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1、电 力 电 子 技 术PowerElectronicTechnology电力电子器件优秀优秀课件2.5 2.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管电力电子器件优秀优秀课件2.5 2.5 门极可关断晶闸管（GTO）GTO的基本结构和工作原理GTO的动态特性GTO的主要参数GTO的驱动GTO的应用特点电力电子器件优秀优秀课件门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管（Gate-Turn-Off Gate-Turn-Off Thyristor Thyristor GTOGTO）晶闸管的一种晶闸管的一种派生器件派生器件，在晶闸管问世后不久出现，在晶闸管问世后不久出现可以通过在门极施加可以通过在门极施加负的脉冲电流
2、使其关断负的脉冲电流使其关断GTOGTO的的电电压压、电电流流容容量量较较大大，与与普普通通晶晶闸闸管管接接近近，因因而而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用2.5门极可关断晶闸管（GTO）电力电子器件优秀优秀课件结构：结构：与与普普通通晶晶闸闸管管的的相相同同点点： PNPNPNPN四四层层半半导导体体结结构构，外外部部引引出阳极、阴极和门极出阳极、阴极和门极和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成成器器件件，内内部部包包含含数数十十个个甚甚至至数数百百个个共共阳阳极极的的小小GTOGTO元元，这这些些G
3、TOGTO元元的的阴阴极极和和门门极极则则在在器器件件内内部部并并联联在在一起一起2.5.1GTO的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件工作原理：工作原理：与普通晶闸管一样：1 1）可以用下图所示的双晶体管模型来分析2 2） 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断2.5.1GTO的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件GTOGTO能能够够通通过过门门极极关关断断的的原原因因是是其其与与普通晶闸管有如下区别：普通晶闸管有如下区别： 1 1）设设计计 2
4、 2较较大大，使使晶晶体体管管V V2 2控控制制灵灵敏敏，易易于于GTOGTO关断关断 2 2）导导通通时时 1 1+ + 2 2更更接接近近1 1（ 1.051.05，普普通通晶晶闸闸管管 1 1+ + 2 2 1.151.15）导导通通时时饱饱和和不不深深，接接近近临临界界饱饱和和，有有利利门门极极控控制制关关断断，但但导导通通时管压降增大时管压降增大 3 3）多多元元集集成成结结构构使使GTOGTO元元阴阴极极面面积积很很小小，门门、阴阴极极间间距距大大为为缩缩短短，使使得得P P2 2基基区区横横向向电阻很小电阻很小，能从门极抽出较大电流，能从门极抽出较大电流2.5.1GTO的基本结
5、构和工作原理的基本结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件导导通通过过程程: :与与普普通通晶晶闸闸管管一一样样，只只是是导导通通时时饱和程度较浅饱和程度较浅关断过程：关断过程：强强烈烈正正反反馈馈门门极极加加负负脉脉冲冲即即从从门门极极抽抽出出电电流流，则则I Ib2b2减减小小，使使I IK K和和I Ic2c2减减小小，I Ic2c2的的减减小小又又使使I IA A和和I Ic1c1减减小小，又又进进一一步步减减小小V V2 2的基极电流的基极电流当当I IA A和和I IK K的的减减小小使使 1 1+ + 2 21 BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BU
6、BUceoceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUBUceoceo低得多2.6.3GTR主要参数主要参数电力电子器件优秀优秀课件2)2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcM通常规定为h hFEFE下降到规定值的1/2-1/31/2-1/3时所对应的I Ic c实际使用时要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一点3) 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给P PcMcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 2.6.3GTR主要参数主要参数电力电子器件优秀优秀课件一次击穿一次击穿电压承受能力是电力电子
7、器件的重要工作特性之一。GTR在其开关应用中的电压承受能力主要由它的集电结击穿（雪崩击穿）特性决定的。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，工作特性也不变2.6.4GTR的击穿和安全工作区的击穿和安全工作区电力电子器件优秀优秀课件二次击穿二次击穿一次击穿发生时I Ic c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，再经数次类似过程之后必永久损坏。 实际应用中，二次击穿并不总是发生在一次击穿之后。“热电正反馈理论”“发射极电流加紧效应”2.6.4GTR的击穿和安全工作区的击穿和安全
8、工作区电力电子器件优秀优秀课件安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOASafe Operating AreaSOA）最高电压U UceMceM、集电极最大电流I IcMcM、最大耗散功率P PcMcM、二次击穿临界线限定集电极最大集电极最大集电极最大集电极最大允许电流允许电流允许电流允许电流二次击穿功耗二次击穿功耗二次击穿功耗二次击穿功耗最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最高工作电压最高工作电压最高工作电压最高工作电压SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM2.6.4GTR的击穿和安全工作区的击穿和安全工作区电力电子器件优秀优秀课件2.6.5 GT
9、R2.6.5 GTR的驱动的驱动GTRGTR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时施加一定的负基极电流以减小关断时间和关断损耗。关断后在基射极间加一定的负压前沿足够陡峭电力电子器件优秀优秀课件GTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分贝克嵌位电路嵌位电压补偿加速开通2.6.5GTR的驱动的驱动电力电子器件优秀优秀课件GTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分0V限压2.6.5GTR的驱动的驱动电力电子器件优秀优秀课件2.
