太陽能光伏發(fā)電專業(yè)電力電子課件第2章-2 典型全控型器件

1、電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4 典型全控型器件2.4.1 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO2.4.2 2.4.2 電力晶體管電力晶體管GTRGTR2.4.3 2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管MOSFETMOSFET2.4.4 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4 典型全控型器件引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4 典型全控型

2、器件引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件。 可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。 GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件

3、。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 工作原理工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。是器件臨界導(dǎo)通的條件。 由

4、P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1和 2 2 。電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院EAAGKEGRIAIC1IC2P1N1P2N1P2N2V1V2IGIK電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別區(qū)別： 設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 圖1-7 晶閘管的工作原理RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc 2I

5、c 1IAV1V2b )電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋,使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管開通過程開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同 儲存時(shí)間儲存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。 下降時(shí)間下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 殘存載流子復(fù)合。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 門極負(fù)脈沖電流幅

6、值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形 GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff（1）開通時(shí)間開通時(shí)間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相

7、同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）GMATOoffII電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.2 電力晶體管 電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Juncti

8、on TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT。 應(yīng)用應(yīng)用 20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。 術(shù)語用法術(shù)語用法：電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院與普通的雙極結(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。通常采用至少由兩個(gè)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 。電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.2 電力晶體管 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（1-9） GTR的電流放大系數(shù)電流放

9、大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo （1-10） 單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.2 電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和飽和區(qū)飽和區(qū)。 在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)

10、。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.2 電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對應(yīng)的Ic 。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.2 電力晶體管一次

11、擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。 只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。 安 全 工 作 區(qū) （安 全 工 作 區(qū) （ S a f e Operating AreaSOA） 最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區(qū) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院課堂提問課堂提問v

12、1. GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因？（或者是GTO與普通晶閘管的區(qū)別？區(qū)別？）v2.GTR的二次擊穿現(xiàn)象是什么？v3.怎么定義GTR的安全工作區(qū)？電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 開關(guān)速度快，工作頻率高。

13、熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 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 。電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)

14、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(jì)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 截止截止：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)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，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 。N+GSDP溝道b)

15、N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力電力MOSFET的工作原理的工作原理電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(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)移特性轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖

16、1-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 截止區(qū)截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)） 工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402

17、468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 開通過程開通過程 開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr 開通時(shí)間開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 關(guān)斷過程關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 下降時(shí)間下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSP

18、uTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。 可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。 不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。 開關(guān)時(shí)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(shí)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(dòng)功率。 開關(guān)頻率

19、越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管3) 電力電力MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 兩類器件取長補(bǔ)

20、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）(DATASHEET 1 2 ) GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。 1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡單。電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵

21、雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力具有很強(qiáng)的通流能力。 簡化等效電路

22、表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動(dòng)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)通導(dǎo)通：uGE大于開啟電

23、壓開啟電壓UGE(th)時(shí)，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)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 IGBT的原理的原理電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2.4.4 絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性

24、轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開啟電開啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關(guān)過程 IGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似v 開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) v 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr v 開通時(shí)間開通時(shí)間tonv uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩

25、段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。 (2) IGBTIGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵雙極晶體管圖1-24 IGBT的開關(guān)過程v關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）v電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間v 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toffv電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。vtfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。vtfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。 IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0U

26、GEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)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) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以

27、總結(jié)如下：v 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 v 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。v 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。v 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。v 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）最大集電極電流、最

28、大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA） 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。 擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對集電極電流的控制作用，電流失控。電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.5 其他新型電力電子器件電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.5.1 MOS控制晶閘管MCT MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： 承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。 高電壓，

29、大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。 一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成。 每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。 MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合(DATASHEET)電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT 多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。 在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱

30、等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 柵極不加信號時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通正常導(dǎo)通型型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。SIT（Static Induction Transistor）結(jié)型場效應(yīng)晶體管電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。 其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。SITH（Static

31、Induction Thyristor）場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.5.5 功率模塊與功率集成電路 20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊功率模塊。 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。 DATASHEET基本概念基本概念電力電子技術(shù) 海南科技職業(yè)學(xué)院2.5.5 功率模塊與功率集成電路 高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。 智能功率集成電路智能功率集成電路（Sma