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1、第四章 全控型电力电子器件 学习目标学习目标 1. 掌握掌握GT0、GTR、功率、功率MOSFET、IGBT四种常见全控型电力电子器件四种常见全控型电力电子器件的工作原理、特性、主要参数、驱的工作原理、特性、主要参数、驱动电路及使用中应注意的问题。动电路及使用中应注意的问题。 2. 熟悉常见全控型电力电子器件各自熟悉常见全控型电力电子器件各自特点以及适用场合。特点以及适用场合。 3. 了解新型电力电子器件的概况。了解新型电力电子器件的概况。:第一第一节 门极可关断晶极可关断晶闸管管(GTO) (GTO) 一、一、GTOGTO的结构与工作原理的结构与工作原理 1 1基本结构基本结构 a)a)芯芯
2、片片的的实实际际图图形形 b) b) GTOGTO结结构构的的纵纵断断面面 c) c) GTOGTO结结构构的的纵纵断断面面 d)d)图图形形符符号号 图图4-1 GTO4-1 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号:2 2工作原理工作原理 图4-2 GTO的工作原理电路 当图中开关S置于“1时，IG是正向触发电流，控制GTO导通；S置于“2时，则门极加反向电流，控制GTO关断。: 二、二、GTOGTO的特性与主要参数的特性与主要参数 1GTO的开关特性 图4-3 GTO在开通和关断过程中电流的波形 : 2 2GTOGTO的主要参数的主要参数 GTO的基本参数与普通晶闸管大多相
3、同。 1) 反向重复峰值电压URRM： 不规定URRM值。 URRM值很低。 URRM略低于UDRM。 URRM = UDRM。 URRM略大于UDRM。 2最大可关断阳极电流IATO：GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个因素限制。阳极电流过大，内部晶体管饱和深度加深，使门极关断失效。所以GTO必须规定一个最大可关断阳极电流，也就是GTO的铭牌电流。 3关断增益off 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益off。即:三、三、GTOGTO的的驱动与保与保护 1 1GTOGTO门极驱动电路门极驱动电路 对门极驱动电路的要求：对门极驱动电路的要求： 1 1正
4、正向向触触发发电电流流iGiG。由由于于GTOGTO是是多多元元集集成成结构，结构，为为了了使使内内部部并并联联的的GTOGTO元元开开通通一一致致性性好好，故故要要求求GTOGTO门门极极正正向向驱驱动动电电流流的的前前沿沿必必须须有有足足够够的的幅幅度度和和陡度，陡度，正脉冲的后沿陡度应平缓。正脉冲的后沿陡度应平缓。 2 2反反向向关关断断电电流流iGiG。为为了了缩缩短短关关断断时时间与减间与减少少关关断断损损耗耗，要要求求关关断断门门极极电电流流前前沿沿尽尽可可能能陡陡，而而且且持持续续时时间间要要超超过过GTOGTO的的尾尾部部时时间间。还还要要求求关关断门极断门极电流脉冲的后沿陡度
5、应尽量小。电流脉冲的后沿陡度应尽量小。 图图4-4 4-4 较为理想的门极电压和电流波形较为理想的门极电压和电流波形 : 2 2GTOGTO的的驱动电路路 a) b) 图4-5 GTO门极驱动电路 a)小容量GTO门极驱动电路 b)较大容量GTO桥式门极驱动电路: 3 3GTOGTO的保的保护电路路 a) b) c) d) a) b) c) d)图图4-6 GTO4-6 GTO的阻容缓冲电路的阻容缓冲电路 图图4-64-6为为GTOGTO的的阻阻容容缓缓冲冲电电路路。图图4-6a4-6a只只能能用用于于小小电电流流；图图4-6b4-6b加加在在GTOGTO上上的的初初始始电电压压上上升升率率大
6、大，因因而而在在GTOGTO电电路路中中不不推推荐荐；图图4-6c4-6c与与图图4-6d4-6d是是较较大大容容量量GTOGTO电电路路中中常常见见的的缓缓冲冲器器，其其二二极极管管尽尽量量使使用用速速度度快快的，并使接线短，从而使缓冲器电容效果更显著。的，并使接线短，从而使缓冲器电容效果更显著。:第二节第二节 电力晶体管电力晶体管(GTR)(GTR)一、电力晶体管的结构与工作原理一、电力晶体管的结构与工作原理 1 1电力晶体管的结构电力晶体管的结构 a) b) a) b)图图4-7 NPN4-7 NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号型电力晶体管的内部结构及电气图形符号 a) a) 内
7、部结构内部结构 b) b) 电气图形符号电气图形符号: 2 2工作原理工作原理 在在电电力力电电子子技技术术中中，GTRGTR主主要要工工作作在在开开关关状状态态。晶晶体体管管通通常常连连接接成成共共发发射射极极电电路路，GTRGTR通通常常工工作作在在正正偏偏(Ib(Ib0)0)时时大大电电流流导导通通；反反偏偏(Ib(Ib0)0)时时处处于于截截止止状状态态。因因而而，给给GTRGTR的的基基吸吸施施加加幅幅度度足足够够大大的的脉脉冲冲驱驱动动信信号号，它它将将工工作作于于导通和截止的开关状态。导通和截止的开关状态。:二、二、电力晶体管的特性与主要参数力晶体管的特性与主要参数 1. GTR