10、6.6GTR的应用特点的应用特点曾经是最主要的全控型电力电子器件，由于其属于电流控制型器件，掌握合理的驱动方法较困难，合理利用安全工作区、避免二次击穿也并不容易，故电力晶体管在比较先进的电力电子装置和高功率、高速开关设计方面已逐步退出应用。由于其制造工艺简单、价格低廉，控制线路较成熟，目前在一些传统电力电子电路中还有一定的应用。电力电子器件优秀优秀课件2.7电力场效应晶体管电力场效应晶体管（PowerFieldEffectTransistor）电力电子器件优秀优秀课件2.7电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（PowerFieldEffectTransistor）电力MOSFET的结构和工作原理
11、电力MOSFET的基本特性电力MOSFET的主要参数电力MOSFET的驱动电力MOSFET的应用特点电力电子器件优秀优秀课件2.7电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（PowerFieldEffectTransistor）场效应晶体管：有电压信号控制电流的半导体器件。场效应晶体管分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型结型：利用PN结的反向电压对耗尽层厚度的控制来改变漏、源极之间导电沟道的宽度，从而控制漏、源极之间的等效电阻和电流的大小。电力电子器件优秀优秀课件2.7电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（PowerFieldEffectTransistor）场效应晶体管：有电压信号控制电流的半导体器件。场效
12、应晶体管分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型：利用栅极、源极之间电压形成电场来改变半导体表面感生电荷的多少，改变导电沟道的导电能力，控制漏、源极之间的等效电阻和电流SiO2绝缘层电力电子器件优秀优秀课件电力场效应管也分为结结型型和绝绝缘缘栅栅型型（类似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指绝绝缘缘栅栅型型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称 电力电力MOSFETMOSFET（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）2.
13、7电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（PowerFieldEffectTransistor）电力电子器件优秀优秀课件电力电力MOSFETMOSFET的种类的种类按导电沟道可分为 P P沟道沟道 和N N沟道沟道耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增增强强型型对于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 N沟道增强型沟道增强型2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电子载流子具有更高的迁移率，利于提高电流密度电力电子器件优秀优秀课件2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构非电力
14、MOS管，即小功率MOS管采用的是平面水平沟道作用，电流方向与芯片表面平行。电力MOSFET具有垂直于芯片表面的导电路径，也称VMOS。其源极和漏极分置于芯片两个表面，具有较高的通流能力和耐压能力。2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件按垂直导电结构的差异，电力MOSFET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 结 构 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）电场集中2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件由于电力MOS是多元集成结构，可按器件单元的平
15、面布局特征取名。如 International Rectifier的HEXFET采用正六边形结构 Siemens的SIPMOSFET采用了正方形结构 Motorola的TMOS采用矩形单元的“品”字形排列 2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构截截止止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零nP基区与N区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件电力电力MOSFET
16、MOSFET的结构的结构导电：导电：在栅源极间加正电压UGSn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2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构导电：导电：在栅源极间加正电压UGSn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型而成为反反型型层层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电n电压驱动型器件电压驱动型器件2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件电力电
