電力電子第2章——全控型器件

1、2.4 全全控型器件控型器件Full-controlled Devices主講：孫向東、伍文俊主講：孫向東、伍文俊 、寧耀斌、寧耀斌自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)- 目錄目錄門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管電力晶體管電力晶體管電力電力MOSFETMOSFET絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管電力電子電力電子器件器件總結(jié)總結(jié)2自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-32.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO(Gate-Turned-Off Thyristor)一、結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)與工作原理1 1、結(jié)構(gòu)：

2、、結(jié)構(gòu)：多元集成元件，放射門(mén)極結(jié)構(gòu)。它可以等效成多個(gè)小GTO元的集成(并聯(lián))-可實(shí)現(xiàn)門(mén)極控制關(guān)斷。對(duì)比晶閘管：中央門(mén)極結(jié)構(gòu)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-42 2、工作原理、工作原理與普通晶閘管相同，可采用雙晶體管模型分析。開(kāi)關(guān)速度高于普通晶閘管，di/dt承受能力大于晶閘管。3 3、電氣符號(hào)、電氣符號(hào)RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 晶閘管？自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-二、工作特性二、工作特性1 1、特點(diǎn)、特點(diǎn)1 1）門(mén)極可以控制開(kāi)通

3、，也可以控制關(guān)斷；-全控型 流控型器件 脈沖控制型52、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性伏安特性同晶閘管4）單向?qū)щ娦浴?）開(kāi)關(guān)速度及di/dt承受能力高于晶閘管2）開(kāi)通條件：正向陽(yáng)極電壓，正向門(mén)極電壓； 關(guān)斷條件：門(mén)極加負(fù)脈沖（不能通過(guò)門(mén)極電流為零來(lái)關(guān)斷）自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-63、動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性1 1）開(kāi)通過(guò)程：）開(kāi)通過(guò)程：開(kāi)通時(shí)間： ton=td+trSCRtt同上升時(shí)間延遲時(shí)間rdOt0tiGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技

4、術(shù)-72 2）關(guān)斷過(guò)程：）關(guān)斷過(guò)程： 關(guān)斷時(shí)間: toff=ts+tf+tt 存儲(chǔ)時(shí)間ts :IA0.9IA 下降時(shí)間tf: 0.9IA0.1IA 拖尾時(shí)間tt:遠(yuǎn)大ts Ot0tiGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間流逐漸減小時(shí)間 殘存載流殘存載流子復(fù)合所子復(fù)合所需時(shí)間需時(shí)間 門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡。抽走存儲(chǔ)載流子門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡。抽走存儲(chǔ)載流子的速度越快，的速度越

5、快，ts越小。若使門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，越小。若使門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則tt越小。越小。自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-83、最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO GTO通過(guò)負(fù)脈沖能夠關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流。它是GTO的額定電流。4、電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益off最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。一般很小，510。若1000A的GTO，門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值為200100A，很大，這是GTO的缺點(diǎn)。Back三三、可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)、可關(guān)斷晶閘管的主要

6、參數(shù)1、開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton：延遲時(shí)間和上升時(shí)間之和，td=1-2us，tr隨陽(yáng)極電流增大而增大。2、關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff：儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和，不包括拖尾時(shí)間， ts隨陽(yáng)極電流增大而增大，下降時(shí)間一般小于2us。自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-91 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)普通晶體管結(jié)構(gòu)GTR結(jié)構(gòu)符號(hào)2.4.2 2.4.2 電力晶體管電力晶體管GTRGTR(Giant TransistorPower BJT)(Giant TransistorPower BJT)一、結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)與工作原理由至少兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成單元，同GTO

7、一樣采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。2 2、工作原理、工作原理 同普通的雙極結(jié)型晶體管3 3、電氣符號(hào)、電氣符號(hào)Bipolar junction transistor自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-10二、工作特性二、工作特性2、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性3）開(kāi)關(guān)頻率較高、動(dòng)態(tài)性能好、功耗較小、控制方便。阻斷能力差、瞬態(tài)過(guò)電壓及過(guò)載能力差。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib200，u uGSGS u uT T. . 關(guān)斷條件關(guān)斷條件：( (漏源極電壓為正漏源極電壓為正) )，柵源極電壓小于開(kāi)啟電壓。即，柵源極電壓小于開(kāi)啟電

8、壓。即u uGSGS u uT T.漏源極加反壓，為二極管特性漏源極加反壓，為二極管特性!3、電氣符號(hào)、電氣符號(hào)閥值電壓自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-17二、工作特性二、工作特性1 1）柵極可以控制開(kāi)通，也可以控制關(guān)斷；）柵極可以控制開(kāi)通，也可以控制關(guān)斷；-全控型全控型 電壓控制型器件電壓控制型器件 電平控制型電平控制型2 2）導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件：正向漏源電壓，正向柵源電壓；：正向漏源電壓，正向柵源電壓； 關(guān)斷條件關(guān)斷條件： 柵源電壓小于開(kāi)啟電壓。柵源電壓小于開(kāi)啟電壓。1、特點(diǎn)、特點(diǎn)3)3)驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度高，無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)寬。驅(qū)動(dòng)功率小

