電力電子器件3PPT課件

1、2.5 2.5 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的動(dòng)態(tài)特性 GTO的主要參數(shù) GTO的驅(qū)動(dòng) GTO的應(yīng)用特點(diǎn)第1頁/共127頁門 極 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 （門 極 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 （ G a t e - T u r n - O f f G a t e - T u r n - O f f Thyristor Thyristor GTOGTO） 晶閘管的一種晶閘管的一種派生器件派生器件，在晶閘管問世后不久出現(xiàn)，在晶閘管問世后不久出現(xiàn) 可以通過在門極施加可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 GTOGTO的電壓、電流容量較

2、大，與普通晶閘管接近，因的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用而在兆瓦級(jí)以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用2.5 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）第2頁/共127頁結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與 普 通 晶 閘 管 的 相 同 點(diǎn) ：與 普 通 晶 閘 管 的 相 同 點(diǎn) ： PNPNPNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：和普通晶閘管的不同：GTOGTO是一種是一種多元的功率集成器件多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小共陽極的小GTOGTO元，這些元

3、，這些GTOGTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起部并聯(lián)在一起2.5.1 GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基本結(jié)構(gòu)和工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKN1P1 P2AKGN2N2N2第3頁/共127頁工作原理：工作原理： 與普通晶閘管一樣： 1 1）可以用下圖所示的雙晶體管模型來分析 2 2） 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+21時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+21時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)2.5.1

4、GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基本結(jié)構(gòu)和工作原理第4頁/共127頁GTOGTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：與普通晶閘管有如下區(qū)別： 1 1）設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì) 2 2較大較大，使晶體管，使晶體管V V2 2控制靈敏，控制靈敏，易于易于GTOGTO關(guān)斷關(guān)斷 2 2）導(dǎo)通時(shí)）導(dǎo)通時(shí) 1 1+ + 2 2更接近更接近1 1（ 1.051.05，普通，普通晶閘管晶閘管 1 1+ + 2 2 1.151.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大導(dǎo)通時(shí)管壓降增大 3 3）多元集成結(jié)構(gòu)使

5、多元集成結(jié)構(gòu)使GTOGTO元陰極面積很小，元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得門、陰極間距大為縮短，使得P P2 2基區(qū)橫基區(qū)橫向電阻很小向電阻很小，能從門極抽出較大電流，能從門極抽出較大電流c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)2.5.1 GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基本結(jié)構(gòu)和工作原理第5頁/共127頁導(dǎo)通過程導(dǎo)通過程: :與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)通時(shí)飽和程度較淺飽和程度較淺關(guān)斷過程：關(guān)斷過程：強(qiáng)烈正反饋強(qiáng)烈正反饋門極加負(fù)脈沖即從門極門極

6、加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則抽出電流，則I Ib2b2減小，使減小，使I IK K和和I Ic2c2減小，減小，I Ic2c2的減小又使的減小又使I IA A和和I Ic1c1減小，又進(jìn)一步減小，又進(jìn)一步減小減小V V2 2的基極電流的基極電流 當(dāng)當(dāng)I IA A和和I IK K的減小使的減小使 1 1+ + 2 21 BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BUBUceoceo 實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUBUceoceo低得多2.6.3 GTR主要參數(shù)第33頁/共127頁2)2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流I IcMcM 通常規(guī)定為h hF

7、EFE下降到規(guī)定值的1/2-1/31/2-1/3時(shí)所對應(yīng)的I Ic c 實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一點(diǎn)3) 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率P PcMcM 最高工作溫度下允許的耗散功率 產(chǎn)品說明書中給P PcMcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 2.6.3 GTR主要參數(shù)第34頁/共127頁 一次擊穿一次擊穿電壓承受能力是電力電子器件的重要工作特性之一。GTR在其開關(guān)應(yīng)用中的電壓承受能力主要由它的集電結(jié)擊穿（雪崩擊穿）特性決定的。集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變2.6

8、.4 GTR的擊穿和安全工作區(qū)第35頁/共127頁二次擊穿二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時(shí)I Ic c增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，再經(jīng)數(shù)次類似過程之后必永久損壞。 實(shí)際應(yīng)用中，二次擊穿并不總是發(fā)生在一次擊穿之后?！盁犭娬答伬碚摗薄鞍l(fā)射極電流加緊效應(yīng)”2.6.4 GTR的擊穿和安全工作區(qū)第36頁/共127頁 安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSafe Operating AreaSOASOA）最高電壓U UceMceM、集電極最大電流I IcMcM、最大耗散功率P PcMcM、二次擊穿臨界線限定S