17、力MOSFETMOSFET的结构的结构MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高（1015），输入电流非常小。驱动电路简单，需要的驱动功率小导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型器件；2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件2.7.1结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件1)1)静态特性静态特性 可以用转移特性和输出特性表述图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2.7.2电力电力MOSFET基本特性基本特性电力电子器件优秀优秀课件漏极电流I ID D和栅源间电压U UGSGS的关系称为MOSFETM
18、OSFET的的转转移移特特性性，表征MOSFET的放大能力。曲线的斜率定义为 跨导跨导G GfsfsI ID D较大时，I ID D与与U UGSGS的关系近似线性，在一定范围内在一定范围内U UGSGS越高，通态时越高，通态时MOSFETMOSFET的等效电阻越小，管压降的等效电阻越小，管压降U UDSDS也小些，为保证通态时漏也小些，为保证通态时漏- -源极之间的等效电阻、管压降尽可源极之间的等效电阻、管压降尽可能小，能小， U UGSGS通常设计为大于通常设计为大于10V10V。2.7.2电力电力MOSFET基本特性基本特性电力电子器件优秀优秀课件MOSFETMOSFET漏极伏安特性（输
19、出特性）漏极伏安特性（输出特性）：指在一定的UGS时，漏极电流ID与漏-源电压UDS之间的关系曲线。当UGS20V将导致绝缘层击穿 4)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS2.7.3电力电力MOSFET主要参数主要参数电力电子器件优秀优秀课件漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点不可能出现区域2.7.3电力电力MOSFET主要参数主要参数电力电子器件优秀优秀课件特点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，开关时间短，一般为纳秒级，工作频率高热稳定性优于G
20、TR（不存在热电反馈二次击穿）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（不存在电导调制效应，体电阻较大） 2.7.3电力电力MOSFET主要参数主要参数电力电子器件优秀优秀课件2.7.4电力电力MOSFET的驱动的驱动1、与、与GTO和和GTR通过电流驱动不同，通过电流驱动不同，MOSFET是是电压驱动电压驱动型器件型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于驱动电路，其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于驱动电路设计设计2、驱动电路内阻要尽量小，以减小充电时间常数，提高开关、驱动电路内阻要尽量小，以减小充电时间常数，提高开关速度，但要避免震荡。速度，但要避免震荡。3
21、、理论场控器件静态时几乎不需要输入电流，但开关过程中、理论场控器件静态时几乎不需要输入电流，但开关过程中需要电容充放电，仍需一定的驱动功率。需要电容充放电，仍需一定的驱动功率。4、为提高开关速度，驱动电路必须有足够的电压以保证器件、为提高开关速度，驱动电路必须有足够的电压以保证器件开通时有足够的电压变化率，进而加快输入电容充电。开通时有足够的电压变化率，进而加快输入电容充电。电力电子器件优秀优秀课件2.7.4电力电力MOSFET的驱动的驱动5、一般采用双电源供电，、一般采用双电源供电，MOSFET开通驱动电压一般为开通驱动电压一般为1015V，关断时施加一定幅值的，关断时施加一定幅值的负压（负
22、压（-5V-15V）有利于减有利于减小关断时间和关断损耗。小关断时间和关断损耗。6、需要电气隔离。、需要电气隔离。电力电子器件优秀优秀课件电力电力MOSFETMOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路推挽电路2.7.4电力电力MOSFET的驱动的驱动电力电子器件优秀优秀课件电电力力MOSFETMOSFET的的薄薄弱弱之之处处是是绝绝缘缘层层易易被被击击穿穿损损坏坏，栅栅源源间间的的电电压压不得超过不得超过20V20V，使用时必须采用相应保护措施：，使用时必须采用相应保护措施：2.7.5电力电力MOSFET的应用特点的应用特点1、防止静电击穿（在静电场较强的场合难于释放电荷，容易引起、防止静电击穿
23、（在静电场较强的场合难于释放电荷，容易引起静电击穿）静电击穿）2、防止栅源过电压（栅极一般不容许开路或悬浮，防止静电干扰、防止栅源过电压（栅极一般不容许开路或悬浮，防止静电干扰使输入电容上的电压上升到大于门限电压而造成误导通，甚至损坏使输入电容上的电压上升到大于门限电压而造成误导通，甚至损坏器件，为了保护器件，通常需要在栅源之间并接阻尼电阻或并接稳器件，为了保护器件，通常需要在栅源之间并接阻尼电阻或并接稳压管）压管）电力电力MOSFET的通态电阻的通态电阻Ron具有正温度系数，易于并联使用具有正温度系数，易于并联使用电力电力MOSFET是多子导电的单极性器件，开关速度较快是多子导电的单极性器件
24、，开关速度较快电力电子器件优秀优秀课件2.7.5电力电力MOSFET的应用特点的应用特点电力电力MOSFET是通态压降与电流成正比是通态压降与电流成正比单极性器件使其耐压难以较好地提高，限制了器件在大功率场合的单极性器件使其耐压难以较好地提高，限制了器件在大功率场合的应用应用电力电子器件优秀优秀课件上次课内容回顾上次课内容回顾GTRSOAOIcIcMPSBPcMUceUceM二次击穿二次击穿电力电子器件优秀优秀课件上次课内容回顾上次课内容回顾电力电力MOSFET电力电子器件优秀优秀课件上次课内容回顾上次课内容回顾电力电力MOSFET密勒平台MillerPlateau电力电子器件优秀优秀课件1