9、，開(kāi)關(guān)速度高，無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)寬。4)4)單極型電壓驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好。單極型電壓驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好。自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-18 反映漏源電壓與漏極電流之間的關(guān)系。截止區(qū)，飽和區(qū)，非飽和區(qū)截止區(qū)，飽和區(qū)，非飽和區(qū)開(kāi)關(guān)狀態(tài)在截止區(qū)與非飽和區(qū)間來(lái)回轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)狀態(tài)在截止區(qū)與非飽和區(qū)間來(lái)回轉(zhuǎn)換 伏安特性伏安特性(輸出特性）輸出特性）2 2、工作特性、工作特性 1 1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性表示柵源電壓與漏極電流ID之間的關(guān)系2)2)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-193

10、)3)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 為多數(shù)載流子器件，沒(méi)有存儲(chǔ)效應(yīng)，沒(méi)有電流拖尾問(wèn)題，開(kāi)關(guān)時(shí)間短約20ns。開(kāi)通時(shí)間： ton=td（on）+tri+tfv關(guān)斷時(shí)間： toff=td(off)+trv+tfi uGSP：非飽和柵壓。RsRGRFRLiDuGSupiD+UE開(kāi)通延遲電流上升電壓下降關(guān)斷延遲電壓上升電流下降密勒平密勒平臺(tái)臺(tái)柵漏極間密勒電容反向充電柵漏極間密勒電容反向充電自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-20三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)2、漏極電壓漏極電壓 UDS：這是標(biāo)稱(chēng)電力MOSFET電壓定額的參數(shù)。3、漏極直流電流漏極直流電流I ID D和漏極脈沖電流

11、峰值漏極脈沖電流峰值IDM 這是標(biāo)稱(chēng)電力這是標(biāo)稱(chēng)電力MOSFET電流定額的參數(shù)，一般電流定額的參數(shù)，一般IDM是是ID的的2-4倍。在計(jì)算實(shí)際器件參數(shù)時(shí)，必須考慮其損耗及倍。在計(jì)算實(shí)際器件參數(shù)時(shí)，必須考慮其損耗及散熱情況得出殼溫，由此核算器件的電流額定。通常在散熱情況得出殼溫，由此核算器件的電流額定。通常在殼溫為殼溫為80到到90攝氏度時(shí)，器件可用的連續(xù)工作電流只有攝氏度時(shí)，器件可用的連續(xù)工作電流只有25攝氏度時(shí)攝氏度時(shí)ID的的60%到到70%。1、開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓 UT：使電力MOSFET導(dǎo)通的最小正向柵源極間電壓。4、柵源電壓柵源電壓 UGS 柵源之間很薄，一般電壓絕對(duì)值小于20V。自動(dòng)化

12、與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-217 7、安全工作區(qū)、安全工作區(qū) 漏源極間的耐壓、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)。不存在二次擊穿不存在二次擊穿問(wèn)題！問(wèn)題！5 5、漏、漏源通態(tài)電阻源通態(tài)電阻R RDSDS(on)(on) 該參數(shù)是在柵源間施加一定電壓該參數(shù)是在柵源間施加一定電壓（10-15V10-15V）時(shí)，漏源間的導(dǎo)通電阻。它直接影響器件的通）時(shí)，漏源間的導(dǎo)通電阻。它直接影響器件的通態(tài)壓降及損耗，它還與驅(qū)動(dòng)電壓及結(jié)溫有關(guān)。它具有態(tài)壓降及損耗，它還與驅(qū)動(dòng)電壓及結(jié)溫有關(guān)。它具有正的正的溫度系數(shù)，使得溫度系數(shù)，使得MOSFET

13、MOSFET并聯(lián)運(yùn)行較為容易。并聯(lián)運(yùn)行較為容易。6、極間電容、極間電容 MOSFET的三個(gè)電極之間分別為存在極間電的三個(gè)電極之間分別為存在極間電容容CGS、 CGDGD 、 CDS。Back自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-22 1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 2.4.4 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)(Insulated-Gate Bipolar Transistor)一、結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)與工作原理 IGBT為三端四層器件。由MOSFET和雙極性晶體管組合而

14、成。即在MOSFET的N+層上再加一層P型區(qū)。分N溝道IGBT，記為N-IGBT；和P溝道IGBT，記為P-IGBT。自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-232、工作原理、工作原理 導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件：集射電壓大于零，柵射電壓大于開(kāi)啟電壓uth； 關(guān)斷條件：關(guān)斷條件：柵射電壓小于開(kāi)啟電壓。3、電氣符號(hào)、電氣符號(hào)RN為晶體管基為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻阻電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)！電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)！自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-24 2 2、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性二、工作特性二、工作特性1 、特點(diǎn)、特點(diǎn)1）柵極可以控制開(kāi)通，

