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1、杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽省高等学校精品课程,电 力 电 子 技 术,Power Electronic Technology,上次课主要内容回顾,上次课主要内容回顾,上次课主要内容回顾,晶闸管工作特性：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都将保持导通要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即维持电流以下。,上次课主要内容回顾,上次课主要内容回顾,上次课主要内容回顾,晶闸管的分类：,1、快速晶闸管FST,上次课主
2、要内容回顾,2、双向晶闸管TRIAC,3、逆导晶闸管RCT,4、光控晶闸管LTT,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,1.3.4 晶闸管的派生器件,图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号 b)伏安特性,1）又称之为光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管,2）大功率LTT装有光缆，光缆上装有发光二极管或半导体激光器,3）提供了电气隔离，避免电磁干扰的影响,4）多用于高压大功率场合,1.4 典型全控型器件,1.4 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（GTO）电力晶体管（GTR）电力场效应晶体管（PMOSFET）绝缘栅双极晶体管
3、（IGBT）,1.4.1 门极可关断晶闸管Gate-Turn-Off Thyristor(GTO),1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）,GTO的结构和工作原理GTO的动态特性GTO的主要参数,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）,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：GTO是一种多元的功率
4、集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,工作原理：与普通晶闸管一样：1）可以用下图所示的双晶体管模型来分析2）1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,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：1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有
5、利门极控制关断，但导通时管压降增大3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,导通过程:与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流当IA和IK的减小使1+21时，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,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,动态特性,1.4.1 门极可关断晶闸
6、管（GTO）,开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）动态特性,关断过程：与普通晶闸管有所不同:,1)需要经历抽取饱和导通时存储大量载流子的时间存储时间ts，使晶体管退出饱和状态,2)从饱和区到放大区阳极电流逐渐减小的时间下降时间tf,3)残存载流子复合的时间尾部时间tt,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）动态特性,门极负脉冲电流波形对关断时间的影响的影响：,1)门极负脉冲电流的幅值和前沿陡度会影响储存时间ts，幅值愈大，前沿越陡，ts 就越短；,2)门极负脉冲电流后沿陡度影响复合时间tt，门极负脉冲后沿缓慢衰减，保持一段时间负压
7、，可以缩短尾部时间,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）,GTO参数,GTO的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1）开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1-2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,GTO的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2）关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,3）最大可关断阳极电流IATO:GTO
8、的额定电流4）电流关断增益off 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）,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,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,1.4.2 电力晶体管（Giant Transitor）,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,GTR的结构和工作原理GTR的基本特性GTR的主要参数GTR的二次击穿现象和安全工作区,术语用法：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（Bip
9、olar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,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取代与普通的双极结型晶体管基本原理一样，但器件制造时的侧重点有所不同主要特性是耐压高、电流大、开关特性好目前常用GTR器件：单管、达林顿管、模块。,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,达林顿双极功率晶体管Darli
10、ngton Power Bipolar Transistor,达林顿接法,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR结构和工作原理,GTR的结构示意图（单管）,一般采用共发射极接法，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。hFE是直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE,1.4.2 电力晶体管（Giant
11、Transistor）GTR结构和工作原理,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,(1)静态特性分为输入特性和输出特性。输入特性表示在Uce一定时，基极电流与基极-发射极电压之间的函数关系。与二极管正向伏安特性曲线相似。Uce增大时，输入特性会向右移动。当Uce1V时，其影响作用很小。环温,Uce=1,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,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，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区,图1-16
12、共发射极接法时GTR的输出特性,准饱和区,饱和区：晶体管发射极集电极间等效电阻最小且不随基极电流而改变。,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,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，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，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,准饱和区,截止区：集电结、发射结都处于反偏状态或者集电结反偏发射结偏压为0，此时发射区不向基区注入载流子，不能形成工作电流，只有漏电流。,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的
