电力电子技术7

1电力电子变流技术第二十七讲主讲教师：隋振学时：322第7章自关断器件7.1电力晶体管7.2可关断晶闸管7.3电力场效应晶体管7.4绝缘栅双极晶体管7.5驱动电路37.1电力晶体管电力晶体管（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。DATASHEET12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。术语用法：4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。7.1电力晶体管1）GTR的结构和工作原理图7-1GTR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57.1电力晶体管在应用中，GTR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（7-2）——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。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（7-1）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。bcii空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+)ib1）GTR的结构和工作原理67.1电力晶体管(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。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。截止区放大区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图7-3共发射极接法时GTR的输出特性2）GTR的基本特性77.1电力晶体管开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开通过程的办法。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。加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图7-4GTR的开通和关断过程电流波形(2)动态特性87.1电力晶体管前已述及：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。3）GTR的主要参数97.1电力晶体管通常规定为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。2)集电极最大允许电流IcM107.1电力晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。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突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图7-5GTR的安全工作区4)GTR的二次击穿现象与安全工作区117.2可关断晶闸管结构：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点：GTO是一种多元的功率集成器件。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图7-6GTO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1）GTO的结构和工作原理127.2可关断晶闸管工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图7-7所示的双晶体管模型来分析。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图7-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理1+2=1是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。137.2可关断晶闸管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：设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图7-7晶闸管的工作原理147.2可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使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。由上述分析我们可以得到以下结论：157.2可关断晶闸管开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt—残存载流子复合。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，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图7-8GTO的开通和关断过程电流波形2)GTO的动态特性167.2可关断晶闸管3)GTO的主要参数——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的增大而增大。——一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2）关断时间toff（1）开通时间ton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。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。177.2可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流IATO（4）电流关断增益off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200A。——GTO额定电流。——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。GMATOoffII187.3电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）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（StaticInductionTransistor——SIT）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。电力场效应晶体管197.3电力场效应晶体管电力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。DATASHEET1）电力MOSFET的结构和工作原理207.3电力场效应晶体管电力MOSFET的结构是单极型晶体管。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，不同的生产厂家采用了不同设计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图7-9电力MOSFET的结构和电气图形符号217.3电力场效应晶体管小功率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）。按垂直导电结构的差异，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MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力MOSFET的结构227.3电力场效应晶体管截止：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–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。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图7-10电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理237.3电力场效应晶体管(1)静态特性漏极电流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。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图7-11电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2）电力MOSFET的基本特性247.3电力场效应晶体管截止区（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GTR的饱和区）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。图7-12电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A257.3电力场效应晶体管开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图7-13电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流(2)动态特性267.3电力场效应晶体管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277.3电力场效应晶体管3)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CDS287.4绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）(DATASHEET12)GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1