全控型电力电子器件.ppt

1.3 全控器件1.3.1 可关断晶闸管GTO11.3.2 功率晶体管GTR21.3.3 功率场效应管MOSFET31.3.4 绝缘栅双极型晶体管IGBT4Date11.3.1可关断晶闸管GTO——外形与电路符号GTO 的 外 形电路符号晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断，因而属于全控型器件 ☞GTO的导通过程与普 通晶闸管是一样的， 只不过导通时饱和程 度较浅☞而关断时，给门极加 负脉冲，即从门极抽 出电流，器件退出饱 和而关断☞GTO的多元集成结构 使得其比普通晶闸管 开通过程更快，承受 di/dt的能力增强 Date21.3.1可关断晶闸管GTO——主要参数可以通过门极进行关断的最大阳极电流，当阳极电流 超过IAT0时，门极则无力通过IG将GTO关断GTO的主要参数断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM以及通态平均电压 UT的定义与普通型晶闸管相同，不过GTO承受反向电压的能力较小， 一般URRM明显小于UDRM擎住电流IL和维持电流IH的定义也与普通型晶 闸管相同，但对于同样电流容量的器件，GTO的IH要比普通型晶闸管大 得多GTO还有一些特殊参数如下。

1可关断最大阳极电流IAT0Date31.3.1可关断晶闸管GTO——主要参数βOFF=IAT0/IGRM,这一比值比较小，一般为5左右. 这就是说，要想关断GTO，所要求的门极负电流的 幅度也是很大的如βOFF=5，GTO的阳极电流为1000A ，那么要想关断它必须在门极加200A的反向电流可 以看出，尽管GTO可以通过门极反向电流进行可控关 断，但其技术实现并不容易为关断GTO门极可以施加的最大反向电流门极最大负脉冲电流IGRM2电流关断增益βOFF3Date41.3.2功率晶体管GTR——外形与电路符号电路符号外形电力晶体管（Giant Transistor— —GTR），是一种耐高电压、大电 流的双极结型晶体管，引出三个电 极：发射极、基极、集电极并且 也分为PNP和NPN两大类 最主要的特性是耐压高、电流大 、开关特性好 Date5◆静态特性☞在共发射极接法时的 典型输出特性分为截止区、 放大区和饱和区三个区域 ☞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 ，一般要经过放大区截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1 ib1

接 着是下降时间tf，定义为集电极电流从90%ICO下降 到10%ICO对应的时间关断时间toff=ts+tfGTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和 GTO都短很多开通过程在刚开始施加基极电流 的一段时间内，集电极电 流变化很小，定义从基极 电流的出现到集电极电流 上升至稳定值ICO的10%这 段时间为延迟时间td，然后 集电极电流迅速上升，集 电极电流从10%ICO上升到 90%ICO对应的时间叫做上 升时间tr开通时间ton=td+tr GTR工作在开关状态，在 饱和区和截止区之间相互 切换Date7■（下边的参数含义与放大用的晶体管相同）◆电流放大倍数、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo 、 集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ◆最高工作电压 ☞GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿 击穿电压不 仅和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的 击穿电压BUcer和BUces发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex 且存在以下关系： ☞实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得 多。

1.3.2功率晶体管GTR——主要参数Date8◆集电极最大允许电流IcM☞实际使用时要留有较大裕量，只能用到IcM的 一半或稍多一点 ◆集电极最大耗散功率PcM ☞指在最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中在给出PcM时总是同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 1.3.2功率晶体管GTR——主要参数Date9■ ◆当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大而 电压基本不变，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿 1.3.2功率晶体管GTR——GTR的二次击穿现象与安全工作区 二次击穿（SB)如果出现一次击穿时IC超过一 定的数值，使器件发热严重，进 而会导致二次击穿的出现二次 击穿的特征是，电流急剧上升而 电压却随之下降，二次击穿会造 成GTR永久的损坏 ☞将不同基极电流下二次击穿的 临界点 连接起来，就构成了二次 击穿临界线SBDate101.3.2功率晶体管GTR——SOA◆安全工作区（Safe Operating Area——SOA） ☞GTR工作时不仅不能超过最高电压 UceM（D线），集电极 最大电流IcM（A线）和最大耗散功率PcM （B线） ，也不能超过二次 击穿临界线（C线）。

另外安全工作区与导通控制 脉冲有关系,如左图，给出不同 宽度的脉冲对应的安全工作区Date111.3.3 功率场效应管MOSFET——外型和电路符号和特点电 路 符 号外 型■分为结型和绝缘栅型，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） ■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流 的，它的特点有：◆驱动电路简单，需要的驱动功率小 ◆开关速度快，工作频率高（可达106） ◆热稳定性优于GTR◆电流容量小，耐压低，多用于功率不超过 10kW的电力电子装置 比较： GTO一般可以做到几KA/KV（功率最大）；开 关速度几百HZ； GTR一般可以做到几百A/KV，速度稍慢，几K 到几百K， MOSFET一般可以做到几十A/KV（速度最快） ，可达106 ；Date121.3.3功率场效应管MOSFET——结构源极所连接的N型区域被P型材 料包围，形成一个个孤立的“小 岛”，漏极在器件的下部（所以 叫垂直导电结构），漏极连接的 N型材料形成一个“凸”型，向 上一直延伸到栅极的下面漏极 区域与源极区域之间被P型材料 隔离，P型材料的上端是氧化物 绝缘材料，再向上为栅极。