13、基本特性,在相同温度下，增益随Uce上升而增大（基区宽度调制效应）温度对增益影响与电流有关，大电流的负温度特性，利于并联Ic较小是，增益随Ic增大而增大（因基区复合电流占的比重越来越小），Ic较大时，情况相反（“柯克”效应）,(2)动态特性,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,开通时间,延迟时间td，主要是对发射结、集电结电容充电；,上升时间tr，随发射区向基区注入载流子的增多，电流开始增大；,td影响因素：发射结、集电极结电容的大小，初始正向驱动电流及其上升率，以及跳变前反向偏置电压的大小；,tr影响因素：与电流增益及稳态电流值的大小有关,(2)动态特
14、性,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,关断时间,存储时间ts，从撤销正向驱动信号到集电极电流下降到90%。过剩载流子从体内抽走的过程；,下降时间tf，Ic由90%到10%的时间；,ts影响因素：饱和程度、反向驱动电流的大小；,tr影响因素：结电容和正向集电极电流,关断时间（微秒）比开通时间（ns）大的多,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,GTR主要参数,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
15、值时会发生击穿击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR主要参数,2)集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/2-1/3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,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR主要参数,一次击穿电压
16、承受能力是电力电子器件的重要工作特性之一。GTR在其开关应用中的电压承受能力主要由它的集电结击穿特性决定的。,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR二次击穿现象,集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR二次击穿现象,二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的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，再经数次类似过程之后必永久损坏。实际应用中，二次击穿并不总是发生在一次击穿之后。,安全工作区（
17、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,集电极最大允许电流,二次击穿功耗,最大耗散功率,最高工作电压,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR安全工作区,1.4.3 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,1.4.3 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的基本特性电力MOSFET的主要参数,1.4.3 电力场效应晶体管（Power Field Effect
18、 Transistor）,场效应晶体管：有电压信号控制电流的半导体器件。场效应晶体管分为结型和绝缘栅型,结型：利用PN结的反向电压对耗尽层厚度的控制来改变漏、源极之间导电沟道的宽度，从而控制漏、源极之间的等效电阻和电流的大小。,1.4.3 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,场效应晶体管：有电压信号控制电流的半导体器件。场效应晶体管分为结型和绝缘栅型,绝缘栅型：利用栅极、源极之间电压形成电场来改变半导体表面感生电荷的多少，改变导电沟道的导电能力，控制漏、源极之间的等效电阻和电流,SiO2绝缘层,电力场效应管也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field
19、Effect TransistorFET）但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）,1.4.3 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,1.4.3 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,1、结构和工作原理,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
20、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,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,电子载流子具有更高的迁移率，利于提高电流密度,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,电力MOSFET的结构,非电力MOS管，即小功率MOS管采用的是平面水平沟道作用，电流方向与芯片表面平行。电力MOSFET具有垂直于芯片表面的导电路径，也称VMOS。其源极和漏极分置于芯片两个表面，具有较高的通流能力和耐压能力。,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,按垂直导电结构的差异，电力MOSFET又分为：
21、利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）,电场集中,由于电力MOS是多元集成结构，可按器件单元的平面布局特征取名。如 International Rectifier的HEXFET采用正六边形结构 Siemens的SIPMOSFET采用了正方形结构 Motorola的TMOS采用矩形单元的“品”字形排列,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,电力MOSFET的结构,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,电力MOSFET的结构,截止：漏
22、源极间加正电源，栅源极间电压为零P基区与N区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,电力MOSFET的结构,导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,电力MOSFET的结构,导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使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结消失，漏极和源极导电,1.4.3 电力场效应
23、晶体管结构和工作原理,电力MOSFET的结构,MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小。驱动电路简单，需要的驱动功率小导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型器件；,1.4.3 电力场效应晶体管结构和工作原理,1.4.3 电力场效应晶体管,2 电力MOSFET的基本特性,1.4.3 电力场效应晶体管,1)静态特性 可以用转移特性和输出特性表述,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,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，表征MOSFET
24、的放大能力。曲线的斜率定义为 跨导GfsID较大时，ID与UGS的关系近似线性，,在一定范围内UGS越高，通态时MOSFET的等效电阻越小，管压降UDS也小些，为保证通态时漏-源极之间的等效电阻、管压降尽可能小，UGS通常设计为大于10V。,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,MOSFET漏极伏安特性（输出特性）：指在一定的UGS时，漏极电流ID与漏-源电压UDS之间的关系曲线。,当UGSUT时，器件处于截止状态。当外加UDS超过击穿折转电压UBR时，器件被击穿，使ID急剧增大。应避免该情况。,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,GTR的截止区,GTR的放大区,