8、 1. GTR的基本特性的基本特性 (1) (1)静态特性静态特性 共共发发射射极极接接法法时时，GTRGTR的的典典型型输输出出特特性性如如图图4-84-8所所示示，可分为三个工作区：可分为三个工作区： 截截止止区区。在在截截止止区区内内，iB0iB0，uBE0uBE0，uBCuBC0 0，集电极只有漏电流流过。，集电极只有漏电流流过。 放大区。放大区。iB iB 0 0，uBEuBE0 0，uBCuBC0 0，iC =iBiC =iB。 饱和区。饱和区。 ，uBEuBE0 0，uBCuBC0 0，iCSiCS是集电极是集电极饱和电流，其值由外电路决定。饱和电流，其值由外电路决定。: (2)
9、 (2)动态特性特性 图4-8 GTR4-8 GTR共共发射极接法的射极接法的输出特性出特性 图4-9 4-9 GTRGTR开开关关特特性性 :2 2GTRGTR的参数的参数 (1) (1)最高工作电压最高工作电压 BUCBO BUCBO：射极开路时，集：射极开路时，集- -基极间的反向击穿电压。基极间的反向击穿电压。 BUCEO BUCEO：基极开路时，集：基极开路时，集- -射极之间的击穿电压。射极之间的击穿电压。 BUCER BUCER：GTRGTR的射极和基极之间接有电阻的射极和基极之间接有电阻R R。 BUCES BUCES：发射极和基极短路，集：发射极和基极短路，集- -射极之间的
10、击穿电压。射极之间的击穿电压。 BUCEXBUCEX：发发射射结结反反向向偏偏置置时时，集集- -射射极极之之间间的的击击穿穿电电压压。其其中中BUCBO BUCBO BUCES BUCES BUCES BUCES BUCER BUCER BUCEOBUCEO，实实际际使使用用时，为确保安全，最高工作电压要比时，为确保安全，最高工作电压要比BUCEOBUCEO低得多。低得多。 (2) (2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICMICM (3) (3)集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM PCM (4) (4)最高工作结温最高工作结温TJM TJM :3 3二次二次击穿和安全工
11、作区穿和安全工作区 (1) (1)二次击穿二次击穿 二二次次击击穿穿是是由由于于集集电电极极电电压压升升高高到到一一定定值值( (未未达达到到极极限限值值) )时时，发发生生雪雪崩崩效效应应造造成成的的。一一般般情情况况下下，只只要要功功耗耗不不超超过过极极限限，GTRGTR是是可可以以承承受受的的，但但是是在在实实际际使使用用中中，会会出出现现负负阻阻效效应应，使使iEiE进进一一步步剧剧增增。由由于于GTRGTR结结面面的的缺缺陷陷、结结构构参参数数的的不不均均匀匀，使使局局部部电电流流密度剧增，形成恶性循环，使密度剧增，形成恶性循环，使GTRGTR损坏。损坏。 (2) (2)安全工作区安
12、全工作区 以以直直流流极极限限参参数数ICMICM、PCMPCM、UCEMUCEM构构成成的的工工作作区区为为一次击穿工作区，如图一次击穿工作区，如图4-104-10所示。所示。 :图图4-10 GTR4-10 GTR安全工作区安全工作区 :三、三、电力晶体管的力晶体管的驱动与保与保护 1 1GTRGTR基极驱动电路基极驱动电路 (1) (1)对基极驱动电路的要求对基极驱动电路的要求 由由于于GTRGTR主主电电路路电电压压较较高高，控控制制电电路路电电压压较较低低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。 在在使使GTRGTR导导通通时时，基基极极正正向向
13、驱驱动动电电流流应应有有足足够够陡陡的的前前沿沿，并并有有一一定定幅幅度度的的强强制制电电流流，以以加加速速开开通通过过程，减小开通损耗，如图程，减小开通损耗，如图4-114-11所示。所示。 GTRGTR导导通通期期间间，在在任任何何负负载载下下，基基极极电电流流都都应应使使GTRGTR处处在在临临界界饱饱和和状状态态，这这样样既既可可降降低低导导通通饱饱和和压压降降，又可缩短关断时间。又可缩短关断时间。 在使在使GTRGTR关断时，应向基极提供足够大的关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流反向基极电流( (如图如图4-114-11波形所示波形所示) )，以加快关，以加快关断速度，减小关断
14、损耗。断速度，减小关断损耗。 应有较强的抗干扰能力，并有一定的保应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。护功能。 图图4-11 GTR4-11 GTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形 :(2)(2)基极基极驱动电路路 图图4-12 4-12 实用的实用的GTRGTR驱动电路驱动电路 : 3 3GTRGTR的保的保护电路路 a) b) c) a) b) c) 图4-13 GTR4-13 GTR的的缓冲冲电路路 图4-13a4-13a所示所示RCRC缓冲冲电路路简单，对关断关断时集集电极极发射极射极间电压上升上升有抑制作用。有抑制作用。这种种电路只适用于小容量的路只适用于小容量的GTR(GTR(
