電力電子技術(shù)-第一章第四節(jié).ppt

1.4 典型全控型器件,1.4.1 電力晶體管,電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）。 是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT，與GTR名稱等效。 20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前其地位已大多被IGBT和電力MOSFET所取代。,1,通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。,圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動,1.4 典型全控型器件,1.4.1 電力晶體管,1、GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理,2,在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。 集電極電流ic與基極電流ib之比為 GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。 單管GTR的 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。,1.4 典型全控型器件,1.4.1 電力晶體管,3,1.4 典型全控型器件,1.4.1 電力晶體管,2、GTR的基本特性,(1) 靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。 在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。 但在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。,4,1.4 典型全控型器件,1.4.1 電力晶體管,開通過程 延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton， 加快開通過程的辦法 。 關(guān)斷過程 儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff ， 加快關(guān)斷速度的辦法。 GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管短很多 。,(2) 動態(tài)特性,5,1.4 典型全控型器件,1.4.1 電力晶體管,3、GTR的主要參數(shù),1) 最高工作電壓 GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。 BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo。 實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。,2) 集電極最大允許電流IcM,3) 集電極最大耗散功率PcM,6,使用時，只能用到IcM的一半或稍多一點。,1.4 典型全控型器件,1.4.2 電力場效應(yīng)晶體管,分為結(jié)型和絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）,特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。 開關(guān)速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 但電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。,電力MOSFET,1,1.4 典型全控型器件,1.4.2 電力場效應(yīng)晶體管,MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。,1、電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,2,1.4 典型全控型器件,1.4.2 電力場效應(yīng)晶體管,電力MOSFET的結(jié)構(gòu),是單極型晶體管。 導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。 采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。,圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號,3,1.4 典型全控型器件,1.4.2 電力場效應(yīng)晶體管,截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓）時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。,電力MOSFET的工作原理（N溝道增強(qiáng)型MOS）,4,(1) 靜態(tài)特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。 ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。 是電壓控制型器件。,2、電力MOSFET的基本特性,1.4 典型全控型器件,1.4.2 電力場效應(yīng)晶體管,5,開通過程 開通延遲時間td(on) 上升時間tr 開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和 關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時間td(off) 下降時間tf 關(guān)斷時間toff關(guān)斷延遲時間和下降時間之和,(2) 動態(tài)特性,1.4 典型全控型器件,1.4.2 電力場效應(yīng)晶體管,6,開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。 場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。 開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。,電力MOSFET的開關(guān)速度,1.4 典型全控型器件,1.4.2 電力場效應(yīng)晶體管,3、電力MOSFET的主要參數(shù),7,1.4 典型全控型器件,1.4.3 絕緣柵雙極晶體管,GTR的特點雙極型電流驅(qū)動器件，其通流能力很強(qiáng)，但是開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 MOSFET的特點單極型電壓驅(qū)動器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。,兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）為其中一種,IGBT單管及模塊,1,1、IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E,1.4 典型全控型器件,1.4.3 絕緣柵雙極晶體管,2,基區(qū)調(diào)制電阻,驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。 導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。 通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。,IGBT的工作原理,3,2、IGBT的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性,轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th),輸出特性 分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。,1.4 典型全控型器件,1.4.3 絕緣柵雙極晶體管,4,IGBT的開通過程 與MOSFET的相似 開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 開通時間ton uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。,(2) IGBT的動態(tài)特性,1.4 典型全控型器件,1.4.3 絕緣柵雙極晶體管,5,圖1-24 IGBT的開關(guān)過程,關(guān)斷延遲時間td(off） 電流下降時間 關(guān)斷時間toff 電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。 tfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。 tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。,IGBT的關(guān)斷過程,1.4 典型全控型器件,1.4.3 絕緣柵雙極晶體管,6,IGBT的開關(guān)速度要低于電力MOSFET。,3、IGBT的主要參數(shù),正常工作溫度下允許的最大功耗 。,(3) 最大集電極功耗PCM,包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。,(2) 最大集電極電流,由內(nèi)部PNP晶體管所承受的擊穿電壓確定。,(1) 最大集射極間電壓UCES,1.4 典型全控型器件,1.4.3 絕緣柵雙極晶體管,7,IGBT的特性和參數(shù)特點總結(jié)如下：,開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。 通態(tài)壓降比MOSF