電力電子器件(21)

1、第2章 電力電子器件 2.1 電力電子器件概述 2.2 不可控器件電力二極管 2.3 半控型器件晶閘管 2.4 典型全控型器件,2/89,引言,模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件 本章主要內(nèi)容： 對電力電子器件的概念、特點和分類等問題作了簡要概述 。 分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。,3/89,2.1 電力電子器件概述,2.1.1 電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分類,4/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子

2、器件的概念 電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務(wù)的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。,5/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的特征 所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 由信息電子電路來控制 ,而且需要驅(qū)動電路。 自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器

3、件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。,6/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。 當器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增 大而可能成為器件功率損耗的主要因素。,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開關(guān)損耗,開通損耗,關(guān)斷損耗,電力電子器件的功率損耗,7/89,2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動 電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。,電氣隔離,圖2-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,8/89,2.1.3 電力電子器件的分類,按照能夠被控制電路信號所控制的程度 半控型器件 主要是指晶閘管（Th

4、yristor）及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷。,9/89,2.1.3 電力電子器件的分類,按照驅(qū)動信號的性質(zhì) 電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來

5、實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型 必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。,10/89,2.1.3 電力電子器件的分類,按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。,11/89,2.2 不可控器件電力二極管,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類型,12/89,2.2 不可控器件電

6、力二極管引言,電力二極管（Power Diode）自20世紀50年代初期就獲得 應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二 極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當中。 在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基 二極管，具有不可替代的地位。,整流二極管及模塊,13/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,電力二極管是以半 導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的, 實際上是由一個面積 較大的PN結(jié)和兩端引 線以及封裝組成的。 從外形上看，可以有 螺栓型、平板型等多 種封裝。,圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu)

7、 c) 電氣圖形符號,14/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的

8、狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。,15/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,PN結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容 按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。 擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?16/89,2.2.2 電力二極管的基本特性,靜態(tài)特性 主要是指其伏安特性 正向電壓大到一定值（門檻

9、電壓UTO ），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降UF。 承受反向電壓時，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。,圖2-5 電力二極管的伏安特性,17/89,2.2.2 電力二極管的基本特性,u,圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,動態(tài)特性 因為結(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。

10、 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。 延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。,t0:正向電流降為零的時刻,t1:反向電流達最大值的時刻,t2:電流變化率接近于零的時刻,18/89,2.2.2 電力二極管的基本特性,由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過 一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降 的某個值（如2V）。 正向恢復(fù)時間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因:電 導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量 少子需要一定的時間來儲存， 在達到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較 大；正向

11、電流的上升會因器件 自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。 電流上升率越大，UFP越高。,圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,19/89,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。

12、 使用時，應(yīng)當留有兩倍的裕量。,20/89,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。 反向恢復(fù)時間trr 浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。,21/89,2.2.4 電力二極管的主要類型,按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性 能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用 的電力二極管。 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode），多

13、用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。 其反向恢復(fù)時間較長，一般在5s以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高。,22/89,2.2.4 電力二極管的主要類型,快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一 般在5s以下） 。 快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu) ，其 反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns），正向壓降也很 低（0.9V左右）。 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等 級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則 在100ns

14、以下，甚至達到2030ns。,23/89,2.2.4 電力二極管的主要類型,肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于多子器件 優(yōu)點在于：反向恢復(fù)時間很短（1040ns），正向恢 復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情 況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此， 其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率 高。 弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降 也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場 合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不 能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。,24/89,2.3 半控型器件晶

15、閘管,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件,25/89,2.3 半控器件晶閘管引言,晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡稱為可控硅。 由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地 位。,晶閘管及模塊,26/89,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 引出陽極

16、A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。,圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號,27/89,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列出如下方程：,式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。,28/89,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，

17、而1+2是很小的。由上式 可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管 漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致 1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將 趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。 由于外電路負載的限制，IA實際上會維持有限值。,由以上式（2-1）（2-4）可得,(2-5),29/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,靜態(tài)特性 正常工作時的特性 當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通 。 當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存

18、在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。,30/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,晶閘管的伏安特性 正向特性 當IG=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。 如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通 。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。,圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2 I

19、G1 IG,31/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,反向特性 其伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流通過。 當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。,圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG,32/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,動態(tài)特性 開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的正反饋 過程需要時間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不可能 是瞬時的。 延遲時間td (0.51.5s) 上升時間tr (0.53s) 開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨門極電流的增