15、电流流10 A10 A以下以下) )。 图4-13b4-13b所示充放所示充放电型型R R、C C、VDVD缓冲冲电路增加了路增加了缓冲二极管冲二极管VD2VD2，可，可以用于大容量的以用于大容量的GTRGTR。但它的。但它的损耗耗( (在在缓冲冲电路的路的电阻上阻上产生的生的) )较大，不大，不适合用于高适合用于高频开关开关电路。路。 图4-13c4-13c所示阻止放所示阻止放电型型R R、C C、VDVD缓冲冲电路，路，较常用于大容量常用于大容量GTRGTR和和高高频开关开关电路，其最大路，其最大优点是点是缓冲冲产生的生的损耗小。耗小。:第三第三节 电力力场效效应晶体管晶体管(Power
16、(Power MOSFET) MOSFET) 一、一、电力力MOSFETMOSFET的的结构构 电力力MOSFETMOSFET采取两次采取两次扩散工散工艺，并将漏极，并将漏极D D移到芯片的另一移到芯片的另一侧表面上，表面上，使从漏极到源极的使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面有利于减小芯片面积和和提高提高电流密度。流密度。 a) b) a) b) 图4-14 4-14 电力力MOSFETMOSFET的的结构和符号构和符号 a) MOSFET a) MOSFET元元组成剖面成剖面图 b) b) 图形符号形符号:2 2电力力MOSFETMOSFET的工作
17、原理的工作原理 当当漏漏极极接接电电源源正正极极，源源极极接接电电源源负负极极，栅栅源源极极之之间间电电压压为为零零或或为为负负时时，P P型型区区和和N-N-型型漂漂 移移区区之之间间的的PNPN结结反反向向，漏漏源源极极之之间间无无电电流流流流过过。如如果果在在栅栅极极和和源源极极间间加加正正向向电电压压UGSUGS，由由于于栅栅极极是是绝绝缘缘的的，不不会会有有电电流流。但但栅栅极极的的正正电电压压所所形形成成的的电电场场的的感感应应作作用用却却会会将将其其下下面面的的P P 型型区区中中的的少少数数载载流流子子电电子子吸吸引引到到栅栅极极下下面面的的P P型型区区表表面面。当当uGSu
18、GS大大于于某某一一电电压压值值UGS(th)UGS(th)时时，栅栅极极下下面面的的P P型型区区表表面面的的电电子子浓浓度度将将超超过过空空穴穴浓浓度度，使使P P型型反反型型成成N N型型，沟沟通通了了漏漏极极和和源源极极。 此此时时，若若在在漏漏源源极极之之间间加加正正向向电电压压，则则电电子子将将从从源源极极横横向向穿穿过过沟沟道道，然然后后垂垂直直( (即即纵纵向向) )流流向向漏漏极极，形形成成漏漏极极电电流流iDiD。电电压压UGS(th)UGS(th)称称为为开开启启电电压压，uGSuGS超超过过UGS(th)UGS(th)越越多多，导导电电能能力力就就越强，漏极电流越强，漏
19、极电流iDiD也越大。也越大。: 二、二、电力力MOSFETMOSFET的特性的特性 1 1转移特性转移特性 转转移移特特性性是是指指电电力力MOSFETMOSFET的的输输入入栅栅源源电电压压uGSuGS与与输输出出漏漏极极电电流流iDiD之之间间的的关关系系，如如图图4-15a4-15a所所示示。由由图图可可见见，当当uGS uGS UGS(th)UGS(th)时时，iDiD近近似似为为零零；当当uGSuGSUGS(th)UGS(th)时时，随随着着uGSuGS的的增增大大，iDiD也也越越大大。当当iDiD较较大大时时，iDiD与与uGSuGS的的关关系系近近似似为为线线性性，曲线的斜率
20、被定义为跨导曲线的斜率被定义为跨导gmgm，则有，则有 : 二、二、电力力MOSFETMOSFET的特性的特性 a) b) a) b) 图图4-15 4-15 电力电力MOSFETMOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) a) 转移特性转移特性 b) b) 输出特性输出特性 : 2 2输出特性出特性 输出出特特性性是是指指以以栅源源电压uGSuGS为参参变量量，漏漏极极电流流iDiD与与漏源漏源电压uDSuDS之之间关系的曲关系的曲线，如，如图4-15b4-15b所示。所示。 截截止止区区。uGSUGS(th)uGSUGS(th)，iD=0iD=0，这和和电力力晶晶体体管管的
21、的截截止区相止区相对应。 饱和和区区。uGSuGSUGS(th)UGS(th)，uDSuGS uDSuGS -UGS(th)-UGS(th)，当当uGSuGS不不变时，iDiD几几乎乎不不随随uDSuDS的的增增加加而而增增加加，近近似似为一一常常数数，故故称称为饱和和区区。这里里的的饱和和区区对应电力力晶晶体体管管的的放放大大区区。当当用做用做线性放大性放大时，MOSFETMOSFET工作在工作在该区。区。 非非饱和和区区。uGSuGSUGS(th)UGS(th)，uDSuDSuGS uGS -UGS(th)-UGS(th)，漏漏源源电压uDSuDS和和漏漏极极电流流iDiD之之比比近近似似