25、IGBT1 IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理2 IGBT2 IGBT的基本特性的基本特性3 IGBT3 IGBT的主要参数的主要参数4 4IGBTIGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区5 5IGBTIGBT的驱动的驱动6 6IGBTIGBT的应用特点的应用特点2.8 2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管电力电子器件优秀优秀课件GTRGTR和和GTOGTO的的特特点点双极型，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。 MOSFETMOSFET的的优优点点单极型，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
26、驱动电路简单。但是导通压降大。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件2.8绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管电力电子器件优秀优秀课件根据开关状态的控制方式的不同，有不同类型的Bi-MOS器件。比如有将单、双极器件按达林顿方式结合在一起的利用MOS器件的漏极电流控制双极器件开关状态的电流型控制方式（器件集成），也有直接利用MOS栅控制双极器件导电沟道的电压型控制方式。电压控制型：只能控制开通的MOS栅晶闸管（MGT），能控制通断的绝缘栅晶体管IGBT，以及由IGBT引出的一些新型器件如MOS控制的晶闸管（MCT）。 2.8绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管电力电子器件优秀优秀课件
27、绝绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管（Insulated-gate Insulated-gate Bipolar Bipolar TransistorTransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）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。2.8绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管电力电子器件优秀优秀课件IGBT的结构和工作原理2.8绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管电力电子器件优秀优秀课件2.8.1IGBT结构和工作原理结构和工作原理
28、电力电子器件优秀优秀课件IGBTIGBT的结构的结构N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）P沟道VDMOSFET与GTR组合P沟道IGBT（P-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1，使得IGBT具有很强的通流能力2.8.1IGBT结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件IGBTIGBT的原理的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定导导通通：u uGEGE大于开开启启电电压压U UGE(th)GE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通,导通后的N飘逸
29、区电导调制效应，减小了电阻RN，使得高耐压IGBT的通态压降也较低。2.8.1IGBT结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件IGBTIGBT的原理的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定关关断断：栅射极间施加反压或撤除u uGEGE时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得VJ1截止，IGBT关断2.8.1IGBT结构和工作原理结构和工作原理电力电子器件优秀优秀课件2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件1 1）IGBTIGBT的静态特性的静态特性同样可以用转移特性和输出特性表述IGBT的转移特性和输出特性a)转
30、移特性b)输出特性2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件转移特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似开开 启启 电电 压压 UGE(th)：IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高略有降低UGE最大值限制2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件输出特性输出特性（伏安特性）UGE一定时，IC与UCE间的关系分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态P+N+的正向偏压所致IGBT不适合要求器件压降低于0.7V的场合使用2.8.2
