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1、,7 典型全控型器件引言,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,7 典型全控型器件引言,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,7 典型全控型器件,7.1 门极可关断晶闸管 7.2 电力晶体管 7.3 电力场效应晶体管 7.4 绝缘栅双极晶体管,7.1 门极可关断晶闸管,晶闸管的一种派生器件。 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。,门极可关断晶闸
2、管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,7.1 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,7.1 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
3、两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。,7.1 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关断。 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,7.1 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
4、结论：,7.1 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,7.1 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
5、于逆导晶闸管，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。,7.1 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）,7.2 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 Transist
6、orBJT），英文有时候也称为Power BJT。 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：,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 。,7.2 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,达林顿三极管 达林顿三极管又称复合管。这种复合管是由两只输出功率大小不等的
7、三极管按一定接线规律复合而成。根据内部两只三极管复合的不同，有四种形式的达林顿三极管。复合以后的极性取决于第一只三极管，例如若第一只三极管是NPN型三极管，则复合以后的极性为NPN型。达林顿三极管主要作为功率放大管和电源调整管，如下图所示。 达林顿电路有四种接法： NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP,PNP+NPN. 前二种是同极性接法，后二种是异极性接法。,7.2 电力晶体管,在应用中，GTR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
8、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,7.2 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的基本特性,7.2 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to
9、ff 。 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,7.2 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，还与外电路接法有关。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,3）GTR的主要参数,7.2 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
10、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,7.2 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1-1
11、8 GTR的安全工作区,GTR的二次击穿现象与安全工作区,7.3 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,7.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的
12、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,7.3 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。 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,7.3 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（Ver
13、tical 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,7.3 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
14、形符号,电力MOSFET的工作原理,7.3 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,7.3 电力场效应晶体管,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
15、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：,7.3 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,7.3 电力场效应晶体管,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。
16、 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,7.3 电力场效应晶体管,3) 电力MOSFET的主要参数,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,7.4 绝缘栅双极
