和MOSFET两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件。•1986年投入市场，是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。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，所需驱动功率大，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，所需驱动功率小而且驱动电路简单。8.5绝缘栅双极晶体管哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.15电力电子技术功率半导体器件(2)EGCN+N-PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonGCE•N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。•IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，增强了通流能力。•简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。•RN为晶体管基区内的调制电阻。IGBT的结构和工作原理哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.16电力电子技术功率半导体器件(2)•驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。•导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。•通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。•关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRon哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.17电力电子技术功率半导体器件(2)a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的转移特性和输出特性转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))输出特性•分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。IGBT的转移特性和输出特性哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.18电力电子技术功率半导体器件(2)ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程•IGBT的开通过程与MOSFET的相似。IGBT的开关特性uCE的下降过程分为两段：•tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程•tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.19电力电子技术功率半导体器件(2)tttUCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程•IGBT的关断过程•关断延迟时间td(off）•电流下降时间tf•关断时间toff•电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。•tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。•tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.20电力电子技术功率半导体器件(2)——正常工作温度下允许的最大功耗。(3)最大集电极功耗PCM——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(2)最大集电极电流——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压UCESIGBT的主要参数哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.21电力电子技术功率半导体器件(2)——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。•正偏安全工作区（FBSOA）擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。——IGBT内部还存在一个寄生晶闸管，当集电极电流大到一定程度，会造成寄生晶闸管开通，导致栅极失去控制作用，这就是自锁效应。IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。•擎住效应或自锁效应：哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.22电力电子技术功率半导体器件(2)•IGBT的特性和参数特点可以总结如下：•开关速度高，开关损耗小。•相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。•通态压降比VDMOSFET低。•输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。•与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.23电力电子技术功率半导体器件(2)。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。晶闸管问世IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生8.6电力电子器件的发展趋势哈尔滨工业大学电气工程系文件:电力电子技术32.24电力电子技术功率半导体器件(2)•20世纪80年代中后期开始，新型电力电子器件不断涌现的同时，出现模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。•优点是可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。•对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。•目前的趋势是将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。•功率模块与功率集成电路哈尔滨工业大学电气工