31、IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件通态压降通态压降:VDC(on)=VJ1+VN+IDRon电流分配电流分配:高压IGBT中PNP的电流放大倍数小于1，因此，流过 MOS管 的 电 流 构 成IGBT电流的主要部分。2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件 2)IGBT的动态特性的动态特性2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件 2)IGBT的动态特性的动态特性2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件 2)IGBT的动态特性的动态特性IGBT的的开开通通过过程程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部
32、分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td(on)t0-t1电流上升时间tri t1-t2电压下降时间tfv MOSFET的电压下降时间tfv1(t2-t3);PNP晶晶体体管管的的电压下降时间电压下降时间tfv2(t3-t4);开通时间开通时间ton=td(on)+tri +tfv2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件 2)IGBT的动态特性的动态特性IGBT的的开开通通过过程程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行关断延迟时间td(off)t5-t6电压上升时间trv t6-t7电流下降时间tfi MOSFET的电流下降时间tf
33、i1(t7-t8);PNP晶晶体体管管的的电流下降时间电流下降时间tfi2(t8-t9);关断时间关断时间toff=td(off)+trv +tfi2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间是互相矛盾的参数。实际应用中，需根据具体情况合理选择。2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电子器件优秀优秀课件IGBT的开关时间与漏极电流、门极电阻以及结温等参数有关。2.8.2IGBT的基本特性的基本特性电力电
34、子器件优秀优秀课件2.8.3 IGBT2.8.3 IGBT的主要参数的主要参数电力电子器件优秀优秀课件1 1）最最大大集集射射极极间间电电压压U UCESCES ：内部PNP晶体管所能承受的击穿电压2 2）最最大大集集电电极极电电流流：允许通过集电极的最大电流。包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流I ICPCP3 3）最最大大集集电电极极功功耗耗P PCMCM ：正常工作温度下允许的最大耗散功率 2.8.3IGBT的主要参数的主要参数电力电子器件优秀优秀课件IGBTIGBT的特性和参数特点的特性和参数特点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
35、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2.8.3IGBT的主要参数的主要参数电力电子器件优秀优秀课件2.8.4 IGBT2.8.4 IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区电力电子器件优秀优秀课件寄生晶闸管寄生晶闸管该晶闸管由寄生三极管Vj2和VJ1组成。Rbr为Vj2的基极和发射极间的体区电阻。Rbr上的电压降作为一个正向偏压加在Vj2的基极和发
36、射极之间。 当IGBT处于截止态和正常稳定通态时，Rbr上的压降都很小，不足以产生Vj2的基极电流，Vj2不起作用。2.8.4IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区电力电子器件优秀优秀课件寄生晶闸管寄生晶闸管但是如果ic瞬时过大，Rbr上压降过大，则可能使Vj2导通，一旦Vj2通，即使撤除栅极电压，IGBT仍会像晶闸管一样处于通态，使栅极G失去控制作用。这种现象称为擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应。2.8.4IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区电力电子器件优秀优秀课件擎擎住住效效应应：静静态态擎擎住住效效应应和和动态擎住效应动态擎住效应静静态态擎擎住住效效应应
37、：发生于导通状态的IGBT中。即流过IGBT的电流过大，致使Rbr上的压降足以使VJ2的发射结导通。动动态态擎擎住住效效应应：发生于IGBT的关断过程中。MOS管迅速关断，J2结反向电压迅速建立，此时会发生J2结电容电压变化引起位移电流，该位移电流同样会在体电阻Rbr上产生压降。A动态擎住效应主要由电压变化率决定，还受集电极电流和结温的影响。他比静态擎住效应所容许的电流更小2.8.4IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区电力电子器件优秀优秀课件IGBTIGBT安安全全工工作作区区：正正向向偏偏置置安安全全工工作作区区（FBSOAFBSOA）和和反反向向偏偏置置安全工作区（安全工作
38、区（RBSOARBSOA）正正向向偏偏置置安安全全工工作作区区（FBSOAFBSOA) 导通工作状态的参数极限范围：最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定反反向向偏偏置置安安全全工工作作区区（RBSOARBSOA）（表示驱动电压为0或负值时器件关断瞬态的限制区域）阻断工作状态的参数极限范围：最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率d du uCECE/dt/dt确定2.8.4IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区电力电子器件优秀优秀课件2.8.5IGBT的驱动的驱动电力电子器件优秀优秀课件2.8.5IGBT的驱动的驱动IGBT的输入阻抗高，属于电压型控制