9、OAOIcIcMPSBPcMUceUceM2.6.4 GTR的擊穿和安全工作區(qū)第37頁/共127頁2.6.5 GTR2.6.5 GTR的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng) GTRGTR 開通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū) 關(guān)斷時(shí)施加一定的負(fù)基極電流以減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。 關(guān)斷后在基射極間加一定的負(fù)壓 前沿足夠陡峭第38頁/共127頁 GTRGTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分分貝克嵌位電路嵌位電壓補(bǔ)償加速開通2.6.5 GTR的驅(qū)動(dòng)第39頁/共127頁 GTRGTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部

10、的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分分0V限壓2.6.5 GTR的驅(qū)動(dòng)第40頁/共127頁2.6.6 GTR的應(yīng)用特點(diǎn) 曾經(jīng)是最主要的全控型電力電子器件，由于其屬于電流控制型器件，掌握合理的驅(qū)動(dòng)方法較困難，合理利用安全工作區(qū)、避免二次擊穿也并不容易，故電力晶體管在比較先進(jìn)的電力電子裝置和高功率、高速開關(guān)設(shè)計(jì)方面已逐步退出應(yīng)用。 由于其制造工藝簡單、價(jià)格低廉，控制線路較成熟，目前在一些傳統(tǒng)電力電子電路中還有一定的應(yīng)用。第41頁/共127頁2.7 電力場效應(yīng)晶體管 （Power Field Effect Transistor）第42頁/共127頁2.7 電力場效應(yīng)晶體管（Power

11、Field Effect Transistor） 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的基本特性 電力MOSFET的主要參數(shù) 電力MOSFET的驅(qū)動(dòng) 電力MOSFET的應(yīng)用特點(diǎn)第43頁/共127頁2.7 電力場效應(yīng)晶體管（Power Field Effect Transistor）場效應(yīng)晶體管：有電壓信號(hào)控制電流的半導(dǎo)體器件。場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型 結(jié)型：利用PN結(jié)的反向電壓對耗盡層厚度的控制來改變漏、源極之間導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制漏、源極之間的等效電阻和電流的大小。第44頁/共127頁2.7 電力場效應(yīng)晶體管（Power Field Effect Tran

12、sistor）場效應(yīng)晶體管：有電壓信號(hào)控制電流的半導(dǎo)體器件。場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型 絕緣柵型：利用柵極、源極之間電壓形成電場來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，改變導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，控制漏、源極之間的等效電阻和電流SiO2絕緣層第45頁/共127頁電力場效應(yīng)管也分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱 電力電力MOSFETMOSFET（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（St

13、atic Induction TransistorSIT）2.7 電力場效應(yīng)晶體管（Power Field Effect Transistor）第46頁/共127頁電力電力MOSFETMOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為 P P溝道溝道 和N 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 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理電子載流子具有更高的遷移率，利于提高電流密度第47頁/共127頁2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第48頁/共127頁電力電力MOSFETMOS

14、FET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 非電力MOS管，即小功率MOS管采用的是平面水平溝道作用，電流方向與芯片表面平行。 電力MOSFET具有垂直于芯片表面的導(dǎo)電路徑，也稱VMOS。其源極和漏極分置于芯片兩個(gè)表面，具有較高的通流能力和耐壓能力。2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第49頁/共127頁 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，電力MOSFET又分為：利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）電場集中2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第50頁/共127頁由于電力MOS是多元集成結(jié)構(gòu)，可按器件單元的平面布局特征取名。如 Intern

15、ational Rectifier的HEXFET采用正六邊形結(jié)構(gòu) Siemens的SIPMOSFET采用了正方形結(jié)構(gòu) Motorola的TMOS采用矩形單元的“品”字形排列 2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第51頁/共127頁電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第52頁/共127頁電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 截止：截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零nP基區(qū)與N區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第53頁/共127頁電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGSn柵極是絕緣的

16、，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第54頁/共127頁電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGSn當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使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)消失，漏極和源極導(dǎo)電n電壓驅(qū)動(dòng)型器件電壓驅(qū)動(dòng)型器件2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第55頁/共127頁電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) MOSFET是電壓控制型器件（場控器件），其輸入阻抗極高（101

17、5），輸入電流非常小。驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小 導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型器件；2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第56頁/共127頁2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理第57頁/共127頁1)1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 可以用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述01020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040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2.7.2 電力MOSFET基本