22、为常常数数。该区区对应于于电力力晶晶体体管管的的饱和和区区。当当MOSFETMOSFET作作开开关关应用用而而导通通时即即工工作作在在该区。区。: 3 3开关特性开关特性 a) b a) b） 图图4-16 4-16 电力电力MOSFETMOSFET的开关过程的开关过程 a) a) 测测试试MOSFETMOSFET开开关关特特性性的的电电路路 b) b) 开开关关特特性性曲曲线线: 2 2电力力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数 1 1漏漏极极电电压压UDSUDS：即即电电力力MOSFETMOSFET的的额额定定电电压压，选选用用时时必必须留有较大安全裕量。须留有较大安全裕量。 2
23、2漏漏极极最最大大允允许许电电流流IDMIDM：即即电电力力MOSFETMOSFET的的额额定定电电流流，其大小主要受管子的温升限制。其大小主要受管子的温升限制。 3 3栅栅源源电电压压UGSUGS：栅栅极极与与源源极极之之间间的的绝绝缘缘层层很很薄薄，承承受受电电压压很很低低，一一般般不不得得超超过过20 20 V V，否否则则绝绝缘缘层层可可能能被被击击穿穿而而损坏，使用中应加以注意。损坏，使用中应加以注意。 总总之之，为为了了安安全全可可靠靠，在在选选用用MOSFETMOSFET时时，对对电电压压、电电流流的额定等级都应留有较大裕量。的额定等级都应留有较大裕量。 4 4极极间间电电容容：
24、电电力力MOSFETMOSFET极极间间电电容容包包括括CGSCGS、CGDCGD和和CDSCDS，其其中中CGSCGS为为栅栅源源电电容容，CGDCGD是是栅栅漏漏电电容容，是是由由器器件件结结构构中中的绝缘层形成的；的绝缘层形成的；CDSCDS是漏源电容，是由是漏源电容，是由PNPN结形成的。结形成的。 : 三、三、电力力MOSFETMOSFET的的驱动与保与保护 1 1电力力MOSFETMOSFET的的驱动图4-18 4-18 电力力MOSFETMOSFET的一种的一种驱动电路路 : 三、三、电力力MOSFETMOSFET的的驱动与保与保护 2 2MOSFETMOSFET的保的保护 (1
25、) (1)防止静防止静电击穿穿 在在测试和和接接入入电路路之之前前器器件件应存存放放在在静静电包包装装袋袋，导电材材料料或或金金属容器中属容器中 。 将将器器件件焊接接时，工工作作台台和和烙烙铁都都必必须良良好好接接地地，焊接接时烙烙铁应断断电。 在在测试器件器件时，测量量仪器和工作台都必器和工作台都必须良好接地。良好接地。 注意注意栅极极电压不要不要过限。限。 (2) (2)防止偶然性振防止偶然性振荡损坏器件坏器件 (3) (3)防止防止过电压 (4) (4)防止防止过电流流 (5) (5)消除寄生晶体管和二极管的影响消除寄生晶体管和二极管的影响 :第四第四节 绝缘栅双极晶体管双极晶体管(I
26、GBT) (IGBT) 一、基本一、基本结构构 a) b) c) a) b) c) 图4-19 1GBT4-19 1GBT的的结构、构、简化等效化等效电路和路和电气气图形符号形符号 a)a)内内部部结构构 b)b)简化化等等效效电路路 c)c)电气气图形符号形符号: 二、工作原理二、工作原理 IGBTIGBT的的驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFETMOSFET基基本本相相同同，它它是是一一种种压压控控型型器器件件。其其开开通通和和关关断断是是由由栅栅极极和和发发射射极极间间的的电电压压uGEuGE决决定定的的，当当uGEuGE为为正正且且大大于于开开启启电电压压uGE(th)uGE(th)
27、时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，并并为为晶晶体体管管提提供供基基极极电电流流使使其其导导通通。当当栅栅极极与与发发射射极极之之间间加加反反向向电电压压或或不不加加电电压压时时，MOSFETMOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBTIGBT关断。关断。 PNPPNP晶晶体体管管与与N N沟沟道道MOSFETMOSFET组组合合而而成成的的IGBTIGBT称称为为N N沟沟道道IGBTIGBT，记记为为N-IGBTN-IGBT，其其电电气气图图形形符符号号如如图图4-19c4-19c所所示示。对对应应的的还还有有P P沟沟道道IGBTI
28、GBT，记记为为P-IGBTP-IGBT。N-IGBTN-IGBT和和P-IGBTP-IGBT统称为统称为IGBTIGBT。由于实际应用中以。由于实际应用中以N N沟道沟道IGBTIGBT为多。为多。:三、三、1GBT1GBT的基本特性的基本特性 a) b) a) b)图4-20 1GBT4-20 1GBT的的转移特性和移特性和输出特性出特性 a) a)转移特性移特性 b) b)输出特性出特性:三、三、1GBT1GBT的基本特性的基本特性 图4-20a4-20a为IGBTIGBT的的转移移特特性性，它它描描述述的的是是集集电极极电流流iCiC与与栅射射电压uGEuGE之之间的的关关系系，与与功
