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1、1,第四讲,全控型器件及其他新型 电力电子器件,教师：孔祥新地点：JC202,曲阜师范大学 电气信息与自动化学院,2,回顾-整流器件的应用,功率二极管的基本特性：,P,N,A,K,A,K,VD,具有单向导电性,3,功率二极管的类型,整流二极管：通态正向压降很低，反向阻断电压和工作电流可以高达几千伏和几千安，但反向恢复时间较长。多用于开关频率不高的场合，一般在1KHz以下。快速恢复二极管：恢复时间短，尤其是反向恢复时间短，一般在5微秒以内，多用于与可控开关配合的高频电路中。肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，其反向恢复的时间更短。适用于较低输出电压和要求较低正向管压降的换流
2、电路中。,4,二极管的应用,续流限幅钳位稳压整流倍压整流,5,4.1 门极可关断晶闸管,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。,图1-13 GTO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,1）GTO的结构和工作原理,6,4.1 门极可关断晶闸管,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。,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。,由P1N1P2和N1P2N2构成的两
3、个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。,7,4.1 门极可关断晶闸管,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：,设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,图1-7 晶闸管的工作原理,8,4.1 门极可关断晶闸管,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关断过程中有强烈正反馈使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 。,由上述分析我们可以得到以下结论
4、：,9,4.1 门极可关断晶闸管,开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf 尾部时间tt 残存载流子复合。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，ts越短。,图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,10,4.1 门极可关断晶闸管,GTO的主要参数, 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。, 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。,（2） 关断时间toff,（1）开通时间ton,不少GTO都制造成逆导型，类似于逆
5、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。,11,4.1 门极可关断晶闸管,（3）最大可关断阳极电流IATO,（4） 电流关断增益off,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。,（1-8）,12,4.2 电力晶体管,电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Trans
6、istorBJT），英文有时候也称为Power BJT。DATASHEET 1 2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。,术语用法：,13,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 。,4.2 电力晶体管,1）GTR的结构和工作原理,图1-15 GTR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,14,4.2 电力晶体管,在应用中，GTR一般
7、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）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。,1）GTR的结构和工作原理,15,4.2 电力晶体管,(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。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。,图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,2）GTR的基
8、本特性,16,4.2 电力晶体管,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。加快开通过程的办法 。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 。加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,图1-17 GTR的开通和关断过程电流波形,(2) 动态特性,17,4.2 电力晶体管,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
9、关。BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,3）GTR的主要参数,18,4.2 电力晶体管,通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3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 。,2)集电极最大允许电流IcM,19,4.2 电力晶体管,一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。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
10、突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。,安全工作区（Safe Operating AreaSOA）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。,图1-18 GTR的安全工作区,GTR的二次击穿现象与安全工作区,20,4.3 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,特点用栅极电压
11、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 。,电力场效应晶体管,21,4.3 电力场效应晶体管,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。DATASHEET,1）电力MOSFET的结构和工作原理,22,4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的结构,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。
12、采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。,图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,23,4.3 电力场效应晶体管,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（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，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（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。,电力MOSFET的结构,24,4.3 电力场效应晶体管,截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成
13、的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。,图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力MOSFET的工作原理,25,4.3 电力场效应晶体管,(1) 静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。,图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,2）电力MOSFET的基本特性,26,4.3 电力场效应晶体管,截止区（对应
14、于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,MOSFET的漏极伏安特性：,27,4.3 电力场效应晶体管,开通过程开通延迟时间td(on) 上升时间tr开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,a,）,b,),图1-21 电力MOSFET的开关
15、过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流,(2) 动态特性,28,4.3 电力场效应晶体管,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,MOSFET的开关速度,29,4.3 电力场效应晶体管,3) 电力MOSFET的主要
16、参数,电力MOSFET电压定额,(1)漏极电压UDS,(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,(3) 栅源电压UGS, UGS20V将导致绝缘层击穿 。,除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：,(4)极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,30,4.4 绝缘栅双极晶体管,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 )GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中
17、小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。,31,4.4 绝缘栅双极晶体管,1) IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,32,4.4 绝缘栅双极晶体管,图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N
18、沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,IGBT的结构,33,4.4 绝缘栅双极晶体管,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小
19、，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,IGBT的原理,34,a,),b,),4.4 绝缘栅双极晶体管,2) IGBT的基本特性 (1)IGBT的静态特性,图1-23 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性,转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th),输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。,35,4.4 绝缘栅双极晶体管,图1-24 IGBT的开关过程,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间tonuCE的下降过程分为tf
20、v1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,(2)IGBT的动态特性,36,4.4 绝缘栅双极晶体管,图1-24 IGBT的开关过程,关断延迟时间td(off）电流下降时间 关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,IGBT的关断过程,37,4.4 绝缘栅双极晶体管,3) IGBT的主要参数,正常工作温度下允许的最大功耗 。,(3) 最大集电极功耗PCM,包括
21、额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。,(2) 最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,(1) 最大集射极间电压UCES,38,4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的特性和参数特点可以总结如下：,开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。,39,4.4 绝缘栅双极晶体管,擎住效应或自锁效应：,IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件 。,最
22、大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。,反向偏置安全工作区（RBSOA）,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。,正偏安全工作区（FBSOA）,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。,NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。,40,1.5 其他新型电力电子器件,1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5
23、.3 静电感应晶闸管SITH1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5 功率模块与功率集成电路,41,1.5.1 MOS控制晶闸管MCT,MCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合(DATASH
24、EET),42,1.5.2 静电感应晶体管SIT,多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,SIT（Static Induction Transistor）结型场效应晶体管,43,1.5.3 静电感应晶闸管SITH,SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，
25、但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。,SITH（Static Induction Thyristor）场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）,44,1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT,20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。DATASHEET 1 2,IGCT（Integrated
26、 Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）,45,1.5.5 功率模块与功率集成电路,20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。DATASHEET,基本概念,46,1.5.5 功率模块与功率集成电路,高压集成电路（High
27、Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。,实际应用电路,47,1.5.5 功率模块与功率集成电路,功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。,发展现状,
