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1、第四章 全控型电力电子器件,电力电子器件种类繁多，按其开关控制性能可分为不控型器件、半控型器件和全控型器件：,（1）不控型器件 为无控制端的二端器件。如电力二极管，其不具备可控开关性能。,（2）半控型器件 为具有控制端的三端器件，但其控制端只能控制器件导通，即无自关断能力。,（3）全控型器件 为具有控制端的三端器件，其控制端有控制器件开通和关断的双重功能，也称自关断器件。,在全控型电力电子器件中，根据器件内部载流子参与导电的种类不同可分为三大类型：单极型、双极型和混合型。,电力晶体管简称GTR或RJT，是一种双极型大功率高反压晶体管。具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点。,一
2、、GTR的结构及工作原理,GTR是由三层半导体材料两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构。,由于GTR的工作电流和功耗大，工作时出现与小信号晶体管不同的新问题，称为GTR的大电流效应。,目前GTR器件的结构有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块三大系列。单管GTR的电流增益较低，而达林顿结构是提高电流增益的有效方式。,达林顿结构的GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其类型由驱动管决定。,目前作为大功率开关应用最多的还是GTR模块，是由两只三级达林顿GTR及其辅助元件构成的单臂桥式电路模块。,二、GTR的主要特性,GTR的特性可分为静态特性与动态特性。,1静态特性,在
3、GTR的静态特性中，主要分析典型的双极型晶体管集电极输出特性，即集电极伏安特性UCE（IC）。,输出特性分四个区：,截止区I：UBE0，UBC0，发射结、集电结均反偏。此时IB0，GTR承受高电压，仅有极小的漏电流。,放大区：UBE，UBC0，发射结正偏、集电结反偏。在该区内，集电极电流与基极电流呈线性关系。,临界饱和区：UBE，UBC0，发射结正偏、集电结反偏，在该区内，IC与IB之间呈非线性关系。,探饱和区：UBE，UBC0，发射结、集电结均正偏。,2动态特性,GTR的动态特性主要指开关特性。,为减小开关时间，提高工作频率，应尽可能选择结电容小的GTR，提高基极驱动电流以加快充电速度。但驱
4、动电流过大将增大t S，应用中常在基极电路中采用加速电容。,三、GTR的极限参数,1最高电压额定值,最高集电极电压额定值是指集电极的击穿电压。击穿电压的大小不仅与器件本身的特性有关，而且还取决于基极回路的接线方法。,2最大电流额定值,规定集电极最大工作电流ICM作为GTR的电流额定值。,1）在大电流条件下使用GTR时，大电流效应会使GTR的电性能变差，甚至使管子损坏。因此ICM标定应当不引起大电流效应，通常规定值下降到额定值的1/21/3时对应的IC为ICM值。,2）在低电压范围内使用GTR时，必须考虑饱和压降对功率损耗的影响。这种情况下，以集电极量大耗散功率PCM的大小来确定ICM值。,GT
5、R工作时，通常IC只能用到ICM的一半左右。,3最大耗散功率,最大功耗额定值PCM是指GTR在最高允许结温时所对应的耗散功率，它受结温的限制。,当结温达到允许的最大值TJM时，相应的功耗即为最大功耗PCM。则：,式中 RTJC晶体管的热阻(oCW)。,要提高PCM，应提高TJM，降低环境温度和减小热阻。值得提醒的是：使用者应用上述参数以及后面所述器件的参数时，要特别注意测试条件与实际应用条件的差别，以保证器件的正确使用。,四、GTR的二次击穿和安全工作区,GTR使用中，实际允许的功耗不仅由PCM决定，还要受二次击穿功率的限制。,二次击穿现象,当集电极电压UCE渐增至BUCEO时IC急剧增加，出
