电力电子技术chapter2-3讲义

1、2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,2.4.2 电力晶体管,术语用法 电力晶体管（Giant Transistor GTR，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 Transistor BJT），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. 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,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,1. GTR的结构和工作原理,GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,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：,与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。, 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 。-GTR是电流控制器件,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,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,产品

2、说明书中通常给出直流电流增益 hFE hFE -在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,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。,主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,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。,2. GTR的基本特性,1) 静态特性,共发射极接法时GTR 的输出特性,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,2) 动态特性,GTR的开通和关断过程电流波形,开通时，ib为正电流脉冲；,关断时，ib为负电流脉冲,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,（1）开通过程,延迟时间 td和上升时间tr .,td 主要是由发射结势垒 电容和集电结势垒电容 充电产生的。增大ib 的 幅值并增大 dib / dt，可 缩短延迟时间，同时可 缩短上升时间，从而加 快开通过程 。,开通时间 ton :,t

3、on = td + tr,td,tr,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,储存时间ts和下降时间tf。 ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。,（2）关断过程,关断时间 toff :,toff = ts + tf,ts,tf,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流 Ib2 的幅值和负偏压，可缩短储存时间 ts，从而加快关断速度。 负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降 Uces 增加，从而增大通态损耗。 GTR 的开关时间在几微秒以内，比晶闸管短很多。,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,3. GTR的主要参数,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

4、时，为确保安全，最高工作电压要比 BUceo 低得多。,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,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。,2) 集电极最大允许电流IcM,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 。,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。-一次击穿 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 。,4. GTR的二次击穿现象与安全工作区,-二次击穿,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,安全工作区（Safe Operating Area SOA） 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。,2019年10月22日星期二,

5、第1章 电力电子器件,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor FET） 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 Transistor SIT）,2.4.3 电力场效应晶体管,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,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，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 。,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,1）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。,1. 电力MOSFET的结构和工作原理,2019年10月22日星期二,第1章 电力电

6、子器件,导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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。 电力MOSFET的多元集成结构。 国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元。 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元。 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列 。,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,信息电子中小功率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）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。 按垂直导电结构的差异又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,2）电力MOSFET的结构,电力MOSFET的结构和电气图形符号,b),a),2019年10月2

7、2日星期二,第1章 电力电子器件,2. 电力MOSFET的工作原理,由于P基区与N- 漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无导电沟道，故无电流流过.,截止,- 漏源极间加正电源， 栅源极间电压为零.,无导电沟道,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,导通,- 漏源极间加正电源，在栅源极间加正电压UGS,生成导电沟道,UGS UT 时， 将产生N导电沟道，漏源间有电流ID流过。,ID,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,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. 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J1消失，漏极和源极导电.,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,3. 电力MOSFET的基本特性,漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性. 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.,ID,UT,1

8、) 静态特性,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,b) 输出特性,漏源电压UDS增加时 漏极电流ID不再增加,饱和,非饱和,漏源电压UDS增加时 漏极电流ID相应增加,50 40 30 20 10,0 10 20 30 40 50,UDS /V,ID /A,UGS = UT = 3V,UGS =8V,UGS =4V,UGS =5V,UGS =6V,UGS =7V,非 饱 和 区,截止区,饱,和,区,POWER-MOSFET工作在截止区和非饱和区,ID,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,需要保持 Ugs 的值，以使电流通过. 门电流为零，除了开关作用期间的充放电过程。 开关时间短（几个ns-几百ns）。 源漏极之间的导通电阻较大。 Rds（on）=kBVss2.5-2.7，k取决于器件的几何尺寸，正的温度特性。,50 40 30 20 10,0 10 20 30 40 50,UGS /V,ID /A,UGS =UT=3V,UGS =8V,UGS =4V,UGS =5V,UGS =6V,UGS =7V,非 饱 和 区,截止区,饱,和,区,1),4),b)

9、输出特性,2),3),2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,2) 动态特性,a)测试电路 b)开关过程波形,电力MOSFET开关过程,uGS,uGSp,uT,0,0,iD,uP,td(on),tri,t,trv,td(off),t,t,0,uDS ,uDS ,iD,tfv,tfi,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,(1) 开通过程 开通延迟时间td(on) up前沿时刻到 uGS = UT并开始出现 iD的时刻间的时间段. 电流上升时间tri uGS从 uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段.,电压下降时间tfv uGS上升到UGSP时， uDS 开 始下降，下降到零时的时间段.,开通时间ton ：,ton = td(on) + tri + tfv,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,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，uDS开始上升的时间段. 电流下降时间tfi 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 :,(2) 关断过程,电压上升时间trv uDS上升到稳态值得时间。 uGS =UGSP .,toff = td(off) + trv + tfi,2019年10月22日星期二,第1章 电力电子器件,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。,2019年10月22日星期二,第1

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