39、器件，要求的驱动功率小的输入阻抗高，属于电压型控制器件，要求的驱动功率小IGBT的可以使用电力的可以使用电力MOSFET的驱动技术对其进行驱动，但的驱动技术对其进行驱动，但IGBT的栅极输入电容较大，因而其驱动电压和反向偏压较电力的栅极输入电容较大，因而其驱动电压和反向偏压较电力MOSFET高。高。具体而言具体而言IGBT的驱动要求一般为：的驱动要求一般为：1）栅极驱动电压（正向电压）栅极驱动电压（正向电压1220V，反向偏压一般，反向偏压一般-5-15V）2）串联栅极电阻（一方面减小栅极电阻利于器件的开通，另一方面）串联栅极电阻（一方面减小栅极电阻利于器件的开通，另一方面过小的栅极电阻会降低
40、栅极的噪声抑制能力并且可能会引起震荡）过小的栅极电阻会降低栅极的噪声抑制能力并且可能会引起震荡）电力电子器件优秀优秀课件M57962LM57962L型型IGBTIGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图过流保护2.8.5IGBT的驱动的驱动电力电子器件优秀优秀课件2.8.6IGBT的应用特点的应用特点电力电子器件优秀优秀课件2.8.6IGBT的应用特点的应用特点IGBT是性能理想的中大容量的中高速电压控制型器件是性能理想的中大容量的中高速电压控制型器件在通流能力方面，在通流能力方面，IGBT综合了电力综合了电力MOSFET和和GTR的导电特性的导电特性（在（在1/2或或1/3额定电流以下
41、时，额定电流以下时，GTR压降起主要作用，当电流较大时压降起主要作用，当电流较大时功率功率MOSFET的压降起主要作用）的压降起主要作用）由于由于IGBT包含双极性导电机构，其开关速度受制于少数载流子的包含双极性导电机构，其开关速度受制于少数载流子的复合，与电力复合，与电力MOSFET相比有较长的尾部电流时间相比有较长的尾部电流时间电力电子器件优秀优秀课件1.GTO：管压降较大，容量较大（通流和耐压能力）， fs较低，只能用于工频场合，电流驱动，驱动电路复杂（所有全控型器件中最复杂），驱动电流很大。2.GTR：电流驱动，容量中等，管压降较低，开关频率中等，驱动较复杂3.IGBT：与GTR比，容
42、量和管压降差不多，但是fs明显增加，开通损耗也更小。4.MOSFET： fs最高，但是通流容量较小，承受电压较低各类全控型器件的总结各类全控型器件的总结电力电子器件优秀优秀课件各类全控型器件的总结各类全控型器件的总结电力电子器件优秀优秀课件各类全控型器件的总结各类全控型器件的总结电力电子器件优秀优秀课件IGBT的常见封装的常见封装电力电子器件优秀优秀课件电力电子器件优秀优秀课件2.9 2.9 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT功率模块与功率集成电路电力电子器件优秀优秀课件2.9.1MOS控制晶闸管控
43、制晶闸管MCTMCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合集成度高于GTOMCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。电力电子器件优秀优秀课件每个元的组成为：在晶闸管结构中引进一对MOSFET管控制晶闸管导通关断静态特性与晶闸管一样触发驱动电路简单20世纪80年代出现，但是结构和制造工艺比较复杂，成品率不高2.9.1MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT电力电子器件优秀优秀课件SIT（StaticInductionTransistor）结型场效应晶体管1970年研制通过外加电
44、压形成静电场作用控制通断，故称为静电感应晶体管开关作用类似于一个继电器的常闭触点隐埋栅SIT表面栅SIT2.9.2静电感应晶体管静电感应晶体管SIT电力电子器件优秀优秀课件SITH（StaticInductionThyristor）场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT）1972年研究，结构原理与SIT相似一般也是正常导通型，但也有正常关断型与SIT相比在高频大功率装置和逆变电源、开关电源，放电设备电源等新型电源中有优势隐埋栅SIT表面栅SIT2.9.3静电感应晶体管静电感应晶体管SITH电力电子器件优秀优秀课件IGCTIGCT（Integrated Gate-Co
45、mmutated Thyristor） 集成门极换流电路，GCT（Gate-Commutated Thyristor）20世纪90年代后期出现电流大、电压高、开关频率高，结构紧凑、可靠性高、损耗低、制造成本不高，成品率较高与IGBT不同，要关断IGCT需要提供一个负门极电流，因而也存在能关断的最大阳极电流问题，超出这一值器件将不能关断，出现“直通”现象。2.9.3集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT电力电子器件优秀优秀课件功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子器件的发展趋势模块化电力电子开关模块：把同类的开关器件或不同类的一个或多个开关器件，按一定的电路拓扑结构连接并封装在一起的组合体电力电子开关模块又称功率模块功率模块2.9.4功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路电力电子器件优秀优秀课件将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路功率集成电路（PowerIntegratedCircuitPIC）高压集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）、智能功率模块（IPM）功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。2.9.4功率模块与功率集成功率模块与功率集成电力电子器件优秀优秀课件
