第3章 全控器件 (2013)

1、第第3章章 第第3章章 全控型器件全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。出現(xiàn)。2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。（圖3-20）第第3章章 全控型器件全控型器件引言引言常用的常用的全控型器件全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊3.1 典型全控型器件典型全控型器件3.1.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管晶閘管的一種

2、派生器件。晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷?？梢酝ㄟ^(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTOGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近接近( (9KV9KV、1KA1KA，4.5KV4.5KV、4.5KA)4.5KA)因而在兆瓦因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）3.1.1 門極可關(guān)斷晶門極可關(guān)斷晶閘管閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同

3、點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖3-1 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖與普通晶閘管一樣，可以用圖3-23-2所示的雙晶體管模所示的雙晶體管模型來(lái)分析。型來(lái)分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖圖3-2 3-2 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理及其工作原理

4、 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。是器件臨界導(dǎo)通的條件。由由P P1 1N N1 1P P2 2和和N N1 1P P2 2N N2 2構(gòu)成構(gòu)成的兩個(gè)晶體管的兩個(gè)晶體管V V1 1、V V2 2分分別具有共基極電流增別具有共基極電流增益益 1 1和和 2 2 。2 GCBO1CBO2A121()IIIIaaa+=-+（3-1）3.1.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下與普通晶閘管有如下區(qū)別區(qū)別：RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )圖圖3-3 3-3 晶閘

5、管的工作原理晶閘管的工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) 1 1+ + 2 2更接近更接近1 1，導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。增大。 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 2 2較大，使晶體管較大，使晶體管V V2 2控控 制靈敏，易于制靈敏，易于GTOGTO關(guān)斷。關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)，使得多元集成結(jié)構(gòu)，使得P P2 2基區(qū)基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。出較大電流。 3.1.1 門極可關(guān)門極可關(guān)斷晶閘管斷晶閘管開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同：與普通晶閘管相同關(guān)

6、斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不：與普通晶閘管有所不同同儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間t ts s，使等效晶體管，使等效晶體管退出飽和。退出飽和。下降時(shí)間下降時(shí)間t tf f 尾部時(shí)間尾部時(shí)間t tt t 殘存載流子復(fù)殘存載流子復(fù)合。合。通常通常t tf f比比t ts s小得小得多，而多，而t tt t比比t ts s要長(zhǎng)。要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值門極負(fù)脈沖電流幅值越大，越大，t ts s越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖圖3-3 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形2) GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性3.1.1 門極可

7、關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管3)3)GTOGTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1212 s s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大。，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大。 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2 2 s s。（2） 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff（1）開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。以下只介紹意義不同的參數(shù)。3.1.1 門極可關(guān)斷門

8、極可關(guān)斷晶閘管晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流I IATOATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off offoff一般很小，只有一般很小，只有5 5左右，這是左右，這是GTOGTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A1000A的的GTOGTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A200A 。 GTOGTO額定電流。額定電流。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值大值I IGMGM之比稱為電流關(guān)斷增益。之比稱為電流關(guān)斷增益。（3-2）ATOoffGMIIb=3.1.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管電力晶體管

9、（Giant TransistorGiant TransistorGTRGTR，直譯為，直譯為巨型晶體管）巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Bipolar Junction TransistorJunction TransistorBJTBJT），英文有時(shí)候也稱），英文有時(shí)候也稱為為Power BJTPower BJT。DATASHEET DATASHEET 1 1 2 2 應(yīng)用應(yīng)用2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被管，但目前又大多被IGBTIGBT和

10、電力和電力MOSFETMOSFET取代取代。術(shù)語(yǔ)用法術(shù)語(yǔ)用法：與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。3.1.2 電力晶體管電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)3.1.2 電力晶體管電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。和飽和區(qū)。

11、在電力電子電路中在電力電子電路中GTRGTR工作工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BuBuceoceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比比BUBUceoceo低得低得多。多。3）GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)oICUceBUceoBUcboBUcexBUcesBUcer 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 、直流電流增益、直流電流增益h hFEFE、集射極間

12、漏電、集射極間漏電流流I Iceoceo、集射極、集射極間飽和壓間飽和壓降降U Ucesces、開(kāi)通時(shí)間、開(kāi)通時(shí)間t tonon和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間t toffoff (此此外還有外還有)： 電力晶體管的擊穿特性3.1.2 電力晶體管電力晶體管通常規(guī)定通常規(guī)定為為h hFEFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/2-1/31/2-1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的的I Ic c 。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一點(diǎn)。的一半或稍多一點(diǎn)。 3) 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率P PcMcM最高工作溫度下允許的耗散功率。最高工作溫度下允許的耗散功

13、率。產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給中給P PcMcM時(shí)同時(shí)給出時(shí)同時(shí)給出殼溫殼溫T TC C，間接表示了最高工，間接表示了最高工作溫度作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM3.1.2 電力晶體管電力晶體管一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，I Ic c迅速增大。迅速增大。只要只要I Ic c不超過(guò)限度，不超過(guò)限度，GTRGTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：二次擊穿發(fā)生二次擊穿發(fā)生時(shí)，時(shí)，I Ic c突然急劇上升，電壓陡然下降。突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特

