第1章电力电子2ppt-典型全控型器件

1典型全控型器件1.4.1门极可关断晶闸管1.4.2电力晶体管1.4.3电力场效应晶体管1.4.4绝缘栅双极晶体管1.42门极可关断晶闸管——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、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。典型全控型器件1.43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1.4.141.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点：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。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK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)电气图形符号门极可关断晶闸管1.4.1幻灯片125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。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7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。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。•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α1和α2。门极可关断晶闸管1.4.16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：门极可关断晶闸管1.4.1（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。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图1-7晶闸管的工作原理7由上述分析我们可以得到以下结论：•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：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。门极可关断晶闸管1.4.182.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。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图1-14GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管1.4.19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。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管1.4.1103.GTO的主要参数门极可关断晶闸管1.4.1——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。——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。2)关断时间toff1)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。113)最大可关断阳极电流IATO门极可关断晶闸管1.4.14)电流关断增益offGMATOoffII=（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。12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。电力晶体管1.4.2131.GTR的结构和工作原理图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)内部载流子的流动电力晶体管1.4.2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。幻灯片2214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（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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。电力晶体管1.4.2152.GTR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。截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图1-16共发射极接法时GTR的输出特性电力晶体管1.4.216(2)动态特性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。图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图1-17GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管1.4.217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。图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管1.4.2183.GTR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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。电力晶体管1.4.2192)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。电力晶体管1.4.2204.GTR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。电力晶体管1.4.221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1-18GTR的安全工作区电力晶体管1.4.222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）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）电力场效应晶体管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。1.4.3231.电力MOSFET的结构和工作原理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沟道增强型电力场效应晶体管1.4.324电力MOSFET的结构电力场效应晶体管1.4.3导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。•国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元•西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元•摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号25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MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力场效应晶体管1.4.326电力MOSFET的工作原理•截止：漏源