15、也可以控制關(guān)斷；-全控型 電壓控制型器件 電平控制型2）開(kāi)通條件：正向集射極電壓，正向柵射極電壓； 關(guān)斷條件：柵射極電壓小于開(kāi)啟電壓。3)驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度高于晶閘管、驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度高于晶閘管、GTOGTO器件，低于器件，低于MOSFETMOSFET器件。器件。無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)寬無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)寬 轉(zhuǎn)移特性：反映集電極電流Ic與柵射極電壓之間的關(guān)系。自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-25 伏安特性：反映集電極電流Ic與集射極電壓之間的關(guān)系。 有正向阻斷區(qū)，飽和區(qū)，有源區(qū)，反向阻斷區(qū)。在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)間開(kāi)關(guān)。與MOSFET差別自動(dòng)

16、化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-26IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程開(kāi)關(guān)過(guò)程密勒平密勒平臺(tái)臺(tái)3 3、動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性 1）開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通時(shí)間：ton=td+tri+tfv延遲時(shí)間td:0.1UGEM0.1Ic；上升時(shí)間tri: 0.10.9Ic 開(kāi)通延遲電流上升電壓下降開(kāi)通時(shí)UCE下降時(shí)間分為兩部分，tfv1和tfv2： tfv1:IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程; tfv2：MOSFET和PNP同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程，tfv2結(jié)束后IGBT才完全進(jìn)入飽和區(qū)。自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-27IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程開(kāi)關(guān)

17、過(guò)程密勒平密勒平臺(tái)臺(tái)2）關(guān)斷過(guò)程）關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷時(shí)間：toff=ts+tf=td(off)+trv+tfi1+tfi2; 關(guān)斷延遲（存儲(chǔ)時(shí)間）td(off):0.9UGEM0.9UcE;下降時(shí)間: tfi:0.9Ic0.1Ic; tfi=tfi1+tfi2;tfi1:IGBT內(nèi)MOSFET關(guān)斷過(guò)程。tfi2:IGBT內(nèi)PNP的關(guān)斷過(guò)程。 PNP的存在帶來(lái)電導(dǎo)調(diào)制效的存在帶來(lái)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但引入了少子儲(chǔ)應(yīng)的好處，但引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，使存現(xiàn)象，使IGBT開(kāi)關(guān)速度慢開(kāi)關(guān)速度慢于于MOSFET。關(guān)斷延遲電壓上升電流下降拖尾電流自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子

18、技術(shù)-284 4、IGBTIGBT的安全工作區(qū)的安全工作區(qū) 正向偏置安全工作區(qū)（正向偏置安全工作區(qū)（Forward Biased SafeForward Biased Safe Operating AreaFBSOA Operating AreaFBSOA） 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集根據(jù)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。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)（Reverse Biased Safe Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA Operating AreaRBSOA） 根據(jù)最大集電極電流、

19、最大集射極間電壓和最大允根據(jù)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許電壓上升率d dU UCECE/dt/dt。 為滿(mǎn)足實(shí)際電路需求，為滿(mǎn)足實(shí)際電路需求，IGBT往往與反并聯(lián)快速二極往往與反并聯(lián)快速二極管封裝在一起，制成逆導(dǎo)器件模塊。管封裝在一起，制成逆導(dǎo)器件模塊。自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-295 5、擎住效應(yīng)、擎住效應(yīng) IGBT內(nèi)部寄生一個(gè)N-PN+晶體管和P+NP晶體管組成的寄生晶閘管。NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P型體區(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(duì)J3J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3J3開(kāi)通，柵極

20、就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。引發(fā)擎柱效應(yīng)的原因： 集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)）； duCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)）。自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-30三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)1、最大集射極電壓 UCE：該參數(shù)決定了器件的最高工作電該參數(shù)決定了器件的最高工作電壓，這是由內(nèi)部壓，這是由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定的晶體管所能承受的擊穿電壓確定的;2、最大集電極電流 IC：包括在一定的殼溫下額定直流電包括在一定的殼溫下額定直流電流流IC和和1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICP。4、柵射電壓 UGE 柵源之間很薄，一般電壓絕對(duì)值小于柵源之間很薄，一般電壓絕對(duì)值小于20V20V。3、最大集電極耗散功率 PCM：在一定殼溫下，在一定殼溫下，IGBT允許允許的最大功耗，該功耗將隨殼溫升高而下降。的最大功耗，該功耗將隨殼溫升高而下降。Back自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系自動(dòng)化與信息工程學(xué)院電氣工程系-電力電子技術(shù)-nIGBT開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小，1000V以上電壓時(shí)，IGBT開(kāi)關(guān)損耗是GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)；n在相同電壓和電流定額情況下，IGBT安