14、性明顯衰變常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安 全 工 作 區(qū) （安 全 工 作 區(qū) （ S a f e Operating AreaSOA）最高電壓最高電壓U UceMceM、集電極最大電、集電極最大電流流I IcMcM、最大耗散功率、最大耗散功率P PcMcM、二、二次擊穿臨界線限定。次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖3-6 GTR的安全工作區(qū)4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)3.1.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Ox

15、ide Semiconductor FET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管3.1.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于

16、N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。DATASHEET1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖3-7 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)3.1.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。截止：漏源極間加正電源，柵源極間

17、電壓為零。P P基區(qū)與基區(qū)與N N漂移區(qū)之間形成漂移區(qū)之間形成的的PNPN結(jié)結(jié)J J1 1反偏，漏源極之反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。間無(wú)電流流過(guò)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖3-8 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力電力MOSFET的工作原理的工作原理3.1.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓U UGSGS當(dāng)當(dāng)U UGSGS大于大于U UT T時(shí)，時(shí)，P P型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體反型成N N型而成為反型層，型而成為反型層，該反型層形成該反型層形成N N溝道而使溝道而使PNPN結(jié)結(jié)J J

18、1 1消失，漏極和源極消失，漏極和源極導(dǎo)電導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖3-8 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力電力MOSFET的工作原理的工作原理3.1.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFETMOSFET的開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)速度和和C Cinin充放電有很大關(guān)系。充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動(dòng)電路內(nèi)阻可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻R Rs s減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns10100ns之間，工作頻

19、率可達(dá)之間，工作頻率可達(dá)100kHz100kHz以上，以上，是主要電力電子器件中最高的。是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。大。MOSFET的開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)速度3.1.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2) 電力電力MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力電力MOSFETMOSFET電壓定額電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流

20、ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力電力MOSFETMOSFET電流定額電流定額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS U UGSGS 20V20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)除跨導(dǎo)G Gfsfs、開(kāi)啟電壓、開(kāi)啟電壓U UT T以及以及t td(on)d(on)、t tr r、t td(off)d(off)和和t tf f之外還有：之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容極間電容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS3.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOSBi-MOS器件器件

21、絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorTransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）(DATASHEET (DATASHEET 1 1 2 2 ) )GTRGTR和和MOSFETMOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。19861986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代

22、繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTOGTO的地位的地位。 GTRGTR和和GTOGTO的特點(diǎn)的特點(diǎn)電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFETMOSFET的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。3.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極三端器件：柵極G G、集電極、集

23、電極C C和發(fā)射極和發(fā)射極E EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖3-9 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)E3.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖圖3-9a3-9aN N溝道溝道VDMOSFETVDMOSFET與與GTRGTR組合組合N N溝道溝道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一層多一層P P+ +注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)化

24、等效電路表明，簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR與與MOSFETMOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由一個(gè)由MOSFETMOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNPPNP晶體管。晶體管。R RN N為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖3-9 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào) IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)E3.1.4

25、絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的原理的原理EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) 驅(qū)動(dòng)原理與電力驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFETMOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓射極電壓u uGEGE決定。決定。導(dǎo)導(dǎo)通通：u uGEGE大于開(kāi)啟電壓大于開(kāi)啟電壓U UGE(thGE(th) )時(shí)，時(shí)，MOSFETMOSFET內(nèi)形成溝道，內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，為晶體管提供基極電流，IGBTIGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通。關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，

26、：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFETMOSFET內(nèi)的內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBTIGBT關(guān)斷。關(guān)斷。a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加3.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖3-10 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開(kāi)啟電開(kāi)啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。3.1.4 絕

27、緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖3-11 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程IGBTIGBT的開(kāi)通過(guò)程的開(kāi)通過(guò)程 與與MOSFETMOSFET的相似的相似開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間t td(on)d(on) 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間t tr r 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間t tonon= = t td(ond(on) ) +t +tr ru uCECE的下降過(guò)程分為的下降過(guò)程分為t tfv1fv1和和t tfv2fv2兩段。兩段

28、。 t tfv1fv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET單單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程； t tfv2fv2MOSFETMOSFET和和PNPPNP晶體晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程程。 (2) IGBTIGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性3.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖3-11 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間t td(offd(off）電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間t tf f 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t toffoff電流下降時(shí)間又可分為電流下降時(shí)間又可分為t tfi1fi1和和t tfi2fi2兩段。兩段。t tfi1fi1IGBTIGB

29、T器件內(nèi)部的器件內(nèi)部的MOSFETMOSFET的關(guān)斷過(guò)程的關(guān)斷過(guò)程，i iC C下降較快。下降較快。t tfi2fi2IGBTIGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNPPNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程晶體管的關(guān)斷過(guò)程，i iC C下降較下降較慢。慢。 IGBT的關(guān)斷過(guò)程的關(guān)斷過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM3.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PC

