電力電子技術(shù)7匯編

1、電力電子變流技術(shù)第 二十七 講主講教師：隋振學(xué)時：321第7章 自關(guān)斷器件7.1 電力晶體管7.2 可關(guān)斷晶閘管7.3 電力場效應(yīng)晶體管7.4 絕緣柵雙極晶體管7.5 驅(qū)動電路27.1 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。DATASHEET 1 2應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術(shù)語用法：3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

2、、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達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 。7.1 電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖7-1 GTR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 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動47.1 電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（7-2） GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo （7-1）單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10

3、左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理57.1 電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)87.1 電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應(yīng)的Ic 。實際使用時要留有裕量，只能用到Ic

4、M的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2)集電極最大允許電流IcM97.1 電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic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，或者工作特性明顯衰變 。安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM

5、圖7-5 GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)107.2 可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖7-6 GTO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 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理117.2 可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖7-7所示的雙晶體管模型來分析。 圖7-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分

6、別具有共基極電流增益1和2 。127.2 可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 圖7-7 晶閘管的工作原理137.2 可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：147.2 可關(guān)斷晶閘管開通過程：與

7、普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf 尾部時間tt 殘存載流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖7-8 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形GTO的動態(tài)特性157.2 可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時間toff（1）開通時間ton 不少GTO都制

8、造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 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)。167.2 可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。177.3 電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET

9、）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT）特點用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(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10kW的電力電子裝置 。電力場效應(yīng)晶體管187.3 電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。電力MOSFET主要是N溝道增強型。DATASHEET1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理197.3

10、電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機理與小功率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。圖7-9 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號207.3 電力場效應(yīng)晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)217.

11、3 電力場效應(yīng)晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。圖7-10電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力MOSFET的工作原理227.3 電力場效應(yīng)晶體管(1) 靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)

12、非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖7-11 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2）電力MOSFET的基本特性237.3 電力場效應(yīng)晶體管截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。圖7-12電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFE

13、T的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A247.3 電力場效應(yīng)晶體管開通過程開通延遲時間td(on) 上升時間tr開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)下降時間tf關(guān)斷時間toff關(guān)斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖7-13 電力MOSFET的開關(guān)過程

14、a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動態(tài)特性257.3 電力場效應(yīng)晶體管 MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)速度267.3 電力場效應(yīng)晶體管3) 電力MOSFET的主要參數(shù) 電力MOSF

15、ET電壓定額(1)漏極電壓UDS (2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓UGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4)極間電容極間電容CGS、CGD和CDS277.4 絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 )GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)

16、提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。287.4 絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖7-14 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號297.4 絕緣柵雙極晶體管圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P

17、+注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖7-15 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT的結(jié)構(gòu)307.4 絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，

18、MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 IGBT的原理31a)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7.4 絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性 (1)IGBT的靜態(tài)特性圖7-16 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IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th)輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。327.4 絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(o

19、ff)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖7-17 IGBT的開關(guān)過程IGBT的開通過程 與MOSFET的相似開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。 (2)IGBT的動態(tài)特性337.4 絕緣柵雙極晶體管圖7-18 IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時間td(off）電流下降時間 關(guān)斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較

20、快。tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。 IGBT的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM347.4 絕緣柵雙極晶體管3) IGBT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PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓UCES357.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開

21、關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點 。 367.4 絕緣柵雙極晶體管擎住效應(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)（RBSOA）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)（FBSOA）動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的

22、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年代中后期開始逐漸解決。NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。377.5 驅(qū)動電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。

23、驅(qū)動電路主電路與控制電路之間的接口387.5 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(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圖7-19 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型397.5 驅(qū)動電路按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。驅(qū)動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路。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。為達到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。分類407.5 驅(qū)動電路(一)晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖

24、，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。tIIMt1t2t3t4圖7-20理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）晶閘管的觸發(fā)電路417.5 驅(qū)動電路(一) 晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。圖7-21 常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路427.5 驅(qū)動電路(二) 全控型器件的驅(qū)動電路(1) GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似。GTO關(guān)斷控制需施加負(fù)門極電流。圖7-22推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1) 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓GTO驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。437.5 驅(qū)動電路(二) 全控型器件的驅(qū)動電路直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