《第2章 2器件——全控型器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 2器件——全控型器件（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、全控型器件,Full-controlled Devices,主讲：伍文俊,目录 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力MOSFET 绝缘栅双极晶体管 其他全控型器件,2,3,2.2 门极可关断晶闸管GTO (Gate-Turned-Off Thyristor),一、结构与工作原理 1、结构： 多元集成元件，放射门极结构。它可以等效成多个小GTO元的集成(并联)-可实现门极控制关断。 对比晶闸管：中央门极结构,4,2、工作原理 与普通晶闸管相同，可采用双晶体管模型分析。开关速度高于普通晶闸管，di/dt承受能力大于晶闸管。 3、电气符号,晶闸管？,5,二、工作特性 1、特点 1）门极可以控制开通，也
2、可以控制关断； -全控型 流控型器件 脉冲控制型 2）开通条件：正向阳极电压，正向门极电压； 关断条件：门极加负脉冲（不能通过门极电流为零关断） 3）开关速度及di/dt承受能力高于晶闸管 4）单向导电性。,2、静态特性 伏安特性同晶闸管,6,3、动态特性,1）开通过程：,开通时间： ton=td+tr,7,2）关断过程：,关断时间: toff=ts+tf+tt 存储时间ts :IA0.9IA 下降时间tf: 0.9IA0.1IA 拖尾时间tt:远大ts 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡。抽走存储载流子的速度越快，ts越小。若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则tt越
3、小。,三、可关断晶闸管的主要参数,1、开通时间ton,2、关断时间toff,8,3、最大可关断阳极电流IATO,GTO通过负脉冲能够关断的最大阳极电流。它是GTO的额定电流。,4、电流关断增益off,最大可关断电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。 一般很小，510。若1000A的GTO，门极负脉冲为200100A，很大，这是GTO的缺点。,Back,9,1、结构,普通晶体管结构,GTR结构,符号,2.3 电力晶体管GTR (Giant TransistorPower BJT),一、结构与工作原理,由至少两个晶体管按达林顿接法组成，同GTO一样采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。,2、工作
4、原理 同普通的双极结型晶体管,3、电气符号,Bipolar junction transistor,10,二、工作特性,2、静态特性,3）开关频率较高、动态性能好、承受功耗小、控制方便。阻断能力差、瞬态过电压及过载能力差。,1、特点,1）门极可以控制开通，也可以控制关断； -全控型 流控型器件 电平控制型 2）开通条件：正向集射极电压，正向基极电流； 关断条件：基极加负脉冲,截止区，饱和区，放大区。,11,3、动态特性,ts：存储时间 tf：集电极电流下降时间,开通时间： ton=td+tr,td：延迟时间；,tr：集电极电流上升时间；,关断时间： toff=ts+tf,无拖尾-开关速度快，在
5、80年代是主要的功率控制器件,12,1） 一次击穿,一次击穿后，无措施，集电极电流继续增大到某值，集射极电压陡然下降，产生局部过热击穿，称二次击穿，元件损坏 。,4、二次击穿与安全工作区,集射极电压升至某一值时，集电极电流迅速增大，产生雪崩击穿，此时集电极电流不超过允许电流，称一次击穿。即：AB段。,2） 二次击穿,3） 二次击穿临界线,13,4） 安全工作区,安全工作区SOA(Safe Operation Area)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。,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。,14,三、主要参数,（1
6、）最高工作电压 集电极额定电压 UCEM 应 小于 UCEO UCEO 基极开路，集电极电流较大时，集射极间的击穿电压。,（2）集电极额定电流 集电极最大允许电流ICM 。,（3）集电极最大耗散功率PCM,Back,15,2.4 电力MOSFET (Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),一、结构与工作原理,1、结构,多元集成结构，一个器件由许多小的MOSFET元的集成，栅极绝缘。有N沟道和P沟道之分。,内部集成寄生二极管,16,2、工作原理 导通条件：漏源电压为正，栅源电压大于开启电压。即：uDS0，uGSuT. 关断