29、功率率MOSFETMOSFET的的转移移特特性性相相似似。开开启启电压uGE(th)uGE(th)是是IGBTIGBT能能实现电导调制制而而导通通的的最最低低栅射射电压。uGE(th)uGE(th)随温度升高而略有下降，温度升高随温度升高而略有下降，温度升高11，其，其值下降下降5 mV5 mV左右。左右。 图4-20b4-20b为IGBTIGBT的的输出出特特性性，也也称称为伏伏安安特特性性，它它描描述述的的是是以以栅射射电压为参参考考变量量时，集集电极极电流流iCiC与与集集射射极极间电压uCEuCE之之间的的关关系系。此此特特性性与与GTRGTR的的输出出特特性性相相似似，不不同同的的是
30、是参参考考变量量，IGBTIGBT为栅射射电压uGEuGE，GTRGTR为基基极极电流流iB iB 。IGBTIGBT的的输出出特特性性也也分分为三三个个区区域域：正正向向阻阻断断区区、有有源源区区和和饱和和区区。这分分别与与GTRGTR的的截截止止区区、放放大大区区和和饱和和区区相相对应。此此外外，当当uCEuCE0 0时，IGBTIGBT为反反向向阻阻断断工工作作状状态。在在电力力电子子电路路中中，IGBTIGBT工工作作在在开开关关状状态，因因而而是是在在正正向向阻阻断区和断区和饱和区之和区之间来回来回转换。:三、三、1GBT1GBT的基本特性的基本特性 动态特性：特性： 图4-21 1
31、GBT4-21 1GBT的开关的开关过程程 :四、主要参数四、主要参数 集集电电极极- -发发射射极极额额定定电电压压UCESUCES：这这个个电电压压值值是是厂厂家家根根据据器器件件的的雪雪崩崩击击穿穿电电压压而而规规定定的的，是是栅栅极极- -发发射射极极短短路路时时IGBTIGBT能能承承受受的的耐耐压压值值，即即UCESUCES值小于或等于雪崩击穿电压。值小于或等于雪崩击穿电压。 栅栅极极- -发发射射极极额额定定电电压压UGESUGES：IGBTIGBT是是电电压压控控制制器器件件，靠靠加加到到栅栅极极的的电电压压信信号号控控制制IGBTIGBT的的导导通通和和关关断断，而而UGES
32、UGES就就是是栅栅极极控控制制信信号号的的电电压压额额定定值值。目目前前，IGBTIGBT的的UGESUGES值值大大部部分分为为+20 +20 V V，使用中不能超过该值。，使用中不能超过该值。 额额定定集集电电极极电电流流ICSICS：该该参参数数给给出出了了IGBTIGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。在导通时能流过管子的持续最大电流。 : 五、五、IGBTIGBT的擎住效的擎住效应和安全工作区和安全工作区 在在IGBTIGBT内内部部寄寄生生着着一一个个N-PN+N-PN+晶晶体体管管和和作作为为主主开开关关器器件件的的P+N-PP+N-P晶晶体体管管组组成成的的寄寄生生晶晶体体
33、管管。一一旦旦J3J3开开通通，栅栅极极就就会会失失去去对对集集电电极极电电流流的的控控制制作作用用，导导致致集集电电极极电电流流增增大大，造造成成器器件件功功耗耗过过高高而而损损坏坏。这这种种电电流流失失控控的的现现象象，被被称称为为擎擎住住效效应应或或自自锁锁效效应应。引引发发擎擎住住效效应应的的原原因因，可可能能是是集集电电极极电电流流过过大大( (静静态态擎擎住住效效应应) )，也也可可能能是是最最大大允允许许电电压压上上升升率率duCEduCEdtdt过过大大( (动动态态擎擎住住效效应应) )，温度升高也会加重发生擎住效应的危险。，温度升高也会加重发生擎住效应的危险。 根根据据最最
34、大大集集电电极极电电流流、最最大大集集射射极极间间电电压压和和最最大大集集电电极极功功耗耗可可以以确确定定IGBTIGBT在在导导通通工工作作状状态态的的参参数数极极限限范范围围，即即正正向向偏偏置置安安全全工工作作电电压压(FBSOA)(FBSOA)；根根据据最最大大集集电电极极电电流流、最最大大集集射射极极间间电电压压和和最最大大允允许许电电压压上上升升率率可可以以确确定定IGBTIGBT在在阻阻断断工工作作状状态态下下的的参参数数极极限限范范围围，即即反反向偏置安全工作电压向偏置安全工作电压(RBSOA)(RBSOA)。: 六、六、IGBTIGBT的的驱动 (1) (1)对驱动电路的要求
35、对驱动电路的要求 IGBTIGBT是是电电压压驱驱动动的的，具具有有2.52.55.0 5.0 V V的的阈阈值值电电压压，有有一一个个容容性性输输入入阻阻抗抗，因因此此IGBTIGBT对对栅栅极极电电荷荷非非常常敏敏感感，故故驱驱动动电电路路必必须须很很可可靠靠，保保证证有有一一条条低低阻阻抗抗值值的的放放电电回路，即驱动电路与回路，即驱动电路与IGBTIGBT的连线要尽量短。的连线要尽量短。 用用内内阻阻小小的的驱驱动动源源对对栅栅极极电电容容充充放放电电，以以保保证证栅栅极极控控制制电电压压uGEuGE有有足足够够陡陡的的前前后后沿沿，使使IGBTIGBT的的开开关关损损耗耗尽尽量量小小
36、。另另外外，IGBTIGBT开开通通后后，栅栅极极驱驱动动源源应应能能提提供供足足够的功率，使够的功率，使IGBTIGBT不退出饱和而损坏。不退出饱和而损坏。 驱驱动动电电路路中中的的正正偏偏压压应应为为121215 15 V V，负负偏偏压压应应为为2210 V10 V。 IGBTIGBT多多用用于于高高压压场场合合，故故驱驱动动电电路路应应与与整整个个控控制制电路在电位上严格隔离。电路在电位上严格隔离。 驱驱动动电电路路应应尽尽可可能能简简单单实实用用，具具有有对对IGBTIGBT的的自自保保护功能，并有较强的抗干扰能力。护功能，并有较强的抗干扰能力。 若若为为大大电电感感负负载载，IGB
