《可关断器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可关断器件（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、全控型器件（自关断器件）,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、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,1、门极可关断晶闸管 （Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,1.1 GTO结构,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,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：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起,1.2
2、GTO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,GTO的开通原理与普通晶闸管相同，只是导通时的饱和程度不高，有利于门极控制关断。,GTO的关断原理：给门极加负脉冲，从门极抽出电流，晶体管V2的基极电流减小，使IK和IC2减小， IC2减小又使IA和IC1减小，进一步减小V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后使V1 和V2 退出饱和而关断。,GTO和普通晶闸管设计上的不同,（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于 GTO关断 （2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大 （3）
3、多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流,1.3 GTO动态特性,GTO的开通和关断过程电流波形,1.3 GTO主要参数,（1）最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流 （2）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 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 （3）开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1-2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大 （4）关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和
4、，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s,2、电力晶体管 （Giant TransistorGTR ）,2.1 GTR的结构,GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动,2.2 GTR的工作原理,2.3 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 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,(2) 动态特性,GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多,2.4 GTR的主要参数,1) 最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会
5、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，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多,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,2.5 GTR的二次击穿与安全工作区,一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作
6、特性也不变 二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降 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）,3、电力场效应晶体管,电力场效应晶体管通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,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,3.1 电力MOSFET的结构,a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号,在电力MOS
7、FET中，主要是N沟道增强型。,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），大大提高了MOSFE器件的耐压和耐电流能力 按垂直导电结构的差异，又分为利用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,3.2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,导电：在栅源极间加正电压UGS,栅极
8、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,3.3电力MOSFET的基本特性,a) 转移特性 b) 输出特性,（1）静态特性,漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称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,MOSFET的漏极伏安特性即输出特性,（2）动态特性,a) 测试电路 b) 开关过程波形,开
9、通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定 UGSP的大小和iD的稳态值有关 UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变 开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和,关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段 下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段 关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,关断过程,MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 使
10、用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速 开关时间在10-100ns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。,1) 漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额 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 4) 极间电容,3.4电力MOSFET的主要参
11、数,4、绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor-IGBT),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，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,4.1 IGBT的结构,a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一
12、层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力,4.2 IGBT的工作原理,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 导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小 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,4.3 IGBT的基本特性,（1）静态特性,a) 转移特性 b) 输出特性,（2）动态特性
13、,4.4 IGBT的主要参数,1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2) 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗,IGBT的特性和参数特点 (1) 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上 时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力 MOSFET相当 (2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击能力 (3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域 (4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 (5) 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点,4.4 IGBT的擎住效应和安全工作区,寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成,擎住效应或自锁效应：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,
