电力电子技术第二章-全控型电力电子器件课件.ppt

第二章全控型电力电子器件 主编第一节门极关断晶闸管一、GTO的结构与特点门极关断晶闸管的结构与普通晶闸管相似，也为PNPN四层半导体结构、三端(阳极A、阴极K、门极G)器件其内部结构、等效电路及符号如图21所示图2-1GTO的内部结构、等效电路及符号a)内部结构b)等效电路c)符号第一节门极关断晶闸管二、GTO的主要参数GTO的多数参数与普通晶闸管相同，本节只讨论一些意义不同的参数1.最大可关断阳极电流IATOGTO的最大阳极电流受两个方面的限制：一是额定工作结温的限制；二是门极负电流脉冲可以关断的最大阳极电流的限制，这是由GTO只能工作在临界饱和导通状态所决定的阳极电流过大，GTO便处于较深的饱和导通状态，门极负电流脉冲不可能将其关断通常将最大可关断阳极电流IATO作为GTO的额定电流第一节门极关断晶闸管2.关断增益off关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，其表达式为3.阳极尖峰电压UP阳极尖峰电压UP是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关断电流线性增加，UP过高可能导致GTO失效UP的产生是由缓冲电路中引线电感、二极管正向恢复电压和电容中的电感造成的。

第一节门极关断晶闸管4.维持电流GTO的维持电流是指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维持导通的数值由此可见，当阳极电流略小于维持电流时，仍有部分GTO元继续维持导通，这时若阳极电流恢复到较高数值，已截止的GTO元不能再导电，就会引起维持导通的GTO元的电流密度增大，出现不正常的工作状态5.擎住电流擎住电流是指GTO经门极触发后，阳极电流上升到能保持所有GTO元导通时的最低值第二节电力晶体管一、电力晶体管的结构电力晶体管有NPN和PNP两种结构，其电流由两种载流子(电子和空穴)的运动形成，又称为双极型晶体管(BJT)目前常用的电力晶体管器件有单管GTR、达林顿管和GTR模块三大系列图2-2GTR的结构示意图a)结构剖面示意图b)单管外形图c)电路符号1.单管GTR单管GTR的结构如图22所示其内部结构原理及电极的命名与晶体管相同第二节电力晶体管2.达林顿GTR单管GTR的电流增益低，将给基极驱动电路造成负担达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定，如图23a所示图中的V为驱动管，为输出管图2-3达林顿管结构图a)NPN及PNP型结构b)实用达林顿管结构图第二节电力晶体管3. GTR模块图24所示，是两个三级达林顿GTR及其辅助元器件构成的GTR模块。

它是将图23b中的GTR管芯、稳定电阻和、加速二极管、续流二极管等组装成一个单元，然后根据不同用途将几个单元电路组装在一个外壳之内构成GTR模块现已可将上述单元电路集成制作在同一硅片上，使其小型轻量化，大大提高了器件的集成度和性能价格比图中各元器件及中间级晶体管的基极均有引线引出，如BC、等端子目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝缘的单元电路做在同一模块内，可以很方便地组成三相桥式电路第二节电力晶体管图2-4GTR模块a)GTR模块的外形图b)GTR模块内的等效电路图第二节电力晶体管图2-5集电极输出特性曲线1.共发射极输出特性图25所示为典型的双极型晶体管集电极输出特性曲线，该特性曲线可用来解释GTR的不同工作区域一般可分为4个区：二、电力晶体管的特性第二节电力晶体管(1)放大区(线性区)其特点是发射结正偏，集电结反偏，集电极与基极电流呈线性关系2)饱和区其特征是发射结、集电结都正偏3)准饱和区(临界饱和区)其特征是集电结反偏，发射结正偏，但集电极电流与基极电流不是线性关系4)截止区发射结、集电结反偏，IB为零电力晶体管在变流技术应用中作为开关使用，往返工作于饱和区、截止区在状态转换过程中，快速地通过放大区及准饱和区。

第二节电力晶体管2.饱和压降特性处于深饱和区工作的GTR集电极电压称为饱和压降，用UCES表示此时的基射极电压称为基极正向压降，用UBES表示本来它们是GTR输出特性和输入特性的一个局部，但在大功率应用中变成了两项重要指标，因为它直接关系到器件的导通损耗，所以有必要提醒在使用中引起注意在产品目录中通常给出饱和压降的同时，也给出IC和IB值在不同的工作温度下，IC的大小与UCES及UBES有着密切的关系第二节电力晶体管3. GTR的反向电流与工作温度的关系GTR反向电流的存在不但消耗了一部分电源的能量，而且对于开关的工作没有好处，它影响GTR电路工作时的稳定性因此，希望GTR的反向电流尽可能小，并将反向电流作为检验晶体管质量的一个第二节电力晶体管4.动态特性动态特性描述GTR的开关过程的瞬态性能，又称开关特性在瞬态时，由于PN结电容的充放图2-6GTR开通与关断过程中基极和集电极电流波形电作用，影响了GTR的开关特性此外，为了降低导通时的功率损耗，常采用过驱动的方法，使得基区积累了大量的过剩载流子，在关断时这些载流子的消散严重影响关断时间图2-6所示为GTR开通与关断过程中基极和集电极电流波形图。