这种 结构可以大大缩短导电沟道的长 度，载流子通过导电沟道后做垂 直方向的运动，可以通过更大的 电流Date13栅极不加电压的情况下，介于源极N型区域和漏极N型 材料“凸”型部分上端的N型区域之间的P型材料的两侧形 成两个P-N结，由于其阻挡作用无论源漏之间的电压方 向如何都会有一个P-N结反偏，源极与漏极之间不可能 有电流通过，器件处于阻断状态 如果栅极加正电压，由于电场的作用，栅极下面P型 材料中的多数载流子空穴被排斥，向下运动，同时栅极 的正电压又把P型材料中的少数载流子电子吸引到P型材 料的上部，这样“小岛”和“凸”型上部之间的P型材料中 就形成一段反型层，并把两侧的N型区连接起来，消除 了P-N结的阻挡作用通常漏极接电源正，源极接电源 负，电流可以从漏极的N区通过P区的反型层到达源极 的N区，器件导通栅极施加的正电压越高，反型层越 深，漏源之间的电流就越大 1.3.3功率场效应管MOSFET——工作原理Date14☞按导电沟道可分为P沟道和N沟道 ☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电 沟道的称为耗尽型☞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的称为增强型。

☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型 1.3.3功率场效应管MOSFET——分类Date15◆静态特性 ☞转移特性 √指漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系，反映了输入电压 和输出电流的关系 √ID较大时，ID与UGS的关系 近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs，即电力MOSFET的 转移特性√是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小1.3.3功率场效应管MOSFET——静态特性Date16☞输出特性√是MOSFET的漏极伏安特性由图 可见，它类似于晶体管的输出特性曲线 族，不同的是每条曲线的参数是UGS， 而双极型晶体管以IB作为参数√截止区（对应于GTR的截止区）、 饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱 和区（对应于GTR的饱和区）三个区域 ，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不 再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏 极电流相应增加 √工作在开关状态，即在截止区和非饱 和区之间来回转换 ☞本身结构所致，漏极和源极之间形成 了一个与MOSFET反向并联的寄生二极 管 ☞通态电阻具有正温度系数，对器件并 联时的均流有利电力MOSFET的输出特性1.3.3功率场效应管MOSFET——静态特性Date171.3.3功率场效应管MOSFET——动态特性 开通：当G-S之间的电压 uGS上升到MOSFET的开启电 压Uth时，开始出现漏极电流 iD，此后iD随uGS的增大而增 大，直至达到稳定值。

从驱 动信号源出现电压到漏极出 现电流这段时间叫做开通延 迟时间td，从漏极出现电流 到iD达到稳定值对应的时间 为上升时间tr，两者之和为开 通时间ton（纳秒级） 关断：首先驱动信号源的电压下降到0（或负值），G-S之间的 电容通过信号源内阻放电，开始的一段时间漏极电流并没有变化 ，这段时间叫做关断延迟时间ts之后，iD开始下降，当uGS≤UT时 ，iD下降到0，此过程对应的时间为下降时间tf关断时间toff定义 为toff= ts+ tf 对于电压型驱动的器件为什么加阶跃信号形成的不是阶跃信号？P16Date181.3.3功率场效应管MOSFET——SOA在UDS较小的范围内，UDS越小D-S之间的导通电阻Ron越大，同样电流 下发热越严重，所以在漏极电流较小的情况下，允许通过的电流随UDS 的减小而减小（如图中左端的斜线）当UDS大到一定程度，Ron变得 很小，允许通过的电流只受最大漏极电流IDM的约束（水平段）但在 UDS比较大时，安全工作区受到最大漏极功耗的限制（图中右侧的斜线 ），最后到最大UDS限制（最右侧的竖线）MOSFET的安全工作区 MOSFET在运行时受到D-S之 间最大电压、最大漏极电流 和最大漏极功耗等因素的限 制（MOSFET没有二次击穿,因 为在载流子运行的路径中没 有任何PN结 ），其正向偏置 安全工作区如图所示。

该图 坐标为对数坐标，所以功率 曲线为直线Date19■GTR和GTO是双极型电流驱动器件，通流能力很强 ，开关速度较低（特别是GTO），所需驱动功率大 ，驱动电路复杂电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快 （最快），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通流能力相对较弱综合上述两种原件的优点，形成绝缘栅双极晶体管 IGBT（Insulated-gate Bipolar Transistor) 1.3.4绝缘栅双极型晶体管————IGBTDate201.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT——外形与电路符号IGBT模块的外形Date211.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT——结构器件的栅极G与发射极E之间的结构与MOSFET是相同的，所以IGBT 也是电压控制型器件它的漏极不是直接引出，而是又经过一个 PN结在IGBT导通时这个PN结为正偏，P区向N区扩散空穴，提高电 导率。