18、特性第58頁/共127頁漏極電流I ID D和柵源間電壓U UG SG S的關(guān)系稱為MOSFETMOSFET的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性，表征MOSFET的放大能力。曲線的斜率定義為 跨導(dǎo)跨導(dǎo)G GfsfsI ID D較大時(shí)，I ID D與與U UGSGS的關(guān)系近似線性，在一定范圍內(nèi)U UGSGS越高，通態(tài)時(shí)MOSFETMOSFET的等效電阻越小，管壓降U UDSDS也小些，為保證通態(tài)時(shí)漏- -源極之間的等效電阻、管壓降盡可能小， U UGSGS通常設(shè)計(jì)為大于10V10V。2.7.2 電力MOSFET基本特性第59頁/共127頁MOSFETMOSFET漏極伏安特性（輸出特性）漏極伏安特性（輸出特性）：

19、 指在一定的UGS時(shí)，漏極電流ID與漏-源電壓UDS之間的關(guān)系曲線。 當(dāng)UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 4) 極間電容極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS2.7.3 電力MOSFET主要參數(shù)第70頁/共127頁漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū) 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)不可能出現(xiàn)區(qū)域2.7.3 電力MOSFET主要參數(shù)第71頁/共127頁 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，開關(guān)時(shí)間短，一般為納秒級(jí)，工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR（不存在熱電反饋二次擊穿）電流容量小，耐

20、壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置（不存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，體電阻較大） 2.7.3 電力MOSFET主要參數(shù)第72頁/共127頁2.7.4 電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)1、與GTO和GTR通過電流驅(qū)動(dòng)不同，MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小，有利于驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)2、驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻要盡量小，以減小充電時(shí)間常數(shù)，提高開關(guān)速度，但要避免震蕩。3、理論場控器件靜態(tài)時(shí)幾乎不需要輸入電流，但開關(guān)過程中需要電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。4、為提高開關(guān)速度，驅(qū)動(dòng)電路必須有足夠的電壓以保證器件開通時(shí)有足夠的電壓變化率，進(jìn)而加快輸入電容充電。第73頁/共127頁2.7.4 電力MO

21、SFET的驅(qū)動(dòng)5、一般采用雙電源供電，MOSFET開通驅(qū)動(dòng)電壓一般為1015V，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)壓（-5V-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。6、需要電氣隔離。第74頁/共127頁電力電力MOSFETMOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路的一種驅(qū)動(dòng)電路A+-MOSFET20 V20 VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC推挽電路2.7.4 電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)第75頁/共127頁電力電力MOSFETMOSFET的薄弱之處是絕緣層易被擊穿損壞，柵源間的的薄弱之處是絕緣層易被擊穿損壞，柵源間的電壓不得超過電壓不得超過20V20V，使用時(shí)必須采用相應(yīng)保護(hù)措施：，使用時(shí)必須采用

22、相應(yīng)保護(hù)措施：2.7.5 電力MOSFET的應(yīng)用特點(diǎn)1、防止靜電擊穿（在靜電場較強(qiáng)的場合難于釋放電荷，容易引起靜電擊穿）2、防止柵源過電壓（柵極一般不容許開路或懸浮，防止靜電干擾使輸入電容上的電壓上升到大于門限電壓而造成誤導(dǎo)通，甚至損壞器件，為了保護(hù)器件，通常需要在柵源之間并接阻尼電阻或并接穩(wěn)壓管）電力MOSFET的通態(tài)電阻Ron具有正溫度系數(shù)，易于并聯(lián)使用電力MOSFET是多子導(dǎo)電的單極性器件，開關(guān)速度較快第76頁/共127頁2.7.5 電力MOSFET的應(yīng)用特點(diǎn)電力MOSFET是通態(tài)壓降與電流成正比單極性器件使其耐壓難以較好地提高，限制了器件在大功率場合的應(yīng)用第77頁/共127頁上次課內(nèi)容

23、回顧GTRSOAOIcIcMPSBPcMUceUceM二次擊穿第78頁/共127頁上次課內(nèi)容回顧電力MOSFET第79頁/共127頁上次課內(nèi)容回顧電力MOSFET密勒平臺(tái)Miller Plateau第80頁/共127頁1 IGBT1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2 IGBT2 IGBT的基本特性的基本特性3 IGBT3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)4 4IGBTIGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)5 5IGBTIGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)6 6IGBTIGBT的應(yīng)用特點(diǎn)的應(yīng)用特點(diǎn)2.8 2.8 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管第81頁/共127頁GTRGTR和和GTOG

24、TO的特點(diǎn)的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(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。 MOSFETMOSFET的優(yōu)點(diǎn)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。但是導(dǎo)通壓降大。兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件2.8 絕緣柵雙極型晶體管第82頁/共127頁根據(jù)開關(guān)狀態(tài)的控制方式的不同，有不同類型的Bi-MOS器件。比如有將單、雙極器件按達(dá)林頓方式結(jié)合在一起的利用MOS器件的漏極電流控制雙極器件開關(guān)狀態(tài)的電流型控制方式（器件集成），也有直接利用MOS柵控制雙極器件導(dǎo)電溝道的電壓型控制方式。電壓控制型：只能控制

