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1、第五章 全控型电力半导体器件,引言 一. 门极可关断晶闸管 二. 电力晶体管 三. 电力场效应晶体管 复合电力半导体器件 其它全控型电力电子器件（静电感应晶体管和静电感应晶闸管） 模块和智能功率模块 电力电子技术发展概貌,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。,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,一. 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、
2、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。,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,一. 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,一. 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
3、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构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。,一. 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。 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,一. 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G
4、TO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结论：,一. 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,2. GTO的动态特性,一. 门极可关断晶闸管,3. 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
5、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。,一. 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。,（6-1）,5.1.4 对门极信号的要求,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗
6、。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,5.1.4 对门极信号的要求,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器,图6-2 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,5.1.4 对门极信号的要求,电流驱动型 按照驱动信号的性质分电压驱动型分立元件 按驱动电路具体
7、形式可分专用集成驱动电路 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,分类,(1) GTO的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。,图6-8 推荐的GTO门极电压电流波形,5.1.5 GTO电流驱动型器件的驱动电路,正的门极电流,5V的负偏压,GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。,直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿P186图6.8。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,图
8、6-8 典型的直接耦合式GTO驱动电路,二. 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 TransistorBJT），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 。,二. 电力晶体管,1. GTR的结
9、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,二. 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（6-4） 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的关系为 ic= ib +Iceo （6-4） 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,二. 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
10、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,二. 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toff 。 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,二. 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、
11、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。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,3. GTR的主要参数,二. 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
12、最大允许电流IcM,5.2.2 安全工作区,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1-18 GTR的安全工作区,4. GTR的二次击穿现象与安全工作区,三. 缓冲电路,关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。 开
13、通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。 按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。,缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。,三. 缓冲电路,缓冲电路作用分析 无缓冲电路： 有缓冲电路：,图1-38 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形,图1-39 关断时的负载线,三
14、. 缓冲电路,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,图1-38 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路,其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。,图1-40 另外两种常用的缓冲电路 RC吸收电路 放电阻止型RCD吸收电路,5.2.5. 全控器件GTR的驱动电路,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形,5.2.5. 全控器件
15、GTR的驱动电路,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。,图1-31 GTR的一种驱动电路,驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,5.3. 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）,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
16、晶体管,5.3. 电力场效应晶体管,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,5.3. 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,5.3. 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（Vertical 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。,