37、TIGBT的的关关断断时时间间不不宜宜过过短短，以以限制限制dididtdt所形成的尖峰电压，保证所形成的尖峰电压，保证IGBTIGBT的安全。的安全。: 六、六、IGBTIGBT的的驱动 (2) (2)驱动电路驱动电路 在在用用于于驱驱动动电电动动机机的的逆逆变变器器电电路路中中，为为使使IGBTIGBT能能够够稳稳定定工工作作，要要求求IGBTIGBT的的驱驱动动电电路路采采用用正正负负偏偏压压双双电电源源的的工工作作方方式式。为为了了使使驱驱动动电电路路与与信信号号电电隔隔离离，应应采采用用抗抗噪噪声声能能力力强强，信信号号传传输输时时间间短短的的光光耦耦合合器器件件。基基极极和和发发射
38、射极极的的引引线线应应尽尽量量短短，基基极极驱驱动动电电路路的的输输入入线线应应为为绞绞合合线线，其其具具体电路如图体电路如图4-224-22所示。所示。 : 七、七、 IGBT IGBT保保护 因因为为IGBTIGBT是是由由MOSFETMOSFET和和GTRGTR复复合合而而成成的的，所所以以IGBTIGBT的的保保护护可可按按GTRGTR、MOSFETMOSFET保保护护电电路路来来考考虑虑，主主要要是是栅栅源源过过电电压压保保护护、静静电电保保护护、采采用用R R、C C、VDVD缓缓冲冲电电路路等等等等。另另外外，也也应应在在IGBTIGBT电电控控系系统统中中设设置置过过压压、欠欠
39、压压、过过流流和和过过热热保保护护单单元元，以以保保证证安安全全可可靠靠工工作作。应应该该指指出出，必必须须保保证证IGBTIGBT不不发发生生擎擎住住效效应应。具具体体做做法法是是使使IGBTIGBT使使用的最大电流不超过其额定电流。用的最大电流不超过其额定电流。:第五第五节 其他新型其他新型电力力电子器件子器件 一、集成一、集成门极极换流晶流晶闸管管IGCTIGCT） 集集成成门极极换流流晶晶闸管管IGCT(Integrated IGCT(Integrated Gate Gate Commutated Commutated Thyristor) Thyristor) 是是20192019年
40、年问世世的的一一种种新新型型半半导体体开开关关器器件。件。IGCTIGCT是是将将门极极驱动电路路与与门极极换流流晶晶闸管管GCTGCT集集成成于于一一个个整整体体形形成成的的。门极极换流流晶晶闸管管GCTGCT是是基基于于GTOGTO结构构的的一一种种新新型型电力力半半导体体器器件件，它它不不仅有有与与GTOGTO相相同同的的高高阻阻断断能能力力和和低低通通态压降降，而而且且有有与与IGBTIGBT相相同同的的开开关关性性能能，即即它它是是GTOGTO和和IGBTIGBT相相互互取取长补短短的的结果果，是是一一种种较理理想想的的兆兆瓦瓦级、中中压开开关关器器件件，非非常常适适合合用用于于6k
41、V6kV和和10kV10kV的的中中压开关开关电路。路。:二、二、MOSMOS控制晶控制晶闸管管(MCT) (MCT) 1 1MCTMCT的结构与工作原理的结构与工作原理 MCTMCT是是在在晶晶闸闸管管结结构构基基础础上上又又制制作作了了两两只只MOSFETMOSFET，其其中中用用于于控控制制MCTMCT导导通通的的那那只只 MOSFETMOSFET称称为为开开通通场场效效应应晶晶体体管管(ON-FET)(ON-FET)，用用于于控控制制阻阻断断的的那那只只MOSFETMOSFET称称为为关关断断场场效效应应晶晶体体管管(OFF-FET)(OFF-FET)。根根据据开开通通场场效效应应晶晶
42、体体管管的的沟沟道道类类型不同，可分为型不同，可分为P-MCTP-MCT和和N-MCTN-MCT。 a) b) a) b) 图图4-24 P-MCT 4-24 P-MCT 单胞的等效电路及图形符号单胞的等效电路及图形符号 :二、二、MOSMOS控制晶控制晶闸管管(MCT) (MCT) 由由图图4-244-24可可见见，MCTMCT的的电电极极和和晶晶闸闸管管一一样样也也是是阳阳极极A A、阴阴极极K K和和门门极极G G，但但MCTMCT是是电电压压控控制制器器件件；晶晶闸闸管管的的控控制制信信号号加加在在门门极极与与阴阴极极两两端端，而而MCTMCT控控制制信信号号是是加加在在门门极极与与阳
43、阳极极两两端端。当当门门极极G G相相对于阳极对于阳极A A加负电压脉冲时，加负电压脉冲时，ON-FETON-FET导通导通 。 当当门门极极相相对对于于阳阳极极加加正正电电压压脉脉冲冲时时，OFF-FETOFF-FET导导通通，PNPPNP晶晶体体管管的的基基极极电电流流经经OFF-FETOFF-FET流流向向阳阳极极，使使PNPPNP管管截截止止，从从而而破破坏坏了了晶闸管的正反馈，使晶闸管的正反馈，使MCTMCT关断。关断。 一一般般使使MCTMCT导导通通的的负负脉脉冲冲电电压压为为5515V15V，使使MCTMCT关关断断的的正正脉冲电压为脉冲电压为+10+10+20V+20V。 :