25、GTR的饱和区,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,寄生二极管,只有反向电压达到一定值后反向二极管才会导通,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利,正温度系数：发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。,正温度系数的原因：在于其单极性，即其导电靠多数载流子的迁移，温度越高载流子的迁移率越低，电阻越高。,正温度系数消除了器件热点二次击穿现象,2)动态特性,图1-21 电力MOSFET的开关过程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
26、测漏极电流,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,开通过程开通延迟时间td(on)：从up前沿到UGS=UT并开始出现iD原因：栅极电容充电所致影响因素：输入电容、信号源内阻上升时间tr：UGS从开启电压上升到MOS管进入非饱和区时对应的电压uGSP开通时间ton=+td+tr,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻RL决定,uGS达到uGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变,关断过程关断延迟时间td(off)：up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间
27、段原因：栅极输入电容通过输入电阻放电。,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段,关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系，使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10-100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET基本特性,场控器件，静态
28、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。,3.电力MOSFET的主要参数,1.4.3 电力场效应晶体管,3.电力MOSFET的主要参数 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之还有:1)漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额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 栅源之间的绝缘层很薄，UGS20V将导致绝缘层击穿4)极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET主要参数,厂家提供：漏源极短路时的输入电容C
29、iss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss Ciss=CGS+CGD Crss=CGD Coss=CDS+CGD 输入电容可近似用Ciss代替 这些电容都是非线性的,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET主要参数,漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区,一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点,1.4.3 电力场效应晶体管PMOSFET主要参数,特点用栅极电压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，开关时间短，一般为纳秒级，工作频率高热稳定性优于GTR（热电反馈二次击穿）,电流容量小，耐压低，一般只适用
30、于功率不超过10kW的电力电子装置,1.4.3 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transitor）,1 IGBT的结构和工作原理2 IGBT的基本特性3 IGBT的主要参数4 IGBT的擎住效应和安全工作区,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,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。但是导通压降大。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,根据开关状态的控制方式
31、的不同，有不同类型的Bi-MOS器件。比如有将单、双极器件按达林顿方式结合在一起的利用MOS器件的漏极电流控制双极器件开关状态的电流型控制方式（器件集成），也有直接利用MOS栅控制双极器件导电沟道的电压型控制方式。电压控制型：只能控制开通的MOS栅晶体管（MGT），能控制通断的绝缘栅晶体管IGBT，以及由IGBT引出的一些新型器件如MOS控制的晶闸管（MCT）。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MO
32、SFET的市场，中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。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的结构和工作原理,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,1.4.4 绝缘栅双极晶体管结构和工作原理,IGBT的结构N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）P沟道VDMOSFET与GTR组合P沟道IGBT（P-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1，使得IGBT具有很强的通流能力,1.4.4 绝缘栅双极晶体管结构和工作原理,IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决
33、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,导通后的N飘逸区电导调制效应，减小了电阻RN，使得高耐压IGBT的通态压降也较低。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管结构和工作原理,IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定关断：栅射极间施加反压或撤除uGE时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得VJ1截止，IGBT关断,1.4.4 绝缘栅双极晶体管结构和工作原理,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,2、IGBT的基本特性,1）IGBT的静态特性同样可以用转移特性和输出特性表述,图1-23 IGB
34、T的转移特性和输出特性a)转移特性 b)输出特性,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似,开启电压UGE(th)：IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高略有降低 UGE最大值限制,输出特性（伏安特性）UGE一定时，IC与UCE间的关系分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,P+N+的正向偏压所致,IGBT不适合要求器件压降低于0.7V的场合使用,通态压