6、现一次击穿现象，BUCEO又称一次击穿电压。此时如有外接电阻限制电流增长，一般不会使GTR的特性变坏，但如不加限制地让IC 继续增加，则晶体管上电压突然下降，出现负阻效应，导致破坏性的二次击穿。,二次击穿现象在发射结正偏（IB0）、开路（IB0）、反偏（IB 0）三种状态下都可能发生。,2安全工作区,安全工作区是指使GTR能够安全运行的范围，简称SOA，分为正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。,正向偏置安全工作区a所示，反向偏置安全工作区b所示。,五、GTR的驱动与保护,GTR基极驱动电路的作用是将输出的控制信号电流放大到足以保证GTR可靠开通和关断。,1GTR对基极驱动电路的要求,1）G
7、TR开通时要采用强驱动，前沿要陡，并有一定的过饱和驱动电流（Ib1），以缩短开通时间，减小开通损耗。,2）GTR导通后相应减小驱动电流（Ib2），使器件处于临界饱和状态，降低驱动功率减小存贮时间。,3）GTR关断时要提供较大的反向基极电流（Ib3），迅速抽取基区的剩余载流子，缩短关断时间。,4）实现主电路与控制电路间的电隔离，以保证电路的安全并提高抗干扰能力。,5）具有快速保护功能。,2GTR基极驱动电路实例,UAA4002原理框图,该电路具有以下功能与特点：,（1）输入输出 （2）限流 （3）防止退饱和 （4）导通时间间隔控制,（5）电源电压监测 （6）热保护 （7）延时功能 （8）输出封锁
8、,门极可关断晶闸管简称GTO，是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。,目前GTO的生产水平已达到6000V、6000A，频率为1kHz。其研制水平可达到9000V、8000A。,一、GTO的结构与工作原理,GTO结构原理与普通晶闸管相似，为PNPN四层三端半导体器件。,GTO的外部引出三个电极，但内部却包含数百个共阳极的小GTO，这些小GTO称为GTO元。GTO元的阳极是共有的，门极和阴极分别并联在一起。这是为实现门极控制关断所采取的特殊设计。,在等效晶体管PNP和NPN内形成如下正反馈过程：,GTO的关断机理及关断方式说明如下：,由于结构的不同，GTO又分为多种类型，目前用得较
9、多的是逆阻GTO和阳极短路GTO两种。,二、GTO的主要特性,1阳极伏安特性,逆阻型GTO的阳极伏安特性它与普通晶闸管的伏安特性极其相似，目UDRM和URRM等术语的含义也相同。,2通态压降特性,3开通特性,开通特性是元件从断态到通态过程中电流、电压及功耗随时间变化的规律。,4关断特性,三、GTO的主要参数,1最大可关断阳极电流IATO,在实际应用中，可关断阳极电流IATO受如下因素的影响：门极关断负电流波形、阳极电压上升率、工作频率及电路参数的变化等，在应用中应予特别注意。,2关断增益off,3阳极尖峰电压UP,为减小UP，必须尽量缩短缓冲电路的引线，减小杂散电感，并采用快恢复二极管及无感电
10、容。,四、GTO门极驱动电路,1理想门极信号波形,（1）导通触发 GTO在按一定频率的脉冲触发时，要求前沿陡、幅值高的强脉冲触发。,（2）关断触发,2GTO驱动电路实例,功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是一种单极型电压控制器件。它具有自关断能力，且输入阻抗高、驱动功率小，开关速度快，工作频率可达MHz，不存在二次击穿问题，安全工作区宽。,一、功率MOSFET的结构与工作原理,功率MOSFET有多种结构型式，根据载流子的性质可分为P沟道和N沟道两种类型，它有三个电极：栅极G、源极和漏极D，图中箭头表示载流子移动方向。,二、功率MOSFET的主要特性,功率MOSFET的特性可分为静态特性和
11、动态特性，输出特性和转移特性属静态特性，而开关特性则属动态特性。,1输出特性,输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅源电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源极电压UDS间关系的曲线族。,可调电阻区：UGS一定时，漏极电流ID与漏源极电压UDS几乎呈线性关系。当MOSFET作为开关器件应用时，工作在此区内。,饱和区：在该区中，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而加大，ID近似为一常数。,雪崩区：当漏源电压UDS过高时，使漏极PN结发生雪崩击穿，漏极电流ID会急剧增加。,2转移特性,转移特性是在一定的漏极与源极电压UDS下，功率MOSFET的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线。,只有当U