25、開通的MOS柵晶閘管（MGT），能控制通斷的絕緣柵晶體管IGBT，以及由IGBT引出的一些新型器件如MOS控制的晶閘管（MCT）。 2.8 絕緣柵雙極型晶體管第83頁/共127頁絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 （絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorTransistorIGBTIGBT或或IGTIGT） GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。 1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSF

26、ET的市場，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。2.8 絕緣柵雙極型晶體管第84頁/共127頁IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理2.8 絕緣柵雙極型晶體管第85頁/共127頁2.8.1 IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理第86頁/共127頁IGBTIGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT）P溝道VDMOSFET與GTR組合P溝道IGBT（P-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力2.8.1 IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理第87頁/共127頁IGBTIGBT的原

27、理的原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定 導(dǎo)通導(dǎo)通：u uG EG E大于開啟電壓開啟電壓U UGE(th)GE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通,導(dǎo)通后的N飄逸區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，減小了電阻RN，使得高耐壓IGBT的通態(tài)壓降也較低。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.8.1 IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理第88頁/共127頁IGBTIGBT的原理的原理 驅(qū) 動(dòng) 原 理 與 電 力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決

28、定 關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或撤除u uG EG E時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得VJ1截止，IGBT關(guān)斷EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.8.1 IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理第89頁/共127頁2.8.2 IGBT的基本特性第90頁/共127頁1 1）IGBTIGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性同樣可以用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸

29、出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第91頁/共127頁轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓UG E ( t h )：IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓 UGE(th)隨溫度升高略有降低 UGE最大值限制EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第92頁/共127頁輸出特性輸出特性（伏安特性）UGE一定時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系 分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

30、分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)uCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)P+N+的正向偏壓所致IGBT不適合要求器件壓降低于0.7V的場合使用2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第93頁/共127頁通態(tài)壓降通態(tài)壓降:VDC(on)=VJ1+VN+IDRonEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) =(1+)CDPNPDPNPDIIII電流分配:高壓IGBT中PNP的電流放大倍數(shù)小于1，因此，流過MOS管的電流構(gòu)成IGBT電流的主要部分。2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第

31、94頁/共127頁 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb )GCc)第95頁/共127頁 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第96頁/共127頁 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性 IGBT的開通過程的開通過程與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行 開通延遲時(shí)間td(on) t0-t1 電流上升時(shí)間tri t1-t2 電壓下降時(shí)間tfv MOSFET的電壓下降時(shí)間tfv1(t

32、2-t3);PNP晶體管晶體管的電壓下降時(shí)間的電壓下降時(shí)間tfv2(t3-t4); 開通時(shí)間開通時(shí)間ton= td(on) + tri + tfv2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第97頁/共127頁 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性 IGBT的開通過程的開通過程與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) t5-t6 電壓上升時(shí)間trv t6-t7 電流下降時(shí)間tfi MOSFET的電流下降時(shí)間tfi1(t7-t8);PNP晶體管晶體管的電流下降時(shí)間的電流下降時(shí)間tfi2(t8-t9); 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff= td(off) +

33、 trv + tfi2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第98頁/共127頁 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET。 IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間是互相矛盾的參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)具體情況合理選擇。2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第99頁/共127頁IGBT的開關(guān)時(shí)間與漏極電流、門極電阻以及結(jié)溫等參數(shù)有關(guān)。2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性第100頁/共127頁2.8.3 IGBT2.8.3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)第101頁/共127頁1 1）最大集射極間電壓）最

34、大集射極間電壓U UCESCES ：內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓2 2）最大集電極電流：）最大集電極電流：允許通過集電極的最大電流。包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流I ICPCP3 3）最大集電極功耗）最大集電極功耗P PCMCM ：正常工作溫度下允許的最大耗散功率 2.8.3 IGBT的主要參數(shù)第102頁/共127頁IGBTIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)的特性和參數(shù)特點(diǎn)1. 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)2. 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3. 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特

35、別是在電流較大的區(qū)域4. 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似5. 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)2.8.3 IGBT的主要參數(shù)第103頁/共127頁2.8.4 IGBT2.8.4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)第104頁/共127頁寄生晶閘管寄生晶閘管 該晶閘管由寄生三極管Vj2和VJ 1組成。Rb r為Vj2的基極和發(fā)射極間的體區(qū)電阻。Rbr上的電壓降作為一個(gè)正向偏壓加在Vj2的基極和發(fā)射極之間。 當(dāng)IGBT處于截止態(tài)和正常穩(wěn)定通態(tài)時(shí)，Rbr上的壓降都很小，不足以產(chǎn)生Vj2的基極電流， Vj2不起作用。2.8.4