20、 大而減小,上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還受到外電 路電感的嚴重影響。提高陽極 電壓,延遲時間和上升時間都 可顯著縮短。,圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,33/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,關(guān)斷過程 由于外電路電感的存在，原處 于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突 然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流 在衰減時必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復(fù)時間trr 正向阻斷恢復(fù)時間tgr 關(guān)斷時間tq=trr+tgr 關(guān)斷時間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重 新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管 會重新正向?qū)?，而不是受門極電 流控制而導(dǎo)通。,圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,100%

21、,34/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),電壓定額 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向 峰值電壓（見圖2-9）。 國標規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向 峰值電壓（見圖2-8）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。,35/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),通態(tài)（峰值）電

22、壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電 壓。 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。 選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。 電流定額 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷 卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計算結(jié)果的1.52倍。,36/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),維持電流IH 維持電流是指使晶閘管

23、維持導(dǎo)通所必需的最小電流， 一般為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫越高，則IH越小。 擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號 后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。 約為IH的24倍 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的 不重復(fù)性最大正向過載電流。,37/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),動態(tài)參數(shù) 開通時間tgt和關(guān)斷時間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害

24、影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。,38/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了 明顯改善。 從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速 晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。 高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的 通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。,39/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,雙向晶閘管（Triode

25、AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以認為是一對反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第III象限有對稱的伏安特性。 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。,圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形 符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,40/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,a),K,G,A,逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓

26、的能力，一旦承受反向電壓即開通。 具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。,圖2-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號 和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,41/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,A,G,K,a),AK,光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合。,圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,4

27、2/89,2.4 典型全控型器件,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管 2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,43/89,2.4 典型全控型器件引言,門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。 20世紀80年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個 嶄新時代。 典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、 電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。,電力MOSFET,IGBT單管及模塊,44/89,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,晶閘管的一種派生器件，但 可以通過在門極施加負的脈沖 電流使其關(guān)斷，因而屬于全控 型器件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的結(jié)構(gòu) 是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)

28、構(gòu)。 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚 至數(shù)百個共陽極的小GTO 元，這些GTO元的陰極和門 極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。,圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 電氣圖形符號,45/89,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,GTO的工作原理 仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同 設(shè)計2較

29、大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關(guān)斷。 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。,46/89,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的， 只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。 而關(guān)斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽 出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的 減小使1+21時，器件退出飽和而關(guān)斷。 GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管 開通過程更快，承受di/dt的能力增強。,47/89,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的動態(tài)特性 開通過程與普通晶閘管類似。 關(guān)斷過

30、程 儲存時間ts 下降時間tf 尾部時間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡， ts就越短。使門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當?shù)呢撾妷?，則可以縮短尾部時間。,圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形,48/89,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 最大可關(guān)斷陽極電流IATO 用來標稱GTO額定電流。 電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。 開通時間ton 延遲時間與上升時間

31、之和。 延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而 增大。 關(guān)斷時間toff 一般指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。 儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s。 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當需要承受反向電 壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。,49/89,2.4.2 電力晶體管,電力晶體管（Giant TransistorGTR） 按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、 大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一 樣的。 最主要的特性是耐壓高

32、、電流大、開關(guān) 特性好。,50/89, GTR的結(jié)構(gòu) 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)，并采用集 成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。 GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成 的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。,2.4.2 電力晶體管,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 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,+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度,51/89,2.4.2 電力晶體管,圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動,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,稱為

33、GTR的電流放大系數(shù)，它反映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Iceo時，ic和ib的關(guān)系為,單管GTR的 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可以有效地增大電流增益。,(2-9),(2-10),52/89,2.4.2 電力晶體管,GTR的基本特性 靜態(tài)特性 在共發(fā)射極接法時的典 型輸出特性分為截止區(qū)、放 大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。 在電力電子電路中， GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工 作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 在開關(guān)過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時， 一般要經(jīng)過放大區(qū)。,圖2-17 共發(fā)射極接法時 GTR的輸出特性,53/89,2.4.2

34、 電力晶體管,動態(tài)特性 開通過程 需要經(jīng)過延遲時間td和上升時 間tr，二者之和為開通時間ton。 增大基極驅(qū)動電流ib的幅值并 增大dib/dt，可以縮短延遲時間， 同時也可以縮短上升時間，從而 加快開通過程。 關(guān)斷過程 需要經(jīng)過儲存時間ts和下降時 間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。 減小導(dǎo)通時的飽和深度以減 小儲存的載流子，或者增大基極 抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓， 可以縮短儲存時間，從而加快關(guān) 斷速度。 GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)， 比晶閘管和GTO都短很多。,圖2-18 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形,主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。,是用來除去飽和導(dǎo)通時儲