30、M包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES(例如：例如：BSM200GB120DN2 )3.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTRGTR大，且大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比通態(tài)壓降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。輸入阻抗高，輸入特性

31、與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFETMOSFET類似。類似。與與MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 3.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管4) IGBT4) IGBT的的擎住效應(yīng)和正偏安全工作區(qū)擎住效應(yīng)和正偏安全工作區(qū)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：NPNNPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻體區(qū)短路電阻，P P形體區(qū)的橫形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J J3

32、 3結(jié)施加正偏壓，一結(jié)施加正偏壓，一旦旦J J3 3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。圖3-12 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)J33.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。最大集電極電流、最大

33、集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）（阻斷）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）(通態(tài)）動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始逐漸解決。4) IGBT4) IGBT的的擎住效應(yīng)和正偏安全工作區(qū)擎住效應(yīng)和正偏安全工作區(qū)3.1.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管5) IGBT5) IGBT的的應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（圖3-25）（圖3-23）（圖3-24）3.2 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件

34、3.2 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊功率模塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求?；瘜?duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集

35、成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPower Integrated CircuitPICPIC）。）。DATASHEET基本概念基本概念3.2.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage ICHigh Voltage ICHVICHVIC）一般指）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路智能功率集成電路（Smart Power ICSmart Power ICSPICSPIC）一般）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。指縱

36、向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIntelligent Power ModuleIPMIPM）則專指則專指IGBTIGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能集成，也稱智能IGBTIGBT（Intelligent IGBTIntelligent IGBT）。實(shí)際應(yīng)用電路實(shí)際應(yīng)用電路3.2.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題問(wèn)題以及以及溫升和散熱的處理

37、溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開(kāi)發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)以前功率集成電路的開(kāi)發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合。合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn)，最近智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn)，最近幾年獲得了幾年獲得了迅速發(fā)展迅速發(fā)展。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀3.3 電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)3.3.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和

38、安全性都有重要的意義。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口3.3.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電電氣隔離氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖3-13 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速

39、型 c) 高傳輸比型3.3.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型和電電壓驅(qū)動(dòng)型壓驅(qū)動(dòng)型。驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路專用集成驅(qū)動(dòng)電路。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。 分類分類（圖3-22）3.3.2 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 IGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)圖3-14M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富

40、士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。 多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。（圖3-27）（圖3-26）3.4 3.4 電力電子器件的串并聯(lián)電力電子器件的串并聯(lián)引言3.4.1 3.4.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)3.4.23.4.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)3.4.3 3.4.3 電力電力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)3.4 電力電子器件的串并聯(lián)引言對(duì)較大型的電力電子裝置，單個(gè)電力電子器件的電壓和電流定額不能滿足要求。在電力電子電路中，采用合適的保護(hù)措施可以充分發(fā)揮電力電子器件的過(guò)載能力，提高電力電子裝置運(yùn)行的可靠性。

41、3.4.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)問(wèn)題問(wèn)題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻。目的目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT23.4.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)靜態(tài)不均壓靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件：串聯(lián)的器件流過(guò)的漏電流相同，但因流過(guò)的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等。各器件分壓不等。動(dòng)態(tài)不均壓動(dòng)態(tài)不均壓：由于器件動(dòng)：由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓的不均壓。目的目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。b)a)RCRCVT

42、1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT23.4.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)靜態(tài)均壓措施靜態(tài)均壓措施：選用參數(shù)和特性盡量一致的器件。采用電阻均壓，R Rp p的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2圖3-15晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施動(dòng)態(tài)均壓措施動(dòng)態(tài)均壓措施：選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓。采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開(kāi)通時(shí)間的差異。3.4.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)問(wèn)題問(wèn)題：會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。的差異而

43、電流分配不均勻。 均流措施均流措施：挑選特性參數(shù)盡量一致的器件。采用均流電抗器。用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流。當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。目的目的：多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流a)IOUUT1IRUT2VT1VT2I2I1UT3.4.3電力電力MOSFET和和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動(dòng)均衡的能力，容易并聯(lián)。注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)。電路走線和布局應(yīng)盡量對(duì)稱。可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用。IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具

44、有負(fù)負(fù)溫度系數(shù)。在以上的區(qū)段則具有正正溫度系數(shù)。并聯(lián)使用時(shí)也具有電流的自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)。電力電力MOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)3.5 電力電子器件器件的保護(hù)電力電子器件器件的保護(hù)3.5.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因操作過(guò)電壓操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起雷擊過(guò)電壓雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起：由雷擊引起 （圖圖3-283-28）內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程過(guò)程換相過(guò)電壓換

45、相過(guò)電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會(huì)由線極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。關(guān)斷過(guò)電壓關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。 電力電子裝置可能的過(guò)電壓電力電子裝置可能的過(guò)電壓外因過(guò)電壓外因過(guò)電壓和內(nèi)內(nèi)因過(guò)電壓因過(guò)電壓3.5.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)措施過(guò)電壓保護(hù)措施圖3-16過(guò)電壓抑制措施及配置位置F避雷