12、GS UGS（th）时，器件才导通，UGS（th）称开启电压。,3开关特性,功率MOSFET是一个近似理想的开关，具有很高的增益和极快的开关速度。,功率MOSFET内寄生着两种类型的电容：一种是与MOS结构有关的MOS电容，如栅源电容CGS和栅漏电容CGD ；另一种是与PN结有关的电容，如漏源电容CDS。,输入电容C iss输出电容C oss和反馈电容C rss是应用中常用的参数，它们与极间电容的关系定义为,关断时间t off可分为存储时间t s和下降时间t f两部分t off则由功率MOSFET漏源间电容CDS和负载电阻决定。,通常功率MOSFET的开关时间为10100ns，而双极型器件的开
13、关时间则以微秒计，甚至达到几十微秒。,三、功率MOSFET的主要参数,1通态电阻Ron,通常规定：在确定的栅源电压UGS下，功率MOSFET由可调电阻区进入饱和区时的漏源极间直流电阻为通态电阻。它是影响最大输出功率的重要参数。在开关电路中它决定了输出电压幅度和自身损耗大小。,2开启电压UGS（th）,开启电压为转移特性曲线与横坐标交点处的电压值，又称阈值电压。在应用中，常将漏栅短接条件下ID等于1mA时的栅极电压定义为开启电压。UGS（th）具有负温度系数。,3跨导g m,跨导定义为：,即为转移特性的斜率，单位为西门子（）。g m表示功率MOSFET的放大能力，故跨导g m 的作用与GTR中电
14、流增益相似。,4漏源击穿电压BUDS,漏源击穿电压BUDS决定了功率MOSFET的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设的极限参数。,5栅源击穿电压BUGS,栅源击穿电压BUGS是为了防止绝缘栅层因栅源电压过高而发生介质击穿而设定的参数，其极限值一般定为20V。,6最大功耗PDM,功率MOSFET最大功耗为：,7漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM,四、功率MOSFET的安全工作区,功率MOSFET的安全工作区分为正向偏置安全工作区和开关安全工作区两种。,1正向偏置安全工作区,由四条边界极限所包围：（）漏源通态电阻Ron限制线、（）最大漏极电流IDM限制线、（）最大功耗DM限制线和（）最
15、大漏源电压UDSM限制线。和GTR安全工作区相比有两点明显不同：一是功率MOSFET无二次击穿问题，故不存在二次击穿功率的限制，安全工作区较宽；二是功率MOSFET的安全工作区在低压区受通态电阻的限制，而不像GTR最大电流极限线一直延伸到纵坐标处。这是因为在这一区段内，由于电压较低，沟道电阻增加，导致器件允许的工作电流下降。,图还示出了直流（DC）和脉宽分别为10ms及1ms三种情况的安全工作区。,2开关安全工作区,开关安全工作区SSOA（Switch SOA）表示功率MOSFET在关断过程中的参数极限范围。,功率MOSFET的部分型号,五、功率MOSFET的栅极驱动电路,1栅极驱动的特点及其
16、要求,1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要求陡峭。,2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度。,3）为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压。,4）功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流。功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。,2驱动电路实例,功率MOSFET的栅极驱动电路有多种形式，按驱动电路与栅极的连接方式不同可分为直接驱动和隔离驱动。,（1）直接驱动电路 功率MOSFET的输入阻抗极高，一般小功率的TTL集成电路和CMOS电路就足以驱动功率MOSFET。,a 中电阻R，以提高输出驱动电平的幅值。 b 为改进的快速开通驱动电路。 c 是推挽式驱动电路,（2）隔离驱动电路 隔离式栅极驱动电路根据隔离元件的不同可