44、 三、静三、静电感感应晶体管晶体管SIT SIT SITSIT器器件件在在结构构设计上上能能方方便便地地实现多多胞胞合合成成， SITSIT的的单元胞元胞结构如构如图4-264-26所示。所示。 a)a)单元元胞胞结构构 b)b)电气气图形形符号符号图4-26 SIT4-26 SIT的原理的原理结构及其构及其电气气图形符号形符号:静静电感感应晶体管晶体管SITSIT的控制的控制 SITSIT的的开开通通和和关关断断机机理理可可以以用用沟沟道道夹断断机机理理来来说明明。如如图4-26a4-26a所所示示，两两个个门极极区区之之间形形成成一一个个沟沟道道。当当门源源电压为零零，也也即即门源源极极短
45、短路路时，门源源结形形成成的的耗耗尽尽层不不可可能能在在沟沟道道中中心心相相遇遇，因因而而电子子流流不不会会被被夹断。断。 当当门源源之之间加加负电压，也也即即门源源结处于于反反向向偏偏置置时 ， 门 源源 间 PNPN结 耗耗 尽尽 区区 的的 宽 度度 增增 加加 ， 特特 别 是是uGS=UGS(off)uGS=UGS(off)时，耗耗尽尽层在在沟沟道道中中心心相相遇遇，沟沟道道中中的的电流流即即被被夹断断。这就就是是SITSIT的的关关断断原原理理。UGS(off)UGS(off)称称为夹断断电压。 SITSIT的的漏漏极极电流流不不但但受受门极极电压控控制制，同同时也也受受漏漏极极电
46、压的的控控制制，这种种情情况况与与真真空空三三极极管管非非常常相相似似。因而，因而，SITSIT呈呈现类似真空三极管的特性。似真空三极管的特性。 :四、静四、静电感感应晶晶闸管管SITH SITH SITHSITH是是在在SITSIT基基础上上发展展起起来来的的新新型型电力力电子子器器件件。SITHSITH的的单元元胞胞结构构如如图4-274-27所所示示。由由图可可以以看看出出其其结构构与与SITSIT的的差差别仅在在于于将将漏漏极极的的N+ N+ 区区换成成了了P+ P+ 区区，显然然在在阳阳极极处多多了了一一个个P+ P+ N N结。栅极极的的控控制制方方式式也与也与SITSIT类似，所
47、不同的似，所不同的是器件通是器件通态时，在漂移区，在漂移区产生很生很强强的的电导调制效制效应。在。在开开态呈呈现与整流器与整流器类似的特似的特性，其正、反向工作性，其正、反向工作时都具都具有阻断能力，故又称有阻断能力，故又称为场控控晶晶闸管管 。 a)a)单元元胞胞结构构 b) b)电气气图形符号形符号图4-27 SITH4-27 SITH的的结构及其构及其电气气图形符号形符号:静静电感感应晶晶闸管管SITHSITH的特点的特点 SITHSITH是是大大功功率率场控控开开关关器器件件，与与晶晶闸管管和和GTOGTO相相比比，它它有有许多多优点点，例例如如SITHSITH的的通通态电阻阻小小，通
48、通态电压低低，开开关关速速度度快快，开开关关损耗耗小小，正正向向电压阻阻断断增增益益高高，开开通通和和关关断断的的电流流增增益益大大，dididtdt及及dududtdt的的耐耐压高高。近近几几年年SITHSITH发展展很很快快，目目前前SITHSITH的的产品品容容量量已已达达到到100 100 A A2500 2500 V V，2200A2200A450V450V，400A400A4500V4500V。由由于于SITHSITH的的工工作作频率率可可达达100kHz100kHz以以上上，所所以以在在高高频感感应加加热电源中，源中，SITHSITH可取代可取代传统的真空三极管。的真空三极管。
49、:五、功率集成五、功率集成电路路PIC PIC PIC PIC应用可以分用可以分为三个三个领域：域： 低低压大大电流流PICPIC，主主要要用用于于汽汽车点点火火、开开关关电源源和同步和同步发电机等。机等。 高高压小小电流流PICPIC，主要用于平板，主要用于平板显示、交示、交换机等。机等。 高高压大大电流流PICPIC，主主要要用用于于交交流流电动机机控控制制、家家用用电器等。器等。:1 1PICPIC的典型构成的典型构成 图4-28 4-28 功率集成功率集成电路的典型构成路的典型构成 :2 2PICPIC的分的分类与与发展展 功功率率集集成成电电路路还还可可分分为为智智能能功功率率集集成
50、成电电路路(SPIC)(SPIC)和和高高压压功功率率集集成成电电路路(HVIC) (HVIC) 两两类类。SPICSPIC是是指指一一个个( (或或几几个个) )具具有有纵纵形形结结构构的的功功率率器器件件与与控控制制和和保保护护电电路路的的集集成成。HVICHVIC是是由由多多个个高高压压器器件件与与低低压压模模拟拟器器件件或或逻逻辑辑电电路路集集成成在在一一块块芯芯片片上上，其其功功率率器器件件是是横横向向的的，处处理理电流能力较低。电流能力较低。 随随着着半半导导体体技技术术的的发发展展和和工工艺艺技技术术的的进进步步，PICPIC发发展展的的动动向向必必然然是是高高压压化化(100(
51、1001200 1200 V)V)和和智智能能化化。同同时时，随随着着芯芯片片制制造造技技术术的的改改进进及及成成本本的的降降低低，单单片片化化、模块化成为今后的发展方向。模块化成为今后的发展方向。: 3 3SPICSPIC的基本功能的基本功能 SPICSPIC的的三三个个基基本本功功能能是是功功率率控控制制、传传感感、保保护护和和接接口口。功功率率控控制制部部分分具具有有处处理理高高电电压压大大电电流流或或两两者者兼兼有有的的能能力力。其其驱驱动动电电路路一一般般设设计计成成能能在在直直流流30V30V下下工工作作，这这样样才才能能对对MOSMOS器器件件的的栅栅极极提提供供足足够够的的电电