7、条件：(漏源极电压为正)，栅源极电压小于开启电压。即uGSuT.,漏源极加反压，就为二极管特性。,二、工作特性,1）栅极可以控制开通，也可以控制关断； -全控型 电压控制型器件 电平控制型 2）导通条件：正向漏源电压，正向栅源电压； 关断条件： 栅源电压小于开启电压。,3、电气符号,1、特点,3)驱动功率小，开关速度高，安全工作区宽。,阀值电压,17,反映漏源电压与漏极电流之间的关系。 截止区，饱和区，非饱和区,伏安特性(输出特性）,2、工作特性 1）静态特性,表示栅源电压与漏极电流ID之间的关系,2)转移特性,开启电压uT:,18,3)动态特性,为多数载流子器件，没有存储效应，开关时间短为2
8、0ns左右。,开通时间： ton=td（on）+tri+tfv,关断时间： toff=td(off)+trv+tfi,uGSP：非饱和栅压。,密勒平台,开通延迟,电流上升,电压下降,关断延迟,电压上升,电流下降,19,三、主要参数,1、漏极电压 UDS,2、电流定额 ID,3、栅源电压 UGS 栅源之间很薄，一般电压绝对值小于20V。,4、安全工作区 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。,Back,20,1、结构,2.5 绝缘栅双极晶体管IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor),一、结构与工作原理,IGBT为三
9、端四层器件。由MOSFET和双极性晶体管组合而成。即在MOSFET的N+层上再加一层P型区。分N沟道IGBT，记为N-IGBT；和P沟道IGBT，记为P-IGBT。,21,2、工作原理,导通条件：集射电压大于零，栅射电压大于开启电压uth； 关断条件：栅射电压小于开启电压。,3、电气符号,RN为晶体管基区内的调制电阻,22,2、静态特性,二、工作特性,1 、特点,1）栅极可以控制开通，也可以控制关断； -全控型 电压控制型器件 电平控制型 2）开通条件：正向集射极电压，正向栅射极电压； 关断条件：栅射极电压小于开启电压。,3)驱动功率小，开关速度高于晶闸管、GTO器件，低于MOSFET器件。
10、无二次击穿，安全工作区宽,转移特性：反映集电极电流Ic与栅射极电压之间的关系。,23,伏安特性：反映集电极电流Ic与集射极电压之间的关系。,有正向阻断区，饱和区，有源区，反向阻断区,3、动态特性,1）开通过程 开通时间：ton=td+tri+tfv 延迟时间td:00.1Ic； 上升时间tri: 0.10.9Ic,IGBT开关过程图,与MOSFET差别,开通延迟,电流上升,电压下降,24,IGBT开关过程图,开通时UCE下降时间分为两部分，tfv1和tfv2： tfv1:IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程; tfv2：MOSFET和PNP同时工作的电压下降过程，tfv2结束后IGBT
11、才完全进入饱和区。,2）关断过程： 关断时间：toff=ts+tf=td(off)+trv+tfi1+tfi2; 关断延迟（存储时间）td(off):0.9UGEM0.9UcE; 下降时间:0.9Ic0.1Ic; tfi=tfi1+tfi2; tfi1:IGBT内MOSFET关断过程。 tfi2:IGBT内PNP的关断过程。 显然，PNP的存在带来了电导调制效应的好处，但引入了少子储存现象，使IGBT开关速度慢于MOSFET。,关断延迟,电压上升,电流下降,25,4、IGBT的安全工作区 正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA） 根据
12、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（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA） 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE/dt。,26,5、擎住效应,NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。,引发擎柱效应的原因： 集电极电流过大（静态擎住效应）； duCE/dt过大（动态擎住效应）。,27,三、主要参数,1、最大集射极电压 UCE,2、最大集电极电流 IC,4
13、、栅射电压 UGE 栅源之间很薄，一般电压绝对值小于20V。,3、最大集电极耗散功率 PCM,Back,28,电力电子器件的现状和发展趋势 20世纪90年代中期以来，逐渐形成了小功率（10kW以下）场合以电力MOSFET为主，中、大功率场合以IGBT为主的压倒性局面，在10MVA以上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关断能力，那么晶闸管仍然是目前的首选器件 。 电力MOSFET和IGBT中的技术创新仍然在继续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域 。 宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料 。,常用器件使用频率及功率比较：,29,30,Back.,31,作业：,32,IGBT开关过程,密勒平台,
