第3講電力電子器件ppt課件

1、第3講晶閘管的參數(shù)及派生器件1-1第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件本次課主要學(xué)習內(nèi)容：本次課主要學(xué)習內(nèi)容：晶閘管的主要參數(shù)。（晶閘管的主要參數(shù)。（P10P10P14P14）晶閘管派生器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及晶閘管派生器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。選擇和使用中應(yīng)注意問題。 （P15P15P17P17）全控型器件的相關(guān)知識。全控型器件的相關(guān)知識。 （P18P18P29P29）1-21-31.2.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的定值

2、時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。正向峰值電壓。 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。向峰值電壓。 通態(tài)峰值電壓通態(tài)峰值電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：使用注意：1電壓定額電壓定額1-41.2.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流通態(tài)

3、平均電流 IT(AV IT(AV）在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為4040C C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流維持電流 IH IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持能維持導(dǎo)通所需的

4、最小電流。對同一晶閘管來說，通常導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常ILIL約為約為IHIH的的2424倍。倍。浪涌電流浪涌電流ITSMITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流不重復(fù)性最大正向過載電流 。2 2電流定額電流定額1-51.2.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 除開通時間除開通時間tgttgt和關(guān)斷時間和關(guān)斷時間tqtq外，還有：外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到

5、通閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dtdi/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。管損壞。3 3動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)1-61.2.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時

6、間以及開關(guān)時間以及du/dt和和di/dt耐量都有明顯改善。耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。DATASHEET1 1快速晶閘管快速晶閘管Fast Switching ThyristorFast Switching Thyristor FST)FST)1-71.2.4 晶閘管的派生器件晶閘

7、管的派生器件2 2雙向晶閘管雙向晶閘管Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor）圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。DATASHEET1-81.2.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘

8、管Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。1-91.2.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件光控晶閘管光控晶閘管Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強度強弱b)OUIA圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保

9、證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場合。1-101.3 典型全控型器件典型全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀80年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個嶄新時代。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。1-111.3 典型全控型器件典型全控型器件常用的典型全控型器件常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1-121.3.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(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

10、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）1-131.3.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管構(gòu)造：構(gòu)造：與普通晶閘管的相同點：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集是一種多元的功率集成器件。成器件。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

11、圖形符號1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-141.3.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 工作原理：工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來所示的雙晶體管模型來分析。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=12=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。是器件臨界導(dǎo)通的條件。 由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2 。1-151.3.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO能

12、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： 設(shè)計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關(guān)斷。 導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 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。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )圖1-7 晶閘管的工作原理1-161.3.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強烈正反饋,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 。 由上述分析我們可

13、以得到以下結(jié)論：1-171.3.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管開通過程：與普通晶閘管開通過程：與普通晶閘管相同相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同有所不同儲存時間儲存時間ts，使等效晶體，使等效晶體管退出飽和。管退出飽和。下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 殘存載流子殘存載流子復(fù)合。復(fù)合。通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要長。要長。門極負脈沖電流幅值越大門極負脈沖電流幅值越大，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形 GTO的動態(tài)特性

14、的動態(tài)特性1-181.3.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff（1開通時間開通時間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，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)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。1-191.3.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(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

15、一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）GMATOoffII1-201.3.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管電力晶體管Giant TransistorGTR，直譯，直譯為巨型晶體管）為巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也），英文有時候也稱為稱為Power BJT。DATASHEET 1 2 應(yīng)用應(yīng)用20世紀世紀80

16、年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶 閘 管 ， 但 目 前 又 大 多 被晶 閘 管 ， 但 目 前 又 大 多 被 I G B T 和 電 力和 電 力MOSFET取代。取代。術(shù)語用法：術(shù)語用法：1-21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晶體管按達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 。1.3.2 電力晶體管電力晶體管1GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖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

17、子的流動1-221.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(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MOSFETPower 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。 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1-231.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電力

18、MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和溝道和N溝道。溝道。 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。在導(dǎo)電溝道。 增強型增強型對于對于NP溝道器件，柵極電壓溝道器件，柵極電壓大于小于零時才存在導(dǎo)電溝道。大于小于零時才存在導(dǎo)電溝道。 電力電力MOSFET主要是主要是N溝道增強型。溝道增強型。DATASHEET1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1-241.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(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)電機理與小功率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)

19、，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。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1-251.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFETVertical MOSFET）。 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET）。 這里主要以VDMOS器件為例進行討論。電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1-26

20、1.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(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UGS大于UT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 。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力MOSFET的工作原理的工作原理1-271.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流漏極電流ID和柵源間電壓和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為的關(guān)

21、系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，較大時，ID與與UGS的關(guān)的關(guān)系近似線性，曲線的斜率系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)定義為跨導(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1-281.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管截止區(qū)對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)對應(yīng)于GTR的放

22、大區(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：010203050402468a)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/A1-291.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管開通過程開通過程開

23、通延遲時間開通延遲時間td(on) 上升時間上升時間tr開通時間開通時間ton開通延開通延遲時間與上升時間之遲時間與上升時間之和和關(guān)斷過程關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off)下降時間下降時間tf關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff關(guān)斷延關(guān)斷延遲時間和下降時間之遲時間和下降時間之和和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(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負載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動態(tài)特性1-301.3.3 電力場效應(yīng)晶

24、體管電力場效應(yīng)晶體管 MOSFET的開關(guān)速度和的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。充放電有很大關(guān)系。 可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度減小時間常數(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。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。 開關(guān)時間在開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達之間，工作頻率可達100kHz以上以上，是主要電力電子器件中最高的。，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。中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功

25、率。 開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度1-311.3.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(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CDS1-321.3.4 絕緣柵雙極

26、晶體管絕緣柵雙極晶體管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）(DATASHEET 1 2 )GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點。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的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，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。1-331.3.4 絕緣柵雙極晶

27、體管絕緣柵雙極晶體管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：柵極三端器件：柵極G、集電極、集電極C和發(fā)射極和發(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1-341.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 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)，具有很強的通流能力

28、。 簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(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)1-351.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 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

29、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的原理的原理1-36a)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1.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管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)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與與UGE間

30、的關(guān)系間的關(guān)系(開啟開啟電壓電壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個區(qū)域：正分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。和飽和區(qū)。1-371.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管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 與與MOSFET的相似的相似 開通延遲時間開通延遲時間td(on) 電流上升時間電流上升時間tr 開通時間開通時間ton uCE的下降過程分為的

31、下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。 t f v 1 I G B T 中中MOSFET單獨工作的電單獨工作的電壓下降過程；壓下降過程； tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時工作的晶體管同時工作的電壓下降過程。電壓下降過程。 (2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性1-381.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-24 IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off）電流下降時間電流下降時間 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為tfi1和和tfi2兩段。兩段。tfi1IGBT器件內(nèi)部器件內(nèi)部的的MOSFET的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程，iC下降較快。下

32、降較快。tfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。下降較慢。 IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-391.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管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

33、壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES1-401.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：的特性和參數(shù)特點可以總結(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VDMOSFET低。 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點 。 1-411.3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 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

34、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)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。1-421.4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1-431.4.

35、1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCT MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點： 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，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。 一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成。 每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(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未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。 MCTMOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合與晶閘管的復(fù)合(DATASHEET)1-441.4.2 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，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)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點：柵極不加信號時導(dǎo)通，加負偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，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。SITStatic Induction Transistor）結(jié)型場結(jié)型場效應(yīng)晶體管效應(yīng)晶體管1-451.4.3 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(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。 其很多特性與GTO類似，