35、存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。,54/89,2.4.2 電力晶體管,GTR的主要參數(shù) 電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、 集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff 最高工作電壓 GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。 擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。 發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo 基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo 發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces 發(fā)射結(jié)反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex 且存

36、在以下關(guān)系：,實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得 多。,55/89,2.4.2 電力晶體管,集電極最大允許電流IcM 規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的 1/21/3時所對應(yīng)的Ic。 實際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的 一半或稍多一點。 集電極最大耗散功率PcM 指在最高工作溫度下允許的耗散功率。 產(chǎn)品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫 TC，間接表示了最高工作溫度。,56/89,2.4.2 電力晶體管,GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大， 這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。 發(fā)現(xiàn)一

37、次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時 會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊 穿。 出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器 件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。,圖2-19 GTR的安全工作區(qū),二次擊穿功率,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 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 UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。,57/89,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,分為結(jié)型和絕緣柵型，但

38、通常主要指絕緣柵型中 的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡 稱電力MOSFET（Power MOSFET）。 電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點有： 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，多用于功率不超過 10kW的電力電子裝置。,58/89,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。 對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)

39、電溝道的稱為增強型。 在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。,59/89,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 是單極型晶體管。 結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū) 別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，?目前電力MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)電 結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），這大大提高了MOSFET器 件的耐壓和耐電流能力。 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 （Vertical V-groove MOSFET）和具有 垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET （Vertical Double-diffused

40、 MOSFET）。 電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。,圖2-20 電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號,60/89,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,電力MOSFET的工作原理 截止：當漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零 時，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)通 在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。 當UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，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。 UT稱為開啟電壓（或閾值

41、電壓），UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強，漏極電流ID越大。,61/89,電力MOSFET的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 指漏極電流ID和柵源間電壓 UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸 出電流的關(guān)系 。 ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似 線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,圖2-21 電力MOSFET的 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性,(2-11),是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小。,62/89,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,輸出特性 是MOSFET的漏極伏安特性。 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

42、大區(qū)）、非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR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增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加。 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。 本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。 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2-21 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性,63/89,動態(tài)特性 開通過程 開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 電壓下降時間tfv 開通時間ton= td(on)+tr+ tfv 關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時間td(off) 電壓上升時間trv 電流下降時間tfi

43、關(guān)斷時間toff = td(off) +trv+tfi MOSFET的開關(guān)速度和其輸入 電容的充放電有很大關(guān)系，可以降 低柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs，從而減 小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加 快開關(guān)速度。,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,信號,圖2-22 電力MOSFET的開關(guān)過程 a)測試電路 b) 開關(guān)過程波形,up為矩形脈沖電壓信號源，Rs為信號源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負載電阻，RF用于檢測漏極電流。,(a),(b),64/89,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,不存在少子儲存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過程是 非常迅速的。 開關(guān)時間在10100ns之間，其工作頻率可 達100kHz以上，是主要電力電

44、子器件中最高 的。 在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍 需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，所需 要的驅(qū)動功率越大。,65/89,2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,電力MOSFET的主要參數(shù) 跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時間參數(shù)。 漏極電壓UDS 標稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)。 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 標稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。 柵源電壓UGS 柵源之間的絕緣層很薄，UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。 極間電容 CGS、CGD和CDS。 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決 定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。,66/89,2.4.4 絕緣柵雙極

45、晶體管,GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強，但開關(guān)速度較 低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。而電力 MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，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。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR 和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。,67/89,2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的結(jié)構(gòu) 是三端器件，具有柵極G、 集電極C和發(fā)射極E。 由N溝道VDMOSFET與雙 極型晶體管組合而成的IGBT，

46、比VDMOSFET多一層P+注入 區(qū)，實現(xiàn)對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào) 制，使得IGBT具有很強的通流 能力。 簡化等效電路表明，IGBT 是用GTR與MOSFET組成的達 林頓結(jié)構(gòu)，相當于一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶 體管。,圖2-23 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,RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。,68/89,2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,IGBT的工作原理 IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場 控器件。 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 當UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導(dǎo)通。 當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信