图2-6GTR开通与关断过程中基极和集电极电流波形图a)基极电流波形b)集电极电流波形三、电力晶体管的额定参数1.最高工作电压最高工作电压即最高集电极电压额定值，它不仅因器件不同而不同，而且即便是同一器件，也会由于基极电路条件不同而存在差异在晶体管产品目录中BUCEO作为电压容量给出，但不能仅以此项指标确定晶体管实际工作时的工作电压上限2.最大电流额定值ICM最大电流额定值ICM即允许流过集电极的最大电流值为了提高GTR的输出功率，集电极输出电流应尽可能地大但是集电极电流大，则要求基极注入的电流也大，这样会使GTR的电气性能变差，甚至于损坏器件使用中通常只用到ICM的(1/31/2)，以确保使用的稳定与安全3.最高结温额定值TjM一般情况下，塑料封装的硅管结温TjM为125，金属封装的硅管TjM为150，高可靠平面管为1754.最大功耗额定值PCM4.最大功耗额定值PCMPCM指GTR在最高允许结温时所消耗功率，它受结温的限制，其大小由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定由于这部分能量将转化为热能并使GTR发热因此，GTR在使用中的散热条件是十分重要的，若散热条件不好，器件会因温度过高而损坏。

在产品手册中，给出PCM参数的同时，总是给出管壳温度TC，即间接地表示最高结温的参数表格5. GTR的定额参数选取假设流过GTR的电流峰值为ICP、承受的最高电压为UTM在实际应用电路中一般应取GTR的最大电流定额ICM四、二次击穿特性与安全工作区二次击穿是造成GTR突然损坏或早期失效的重要原因在电感性负载和大电流开关电路中，二次击穿更是晶体管毁坏的主要因素靠性的重要因素，必须引起极大的关注1.二次击穿现象当集电极电压UCE逐渐增加到某一数值时，如上述BUCEO、急剧增加，出现击穿现象首先出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要适当限制晶体管的电流(或功耗)，一次一般不会引起晶体管的特性变坏，也不会损坏晶体管但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC将继续增大在极短的时间内，使器件内出现明显的电流集中和过热点电流急剧增大，此现象便称为二次击穿一旦发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏1.二次击穿现象图2-7GTR的安全工作区2.安全工作区(SOA)GTR能够安全运行的范围称为安全工作区(SOA)。

将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成二次击穿的临界线，它受到GTR的直流极限参数ICM、及电压容量BUCEO等问题的限制厂家一般把它们画在双对数坐标上，以安全工作区的综合概念提供给用户，如图2-7所示第三节功率场效应晶体管 功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是对小功率场效应晶体管的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于电压控制型，具有驱动功率小、控制电路简单、工作频率高的特点一、功率场效应晶体管的结构与工作原理1.功率场效应晶体管的结构由电子技术基础可知，小功率场效应晶体管的栅极G、源极S和漏极D位于芯片的同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件，这种结构限制了它的电流容量功率场效应晶体管采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度这种由垂直导电结构组成的场效应晶体管称为VMOSFET图2-8功率MOSFET的结构与符号一、功率场效应晶体管的结构与工作原理2.功率MOSFET的工作原理 当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，P型区和N型漂移区之间的PN结反向，漏源之间无电流流过。

如果在栅极和源极加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有栅流但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面P型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面P型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型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流ID电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强漏极电流ID越大二、功率场效应晶体管的特性1.转移特性转移特性是指功率场效应晶体管的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系如图29a所示当U时，ID近似为零，当UGS时，随着UGS的增大ID也随之增大，当ID较大时，ID与UGS的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为跨导gm2.输出特性输出特性是指以栅源电压UGS为参变量，漏极电流ID与漏极电压UDS之间关系的曲线族如图29b所示输出特性分为三个区域：可调电阻区、饱和区和雪崩区二、功率场效应晶体管的特性图2-9功率MOSFET的转移特性和输出特性二、功率场效应晶体管的特性3.开关特性如图210所示电路可用于测试功率MOSFET的开关特性图中uP为栅极控制电压信号源，RS为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏源负载电阻，RF为检测漏极电流的电阻。

信号源产生阶跃脉冲电压，当其前沿到来时，极间电容Cin（Cin=CGS+CGD）充电，栅极电压uGS按指数曲线上升，如图210b所示当uGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD，从uP前沿到iD出现这段时间称为开通延迟时间td之后，iD随uGS增大而上升，uGS从UT上升到使iD达到稳态值所用的时间称为上升时间tr，开通时间ton表示为二、功率场效应晶体管的特性2z10.tif三、功率场效应晶体管的主要参数1.漏源击穿电压BUDS漏源击穿电压BUDS决定了功率MOSFET的最高工作电压，使用时注意结温的影响，结温每升高100，BUDS约增加10%这与双极型器件SCR及GTR等随结温升高而耐压降低的特性恰好相反2.漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM在器件内部温度不超过最高工作温度时，功率MOSFET允许通过的最大漏极连续电流和脉冲电流称为漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM是功率MOSFET的电流定额参数3.栅源击穿电压BUGS造成栅源之间绝缘层击穿的电压称为栅源击穿电压BUGS栅源之间绝缘层很薄，20V将发生介质击穿三、功率场效应晶体管的主要参数4.极间电容功率MOSFET的极间电容包括CGS、CGD和CDS，其中CGS为栅极电容，CGD是栅漏电容，极间电容是由器件结构的绝缘层形成的。

CDS是漏源电容，是由PN结形成的如图211所示为功率MOSFET的极间电容等效电路表2-1功率MOSFET额定值示例图2-11功率MOSFET极间电容的等效电路第四节绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT(Insulated Gate Biopolar Transistor)，是20世纪80年代中期发展起来的一种。