52、压压。另另外外，驱动电路必须能使控制信号传递到高压侧。驱动电路必须能使控制信号传递到高压侧。 ICIC的的保保护护电电路路一一般般通通过过含含有有高高频频双双极极晶晶体体管管的的反反馈馈电电路路来来完完成成。反反馈馈环环路路的的响响应应时时间间对对于于良良好好的的关关断断是是很很关关键键的的，由由于于在在发发生生故故障障期期间间系系统统电电流流以以很很快快的的速速度增加，因此这一部分需要由高性能模拟电路实现。度增加，因此这一部分需要由高性能模拟电路实现。 SPICSPIC的的接接口口功功能能是是通通过过完完成成编编码码操操作作的的逻逻辑辑电电路路来来实实现现的的。ICIC片片不不仅仅需需要要对
53、对微微处处理理器器 的的信信号号作作出出反反应应，而而且且必必须须传传送送与与工工作作状状态态或或负负载载检检测测有有关关的的信信息息，如如过热关断、无负载等。过热关断、无负载等。 : 六、智能功率模六、智能功率模块(1PM) (1PM) 智智能能功功率率模模块块IPM(Intelligent IPM(Intelligent Power Power Module)Module)是是电电子子集集成成电电路路PIC(Power PIC(Power Integrated Integrated Circuits)Circuits)的的一一种种。它它将将高高速速度度、低低功功耗耗的的IGBTIGBT，与
54、与栅栅极极驱驱动动器器和和保保护护电电路路一一体体化化，因因而而具具有有智智能能化化、多多功功能能、高高可可靠靠、速速度度快快、功功耗耗小小等等特特点点。由由于于高高度度集集成成化化使使模模块块结结构构十十分分紧紧凑凑，避避免免了了由由于于分分布布参参数数、保保护护延延迟迟等等带带来来的的一一系系列列技技术术难难题题。IPMIPM的的智智能能化化表表现现为为可可以以实实现现控控制制、维护、接口三大功能，构成混合式电力集成电路。维护、接口三大功能，构成混合式电力集成电路。 :1.IPM1.IPM的结构的结构 图图4-29 4-29 大功率大功率IPMIPM的封装剖面示意图的封装剖面示意图11电电
55、源源端端子子 22特特殊殊防防护护层层 33集集成成电电路路 44内内连连线线 55环氧树脂环氧树脂 66信信号号端端子子 77密密封封盒盒 88基基板板 9IGBT9IGBT芯芯片片 1010陶陶瓷基板瓷基板 11 11硅胶硅胶:IPMIPM有有4 4种功率电路结构类型种功率电路结构类型 图图4-30 IPM4-30 IPM的电路结构类型的电路结构类型 a) a) 单管型单管型 b) b) 双管型双管型c) 6c) 6管型管型 d) 7 d) 7管型管型:2. IPM2. IPM的保护功能图的保护功能图 图图4-31 IPM4-31 IPM的保护功能图的保护功能图 :IPMIPM的保护功能说
56、明的保护功能说明 IPMIPM的的主主要要保保护护功功能能有有：SCSC短短路路保保护护，其其中中RTCRTC为为实实时时控控制制电电路路；UVUV电电源源欠欠压压连连锁锁；DriveIGBTDriveIGBT的的栅栅极极驱驱动动电电路路； OCOC过过流流保保护护电电路路； OTOT过过热热保保护护电电路；路；TSTS温度传感器。温度传感器。 IPM IPM 内内含含驱驱动动电电路路，可可以以按按最最佳佳的的IGBTIGBT驱驱动动条条件件进进行行设设定定；1PM1PM内内含含过过流流保保护护、短短路路保保护护，使使检检测测功功耗耗小小、灵灵敏敏、准准确确；IPMIPM内内含含欠欠电电压压保
57、保护护，当当控控制制电电源源电电压压小小于于规规定定值值时时进进行行保保护护；IPMIPM内内含含过过热热保保护护，可可以以防防止止IGBTIGBT和和续续流流二二极极管管过过热热，在在IGBTIGBT内内部部的的绝绝缘缘基基板板上上设设有有温温度度检检测测元元件件，结结温温过过高高时时即即输输出出报报警警信信号号，该该信信号号送送给给变变频频器器的的单单片片机机，使使系系统统显显示示故故障障信信息息并并停停止止工工作作。IPMIPM还还内内含含制制动动电电路路，用用户户如如有有制制动动要要求求可可另另购购选选件件，在在外外电电路路规规定定端端子子上上接接制制动电阻，即可实现制动。动电阻，即可
58、实现制动。:本章小结本章小结 本本章章重重点点叙叙述述了了GTOGTO、GTRGTR、功功率率MODFETMODFET以以及及ICBTICBT四四种种常常用用的的全全控控电力力电子子器器件件的的结构构、工工作作原原理理、特特性性参参数数以以及及驱动和和保保护电路路。由由于于半半导体体材材料料和和制制造造工工艺的的进步步，电力力电子子器器件件近近年年来来又又有有了了很很大大的的发展展和和变化化，本本章章对SITSIT、SITHSITH、PICPIC以以及及IPMIPM器器件件的的结构构和和工工作作原原理理也也作作了了简要要的的介介绍，表表4-24-2列列出出了了全全控控电力力电子子器器件件特特点点及及性性能能，供供读者者参参考。考。 : :