36、 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)第105頁/共127頁寄生晶閘管寄生晶閘管但是如果ic瞬時(shí)過大，Rbr上壓降過大，則可能使Vj2導(dǎo)通，一旦Vj2通，即使撤除柵極電壓，IGBT仍會(huì)像晶閘管一樣處于通態(tài)，使柵極G失去控制作用。這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。2.8.4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)第106頁/共127頁擎住效應(yīng)：擎住效應(yīng)：靜態(tài)擎住效應(yīng)靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng) 靜態(tài)擎住效應(yīng)：發(fā)生于導(dǎo)通狀態(tài)的IGBT中。即流過IGBT的電流過大，致使Rbr上的壓降足以使VJ2的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)：發(fā)生于IGBT的關(guān)斷過程中。MOS管迅速關(guān)斷，J2結(jié)反向電壓迅速建立，此時(shí)會(huì)發(fā)生

37、J2結(jié)電容電壓變化引起位移電流，該位移電流同樣會(huì)在體電阻Rbr上產(chǎn)生壓降。A動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要由電壓變化率決定，還受集電極電流和結(jié)溫的影響。他比靜態(tài)擎住效應(yīng)所容許的電流更小2.8.4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)第107頁/共127頁IGBTIGBT安全工作區(qū)：安全工作區(qū)：正向偏置安全工作區(qū)（正向偏置安全工作區(qū)（FBSOAFBSOA）和反向偏）和反向偏置安全工作區(qū)（置安全工作區(qū)（RBSOARBSOA）正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)（FBSOAFBSOA) 導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍：最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOARBS

38、OA）（表示驅(qū)動(dòng)電壓為0或負(fù)值時(shí)器件關(guān)斷瞬態(tài)的限制區(qū)域）阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍：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d du uCECE/dt/dt確定2.8.4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)第108頁/共127頁2.8.5 IGBT的驅(qū)動(dòng)第109頁/共127頁2.8.5 IGBT的驅(qū)動(dòng)IGBT的輸入阻抗高，屬于電壓型控制器件，要求的驅(qū)動(dòng)功率小IGBT的可以使用電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)技術(shù)對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但I(xiàn)GBT的柵極輸入電容較大，因而其驅(qū)動(dòng)電壓和反向偏壓較電力MOSFET高。具體而言IGBT的驅(qū)動(dòng)要求一般為：1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓（正向電壓1220V，反向偏壓一般-5-15V）

39、2）串聯(lián)柵極電阻（一方面減小柵極電阻利于器件的開通，另一方面過小的柵極電阻會(huì)降低柵極的噪聲抑制能力并且可能會(huì)引起震蕩）第110頁/共127頁M57962LM57962L型型IGBTIGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖圖13故障指示檢測端VCC接口電路門極關(guān)斷電路定時(shí)及復(fù)位電路檢測電路415861413uoVEE81546-10 V+15 V30 V+5 VM 57962 L14ui1快恢復(fù)trr0.2 s4.7k 3.1 100 F100 F過流保護(hù)2.8.5 IGBT的驅(qū)動(dòng)第111頁/共127頁2.8.6 IGBT的應(yīng)用特點(diǎn)第112頁/共127頁2.8.6 IGBT的應(yīng)用特點(diǎn)IGB

40、T是性能理想的中大容量的中高速電壓控制型器件在通流能力方面，IGBT綜合了電力MOSFET和GTR的導(dǎo)電特性（在1/2或1/3額定電流以下時(shí)，GTR壓降起主要作用，當(dāng)電流較大時(shí)功率MOSFET的壓降起主要作用）由于IGBT包含雙極性導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，其開關(guān)速度受制于少數(shù)載流子的復(fù)合，與電力MOSFET相比有較長的尾部電流時(shí)間第113頁/共127頁1. GTO：管壓降較大，容量較大（通流和耐壓能力）， fs較低，只能用于工頻場合，電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜（所有全控型器件中最復(fù)雜），驅(qū)動(dòng)電流很大。2. GTR：電流驅(qū)動(dòng)，容量中等，管壓降較低，開關(guān)頻率中等，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜3. IGBT：與GTR比，容量和管壓降差不多，但是fs明顯增加，開通損耗也更小。4. MOSFET： fs最高，但是通流容量較小，承受電壓較低各類全控型器件的總結(jié)第114頁/共1