35、降:VDC(on)=VJ1+VN+IDRon,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,电流分配:,高压IGBT中PNP的电流放大倍数小于1，因此，流过MOS管的电流构成IGBT电流的主要部分。,2)IGBT的动态特性,IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td(on)从UGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%ICM 电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,2)IGBT的动态特性,IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为M
36、OSFET运行开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和uCE的下降过程分为tfv1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,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,IGBT的关断过程关断延迟时间td(off)从UGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM电流下降时间tfiC从90%ICM下降至10%ICM关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,2)IGBT的动态特性,IGBT的关断过程电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT内部
37、MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢（非平衡载流子的复合过程）,2)IGBT的动态特性,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间是互相矛盾的参数。实际应用中，需根据具体情况合理选择。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,IGBT的开关时间与漏极电流、门极电阻以及结温等参数有关。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管基本特性,3、IGBT的主要参数,1.4.4 绝缘栅双极晶体管
38、,1）最大集射极间电压UCES：内部PNP晶体管所能承受的击穿电压2）最大集电极电流：允许通过集电极的最大电流。包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3）最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大耗散功率,1.4.4 绝缘栅双极晶体管主要参数,IGBT的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当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，特别是在电流较大的区域输入阻抗高，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
39、时保持开关频率高的特点,1.4.4 绝缘栅双极晶体管主要参数,4、IGBT的擎住效应和安全工作区,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,寄生晶闸管该晶闸管由寄生三极管Vj2和VJ1组成。Rbr为Vj2的基极和发射极间的体区电阻。Rbr上的电压降作为一个正向偏压加在Vj2的基极和发射极之间。,当IGBT处于截止态和正常稳定通态时，Rbr上的压降都很小，不足以产生Vj2的基极电流，Vj2不起作用。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管擎住效应和安全工作区,寄生晶闸管,但是如果ic瞬时过大，Rbr上压降过大，则可能使Vj2导通，一旦Vj2通，即使撤除栅极电压，IGBT仍会像晶闸管一样处于通态，使栅极G失去控制作用。
40、这种现象称为擎住效应。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管擎住效应和安全工作区,擎住效应：静态擎住效应和动态擎住效应,静态擎住效应：发生于导通状态的IGBT中。即流过IGBT的电流过大，致使Rbr上的压降足以使VJ2的发射结导通。,动态擎住效应：发生于发生于IGBT的关断过程中。MOS管迅速关断，J2结反向电压迅速建立，此时会发生J2结电容电压变化引起位移电流，该位移电流同样会在体电阻Rbr上产生压降。,1.4.4 绝缘栅双极晶体管擎住效应和安全工作区,A,动态擎住效应主要由电压变化率决定，还受集电极电流和结温的影响。他比静态擎住效应所容许的电流更小,IGBT安全工作区：正向偏置安全工作区（FBSO
41、A）和反向偏置安全工作区（RBSOA）正向偏置安全工作区（FBSOA)导通工作状态的参数极限范围：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反向偏置安全工作区（RBSOA）阻断工作状态的参数极限范围：最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定,1.4.4 绝缘栅双极晶体管擎住效应和安全工作区,GTO：管压降较大，容量较大（通流和耐压能力），fs较低，只能用于工频场合，电流驱动，驱动电路复杂（所有全控型器件中最复杂），驱动电流很大。GTR：电流驱动，容量中等，管压降较低，开关频率中等，驱动较复杂IGBT：与GTR比，容量和管压降差不多，但是fs明显增加，开通
42、损耗也更小。MOSFET：fs最高，但是通流容量较小，承受电压较低,各类全控型器件的总结,IGBT的常见封装,1.5 其他新型电力电子器件,MOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT功率模块与功率集成电路,1.5 其他新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCT,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合集成度高于GTOMCT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。,每个元的组成为：在晶闸管结构中引进一对MOSFET管控制晶闸管导通关
43、断静态特性与晶闸管一样触发驱动电路简单20世纪80年代出现，但是结构和制造工艺比较复杂，成品率不高,1.5 其他新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCT,SIT（Static Induction Transistor）结型场效应晶体管1970年研制通过外加电压形成静电场作用控制通断，故称为静电感应晶体管开关作用类似于一个继电器的常闭触点,隐埋栅SIT,表面栅SIT,1.5 其他新型电力电子器件SIT,SITH（Static Induction Thyristor）场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）1972年研究，结构原理与SIT相似一般也是正常导通型，但也有
44、正常关断型与SIT在高频大功率装置和逆变电源、开关电源，放电设备电源等新型电源中有优势,1.5 其他新型电力电子器件SITH,隐埋栅SIT,表面栅SIT,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）集成门极换流电路，GCT（Gate-Commutated Thyristor）20世纪90年代后期出现电流大、电压高、开关频率高，结构紧凑、可靠性高、损耗低、制造成本不高，成品率较高今后可能应用于高压直流输电系统的工频AC/DC、DC/AC变换，无功补偿等装置,1.5 其他新型电力电子器件IGCT,功率模块与功率集成电路电力电子器件的发展趋势模块化电力电子开关模块：把同类的开关器件或不同类的一个或多个开关器件，按一定的电路拓扑结构连接并封装在一起的组合体电力电子开关模块又称功率模块,1.5 其他新型电力电子器件功率模块与功率集成,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）高压集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）、智能功率模块（IPM）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。,1.5 其他新型电力电子器件功率模块与功率集成,
