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1、第二章 全控型电力电子器件,GTO门极可关断晶闸管 GTR电力晶体管 MOSFET电力场效应晶体管 IGBT门极绝缘栅双极晶体管,模块,IGBT,1.1 什么是电力电子技术-电力电子器件,开关器件IGCT驱动电路GCT,4kA/4.5kV IGCT,663A/4.5kV IGCT,GCT分解部件,1.1 什么是电力电子技术-开关器件,第一节 门极可关断（GTO）晶闸管,1. 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，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一
2、起。,2. 导通关断条件,导通：同晶闸管，AK正偏，GK正偏 关断：门极加负脉冲电流,3.特点,全控型 容量大 off5 电流控制型,电流关断增益off ： 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,1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。,第二节 GTR电力晶体管,电力晶体管GTR （Giant Transistor，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 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用 20世纪80年代以来，在中
3、、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,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 （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,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。
4、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 。,GTR的开通和关断过程电流波形,(2) 动态特性,1.单管GTR,单管GTR的基本工作原理与晶体管相同 作为大功率开关管应用时，GTR工作在截止和导通两种状态。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好,2达林顿GT
5、R,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 达林顿GTR的开关速度慢，损耗大,3GTR 模块,将 GTR管芯、稳定电阻、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。 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，可很方便地组成三相桥式电路。,3. GTR的二次击穿现象,一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿； 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏
6、，工作特性也不变。 二次击穿 一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿， 二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。必需避免。,安全工作区,防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。,4.特点,全控型，电流控制型 二次击穿（工作时要防止） 中大容量，开关频率较低,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
7、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,第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）,三. 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,漏极,栅极,源极,垂直导电 提高耐压和耐流,N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）,G： 栅极 D
8、： 漏极 S： 源极,电力MOSFET的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号,三. 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。,电力MOSFET的结构,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
9、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 。,电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力MOSFET的工作原理,电力场效应晶体管,导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P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,1.导通
10、关断条件,漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS 漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零,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。,电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,. 电力MOSFET的基本特性,电力场效应晶体管,开通过程 开通延迟时间td(on) (存在输入电容Cin) 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) (存在输入电容Cin) 下降时间tf 关断时间toff关断延迟
11、时间和下降时间之和,a,）,b,),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,电力场效应晶体管,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 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
12、,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,2.特点,控制级输入阻抗大 驱动电流小 防止静电感应击穿 中小容量，开关频率高 导通压降大（不足）,第四节 绝缘栅双极晶体管IGBT）,绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT（Insulated Gate Biopolar Trans
13、istor）,是80年代中期发展起来的一种新型复合器件。 IGBT综合了MOSFET和GTR的输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点。成为当前电力半导体器件的发展方向。,绝缘栅双极晶体管,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，
14、所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，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。,1. 结构,复合结构（= MOSFET+GTR）,栅极,集电极,发射极,四. 绝缘栅双极晶体管,图中N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。,IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气
15、图形符号,IGBT的结构,四. 绝缘栅双极晶体管,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,IGBT的原理,2.导通关断条件,驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，通断由栅射极电压uGE决定 导通条件：在栅射极间加正电压UGE UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶
16、体管提供基极电流，IGBT导通。 关断条件：栅射极反压或无信号 栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,a,),b,),四.绝缘栅双极晶体管,2. IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性,图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th),输出特性 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。,绝缘栅双极晶体管,图1-24 IGBT的开关过程,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,(2) IGBT的动
