電力電子第五版第4講_5

1、電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊圖圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號 圖圖2-8 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 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 GTO的導(dǎo)通工作原理與的導(dǎo)通工作原理與SCR一樣，一樣，可以利用雙晶體管模型解釋；可以利用雙晶體管模型解釋； GTO的關(guān)斷工作原理與的關(guān)斷工作原理與SCR不一樣，不一樣

2、，原因在于：原因在于：（1）GTO的的 1+ 2之和稍大于之和稍大于1。 1+ 21.05，處在臨界飽和，為門極信，處在臨界飽和，為門極信號去關(guān)斷陽極電流提供了可能性。號去關(guān)斷陽極電流提供了可能性。正反饋飽正反饋飽和深度淺。和深度淺。（2）SCR的的 1+ 2之和大于之和大于1。 1+ 21.15，正反饋處在深度飽和，關(guān)，正反饋處在深度飽和，關(guān)斷困難。斷困難。（3） 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，是器件臨界導(dǎo)通的條件，也就是正反饋產(chǎn)生的條件。也就是正反饋產(chǎn)生的條件。圖圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形的開通和關(guān)斷過程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstd

3、trt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流儲存的大量載流子的時間子的時間等效晶體管從飽等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減陽極電流逐漸減小時間小時間 殘存殘存載流載流子復(fù)子復(fù)合所合所需時需時間間 圖圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動+表示高表示高摻雜濃摻雜濃度，度，-表表示低摻示低摻雜濃度雜濃度 Iiiceobc圖圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動 i

4、ibc在應(yīng)用中，在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流法。集電極電流ic與基極電流與基極電流ib之比為之比為 稱為稱為GTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，它反映，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，時，ic和和ib的關(guān)系為的關(guān)系為 單管單管GTR的的 值比處理信息用的小功值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為率晶體管小得多，通常為10左右，采用左右，采用達林頓接法達林頓接法可以有效地增大電流增益?？梢杂行У卦龃箅娏髟鲆?。(2-9)(2-10)空穴流電

5、子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖圖2-17 共發(fā)射極接法時共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性的輸出特性ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖圖2-18 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形的開通和關(guān)斷過程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。 是用來除去飽和導(dǎo)是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分

6、。時間的主要部分。 實際使用實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得低得 多。多。BUBUBUBUBUceocercescexcboSOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖圖2-19 GTR的安全工作區(qū)的安全工作區(qū)二次擊穿二次擊穿功率功率 安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點將不同基極電流下二次擊穿的臨界點 連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 GTR工作時不僅不能超過最高電壓工作時不僅不能超過最高電壓 UceM，集電極最大電流，集電

7、極最大電流IcM和最大耗散功和最大耗散功 率率PcM，也不能超過，也不能超過二次擊穿臨界線二次擊穿臨界線。N+GSDP 溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-19圖圖2-20 電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形符號GSDfsddUIG 圖圖2-21 電力電力MOSFET的的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性(2-11) 是電壓控制型器件，其輸入阻是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小?？箻O高，輸入電流非常小。輸出特性輸出特性 是是MO

8、SFET的的漏極漏極伏安特性。伏安特性。 截止區(qū)截止區(qū)（對應(yīng)于（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、的截止區(qū)）、飽和區(qū)飽和區(qū)（對應(yīng)于（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、的放大區(qū)）、非飽非飽和區(qū)和區(qū)（對應(yīng)于（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個區(qū)域，的飽和區(qū)）三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加。電流相應(yīng)增加。 工作在工作在開關(guān)開關(guān)狀態(tài)，即在狀態(tài)，即在截止區(qū)截止區(qū)和和非飽非飽和區(qū)和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。之間來回轉(zhuǎn)換。本身結(jié)構(gòu)所致，本身結(jié)構(gòu)所致，漏極漏極和和源極源極之間形成之間形成了一個與了一個與MOSFET反向并

9、聯(lián)的反向并聯(lián)的寄生二極寄生二極管管。通態(tài)電阻具有通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)，對器件并，對器件并聯(lián)時的聯(lián)時的均流均流有利。有利。 圖圖2-21 電力電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性輸出特性信號iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd (off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+ UE圖圖2-22 電力電力MOSFET的開關(guān)過程的開關(guān)過程 a)測試電路測試電路 b) 開關(guān)過程波形開關(guān)過程波形up為矩形脈沖電壓為矩形脈沖電壓信號源，信號源，Rs為信號為信號源內(nèi)阻，源內(nèi)阻，RG為柵極為柵極電阻，電阻，RL為漏極負為漏極負載電阻，載電

10、阻，RF用于檢用于檢測漏極電流。測漏極電流。 (a)(b)圖圖2-23 IGBT的結(jié)構(gòu)、的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣簡化等效電路和電氣圖形符號圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖斷面示意圖 b) 簡化等簡化等效電路效電路 c) 電氣圖形符電氣圖形符號號RN為晶體為晶體管基區(qū)內(nèi)的管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。調(diào)制電阻。 （a）圖圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電為參考變量時，集電極電流流IC與集射極間電壓與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 分為三個區(qū)域：分為三個區(qū)域：正向正向阻斷區(qū)阻斷區(qū)、有源區(qū)有源區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。 當當UCE0時，時，IGBT為為反向阻斷工作狀態(tài)。反向阻斷工作狀態(tài)。 在電力電子電路中，在電