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1、第四章 全控型电力电子器件,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，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。 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,术语用法： 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。 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效
2、。 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。,一. GTR的结构和工作原理,GTR的结构与工作原理,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 。,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 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 产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为 hFE 。 单管GTR的 值比
3、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。,二. GTR的基本特性 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，即工作在截止区或饱和区,2、 动态特性 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。,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 。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,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
4、压 UM 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，最高电压UM取（1/21/3）BUceo。,三、GTR的主要参数,2、 集电极最大允许电流IcM 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。 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 。,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。可以通过在门极施
5、加正的脉冲电流使其导通，负的脉冲电流使其关断,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。,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,三、GTO的主要参数,1最大可关断阳极电流IATO,2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 。,最大可关断阳极电
6、流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET） 但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，工作频率高可达MHz 。 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MOS
7、FET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,一、功率MOSFET的结构与工作原理,电力MOSFET的工作原理 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。 导通：在栅源极间加正电压UGS 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 。,二、功率MOSFE
8、T的主要特性,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,MOSFET的漏极伏安特性： 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（对应于GTR的饱和区） 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 电力MOSFET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。 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,电力MOSFET的转移特性和输出特
9、性 a) 转移特性 b) 输出特性,开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是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。,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,栅源之间的绝缘层很薄， UGS20V将导致绝缘层击穿 。,除跨导Gfs、开启电压UT外还有：,三、功率MOSFET的主要参数,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，
10、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。 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 Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,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。,一. IGBT的工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,a) 内部结构断面示意图 b) 简
11、化等效电路 c) 电气图形符号,E,1、IGBT的结构 图a N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT） 图b 简化等效电路表明，IGBT是GTR与N沟道MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。,E,2. IGBT的原理 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。 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。,1. IGBT的静态特性,二、IGBT的
12、主要特性,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。 开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V。 输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。 分为四个区域：截止区、放大区、饱和区、击穿区。,三、IGBT的主要参数,1集射极击穿电压BUCES 2开启电压UGE（th） ：26V 3通态压降UCE（on） ：23V,4最大栅射极电压UGES：20V 5集电极连续电流IC和峰值电流ICM,IGBT与MOSFET和GTR的比较,静电感应晶体管简称SIT，是一
13、种靠场效应引起元件中导电沟道形成或消失来实现开关功能的器件。,一、静电感应晶体管SIT,SIT（Static Induction Transistor）结型场效应晶体管 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,静电感应晶闸管简称SITH，它是利用电场效应来控制器件的导通能力，又称为场控晶闸管。,二、静电感应晶
14、闸管SITH,SITH（Static Induction Thyristor）又被称为场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）。 比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结， SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）-集成门极换流晶闸管，也称GCT
15、（Gate-Commutated Thyristor） 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。,返回,三、MOS控制晶闸管 MCT,MOS控制晶闸管-MCT ，是80年代末出现的一种新型的电压控制型全控器件，它将MOSFET的高输入阻抗、快开关速度的特性与晶闸管的高压大电流特性结合在一起，产生出较理想的功率器件特性。,MCT的控制信号以阳极为基准。门极加负脉冲导通，加正脉冲关断。,MCT（MOS Co
16、ntrolled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点： MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。 晶闸管的高电压大电流、低导通压降。 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。,与IGBT等其他电力电子器件相比，MCT具有如下优点：,1）电压、电流容量大。 2）通态压降小，约为1IV，仅是IGBT通态压降的13。 3）didt和dudt耐量极高，可分别达到2000As和20000Vs。 4）开关速度快，开通时间为200ns，可在2
